全 文 ：应用与环境生物学报 2008，14 ( 6 ): 830~833
Chin J Appl Environ Biol=ISSN 1006-687X
2008-12-25
DOI: 10.3724/SP.J.1145.2008.00830
20世纪以来，由于人类活动影响以及现代工业化进程加
快，大气环境日益恶化. 大量氯氟烃类气体释放到地球大气
中，导致大气臭氧层变薄，太阳射线中到达地面的紫外线B
(280~320 nm)辐射增强并且还有继续增强的趋势 [1, 2]，UV-B辐
射增强将直接或间接导致植物形态结构、生理代谢、遗传特
性、生长周期和生态结构等方面发生变化，进而威胁人类的
生存 [3]. 据报道，臭氧层每减少1%，到达地表的UV-B辐射强
度增加2%，能导致粮食产量减少2%[4]. 因此，UV-B辐射增强
是严重的全球性环境问题，揭示UV-B辐射对植物尤其是经
济植物的伤害，并寻求防护途径显得尤其重要.
有关微波在植物上的应用已有报道，适当剂量的微波
辐射能提高菘蓝种子的新陈代谢，促进种子的萌发率和幼苗
的生长发育[5, 6]；8 s微波辐射菘蓝种子可以提高其酶类的抗
氧化活力和幼苗的抗UV-B能力[7]. 但是，小剂量微波辐射种
子能否促进非酶类抗氧化剂(紫外吸收物质浓度、花青素甙、
脯氨酸、谷胱甘肽、抗坏血酸)的生物合成？剂量范围多大？
这些问题都不清楚. 为此，本研究采用不同时间长度的微波
预处理菘蓝种子，研究UV-B辐射条件下菘蓝幼苗非酶类物
质的变化规律，为进一步探讨微波预处理菘蓝种子对增强
UV-B损伤细胞的防护机制提供理论基础.
微波处理对UV-B损伤菘蓝幼苗非酶类
抗氧化剂生物合成的影响*
陈怡平1** 李 冉2 杨 薇2 王玉洁2 贺军民2
（1中国科学院地球环境研究所，黄土与第四纪地质国家重点实验室 西安 710075)
(2陕西师范大学生命科学学院 西安 710068）
Effects of Microwave Irradiation on Synthesis of Non-enzymatic Antioxidants in
Isatis indigotica Seedlings Exposed to Enhanced UV-B*
CHEN Yiping1**, LI Ran2, YANG Wei2, WANG Yujie2 & HE Junmin2
(1Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710075, China)
(2College of Life Sciences, Shaanxi Normal University, Xi’an 710061, China)
Abstract The effects of different time lengths of microwave radiation on biosynthesis of non-enzymatic antioxidants in
Isatis indigotica seedlings with enhanced UV-B damages were studied. The seeds soaked with water for 3 h were exposed to
microwave, and then subjected to enhanced UV-B radiation (10.08 kJ m-2 d-1, PAR=220 µmol m-2 d-1) for 6 d after the seeds
germination. The results showed that four treatments with different time improved the resistant capability to UV-B radiation by
increasing the concentration of GSH, UV absorbance, anthocyanin, AsA and proline, and decreasing the concentration of MDA
and GSSG. Microwave radiation of suitable doses could stimulate the synthesis of non-enzymatic antioxidants and improve the
resistant capability to UV-B radiation. However, bad effects were also caused by microwave radiation. Therefore, the dose to
be selected for applying in agriculture is the key. Tab 1, Ref 17
Keywords Isatis indigotica Fort; microwave; UV-B; antioxidants
CLC Q947.8
收稿日期: 2008-02-02 接受日期: 2008-05-06
*中国科学院“西部之光”计划资助项目(No. 2007YB04)和国家基金委重大
项目(No. 40599422) Supported by the “Light of West China” Program of the
Chinese Academy of Sciences (No. 2007YB04) and the Key Program of the
Chinese Foundation Committee (No. 40599422)
**通讯作者 Corresponding author (E-mail: lifekxyj@hotmail.com)
摘 要 采用微波预处理菘蓝(Isatis indigotica Fort)种子，待种子出土萌发后进行UV-B辐射(10.08 kJ m-2 d-1，PAR=220
µmol m-2 d-1)处理6 d，研究了经不同时间微波辐照后菘蓝种子发育而成的幼苗在UV-B辐射下非酶类抗氧化剂(紫外吸
收物质、花青素甙、谷胱甘肽、抗坏血酸和脯氨酸)的生物合成情况. 结果显示，在UV-B辐射条件下，4种微波预处理均
能不同程度促进紫外吸收物质、花青素甙、谷胱甘肽、抗坏血酸和脯氨酸的生物合成，降低丙二醛含量，增强幼苗对
UV-B伤害的抗性. 这表明，适当时间的微波预处理可以提高植物对增强UV-B辐射的抵抗能力，与此同时，过长时间
微波处理也会抑制植物的生理生化代谢和非酶类抗氧化剂的生物合成，加重对植物的伤害. 因此，微波具有相悖的防
护效应，在生物学上应用时其剂量的大小十分关键. 表1 参17
关键词 菘蓝；微波；UV-B损伤；抗氧化剂
CLC Q947.8
8316 期 陈怡平等：微波处理对UV-B损伤菘蓝幼苗非酶类抗氧化剂生物合成的影响
1 材料与方法
1.1 材 料
本实验所用菘蓝种子(Isatis indigotica Fort)采于西北大
学生物园.
1.2 方 法
1.2.1 微波辐照处理及种子萌发 实验设对照组(CK)，单独
UV-B处理组(0+B)，3 s微波预处理与UV-B复合处理(3+B)，8 s
微波预处理与UV-B复合处理(8+B)，13 s微波预处理与UV-B
复合处理(13+B)，18 s微波预处理与UV-B复合处理(18+B). 选
取籽粒饱满、大小均匀的菘蓝种子用250 mL清水浸泡3 h，自
然晾干后用2 450 MHz的微波炉(Combi- Grill Microwave Oven
WD700)辐照种子3 s、8 s、13 s、18 s，剂量为126 maw cm-2，接
着播种于直径18 cm培养皿，然后在25 ℃光照培养箱进行沙
培，细沙经0.1% HgCl2消毒. 待出芽后每培养皿浇10 mL MS培
养液. 每组处理3个平行处理，试验重复3次.
1.2.2 UV-B辐照处理 待微波处理的菘蓝种子萌发2 d后，
将0+B，3+B，8+B，13+B和18+B处理放置在UV-B下辐照6 d，
UV-B发生采用紫外B灯(宝鸡灯管厂生产，30 W，297 nm)，方
法参照文献[7]. 将UV-B灯垂直悬挂培养皿的上方，并使用
0.13 nm的醋酸纤维素膜将290 nm以下的紫外线滤掉，同时
使用聚乙烯膜将320 nm以下的紫外线滤掉作为对照. UV-B剂
量为10.08 kJ m-2 d-1，相当于西安地区夏至时臭氧下降20%，
UV-B增强40% (RAF =2.0).
1.2.3 非酶类抗氧化剂的测定 材料经UV-B处理6 d后，随
机从3个培养皿中取8 d幼苗子叶进行丙二醛 (MDA)的提取
及非酶类抗氧化剂测定. 丙二醛(MDA)的提取及测定参照文
献 [8]，紫外吸收物质和花青素的提取及测定参照文献[9]，
脯氨酸(Pro)的提取及测定参照文献[10]，抗坏血酸(AsA)的提
取及测定参照文献[11]，还原型谷胱甘肽(GSH)和氧化型谷胱
甘肽(GSSG)的提取及测定方法按南京建成生物工程研究所
生产的试剂盒说明书的程序进行(产品号No. 20060828，No.
200601021).
1.2.4 统计分析 显著性差异采用Duncan’s的多重统计分析
进行处理.
2 结果与分析
2.1 不同时间微波处理菘蓝种子对UV-B损伤菘蓝幼
苗丙二醛(MDA)含量的影响
从 表1中可以看出，增强UV-B辐射对幼苗细胞膜 造成
伤害，UV-B处理 (0+B)导致菘蓝幼苗中MDA含量高于对照
组116% (P<0.05)；种子经微波处理3 s的幼苗再经UV-B处理
(3+B)，其MDA含量低于对照组12.7% (P>0.05)，低于0+B 组
59.5% (P<0.05)；种子经微波处理8 s的幼苗再经UV-B处理
(8+B)，其MDA含量低于对照组21.5% (P<0.05)，低于0+B 组
63.5% (P<0.05)；种子经微波处理13 s的幼苗再经UV-B处理
(13+B)，其MDA含量低于对照组8.5% (P>0.05)，低于0+B 组
49.6% (P<0.05)；种子经微波处理18 s的幼苗再经UV-B处理
(18+B)，其MDA含量高于对照组30% (P<0.05)，低于0+B 组
39.5% (P<0.05).
2.2 不同时间微波处理菘蓝种子对UV-B损伤菘蓝
幼苗还原型谷胱甘肽(GSH)和氧化型谷胱甘肽
(GSSG)含量的影响
从 表1中可以看出，与对照相比，UV-B处 理 (0+B)导致
菘蓝幼苗中GSH含量升高7% (P<0.05). 种子经微波处理3 s
的幼苗再经UV-B处 理 (3+B)，其GSH含量高于 0+B组158%
(P<0.05)；种子经微波处理8 s的幼苗再经UV-B处理(8+B)，
其GSH含量高于0+B组109% (P<0.05)；种子经微波处理13 s
的幼苗再经UV-B处 理 (13+B)，其GSH含量高于 0+B组44%
(P<0.05)；种子经微波处理18 s的幼苗再经UV-B处理(18+B)，
其GSH含量低于0+B组5.8% (P<0.05).
从表1中可以看出，UV-B处理(0+B)组中菘蓝幼苗GSSG
含量高于对照组34.8% (P<0.05)；种子经微波处理3 s的幼苗
再经UV-B处理(3+B)，其GSSG含量低于0+B组41% (P<0.05)；
种子经微波处理8 s的幼苗再经UV-B处理(8+B)，其GSSG含
量低于0+B组48% (P<0.05)；种子经微波处理13 s的幼苗再经
UV-B处理(13+B)，其GSSG含量低于0+B组11% (P<0.05)；种
子经微波处理18 s的幼苗再经UV-B处理(18+B)，其GSSG含量
低于0+B组5% (P<0.05).
2.3 不同时间微波处理菘蓝种子对UV-B损伤菘蓝幼
苗紫外吸收物质和花青素含量的影响
从表1中可以看出，与对照相比，UV-B处理(0+B)导致菘
蓝幼苗中紫外吸收物含量提高25% (P<0.05)，花青素甙含量
提高20%(P<0.05)；种子经微波处理3 s的幼苗再经UV-B处理
(3+B)，紫外吸收物含量提高33% (P<0.05)，花青素甙含量提
高70% (P<0.05)；种子经微波处理8 s的幼苗再经UV-B处理
(8+B)，紫外吸收物含量提高50% (P<0.05)，花青素甙含量提
高145%(P<0.05)；种子经微波处理13 s的幼苗再经UV-B处理
(13+B)，紫外吸收物含量提高55% (P<0.05)，花青素甙含量提
高265%(P<0.05)；种子经微波处理18 s的幼苗再经UV-B处理
(18+B)，紫外吸收物含量提高43% (P<0.05)，花青素甙含量提
高205%(P<0.05).
2.4 不同时间微波处理菘蓝种子对UV-B损伤菘蓝幼
苗抗坏血酸(AsA)和脯氨酸(Pro)含量的影响
从 表1可以看出，与对照相比，UV-B处理 (0+B)导致菘
蓝幼苗中AsA含量降低36% (P>0.05)；种子经微波处理3 s的
幼苗再经UV-B处理(3+B)，其幼苗中AsA含量高于0+B组91%
(P<0.05)；种子经微波处理8 s的幼苗再经UV-B处理(8+B)，其
幼苗中AsA含量高于0+B组130% (P<0.05)；种子经微波处理
13 s的幼苗再经UV-B处理(13+B)，其幼苗中AsA含量高于0+B
组101% (P<0.05)；种子经微波处理18 s的幼苗再经UV-B处
理(18+B)，其GSH含量低于0+B组81%(P<0.05). 与对照相比，
UV-B处理(0+B)导致菘蓝幼苗中Pro含量升高10.6% (P>0.05)；
种子经微波处理3 s的幼苗再经UV-B处理(3+B)，其Pro含量高
于0+B组17% (P<0.05)；种子经微波处理8 s的幼苗再经UV-B
处理(8+B)，其Pro含量高于0+B组106% (P<0.05)；种子经微
波处理13 s的幼苗再经UV-B处理(13+B)，其Pro含量高于0+B
组57% (P<0.05)；种子经微波处理18 s的幼苗再经UV-B处理
(18+B)，其Pro含量高于0+B组41% (P<0.05).
832 14 卷应 用 与 环 境 生 物 学 报 Chin J Appl Environ Biol
3 讨 论
生物的生理生化代谢会受到外界环境因子的调节. 微波
对生物的作用主要是热效应和非热效应，非热效应中主要是
电磁效应. 我们以前的研究发现，经不同时间长度微波预处
理对菘蓝种子淀粉酶活性、转氨酶活性、蛋白酶活性、蛋白
质含量、游离氨基酸含量以及总DNA含量均有明显的促进
作用，提高了菘蓝种子和幼苗的生物光子辐射强度，促进菘
蓝种子的生理代谢和幼苗生长发育[5]. 8 s微波辐射菘蓝种子
可提高酶类抗氧化系统(SOD、POD、CAT)的酶活性，提高幼
苗抗UV-B能力[7]. 但是，鉴于小剂量微波辐射种子能否促进
非酶类抗氧化剂的生物合成？以及其剂量范围多大等问题都
还不清楚. 我们测定了比酶类抗氧化剂更能直接反映防护效
果的非酶类抗氧化剂（紫外吸收物质浓度、花青素甙、Pro、
GSH、AsA）的生物合成量，本研究发现，在增强UV-B辐射条
件下，经微波预处理的菘蓝幼苗中非酶类抗氧化剂含量明显
提高，证明微波启动了细胞内解毒的基因家族[γ-谷氨酰半胱
氨酸合成酶、谷胱甘肽S转移酶、NAD(P)-醌，氧化还原酶等]
的应答表达，提高了解毒物质含量，即提高了细胞自身免疫
能力，维护了细胞正常功能这一医学上的重要发现(动物、植
物抗逆境的生物学功能是相同的)[12].
究其原委，可能是种子内储藏的蛋白质、碳水化合物、
核酸等生物大分子以及水分子在微波(2 450 MHz)能量场作
用下快速振荡、互相碰撞、摩擦、挤压，从而使动能(微波能)
转化为热能；而适当热能可以提高酶的活性，加速酶促反应
进程 [13]. 其次，微波的非热效应可以影响蛋白质、酶及生物大
分子的结构，酶的半导体性和酶结构中金属离子的顺磁性，
促使酶和底物接触，加速酶促反应进程 [14]. 在两种效应的作
用下，种子生命活动的非平衡的稳定状态被打破，导致机体
从高度有序向无序的方向发展；低熵生物大分子蛋白质在转
氨酶活性、蛋白酶的作用下降解为游离氨基酸，碳水化合物
在淀粉酶作用下降解为小分子的单糖，机体的生理生化代谢
速率加快 [5]，促进非酶类抗氧化剂的生物合成，最终表现为
菘蓝体内紫外吸收物质浓度、花青素甙Pro、GSH和AsA含量
增加，使植物体抗性增强.
GSH和AsA通过AsA-GSH-GSSG循环清除生物体内产
生的活性氧自由基，而且GSH具有启动抗性基因的表达和保
护巯基的生物学功能 [15]. UV-B辐射可以诱导植物体内产生
类黄酮等紫外线吸收物质和花青素甙，吸收紫外线从而降低
UV-B辐射对植物叶片伤害程度 [16]. Pro是植物细胞质中一种
游离氨基酸，具有很高的水溶性，可以保护细胞膜系统，维
持胞内酶的结构，减少胞内蛋白质的降解 [17]. 我们发现，适量
时间的微波预处理可以提高非酶类抗氧化剂的生物合成，提
高植物对增强UV-B辐射的抵抗能力，反之会引起酶的钝化、
蛋白质变性、生物膜透性改变，抑制植物生理生化代谢和非
酶类抗氧化剂的生物合成，加重对植物的伤害. 因此，微波
具有相悖的防护效应，在生物学上应用时其剂量的把握十分
关键.
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表1 不同时间微波处理菘蓝种子对UV-B损伤菘蓝幼苗非酶类抗氧化剂生物合成的影响(N=3，x±s)
Table 1 Effect of microwave irradiation time on synthesis of non-enzymatic antioxidants in I. indigotica seedlings exposed to
enhanced UV-B (N=3, x±s)
Non-enzymatic antioxidants CK 0+B 3+B 8+B 13+B 18+B
MDA (b/nmol mg-1 protein) 5.5±0.5c 12±0.8a 5±0..6c 4.5±0.46c 6.2±0.3c 7.0±0.23b
GSH (w/mg g-1, FW) 4.5±0.5c 4.8±0.8c 12±0.6a 10±0.7b 6.9±0.3c 4.5±0.23c
GSSG (w/mg g-1, FW) 0.43±0.05c 0.58±0.02b 0.34±0.02d 0.3±0.02d 0.52±0.01b 0.61±0.03a
Absorbance at 300 nm 0.6±0.01e 0.75±0.01d 0.8±0.03c 0.9±0.02b 0.93±0.03a 0.86±0.02c
Anthocyanin (%) 0.13±0.001f 0.16±0.012e 0.23±0.002d 0.33±0.02c 0.48±0.03a 0.41±0.02b
AsA (w/μg g-1, FW) 95±7c 60±4d 115±6.5b 138±10a 121±6b 109±5c
Proline (w/μg g-1, FW) 390±50e 375±18e 440±26d 775±32a 590±30b 530±23c
表中同一列数据后带有相同字母表示处理之间没有显著差异
The same letters within the same columns in the table mean no signifi cant difference according to Duncan multiple range test
8336 期 陈怡平等：微波处理对UV-B损伤菘蓝幼苗非酶类抗氧化剂生物合成的影响
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