全 文 ：远紫外辐射对紫杉幼苗针叶膜脂过氧化及
内源保护系统的影响*
杜英君* * 靳月华 (中国科学院沈阳应用生态研究所 沈阳 110015)
摘要 实验室条件下用远紫外线( UVBC)光源照射紫杉幼苗, 随照射时间延长,针叶的离子渗出率、膜脂过
氧化水平、组织自动氧化速率及 H2O2 含量显著增加,可溶性蛋白、抗坏血酸、类胡萝卜素和叶绿素含量下降, 叶
绿体光系统 II电子传递活性显著下降,外源活性氧清除剂苯甲酸钠和抗坏血酸对针叶膜脂过氧化有抑制作用;
甲基紫精和 DDC 对针叶膜脂过氧化有促进效果,远紫外线引起的紫杉伤害可能和针叶树的越冬光氧化伤害有
类似之处. 紫杉苗对紫外辐射的抗性远高于一般农作物.
关键词 紫杉 远紫外辐射 膜脂过氧化 内源保护系统
Effect of farultraviolet radiation on lipid peroxidation and inherent protection system in seedlings of Taxus cuspida
ta. DU Yingjun and JIN Yuehua ( I nstitute of App lied Ecology , Chinese A cademy of Sciences, S henyang 110015) .
Chin. J . A pp l . Ecol . , 2000, 11( 5) : 660~ 664.
The effect of farultraviolet radiation on lipid per oxidation and inherent pr otection system in seedlings of Taxus cusp i
data was examined wit h simulated UVBC irr adiation treatments. The electroly te leakage, lipid peroxidation, tissue
autox idation and H2O 2 content increased, w hile the contents of soluble pr otein, ascorbic acid, carotenoids, and chloro
phyll and the photosynthetic electron transport rate of Photosystem II decreased w ith the incr easing time of treatment.
The lipid perox idation of the needles w as inhibited by exogenous scavengers sodium benzoate and ascorbate, but en
hanced to some extent by met hyl v iologen and DDC ( an inhibito r of SOD ) . T he mechanisms of the injury of the
seedlings induced by UVBC radiation might be similar to that of photoox idation injuries of conifers in w inter . How ev
er , Taxus cusp idata was much more r esistant to UVBC radiation than crops.
Key words Taxus cuspidata, UVBC radiation, Lipid perox idat ion, Inherent protective system.
* 国家自然科学基金资助项目( 39570579)
* * 通讯联系人.
2000- 04- 13收稿, 2000- 06- 12接受.
1 引 言
环境问题已成为当今人类面临的主要挑战之一,
现代工业释放出的大量污染气体, 使得大气平流层中
臭氧含量下降, 导致到达地球表面的太阳紫外线
( UV)辐射增加,过量的紫外线对人类、动植物以及微
生物等都会产生伤害,在陆地生态系统中, 增加 UVB
辐射可以影响植物物质的产生和分解, 并使具大气重
要性质的痕量气体的吸收和释放产生变化. UV 影响
落叶层的分解, 从而影响微生物及养分供应, 导致初级
生产力下降;物种组成发生改变,这意味着不同生态系
统生物多样性的变化[ 2, 18] . 大量研究表明, 植物的许
多生理生化和发育过程受 UV 辐射影响[ 15, 17] . UV 可
影响植物的光合作用、呼吸作用、次生代谢、生长发育
等,但影响的机制尚缺乏研究.远紫外辐射诱发生物体
产生损伤已有报道[ 4] , 但对树木活体细胞诱发活性氧
引起膜脂过氧化伤害机制研究不多. 本文研究了远紫
外辐射( UVBC, 200~ 320nm )对紫杉( Taxus cusp ida
ta)幼苗针叶细胞膜脂过氧化及其防御系统的影响,为
探讨远紫外辐射对针叶树辐射损伤提供理论依据.
2 材料与方法
21 供试材料及处理
211 供试苗木 供试材料为紫杉( T axus cusp idata)扦插繁殖
苗,购自沈阳园林树木研究所, 圃地生长 4 个月后, 移入组织培
养实验室培养, 室内昼夜温度 25 ! / 12! , 相对湿度 70% 及室
内散射光条件下盆栽,在实验期内, 苗木生长正常.
212 叶绿体制备 仿照 Martin 等[ 12]的方法分离叶绿体, 随
后将叶绿体转移到反应液中,黑暗下 0~ 4 ! 冰箱中保存.
213 紫外辐射处理 处理光源由两只 20W 的 UVB( 313nm)
和一只 20W的 UVC( 254nm)构成,将其并排悬吊距幼苗顶部
15cm 的上方, 苗木受到的辐射强度为 230kJ∀m- 2d- 1 . 在室内
自然光下,每天辐照 8h,每隔 7d进行辐照后各项指标测定.
214 紫杉幼苗预处理 配制: 1) 二乙基二硫代氨基甲酸钠
( DDC) : 6mmo l∀L - 1; 2)苯甲酸钠( SB) : 5mmol∀L- 1 ; 3)甲基紫
精( MV) : 0. 015mmol∀L- 1 ; 4)抗坏血酸( AsA) : 2mmol∀L- 1 ; 5)
CK : H2O. 各试剂均含 0. 001%的 Tween80, 在室内自然光下,
对幼苗进行根浸及喷叶处理, 3d 后将幼苗在 1/ 2MS 培养基下
进行 UVBC辐照实验,同时继续进行 3d的喷叶处理, 10d 后进
应 用 生 态 学 报 2000 年 10 月 第 11 卷 第 5 期
CH INESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Oct. 2000, 11( 5)#660~ 664
行针叶 MDA及质膜相对透性的测定.
22 测定项目及方法
参考李锦树等[ 9] 的方法测定质膜相对透性; 丙二醛
( MDA)及组织自动氧化速率测定按李柏林等[ 8]介绍的硫代巴
比妥酸( TBA)法; 比色方法测定过氧化氢( H2O2)含量[ 7] ;叶绿
体光系统∃ ( PS∃ )电子传递活性测定采用 Oquist 等[ 13]介绍的
二氯酚靛酚( DPIP)还原法 ;抗坏血酸( AsA )含量测定按刘海玲
等[ 11]介绍的高压液相色谱法; 谷胱甘肽( GSH)测定参照 Ell
man[ 3]的方法 ;叶绿素( Chl)含量测定用类似 Arnon 方法; 比色
法测定类胡萝卜素( Car)含量; NBT 光化学还原法测定超氧化
物歧化酶( SOD)活性; 高锰酸钾滴定法测定过氧化氢酶( CAT )
活性[ 8] ; 可溶性蛋白质测定按李琳等[ 10]介绍的考马斯亮蓝法.
3 结果与分析
31 UVBC对针叶膜透性及 MDA含量的影响
随着 UVBC 处理时间的延长, 紫杉幼苗针叶电
解质渗漏率和 MDA 含量逐渐升高 (图 1) , 21d 前
MDA的增幅始终大于膜透性的增加, 21~ 28d MDA
增加平缓,而质膜透性不断增加, 28d 电解质渗漏率和
MDA含量分别为对照 145. 1%和 137. 1% , 差异达显
著水平( P< 0. 05) .
图 1 UVBC辐射对紫杉幼苗针叶电解质渗漏和 MDA 含量的影响
Fig. 1 Ef fect of UVBC radiat ion on MDA content an d elect rolyte leakage in
the needles of Taxus cuspidata seedlings.
32 UVBC对针叶组织自动氧化速率的影响
细胞内清除活性氧自由基的系统是很复杂的, 其
中某一种酶或某一物质的变化并不能代表机体总的保
护能力的变化, 用组织自动氧化速率可表示体内清除
自由基能力的大小[ 5] .随着 UVBC 辐照时间的延长,
组织自动氧化速率逐渐增加(图 2) , 21d前几乎直线上
升, 21d后上升平缓.处理 28d后紫杉针叶组织自动氧
化速率为对照的 139. 7%,差异显著( P< 0. 05) .整个变
化趋势与 MDA相似,但始终高于 MDA含量的变化.
图 2 UVBC辐射对紫杉幼苗针叶组织自动氧化速率的影响
Fig. 2 Ef fect of UVBC radiat ion on the autoxidat ion rate in the needles of
Tax us cusp idata seedlings.
33 UVBC对针叶H 2O2 含量变化的影响
H2O2是光合电子传递链的天然产物, 是对植物具
有毒害作用的一种活性氧. H 2O2 可抑制 CO2 固定、
SOD和卡尔文循环中一些酶的活性, 参与叶绿素的降
解,降低叶绿体的抗坏血酸含量等.H 2O2的 UVBC辐
射时间进程变化较平缓(图 3) , 7~ 14d无大变化, 28d
后H2O2含量为对照的 122. 07% .
图 3 UVBC辐射对紫杉幼苗针叶 H2O2 含量的影响
Fig. 3 Ef fect of UVBC radiat ion on the content of H2O 2 in the needles of
Tax us cusp idata seedlings.
34 UVBC对针叶活性氧清除酶活性的影响
SOD主要功能是清除 O2∀ ; CAT 清除细胞内过多
的H2O2,保护膜的结构及功能. U VBC 辐照紫杉幼
苗针叶 7d后 SOD和 CAT 活性均被诱导增加, 14d时
SOD和 CAT 活性分别为对照的 108. 5%和 112. 9%.
21d后 SOD活性开始下降, 处理 28d时, SOD活性为
对照的 85. 1% . UVBC 处理 21d后 CAT 活性略有下
降,达到对照水平, 但到 28d 时, 又增加至对照的
116. 4%(图 4) .
6615 期 杜英君等:远紫外辐射对紫杉幼苗针叶膜脂过氧化及内源保护系统的影响
图 4 UVBC辐射对紫杉幼苗针叶 SOD和 CAT 活性的影响
Fig. 4 Ef fect of UVBC radiat ion on the act ivity of SOD and CAT in the
needles of Tax us cusp idata seedlings.
35 UVBC对针叶抗氧化性物质含量的影响
UVBC 处理 7d后 AsA和类胡萝卜素( Car )含量
开始下降, 14d后 AsA下降幅度较大,辐照 28d后其含
量仅为对照的 34. 3% .相比而言, Car 下降平缓,辐照
21d 后下降幅度略有增加, 28d 后其含量为对照的
68. 6%,两者差异均达显著水平( P< 0. 05) . GSH 变化
与AsA 和 Car不同, 随 UVBC辐照天数的延长, GSH
含量则进一步增加, 14d 后达到最高值, 为对照的
119. 13% ,之后开始回落, 28d时基本恢复到对照水平
(图 5) .
36 UVBC对针叶可溶性蛋白和叶绿素含量的影响
可溶性蛋白质和叶绿素( Chl)含量的变化影响植
物的生长,随着 UVBC 处理天数增加, 叶绿素含量逐
渐下降, 21d后下降明显,处理 28d时其含量为对照的
78. 5% ,差异显著( P< 0. 05) . 针叶可溶性蛋白在处理
14d之前略有上升,之后开始下降, 28d后蛋白质含量
为对照的 83. 5% (图 6) .
37 UVBC对针叶叶绿体光系统∃电子传递活性的
影响
随UVBC 处理针叶天数延长, PS ∃电子传递活
性逐渐下降, 21d后下降明显, 28d时 PS ∃电子传递活
性为对照的 58. 1% ,差异显著( P< 0. 05) ,这种变化趋
势与 Chl和 Car下降呈正相关(图 7) .
38 外源活性氧清除剂和促进剂对紫杉针叶膜脂过
氧化的影响
图 5 UVBC辐射对紫杉幼苗针叶 AsA、GSH 和 Car 含量的影响
Fig. 5 Ef fect of U VBC radiat ion on the content of AsA, GSH and
carotenoids in th e needles of Tax us cusp idata seedlings.
图 6 UVBC辐射对紫杉幼苗针叶叶绿素和可溶性蛋白质含量的影响
Fig. 6 Ef fect of UVBC radiat ion on th e content of chlorophyll and soluble
protein in th e needles of Tax us cusp idata seedlings.
662 应 用 生 态 学 报 11卷
苯甲酸钠( SB)是羟自由基( ∀OH)的清除剂,二乙
基二硫代氨基甲酸钠( DDC)是一种铜的螯合剂,抑制
SOD活性,引起细胞内活性氧增加. 甲基紫精( MV)为
除草剂百草枯( Paraquat )的有效成分, 是叶绿体 PSI
的人工电子受体. UVBC 辐射紫杉幼苗下, MV 及
DDC对针叶膜脂过氧化损伤有不同的促进作用. M V
处理幼苗时, M DA 和质膜相对透性分别是对照的
122. 4%和 119. 0%, DDC 较 MV 效果明显, 处理幼苗
后, MDA和质膜相对透性分别是对照的 157. 0%和
156. 3%;外源 AsA和 SB对针叶膜脂过氧化损伤有抑
制作用, SB处理幼苗时 MDA和质膜相对透性分别是
对照的 94. 9%和84. 5%; AsA处理幼苗 MDA和质膜
相对透性分别是对照的 94. 7%和 88. 0%(表 1) .
图 7 UVBC辐射对紫杉幼苗针叶电子传递活性的影响
Fig. 7 Ef fect of UVBC radiat ion on the rate of DPIP reduct ion in the nee
dles of T ax us cuspid ata seedlings.
表 1 外源活性氧清除剂和促进剂对紫杉幼苗针叶膜脂过氧化的影响
Table 1 Effect of exogenous scavengers and accelerator of active oxygen on
l ipid peroxidation in the needles of Taxus cupidata seedl ings
处理
T reatment
丙二醛含量
MDA content
( nmol∀g- 1FW)
%
f cont rol
质膜相对透性 Electrolyte
leakage( % )
%
f control
CK( H2O) 49. 3 100 14. 2 100
SB( 5mmol∀L- 1) 46. 8 94. 9 12. 0 84. 5
AsA( 2mmol∀L- 1) 45. 7 94. 7 12. 5 88. 0
M V( 15mol∀L- 1) 60. 3 122. 4 16. 9 119. 0
DDC( 6mmol∀L- 1) 77. 4 157. 0 36. 4 156. 3
4 讨 论
针叶电导率的增加说明远紫外线损伤了细胞膜系
统, M DA 含量增加表明质膜伤害与其膜脂过氧化有
关.但需要指出,甚至 25%的电导率(图 1)也还离质膜
的不可逆伤害程度( 50%左右)尚远, 不足以直接导致
细胞和针叶的死亡. 紫外线照射后期针叶可溶性蛋白
含量虽下降不多,但却显著低于对照的分析结果, 表明
针叶蛋白质合成能力受到了损害. 针叶光合色素 % % %
叶绿素和类胡萝卜素含量及叶绿体光系统 II 的电子
传递活性都是从处理一开始就持续下降, 表明紫杉的
光合器官是对紫外线反应敏感的重要部位. 这一结果
与长白山针叶树越冬光氧化伤害相似[ 14] ,最近 Babu
等[ 1]证明紫外辐射和光合有效辐射混合光照使 PS II
反应中心 D1、D2蛋白降解速度被&放大∋,并认为光抑
制效应下积累起来的在 UVB波段有强烈吸收的还原
态 Q-A 等成分很可能是这种&放大∋作用的光敏剂.
H2O2增加平缓可能是因为 H2O2 通过 Fenton、
HaberWeiss反应和 UV( < 350nm)光解作用等而转化
成反应力极强的∀OH; 同时,也可能与 CAT、GSH 维持
较高水平有关. 淬灭单线态氧( 1O2)的类胡萝卜素及可
清除多种自由基的抗坏血酸含量下降显著; SOD活性
处理 21d被诱导增高,之后开始下降,组织自动氧化速
率增加,说明这些内源保护系统不协调,导致整体清除
水平下降,这将诱发活性氧自由基过剩(另文报道) ,引
起膜脂过氧化损伤; 外源活性氧清除剂 AsA、SB和促
进剂 MV、DDC对紫杉针叶膜脂过氧化的影响进一步
证实 UVBC辐射诱发活性氧, 引发膜脂过氧化是造
成紫杉幼苗伤害的主要原因之一.
U VBC 处理 14d的幼苗,在停止照射后继续观察
1个月, 针叶仍呈正常绿色,而照射达到 21d 以后, 即
便停止照射,放在室内散射光 15d以后,苗木表现出针
叶变褐、掉落直至苗木死亡. 本实验 UVBC 对紫杉的
辐射剂量高于研究较多的 UVB 对农作物的辐射剂
量,这可能与辐射波段及材料不同,以及存在吸收差异
有关[ 6, 16] .Hoque 和 Remus[ 5]特别强调表皮组织在阻
挡紫外线射入叶组织方面的作用, 认为到达叶表面的
紫外辐射, 能透射进叶片内部的不到 10%; 而针叶树
的针叶在阻挡紫外线方面又特别有效. 当然, 这方面工
作还有待于深入研究.
参考文献
1 Babu TS e t al . 1999. Amplified degradat ion of photosystem II D 1 and
D 2 proteins under a m ixture of photosynth etically act ive radiat ion and
U VB radiation: Dependence on redox status of photosystem II. Pho
tochem Photobiol , 69( 5) : 553~ 559
2 Caldw ell MM, T eramura HT , Tevini E e t al . 1995. E ffect s of in
creased solar ult raviolet radiat ion on terrest rial plants. A MBI O (人类
环境杂志) , 24( 3) : 165~ 172
3 Ellman GL. 1959. T issue sulfhydryl groups. Arch Biochem Biop hys ,
82: 70~ 77
4 Ensvinger PA. 1993. Cont rol of development in plants and fungi by
farUV radiation. Physiol Plant , 88: 501~ 508
5 Hoque E, Remus G. 1999. Natural UVscreening mechanisms of Nor
w ay spruce ( Picea abies [L. ] Karst . ) needles. Photochem Photobiol ,
69( 2) : 177~ 192
6 Huang SB(黄少白) , Liu XZ(刘晓忠) , Dai QJ (戴秋杰) . 1998.
Ef fect of ultravioletB irradiat ion on lipid peroxidat ion in spinach
leaves. A cta Bot S in (植物学报) , 40( 6) : 542~ 547( in Chinese)
7 Jiang MY(蒋明义) , Guo SC( 郭绍川 ) . 1996. Iron catalysed lipid
peroxidat ion in rice seedlings under osmot ic stress. A cta Phytop hysiol
6635 期 杜英君等:远紫外辐射对紫杉幼苗针叶膜脂过氧化及内源保护系统的影响
Sin (植物生理学报) , 22( 1) : 6~ 12 ( in Chinese)
8 Li BL(李柏林) , Mei HS(梅慧生) . 1989. Relat ionship betw een oat
leaf senescence an d act ivated oxygen metabolism. Acta Phytop hysiol
Sin (植物生理学报) , 15( 1) : 6~ 12( in Ch inese)
9 Li JS(李锦树) , Wang HC (王洪春) , Wang WY(王文英) . 1983.
Ef fect s of drought st ress on cell membrane permeabilit y and mem
branelipid of corn leaves. Acta Phytophysiol S in ( 植物生理学报) , 9
( 3) : 223~ 229( in Chinese)
10 Li L(李 琳) , Jiao XZ(焦新之) . 1980. A method of assay protein
using coomassie brilliant bluiant blue G250 of as astaing. Pla nt Physi
ol Commun (植物生理学通讯) , ( 6) : 52~ 55( in Chinese)
11 Liu HL( 刘海玲) , Du YJ (杜英君) , Yang ZY( 杨志勇) . 1994.
High effect ive liquid chromatographic analysis of vitamin C in Pinus
koraiensis and Picea kor aiensi s leaves. Chin J App l Ecol (应用生态学
报) , 5( 4) : 442~ 443( in C hin ese)
12 Mart in B, Artensson O, Oquist GM. 1978. Seasonal ef fects on photo
synthet ic elect ron t ransport and f luorescence propert ies in isolated
chloroplasts of Pinus syl v est ris . Physiol Plant , 44: 102~ 109
13 Oquist G, H ellgren NO. 1976. T he photosynthet ic elect ron transport
capacity of chloroplast s prepared from needles of unhardened and hard
ened seedlings of Pinus syl vest ris . Plan t Sci L et t , 7: 359~ 369
14 T ao DL(陶大力) , Jin YH (靳月华) , Du Y J(杜英君) . 1990. PS II
elect ron transport and superoxide dismutase of Korean pine during
w inter. S ci Si lv ae S in(林业科学) , 26( 4) : 289~ 293( in Chinese)
15 Wang X J(王小菁) , Pan RC(潘瑞炽) . 1995. Inf luence of UVB on
growth, yield and some metabolic processes in higher plant . Plant
Physiol Commun(植物生理学通讯) , 31( 5) : 385~ 389( in Chinese)
16 Yan B(晏 斌) , Dai QJ (戴秋杰) . 1996. Effect s of ultravioletB ra
diat ion on act ive oxygen metabolism and membrane system of rice
leaves. A cta Phytophysiol Sin (植物生理学报) , 22 ( 4) : 373~ 378( in
Chinese)
17 Yang ZM(杨志敏) , Yan JY(颜景义) , Zheng YF(郑有飞) . 1994.
Ef fect s of increased ultraviolet radiation on grow th of plants. Plant
Physiol Commun(植物生理学通讯) , 30( 4) : 241~ 248( in Chinese)
18 Zepp RG, Callaghan TV, and Erickson DJ. 1995. Effect s of solar ul
t raviolet radiat ion on biogeochemist ry cycle. A MBI O ( 人类环境杂
志) , 24( 3) : 180~ 186
作者简介 杜英君,男, 1963 年生, 助理研究员, 主要从事植物
生理研究,发表论文多篇.
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