全 文 ：研究报告
Research Report
异质性UV-B辐射下NO在活血丹光合特性中的作用研究
李倩 毛少利 李阳 *
陕西省西安植物园,西安, 710061
*通讯作者, liqian850310@163.com
摘 要 我们前期研究发现异质性 UV-B辐射下 NO参与克隆植物紫外吸收物和抗氧化酶活力的整合过
程。光合作用在植物生长过程中十分重要，但异质性 UV-B辐射下 NO在克隆植物光合特性中是否发挥作用
仍不清楚。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，研究异质性 UV-B辐射下，NO清除剂
在克隆整合提高活血丹气体交换参数和叶绿素含量中的作用。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辐射端气体交换参数和叶绿素含量显著增加，但 NO清除剂
改变了这一趋势，说明 NO作为信号分子在克隆植物生理整合提高了活血丹光合生理特性中发挥重要作用，
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。
关键词 NO,克隆整合,环境异质性, UV-B辐射,活血丹
The Effects of NO on Photosynthetic Characteristic in Glechoma longituba
under Heterogeneous UV-B Radiation
Li Qian Mao Shaoli Li Yang*
Xi’anBotanicalGardenofShaanxi Province,Xi’an, 710061
*Correspondingauthor, liqian850310@163.com
DOI: 10.13417/j.gab.035.000452
Abstract Our research has found that NO was involved in the integration process of UV-B absorbing compounds
and the activity of antioxidant enzymes among clonal plants under heterogeneous UV-B conditions. Photosynthesis
played a key role in the growth process of plants, while it was unknown whether or not NO played an important
role in photosynthesis of cloned plants under heterogeneous UV-B conditions. In this study, pairs of connected
ramets of the stoloniferous herb Glechoma longitubawere grown under the homogeneity (both of ramets received only
natural background radiation) and heterogeneity of UV-B radiation (one of the ramet received only natural backgro-
und radiation and the other was exposed to supplemental UV-B radiation), and we studied the effects of NO
scavenger on increased of the gas exchange parameters and contents of chlorophyll in cloned integration under
heterogeneous UV-B conditions. The result showed that in comparison with clones under homogeneous
ultraviolet-B radiation, the gas exchange parameters and contents of chlorophyll increased notably if
heterogeneous ultraviolet-B stressed connected treatment of Glechoma longituba, and the results were reversed by
NO scavenger. This indicated that NO, as a signal molecule, had important effect on physiological integration of
cloned plant which increased the photosynthetic physiological characteristic of Glechoma longituba. The results
could be helpful for further understanding of the effect of UV-B radiation on growth regulation of cloned plants
and provided the theoretical foundation about mechanism of heterogeneous UV-B radiation on physiolo gical
基金项目：本研究由国家自然科学基金(31200249, 31500322)和陕西省科学院青年人才培养项目(2013K-20, 2014K-24, 2014K-
25, 2015K-04)共同资助
基因组学与应用生物学，2016年，第 35卷，第 2期，第 452-456页
Genomics and Applied Biology, 2016, Vol.35, No.2, 452-456
表 1异质 UV-B辐射下活血丹气体交换参数:净光合速率(PN)、气孔导度(gs)、胞间 CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(E)
Table 1 Gas exchange parameters, PN-net photosynthesis rate, gs -stomatal conductance, Ci -intercellular CO2concentration and E-tran-
spiration rate in leaves of Glechoma longituba under heterogeneous UV-B radiation
处理组
Treatment
aⅠ
aⅡ
bⅠ
bⅡ
cⅠ
cⅡ
净光合速率 PN
(μmol·m-2·s-1)
PN (net photosynthesis rate)
(μmol·m-2·s-1)
10.50±0.29c
10.55±0.09c
7.08±0.76e
13.99±0.07a
9.64±0.05d
11.58±0.24b
气孔导度 gs (mol·m-2·s-1)
gs (stomatal conductance)
(mol·m-2·s-1)
0.05±0.00b
0.04±0.00b
0.01±0.00c
0.07±0.01a
0.04±0.00b
0.05±0.00b
胞间二氧化碳浓度 Ci
(μmol·m-2·s-1)
Ci (intercellular CO2 concentration)
(μmol·m-2·s-1)
172.79±16.34b
183.42±23.60b
103.87±18.53c
392.30±2.64a
183.74±33.20b
170.00±14.63b
蒸腾速率 E
(mmol·m-2·s-1)
E (transpiration rate)
(mmol·m-2·s-1)
1.44±0.30b
1.71±0.01b
0.80±0.02c
2.51±0.63a
1.64±0.26b
1.82±0.41b
integration in clonal plants.
Keywords Nitric oxide, Physiological integration, Environmental heterogeneity, Ultraviolet-B radiation,
Glechoma longituba
克隆分株间相连的匍匐茎或者根状茎使生长在
异质性环境中的分株能够实现物质和资源(如糖类,
矿质养分,营养物质和水分等)的转移，从而使分株间
产生克隆生理整合(Saitoh et al., 2006)。许多研究表
明克隆整合能够使克隆植物跨越并占据尺度不同的
生长资源斑块，这种情况在胁迫环境下尤为明显
(Chen et al., 2010)。UV-B辐射影响植物的生长发育
过程，因为它可以被细胞中的蛋白质和核酸等大分
子吸收，改变它们的分子构象，而且还可以通过增加
叶片角质层的厚度，提高 UV-B保护色素的含量来
防御 UV-B辐射对植物造成的伤害。太阳辐射中的
UV-B辐射强度无论在时间还是空间上都具有很大
的异质性(Madronich et al., 1998)。光合作用在植物生
长过程中十分重要，在研究生态系统能量流动规律、
植物生产力形成机制和全球碳平衡中起关键作用，有
助于我们理解克隆植物生态学的有关知识，例如克隆
植物如何占据空间格局(Roiloa and Retuerto, 2006)。光
合作用和光合能力在胁迫环境下通常是降低的，例
如，水分胁迫(Lawlor and Tezara, 2009)、盐害(Lawlor,
2009)和蛇纹岩土壤(Roiloa and Retuerto, 2006)。
一氧化氮(nitric oxide, NO)是一种新型的细胞间
与细胞内信息传递的信号分子，广泛存在于动物、植
物和微生物中。NO对植物的许多生理过程，例如，植
物的生长发育、植物的衰老、植物的防御反应和植物
的抗逆反应(Mata-Garcia and Lamattina, 2002)，是植
物体内一种十分重要的信号传递分子。前期研究发
现异质性 UV-B环境导致活血丹 UV-B辐射端分株
NO含量升高，并且利用激光共聚焦实时检测技术发
现 NO沿着匍匐茎传递到非辐射端分株，导致非辐
射端分株苯丙氨酸解氨酶(L-phenylalanin ammo-nial-
yase, PAL)活性提高，以及随后的紫外吸收物含量增
加，而外源施加 NO清除剂 2-(4-羧基苯基)-4,4,5,5-
四甲基-1,3-二氧咪唑啉钾盐(2-(4-Carboxyphenyl)
-4,4,5,5-tetramethyli-midazoline-1-oxyl-3-oxide, cPT-
IO)则抑制了紫外吸收物的整合过程，而且克隆整合
提高了异质性 UV-B辐射下活血丹抗氧化酶活力。
活血丹(Glechoma longituba)，系唇形科活血丹属，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。因此，本研究以克隆植物活
血丹为对象，探索 NO在活血丹光合生理特性中发
挥的作用。
1结果与分析
1.1 异质性 UV-B 辐射下 NO 在活血丹气体交换参
数变化中的作用
异质 UV-B 辐射下，参照试验设计(图 2)，各处
理组活血丹克隆分株在光量子通量密度(PPFD)为
600 μmol·m-2·s-1时净光合速率最大(图 1)。气体交换
参数净光合速率(PN)、气孔导度(gs)、胞间 CO2 浓度
(Ci)和蒸腾速率(E)在饱和光强 600 μmol·m-2·s-1下测
定，结果(表 1)显示：同质 UV-B辐射下连接处理的
活血丹克隆分株的气孔导度(gs)、胞间 CO2浓度(Ci)
和蒸腾速率(E)均无显著差异。异质 UV-B辐射下，补
加的 UV-B辐射可导致 bⅡ处理组净光合速率(PN)的
异质性UV-B辐射下NO在活血丹光合特性中的作用研究
The Effects of NO on Photosynthetic Characteristic in Glechoma longituba under Heterogeneous UV-B Radiation 453
基因组学与应用生物学
Genomics and Applied Biology
表 2异质 UV-B辐射下活血丹叶绿素含量
Table 2 Contents of chlorophyll in leaves of Glechoma longituba under heterogeneous UV-B radiation
处理组
Treatment
aⅠ
aⅡ
bⅠ
bⅡ
cⅠ
cⅡ
叶绿素 a (mg·g-1 DW)
Chl a (mg·g-1 DW)
0.65±0.13b
0.55±0.09b
0.38±0.06c
0.99±0.07a
0.64±0.05b
0.58±0.04b
叶绿素 b (mg·g-1 DW)
Chl b (mg·g-1 DW)
0.35±0.00b
0.34±0.00b
0.11±0.00c
0.77±0.01a
0.34±0.00b
0.36±0.00b
总叶绿素(mg·g-1 DW)
Total chl (mg·g-1 DW)
1.08±0.04b
0.98±0.06b
0.76±0.03c
1.85±0.04a
1.03±0.02b
0.97±0.04b
关。在异质 UV-B辐射处理组辐射端加入 NO清除
剂(cPTIO, 0.004 mmol/L)后，补加 UV-B辐射并没有
使 cⅡ处理组叶绿素含量升高，且和同质 UV-B辐
射处理组相当，说明 NO清除剂逆转了 UV-B辐射
发挥的作用。
2讨论
植物细胞中的 NO可以通过酶促反应途径(一氧
化氮合酶(nitric oxide synthase, NOS), 硝酸还原酶
(nitrate reductase, NR))或者非酶促反应途径产生。许
多研究表明外界刺激可以诱导植物 NOS的活性。细
菌胁迫诱发大豆细胞迅速产生 NO，而 NOS抑制物
则抑制细菌对大豆细胞中 NO 产生的诱导作用。
Mackerness 等(2001)发现 UV-B 辐射导致拟南芥中
NO含量升高，NOS活性增强，UV-B辐射诱导植物
中苯丙氨酸解氨酶(pal)和查尔酮合成酶(chs)基因表
达(姚嘉龙等, 2015)，NOS抑制剂和 NO清除剂可逆
转这一现象，在没有 UV-B辐射情况下，外源 NO会
增加 pal和 chs的转录水平，上述研究报道表明植物
体内存在 NOS。植物体中 NOS可产生 NO。在特定的
条件下，植物也可通过非酶促反应产生 NO，如亚硝
酸盐和抗坏血酸反应生成、由 NO 的供体硝普纳
(sodium nitroprusside, SNP)产生，通过光介导，类胡萝
卜素将二氧化氮转化为一氧化氮。
在胁迫环境下，气孔限制和非气孔限制是降低
光合作用的主要原因，前者是由于气孔关闭导致，后
者与 CO2扩散能力下降相关，例如，1,5-二磷酸核酮
糖(RUBP)羧化酶能力的下降，RUBP再生能力的降
低及三磷酸腺苷(ATP)产量的减少，而且二者都会减
少 CO2从大气到羧化部位的扩散(Grassi and Mag-
nani, 2005)。Medrano等(2002)发现中等水分胁迫条
件下，葡萄藤光合作用受限制主要由气孔导度影响
造成。叶绿素含量可以影响到植物的光合作用能力
(Cullen et al., 2005)，减少的叶绿素含量会导致无补
升高，b I处理组无补加UV-B辐射，只是和 UV-B辐
射的分株端通过匍匐茎相连，PN却比同质 UV-B辐
射连接处理组下降。在异质 UV-B辐射处理组辐射
端加入 NO 清除剂 (cPTIO, 0.004 mmol/L)后，补加
UV-B辐射并没有使 cⅡ处理组气体交换参数升高，
且和同质 UV-B辐射处理组相当。
1.2 异质性 UV-B 辐射下 NO 在活血丹叶绿素含量
变化中的作用
表 2显示同质 UV-B辐射下，克隆植物活血丹
连接处理叶片叶绿素 a、叶绿素 b和总叶绿素含量均
无显著性变化。然而在异质 UV-B辐射中，UV-B辐
射端 bⅡ处理组叶绿素 a、叶绿素 b和总叶绿素含量
高于同质 UV-B辐射连接处理组，这些可能都于补
加的 UV-B辐射相关。但是 bⅠ无补加 UV-B辐射，
只是和 UV-B辐射胁迫端通过匍匐茎相连，其叶绿
素 a和总叶绿素含量低于同质 UV-B辐射连接处理
组 HomoC，推测可能与克隆植物的生理整合作用有
图 1异质 UV-B辐射下活血丹各处理组净光合速率(PN)随光
量子通量密度(PPFD)变化的光响应曲线
注:向上的柱子表示标准差(n=5)
Figure 1 Light-response curves of net photosynthesis for
photosynthetic photon flux density in Glechoma longituba under
heterogeneous UV-B radiation
Note: Error bars show S.E. (n=5)
454
异质性UV-B辐射下NO在活血丹光合特性中的作用研究
The Effects of NO on Photosynthetic Characteristic in Glechoma longituba under Heterogeneous UV-B Radiation
图 2试验设计
Figure 2 Experimental design
加 UV-B辐射但和 UV-B辐射端相连的处理组光合
特性降低。在本研究中，异质性 UV-B辐射处理下，
补加 UV-B辐射处理组气体交换参数和叶绿素含量
显著增高，但和它相连无补加 UV-B辐射的处理组气
体交换参数和叶绿素含量却显著降低，NO清除剂却
改变了这一现象，NO清除剂和 UV-B辐射的作用正
好相反，加入 NO清除剂后，UVB辐射端、气体交换
参数和叶绿素没有显著升高，和它相连的无补加
UV-B辐射的处理组也无明显变化(图 1;表 1;表 2)。
前期的研究中我们发现 NO介导克隆植物紫外
吸收物的整合过程和 NO 在克隆整合提高异质性
UV-B辐射下活血丹抗氧化酶活力中发挥重要作用。
本研究我们重点探讨 NO在克隆植物活血丹光合生
理特性中所扮演的角色，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。
3材料与方法
3.1试验材料
在秦岭北坡海拔 600~800 m范围内采集生长状
况一致的活血丹克隆分株对，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。进行 2周的培养后，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 2随机分为三组。
a组为同质性 UV-B辐射，仅接受自然背景辐射，b和
c组为异质性 UV-B辐射，分株中间用塑料薄膜隔开，
使一端(bⅡ, cⅡ)补加 UV-B辐射，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。另一端(bⅠ, cⅠ)不进行补加处
理，接受自然背景辐射，且 cⅡ端另外加入 NO清除
剂(cPTIO, 0.004 mmol/L)。
3.3试验指标测定方法
光响应曲线(LRC)反映了净光合速率在不同光
量子通量密度下的变化。选取克隆植物活血丹完全
伸展的顶层叶片，用 LI-6400便携式光合仪测定系
统(Li-Cor, Lincoln, NE, USA)测定叶片的净光合速
率，使用开放气路，测定前叶片要用强光至少诱导
30 min。测定时将 CO2浓度设置为 400 μmol/mol，叶
片温度为 25℃，空气流速为 400 μmol/s。用 6400-
02B LED 红蓝光源控制光强，依次设定 PPFD 为
1200μmol·m-2·s-1、1000μmol·m-2·s-1、800μmol·m-2·s-1、
600 μmol·m-2·s-1、400 μmol·m-2·s-1、200 μmol·m-2·s-1、
100 μmol·m-2·s-1和 0 μmol·m-2·s-1，每一光强下至少
停留 200 s，绘制活血丹的光响应曲线。气体交换参数
净光合速率、气孔导度、胞间 CO2浓度和蒸腾速率在
饱和光强下测定。各项参数的数据测定均进行 5次重
复(试验分组试验设计)。
光合色素含量包括叶绿素 a (Chla)、叶绿素 b (Chlb)
和总叶绿素(total Chl)的测定。参照 Arnon的方法，选
取完整的活血丹叶片放入研钵中，加入少量石英砂
和 15 mL 80%的丙酮充分研磨，然后用真空泵抽滤，
取上清，最后用 80%的丙酮定容到 25 mL。用分光光
度计测定提取液在 663 nm、645 nm 和 652 nm 的吸
光值，通过换算得出叶绿素含量(Arnon, 1949)。
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。
致谢
本研究由国家自然科学基金(31200249, 31500322)
和陕西省科学院青年人才培养项目 (2013K-20,
2014K-24, 2014K-25, 2015K-04)共同资助。
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