全 文 ：研究报告
Research Report
克隆整合提高异质性UV -B辐射下活血丹抗氧化酶活力
李倩 毛少利 李为民 李阳 *
陕西省西安植物园,西安, 710061
*通讯作者, guosen1025@163.com
摘 要 增强 UV-B辐射会对植物生长和生理生化过程产生有害效应。克隆植物中，相连的克隆分株对
经常共享资源和激素，然而鲜有关于异质性 UV-B辐射下抗氧化酶活力变化的报道。本研究模拟同质(克
隆分株片段均处于自然背景辐射)和异质(克隆分株一端处于自然背景辐射, 另一端处于补加的 UV-B辐
射) UV-B辐射，以克隆植物活血丹为材料，进行连接和隔断处理，研究异质性 UV-B辐射下，克隆整合对
活血丹抗氧化酶(超氧化物歧化酶(SOD), 过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT))活力的影响。结果表明：
与处于同质 UV-B辐射环境相比，异质 UV-B辐射下连接处理中的活血丹 UV-B辐射端抗氧化酶活力显
著增加，说明克隆植物生理整合存在，且克隆整合提高了活血丹抗氧化酶活力。表明异质 UV-B辐射环境
中，UV-B辐射胁迫端克隆分株通过生理整合从非胁迫端获益，最大化地利用资源。
关键词 克隆整合,环境异质性, UV-B辐射,活血丹,抗氧化酶活力
Clonal Integration Enhanced the Activity of Antioxidant Enzymes in Glech-
oma longituba under Heterogeneous UV-B Radiation
Li Qian Mao Shaoli Li Weimin Li Yang *
Xi’an Botanical Garden of Shaanxi Province, Xi’an, 710061
* Corresponding author, guosen1025@163.com
DOI: 10.13417/j.gab.035.000213
Abstract Ultraviolet-B (UV-B) radiation can result in deleterious effects on growth and physiology and bioche-
mistry of many plants. In clonal plants, resources and hormones are often shared between connected ramets. Little
is still known about the response of antioxidant enzyme activity in clonal plants to heterogeneous ultraviolet-B
radiation. In this study, we simulated the homogeneity (both of ramets received only natural background radiation)
and heterogeneity of UV-B radiation (one of the ramet received only natural background radiation and the other was
exposed to supplemental UV-B radiation), used the pairs of connected and severed ramets of the stoloniferous herb
Glechoma longituba that were grown under the heterogeneity of UV-B radiation and studied the clonal integration
effect on the activity of antioxidant enzymes (SOD, POD, CAT). The result showed that in comparison with clones
under homogeneous ultraviolet-B radiation, the activity of antioxidant enzymes increased notably if ultraviolet-B
stressed ramets were connected to untreated ramets. It indicated that physiological integration existed in clonal
plants, and the activity of antioxidant enzymes of Glechoma longituba increased by clonal integration. It is
exhibited that the ultraviolet-B stressed ramets benefited from unstressed ramets by physiological integration and
to maximize the utilization of resources.
Keywords Physiological integration, Environmental heterogeneity, Ultraviolet-B radiation, Glechoma longituba,
Antioxidant enzyme activity
基金项目：本研究由国家自然科学基金(31200249, 31500322)、陕西省科技厅农业攻关项目(2014K01-12-02)和陕西省科学院青
年人才培养项目(2013K-20, 2014K-24, 2014K-25)共同资助
基因组学与应用生物学，2016年，第 35卷，第 1期，第 213-217页
Genomics and Applied Biology, 2016, Vol.35, No.1, 213-217
基因组学与应用生物学
Genomics and Applied Biology
克隆植物广泛分布于几乎所有的生态系统中，在
一些极端环境下，克隆植物更是占据统治地位
(Jónsdóttir and Watson, 1997)，例如沙漠、湿地、高山、
极地等。克隆植物在地球上的广泛分布与它具备的生
理整合特性密不可分，糖类、营养物质和水分等物质
和资源通过匍匐茎或根状茎在克隆分株间进行传输
和分享的过程我们称之为克隆植物生理整合(Mashall,
1990; Saitoh et al., 2006)。许多研究表明生理整合可以
使克隆植物跨越并占据尺度不同的生境资源斑块，能
显著提高其生存能力或促进其生长，在胁迫环境下尤
为明显(Brewer and Bertness, 1996; Chen et al., 2010)。
例如，与克隆分株相连的野生草莓(Fragaria vesca)母
株(基株)的光合效率因分株受遮荫和干旱胁迫而增
加，这被认为是一种与源-库假说相一致的反馈调节
机制(Roiloa and Retuerto, 2007)。克隆植物通过生理整
合作用实现资源共享，提高逆境胁迫分株对异质生境
的适应能力和抗胁迫能力(Yu et al., 2004; Saitoh et
al., 2006;张想英等, 2010)，而抗胁迫能力的提高与植
物体内较低的活性氧水平与较高的抗氧化酶活性密
切相关(胡俊靖等, 2015)。异质水分环境条件下，与野
牛草(Buchloe dactyloides)克隆分株相连处理分株超氧
化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)活性与丙二醛
(MDA)含量均显著升高，但受体分株抗氧化酶活性和
MDA含量增幅相对减缓(钱永强, 2008)。
活血丹(Glechoma longituba)是一种多年生匍匐
茎型克隆草本，通过产生较长的地上匍匐茎来实现
克隆生长，对异质性环境敏感，表现出了高度的可塑
性。对正午克隆植物活血丹叶片水势、净光合速率、
量子产量、根长和生物量等指标的研究显示随着斑
块养分资源差异的增大，处在高营养斑块的克隆分
株的氮和磷利用效率均明显增加，并未因其向处在
低营养斑块的分株输出养分而受到损失(Zhang and
He, 2009)。太阳背景辐射中的 UV-B虽然在光谱中
比例不高，但却具有极大的生物学效应，影响植物的
生长发育过程(Hideg et al., 2013)。植物的光合作用及
抗氧化系统也显著受 UV-B的调控和诱导。由于地
理纬度、海拔高度、云量和太阳高度角等多种因素的
影响，太阳辐射中的 UV-B辐射强度也存在很大的
异质性(Kakani et al., 2003)。
因此，本研究将以克隆植物活血丹为研究对象，
模拟同质和异质 UV-B辐射环境，进行两组试验，连
接和隔断，分析克隆分株抗氧化系统的变化规律分
析，有助于全面认识 UV-B辐射在克隆植物生长调
控中的作用，为了解异质性 UV-B环境下克隆植物
生理整合的机理提供理论依据。
1结果与分析
1.1 异质性 UV-B 辐射下活血丹克隆分株叶片 SOD
活力的变化
同质 UV-B 辐射下，切断处理造成抗氧化酶
SOD活力显著提高(图 1中 A和 B组)。异质 UV-B
辐射下，补加 UV-B辐射可造成连接处理中 CⅡ处
理组 SOD 活力显著高于和它相连但无补加 UV-B
辐射的 CⅠ处理组，CⅡ处理组 SOD活力明显高于同
质 UV-B辐射连接处理 A。然而在异质 UV-B辐射切
断处理组中，补加 UV-B辐射使 DⅡ处理组 SOD活
力低于 DⅠ处理组，且 DⅡ处理组 SOD活力低于同
质 UV-B辐射切断处理 B。
1.2 异质性 UV-B 辐射下活血丹克隆分株叶片 POD
活力的变化
切断处理可提高抗氧化酶 POD活力(图 2中 A
和 B组)，但补加 UV-B辐射造成 POD活力的降低
(图 2中DⅠ和DⅡ处理组)。然而异质 UV-B辐射下，
补加 UV-B辐射可造成连接处理中 CⅡ处理组 POD
活力显著高于和它相连但无补加 UV-B辐射的 CⅠ
处理组，CⅡ处理组 POD活力明显高于同质 UV-B
辐射连接处理A，但 CⅠ处理组 POD活力低于A组。
1.3 异质性 UV-B 辐射下活血丹克隆分株叶片 CAT
活力的变化
抗氧化酶 CAT活力的变化趋势和 POD一致。
图 1生理整合和异质性 UV-B辐射对活血丹抗氧化酶 SOD
活力变化的影响
注:图中相同字母表示不同处理间结果无显著性差异(p<0.05,
n=6);可参照图 4的试验设计;下图类同
Figure 1 The effects of physiological integration and heteroge-
neous UV-B radiation on activities of SOD in Glechoma longituba
Note: The same letter in each row indicated no significant differ-
ence among different treatments (p<0.05, n=6); See figure 4 for
experimental design; Sic passim
214
抗氧化酶 CAT活力在切断处理下提高(图 3中 A和
B组)，补加 UV-B辐射 CAT活力反而降低(图 3中
DⅠ和 DⅡ处理组)。在异质 UV-B辐射切断处理组
中，补加 UV-B辐射使 DII处理组 CAT活力低于 DⅠ
处理组，且 DⅡ处理组 CAT活力低于同质 UV-B辐
射切断处理 B。然而连接处理中，补加 UV-B辐射使
CⅡ处理组 CAT 活力显著高于和它相连但无补加
UV-B辐射的 CⅠ处理组，CⅡ处理组 CAT活力明显
高于同质 UV-B 辐射连接处理 A，但 CⅠ处理组
CAT活力低于 A组。
2讨论
切断造成活血丹克隆分株抗氧化酶 SOD、POD
图 2生理整合和异质性 UV-B辐射对活血丹抗氧化酶 POD
活力变化的影响
注:图中相同字母表示不同处理间结果无显著性差异(p<0.05,
n=6)
Figure 2 The effects of physiological integration and heteroge-
neous UV-B radiation on activities of POD in Glechoma longituba
Note: The same letter in each row indicated no significant differ-
ence among different treatments (p<0.05, n=6)
图 3生理整合和异质性 UV-B辐射对活血丹抗氧化酶 CAT
活力变化的影响
注:图中相同字母表示不同处理间结果无显著性差异(p<0.05,
n=6)
Figure 3 The effects of physiological integration and heteroge-
neous UV-B radiation on activities of CAT in Glechoma longituba
Note: The same letter in each row indicated no significant differ-
ence among different treatments (p<0.05, n=6)
和 CAT活力显著增加。UV-B辐射导致植物体内有
害自由基的积累，自由基的积累造成体内清除自由
基系统的失衡，从而形成脂质过氧化。抗氧化酶系统
的增强有利于清除超氧自由基，这是一种有效地应
对 UV-B辐射的机制(Qiu et al., 2007)。然而在异质性
UV-B辐射处理下，补加 UV-B辐射的 CⅡ处理组抗
氧化酶活力显著增高，但和它相连无补加 UV-B辐
射的 CⅠ处理组抗氧化酶活力却显著降低(低于同样
处理条件的处理组 A)，高的生理可塑性可以增加对
外界环境因子的耐受性，提高其适合度，当克隆植物
处于异质性环境中时可发挥重要作用(Sultan, 1995)。
克隆植物相连克隆分株不仅会对发生本地效应，即
对自身所处板块产生响应，也会对与之相连分处的
斑块产生非本地效应的响应，而本地效应会因非本
地效应的影响而改变，表现出环境胁资源供给差异
带来的远端效应 (Dong, 1995)。本研究中异质性
UV-B辐射下，克隆植物活血丹分株发生生理整合，
增强了抗氧化系统的活性氧清除能力，提高了克隆
系统的适合度，同时也说明活血丹相连克隆分株在
异质 UV-B环境下，通过改变抗氧化系统来感知胁
迫分株的逆境环境，从而对相连的受胁迫分株的逆
境做出响应，这与钱永强(2008)对野牛草生理整合及
其调控机制的研究结果一致。
异质性 UV-B辐射下，克隆植物活血丹生理整
合的存在，使 UV-B 辐射胁迫端获益，但它以和
UV-B辐射胁迫端相连的非胁迫端的损耗为代价，克
隆植株整体受益，有利于植株在胁迫环境条件下生
存和生长。UV-B辐射对植物的生长过程有一定的负
效应，因此植物通过产生紫外吸收物来防御 UV-B
辐射的伤害。紫外吸收物在 UV-B 辐射胁迫端和
UV-B辐射非胁迫端活血丹克隆分株间分享，使我们
认识到克隆植物生理整合不仅包括资源生理整合，
也包括防御性生理整合。总之，克隆整合提高异质性
UV-B辐射下活血丹抗氧化酶活力。
3材料与方法
3.1试验材料
秦岭北坡海拔 600~800 m 范围内采集生长状
况一致的活血丹克隆分株对，在西北大学生物园
温室内(海拔 397 m, 地理位置为 34.3°N, 108.9°E)。
培养三代(减少遗传差异)后，移植于 0.6 m×0.6 m×
0.4 m 的培养池中，培养池一分为二，中间用薄木
板和防水塑料布分隔，各植分株对中的一支。培养
池土壤基质为沙:有机质:泥炭=1:1:2，进行 2 周的
克隆整合提高异质性 UV-B辐射下活血丹抗氧化酶活力
Clonal Integration Enhanced the Activity of Antioxidant Enzymes in G. longituba under UV-B Radiation 215
基因组学与应用生物学
Genomics and Applied Biology
培养后，选择分株大小基本一致的分株对进行试验。
试验地环境温度为 25℃，相对湿度为 40%~60%，昼
夜节律为 14/10 h，其中白天的光照用光量子通量密
度为 200 μmol·m-2·s-1的 Osram灯实现。
3.2试验设计
将这些活血丹克隆分株对按图 4分成 4组，两
组连接处理和两组切断处理(连接处理是指克隆分
株对间的匍匐茎保留，切断处理则是指克隆分株对
间的匍匐茎被人为的断开)。其中 A和 B组仅接受自
然背景辐射，辐射剂量为 0.6 kJ·m-2·d-1，C和 D组处
理的一端用 40 W的紫外灯(北京光电源仪器公司,北
京, 中国)每天从 9:00~17:00 补加 UV-B 辐射，阴雨
天暂停，持续照射一周，紫外灯周围覆醋酸纤维素膜
滤去 320 nm 以下波长的光线(主要是 UV-C)，异质
处理组的 PVC板上方用塑料薄膜挡住 UV-B光线，
防止 UV-B辐射影响塑料盆另一端的 UV-B辐射非
胁迫端，补加的 UV-B辐射剂量为 2.54 kJ·m-2·d-1，另
一端不进行补加处理，调整紫外灯和克隆分株间的
距离，确保整个试验过程中 UV-B补加剂量不变。
3.3试验指标测定方法
加入 2 mL预冷的磷酸缓冲液(pH=7.8)在冰浴上
充分研磨取 0.5 g活血丹叶片(去叶脉)，加磷酸缓冲
液使最终体积 5 mL。取 2 mL该溶液在离心 15 min
(4℃ 15 000 g)，上清液即为超氧物歧化酶(SOD)粗提
液。SOD 活性以抑制氮蓝四唑(NBT)光化还原的
50%作为一个酶活单位，取 4支透明度好的 5 mL指
形管，2支为测定管，另 2支为对照管，加入 3 mL反
应液：50 mmol/L 磷酸缓冲液(pH=7.8)，130 mmol/L
甲硫氨酸溶液，750 μmol/L NBT 溶液，100 μmol/L
乙二胺四乙酸二钠溶液，20 μmol/L核黄素，和 0.1 mL
酶液，对照管中以磷素缓冲液代替离心过的活血丹
酶液，充分混匀后，将 1支对照管置暗处，其它各管
在 4 000 Lx日光下反应 10 min，在 560 nm处测定吸
光值，计算出 SOD活力(Giannopolitis and Ries, 1977)。
称取 0.5 g活血丹叶片，剪碎，放入研钵中，加适
量的 100 mmol/L磷酸缓冲液(pH=7.0)充分研磨，在
4℃离心 15 min，取上清液，提取的上清液并入容量
瓶中，用 pH=7.0的磷酸缓冲液容至 100 mL。取 2只
光径为 1 cm的比色皿，向其中 1只中加入反应混合
液 3 mL和上述活血丹叶片酶液 1 mL，另一支中加
入反应混合液 3 mL和磷酸缓冲液 1 mL，测量 470 nm
下吸光度值，每隔 1 min读数一次，通过吸光值的变
化来计算过氧化物酶(POD)活力。反应混合液是由
50 mL 100 mmol/L磷酸缓冲液(pH=7.0)，加入愈创木
酚 28 μL，将溶液放置于磁力搅拌器上加热搅拌，直
至愈创木酚溶解，待溶液冷却后，加入 19 μL 30%过
氧化氢，混合均匀制成(Nakano and Asada, 1981)。
采用氧化还原滴定法(即碘量法)进行 CAT活性
测定。取上述酶液 20 μL于 50 mL锥形瓶中，加入
pH 7.0的磷酸缓冲液 5 mL，再加入 1%的 H2O2 1 mL，
反应 5 min，然后加入 H2SO4 3 mL以中止反应。再加
入 10%的 KI 1 mL并滴入 2~3滴钼酸铵和淀粉指示
剂，最后用 Na2S2O3滴定至蓝色消失，记录 Na2S2O3的
用量。根据空白和测定二者滴定值之差，可计算被
CAT分解的 H2O2的量，并以 1 min内 1 g鲜重叶组
织所分解 H2O2的 mg数表示 CAT活性(Cakmak and
Marschner, 1992)。
作者贡献
李倩为本研究的主要执行者负责实验操作、数
据分析及论文撰写；毛少利和李阳负责材料管理和
数据统计整理；李为民负责种质资源采集。
致谢
本研究由国家自然科学基金(31200249, 315003
图 4试验设计:活血丹克隆分株对随机分为四组,两组连接处
理和两组隔断处理;连接处理指克隆分株间通过匍匐茎相连,
隔断处理是指隔开活血丹克隆分株对; A 和 B 组为同质性
UV-B辐射,仅接受自然背景辐射, C和 D组为异质性 UV-B
辐射,分株一端(CⅡ和 DⅡ)补加 UV-B辐射,另一端不进行
补加处理(CⅠ和 DⅠ),接受自然背景辐射
Figure 4 Experimental design: hhe ramets of Glechoma longituba
were randomly divided into four treatments, two connected and
two severed treatments (connected, ramets in a pair left connected
by the stolon between them; severed, ramets disconnected by cut-
ting the stolon); Homogeneity represents that both ramets in a
clonal fragment (ramet pair) were grown under natural backgro-
und radiation; Heterogeneity means that one ramet in a ramet pair
(CⅠ, DⅠ) was grown under natural background radiation, and
the other (CⅡ, DⅡ) was exposed to supplemental UV-B radiation
216
22)、陕西省科技厅农业攻关项目(2014K01-12-02)和
陕西省科学院青年人才培养项目 (2013K-20,
2014K-24, 2014K-25)共同资助。
参考文献
Brewer J.S., and Bertness M.D., 1996, Disturbance and intraspe-
cific variation in the clonal morphology of salt marsh peren-
nials, Oikos, 77: 107-116
Cakmak I., and Marschner H., 1992, Magnesium deficiency and
high light intensity enhance activities of superoxide dismu-
tase, ascorbate peroxidase, and glutathione reductase in bean
leaves, Plant Physiology, 98(4): 1222-1227
Chen J.S., Lei N.F., and Dong M., 2010, Clonal integration im-
proves the tolerance of Carex praeclara to sand burial by
compensatory response, Acta Oecologica, 36: 23-28
Dong M., 1995, Morphological responses to local light condi-
tions in clonal herbs from contrasting habitats, and their
modification due to physiological integration, Oecologia,
101: 282-288
Giannopolitis C.N., and Ries S.K., 1977, Superoxide dismutase I:
purification and quantitative relationship with water-soluble
protein in seedlings, Plant Physiology, 59: 315-318
Hideg E., Jansen M.A.K., and Strid A., 2013, UV-B exposure,
ROS and stress: inseparable companions or loosely linked
associates? Trends in Plant Science, 18: 107-115
Hu J.J., Chen W.J., Guo Z.W., Chen S.L., Yang Q.P., and Li Y.
C., 2015, Effect analysis of water physiological integration
of Indocalamus decorus based on antioxidant system, Sheng-
taixue Zaizhi (Chinese Journal of Ecology), 34: 962-966 (胡
俊靖,陈卫军,郭子武,陈双林,杨清平,李迎春, 2015,基
于抗氧化系统的美丽箬竹水分生理整合作用分析,生态
学杂志, 34: 962-966)
Jónsdóttir I.S., and Watson M.A., 1997, Extensive physiological
integration: an adaptive trait in resource-poor environments?
In: de Kroon H., and van Groenendael J., The ecology and
evolution of clonal plants, Leiden, Backbuys Publishers, pp.
109-136
Kakani V.G., Reddy K.R., Zhao D., and Sailaja K., 2003, Field
crop responses to ultraviolet-B radiation: a review, Agricul-
tural and Forest Meteorology, 120(1-4): 191-218
Marshall C., 1990, Source-sink relations of interconnected ram-
ets, In: van Groenendael J., and de Kroon H., Clonal growth
in plants: regulation and function, The Hague, SPB Academ-
ic Publishing, The Netherlands, pp.23-41
Nakano Y., and Asada K., 1981, Hydrogen peroxide is scavenged
by ascorbate specific peroxidase in spinach chloroplasts,
Plant Cell Physiology, 22: 867-880
Qian Y.Q., 2008, Physiological integration and its regulation be-
tween inter-ramet of buffalograss under heterogeneous water
stress, Ph.D dissertation, Chinese Academy of Forestry,
Supervisor: Sun Z.Y., pp.78 (钱永强, 2008,异质性水分胁
迫下野牛草克隆分株间生理整合及其调控机理,博士学
位论文,中国林业科学研究院,导师:孙振元, pp.78.)
Qiu Z.B., Zhu X.J., Li F.M., Liu X., and Yue M., 2007, The opti-
cal effect of a semiconductor laser on protecting wheat from
UV-B radiation damage, Journal of Photochemistry and
Photobiology B: Biology, 6: 788-793
Roiloa S.R., and Retuerto R., 2007, Responses of the clonal Fra-
garia vesca to microtopographic heterogeneity under differ-
ent water and light conditions, Environmental and Experi-
mental Botany, 61: 1-9
Saitoh T., Seiwai K., and Nishiwaki A., 2006, Effects of resource
heterog eneity on nitrogen translocation within clonal frag-
ments of Sasa palmata: an isotopic (15N) assessment, Annals
of Botany, 98: 657-663
Sultan S.E., 1995, Phenotypic plasticity and plant adaptation, Ac-
ta Botanica Neerlandica, 44: 363-383
Yu F., Dong M., and Kru¨si B., 2004, Clonal integration helps
Psammochloa villosa survive sand burial in an inland dune,
New Phytologist, 162: 697-704
Zhang L.L., and He W.M., 2009, Consequences of ramets helping
ramets: no damage and increased nutrient use efficiency in
nurse ramets of Glechoma longituba, Flora, 204: 182-188
Zhang X.Y., Fan D.Y., Xie Z.Q., Xiong G.M., and Li Z.J., 2010,
Clonal integration enhances performance of Cynodon dacty-
lon subjected to submergence, Zhiwu Shengtai Xuebao (Chi-
nese Journal of Plant Ecology), 34: 1075-1083 (张想英, 樊
大勇,谢宗强,熊高明,李兆佳, 2010,克隆整合有助于狗
牙根抵御水淹,植物生态学报, 34: 1075-1083)
克隆整合提高异质性 UV-B辐射下活血丹抗氧化酶活力
Clonal Integration Enhanced the Activity of Antioxidant Enzymes in G. longituba under UV-B Radiation 217