全 文 ：植物学通报Chinese Bulletin of Botany 2008, 25 (5): 543-551, w w w .chinbullbotany.com
收稿日期: 2007-12-25; 接受日期: 2008-05-21
基金项目: 高等学校博士点基金
* 通讯作者。E-mail: biy r2003@yahoo.com.cn
.研究论文.
UV-B胁迫下 NaHSO3对红芸豆叶片的保护作用
李东波 1, 2 , 王晓敏 1 , 张东凯 1 , 毕玉蓉 1 *
1兰州大学生命科学学院, 兰州 730000; 2陇东学院生命科学系, 庆阳 745000
摘要 为了减轻UV-B辐射对植物叶片的伤害, 本研究以离体红芸豆叶片为实验材料, 通过外源施加NaHSO3的方法探讨了
UV-B辐射下NaHSO3 对离体红芸豆叶片的保护作用。结果表明：与未处理对照相比较, 用0.5 m mol.L-1 NaHSO3处理的离
体红芸豆叶片表面褐色斑减少、边缘蜷曲及萎蔫程度降低；且能延缓叶片中叶绿素和类胡萝卜素含量的降低；使类黄酮含量
升高；叶片中过氧化物酶(POD)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性升高, 过氧化氢(H2O2)含量降低。进一步研究发现NaHSO3
处理能明显延缓PSⅡ原初光能转换效率的降低；增强PSⅡ的电子传递能力, 减少叶绿体内有害自由基的产生, 减缓叶绿体内
光合机构遭受破坏的程度。以上结果表明NaHSO3可能通过提高POD和APX的活性、降低自由基产生及保护光合色素等来实
现UV-B胁迫下对红芸豆叶片的保护作用。
关键词 抗氧化酶, UV-B, NaHSO3, 红芸豆, 活性氧
李东波 , 王晓敏 , 张东凯 , 毕玉蓉 (2008). UV-B胁迫下NaHSO3对红芸豆叶片的保护作用. 植物学通报 25, 543-551.
随着全世界人口的不断增长及现代工农业的快速发
展, 酸雨、温室效应和臭氧层破坏已成为人类面临的三
大环境问题。尽管破坏臭氧层物质的释放量已开始得
到控制, 但臭氧衰减将在2010年达到最高峰, 之后才逐
渐恢复, 所以有关臭氧层变薄、UV-B 辐射增强对植物
及生态系统影响的研究在今后相当长一段时期内仍会受
到重视(王海霞等, 2007)。增强 UV-B 辐射将对植物产
生多方面的影响: 叶表面出现大量褐斑, 叶面积减少, 器
官生长不均匀, 花期和冠层结构改变(Kak ani et al. ,
2003); 敏感植物叶绿体结构被破坏, 导致光合作用光反
应过饱和及光抑制(Daries, 1987); 造成光反应中心 D1、
D2 蛋白降解和外周集光天线蛋白减少(Bergo et al. ,
2003); 抑制同PSII相关的电子传递, 环式磷酸化解耦联
和核酮糖-1, 5-二磷酸羧化酶活性降低(Vu et al., 1982);
叶绿素含量下降与希尔反应活性降低(杨志敏等, 1995);
不饱和脂肪酸含量下降, 饱和脂肪酸含量上升, 造成膜流
动性降低(杨景宏等, 2000); 影响植物体内某些物质代谢,
改变内源生长调节物质含量(安黎哲等, 2001); 多胺含量
升高(Clütz et al. , 2005); ATP 合成酶及核酮糖二磷酸
(RuBP)含量急剧下降, 类黄酮含量增加(Strid et al. ,
1990); 气孔阻力增大或关闭(Wright and Murphy, 1982);
体内氧化还原平衡改变, 产生大量活性氧, 进而攻击生物
大分子(如脂质体、蛋白质和DNA)和一些小分子, 导致
氧化胁迫甚至植株死亡。
低浓度NaHSO3对光合作用的促进效应引起了很多
学者的关注。胡哲森等(2001)认为 NaHSO3 是通过抑
制光呼吸而提高光合速率。而谭实和沈允钢(1987 )则
认为 NaHSO3能在较长时间内促进光合作用并不是通过
抑制光呼吸的缘故。低浓度NaHSO3通过促进围绕PSI
的循环电子传递及其偶联的光合磷酸化, 增加ATP的供
应提高光合速率(Wang and Sh, 2002)。在增强 UV-B
辐射下, NaHSO3 对植物保护作用的研究尚未见报道。
红芸豆(Phasedus vulgaris)生育期短, 适应范围广, 耐旱
耐瘠, 是十分重要的植物蛋白来源之一。其籽粒不仅营
养丰富, 而且具有药用价值, 既是传统粮食, 又是现代保
健珍品。本文研究了外源NaHSO3对增强 UV-B辐射下
离体红芸豆叶片中光合色素、抗氧化酶系统、叶绿素
荧光参数以及活性氧的影响, 试图揭示UV-B 胁迫下
544 植物学通报 25(5) 2008
NaHSO3对红芸豆叶片的保护作用机理, 对减轻 UV-B
辐射造成的农作物减产具有重要的实践意义。
1 材料与方法
1.1 材料
红芸豆(Phaseolus vulgaris L.)种子购于甘肃省种子公
司。红芸豆种子用 0.5% 次氯酸钠消毒 10 分钟, 流水
冲洗, 浸泡 12小时, 在湿润的纱布上萌发 48小时。挑
选萌发时间一致的种子播于石英砂中, 在昼夜温度变化
为 25°C/16°C(16小时光照, 8小时黑暗)、相对湿度为
60% 的条件下培养 8天。
1.2 UV-B处理
增强UV-B辐射用30 J.s-1秦牌紫外灯管照射(陕西宝鸡
光源研究所, 波长峰值为 305 nm)。将灯管悬挂于待处
理叶片上方 80 cm 处, 发射的紫外光用 0.13 mm 醋酸
纤维膜过滤以滤去 UV-C的影响。辐射强度用UV-B 照
度计(北京师范大学生产)测定, 设置的辐射度为0.50 W.
m-2。挑选一致的红芸豆叶片, 漂浮于 50 m L 0 . 5
mmol.L-1 NaHSO3 (pH 5.6)中, 自然光下预处理3小时,
使 NaHSO3溶液充分渗入叶片组织。然后进行UV-B辐
射, 以蒸馏水作对照, 每隔 12小时取样, 共处理 48小
时。实验进行 3 次, 每次取样至少设 3个重复。
1.3 抗氧化酶提取液的制备及其活性测定
取 0.5 g红芸豆叶片, 加入 3 mL提取液(100 mmol.L-1
磷酸钾缓冲液, 2 mmol.L-1 EDTA, 1%聚乙烯吡咯烷酮,
pH7.5), 于 4°C下研磨提取。12 000 × g离心 20分钟,
上清液为粗酶液, 用于抗氧化酶活性测定。
SOD活性测定参照Giannopolitis和Ries(1977)的
方法。CAT活性测定参照Cakmak和Marschner(1992)
的方法。APX活性测定参照 Nakano和 Asada(1981)
的方法。POD活性测定参照Brit ton和Maehly(1995)
的方法。蛋白质含量测定参照Bradford(1976)的方法。
每组处理至少设 3 个重复。
1.4 过氧化氢含量测定
过氧化氢含量测定参照 Patterson等(1984)的方法。在
1 mL冷丙酮提取液中加 0.2 mL浓氨水和 0.1 mL 20%
TiCl4。3 000 × g离心 10分钟, 弃上清液, 沉淀用冷
丙酮洗涤 3次。最后在沉淀中加入 3 mL 2 mmol.L-1
H2SO 4, 摇匀。在 410 nm 下测定吸光值。每组处理
至少设 3 个重复。
1.5 细胞膜相对透性测定
细胞膜相对透性测定参照 Zhao等(2004)的方法。用打
孔器打取直径为 1 cm的叶圆片, 去离子水冲洗3次, 然
后浸入 20 mL去离子水中, 真空处理 30分钟, 测定电
导率(T1), 煮沸 30分钟后再次测电导率(T2)。相应以去
离子水作为对照测相应电导率 C1和 C2。根据相对电导
率(%)=(T1-C1)/(T2-C2)× 100计算得到相对电导率。
每组处理至少设 3 个重复。
1.6 叶绿素和类胡萝卜素含量测定
参照Lichtenthaler和Wellbum(1983)的方法测定和计算叶
绿素和类胡萝卜素含量。用80%丙酮研磨叶片, 4 000×g
离心 10分钟, 取上清液。沉淀用80%丙酮抽提, 4 000 ×g
离心 10分钟, 合并上清液, 定容。以80%丙酮作对照, 用
DU-640型分光光度计测定上清液在645、663和470 nm
处的吸光值。每组处理至少设 3 个重复。
1.7 类黄酮含量测定
类黄酮含量测定参照Mirecki 和 Teramura(1984)的方
法。用打孔器打取叶圆片 0.2 g, 用 25 mL酸性甲醇(甲
醇:水:HCl=79:20:1)研磨, 4°C避光放置过夜, 20 000
× g离心 10 分钟, 定容。以酸性甲醇作对照, 用 DU-
640型分光光度计读取 305 nm 处的吸光值, 其相对含
量用吸光度表示。每组处理至少设 3 个重复。
1.8 叶片荧光动力学参数测定
采用脉冲调制式叶绿素荧光仪(P A M 2000, wa l t z ,
Germany)测定叶片荧光动力学参数, 记录离体红芸豆叶
545李东波等: UV-B胁迫下NaHSO3对红芸豆叶片的保护作用
片 Fv /Fm和表现电子传递速率(elec tron t ransport rate,
ETR)等参数。数据记录由机载软件 syst em con trol
and data acquisition system (PAMWin v1.03a preline)
完成。测量前先使植株在黑暗下适应 20分钟, 然后打
开测量光(measuring light , 650 nm 脉冲测量红光, 脉
冲频率为1.6 kHz, 光强为0.05-0.1 mmol.m-2.s-1)测得
最小荧光值 Fo; 1.5分钟后, 曲线基本稳定, 打开单饱和
白光(a saturating flash of light, 持续 800 ms, 光强为
2 000 mmol.m-2.s-1)脉冲 1次。与此同时, 测量光脉
冲频率为100 kHz的最大荧光值Fm, 记录Fo、 (Fm-Fo)/
Fm = Fv / Fm、E T R 参数。F o 为初始荧光(m i n i m a l
f l uo r es c enc e ) ; F m 为最大荧光产量(m ax i m a l
fluorescence); Fv 为可变荧光(variable fluorescence);
ETR为表观电子传递速率。每组处理至少设 4个重复。
2 结果与分析
2.1 NaHSO3处理对增强UV-B辐射下离体红芸
豆叶片的保护作用
如图 1 所示, 在增强UV -B 辐射下经 0. 5 mm ol .L-1
NaHSO3处理的离体红芸豆叶片受损伤程度明显比未处
理叶片低。处理的叶片表面褐斑较少, 绿色更浓, 褶皱
少, 表明低浓度 NaHSO3 处理红芸豆离体叶片, 可减轻
增强 UV-B对离体红芸豆叶片造成的表观伤害。由于高
浓度NaHSO3对植物有伤害作用(陈屏昭等, 2004), 因此
我们以丙二醛(MDA)为指标测定不同浓度NaHSO3对叶
片的伤害程度(数据未显示), 结果确定 0.5 m mol.L-1
NaHSO3对叶片伤害最小, 同时该溶液 pH值高于 5.6,
是植物叶片可耐受的酸度。
2.2 NaHSO3处理对增强UV-B辐射下离体红芸
豆叶片细胞膜的影响
增强 UV-B 可诱导氧化胁迫(Beligni and Lamatt ina,
1999 )。相对电导率反映氧化胁迫对细胞膜的损伤程
图 1 NaHSO3处理对增强UV -B辐射下离体红芸豆叶片的影响
将红芸豆叶片分别漂浮于50 mL蒸馏水(对照)和50 mL 0.5 mmol.
L-1 NaHSO3 (pH5.6)溶液中, 先在自然光下预处理 3小时, 然后进
行UV -B辐射处理, 辐射时间为36小时
Figur e 1 Eff ec t of NaHSO3 treatment on the leaves of
Phaseolus vulgaris under enhanced ultrav iolet-B radiation
After the excised leaves of Phaseolus vulgar is w ere pretreated
in 50 mL distilled w ater (control) or 50 mL 0.5 mmol.L-1 NaHSO3
buff er (pH5.6) f or 3 h in the natural light, they w ere treated
under UV -B radiation f or 3 6 h as UV -B treatment and
NaHSO3+UV-B treatment, respectively.
图 2 NaHSO3处理对增强UV -B辐射下红芸豆叶片中相对电导
率的影响
将红芸豆叶片分别漂浮于50 mL 蒸馏水(对照)和50 mL 0.5 mmol.
L-1 NaHSO3 (pH5.6)溶液中, 先在自然光下预处理 3小时, 然后进
行UV-B辐射处理。每隔 12小时取样, 共处理48小时。平均值
和标准误由 3个独立实验获得
Figure 2 Eff ec t of NaHSO3 treatment on relative conduc -
tance in leaves of Phaseolus vulgaris under enhanced UV -B
radiation
After the excised leaves of Phaseolus vulgar is w ere pretreated
in 50 mL distilled w ater (control) or 50 mL 0.5 mmol.L-1 NaHSO3
buffer (pH5.6) f or 3 h, they w ere treated under UV -B radiation
for 0-48 h as natural light, UV -B treatment and NaHSO3+UV -B
treatment, respectively, and the samples w ere harves ted ev-
ery 12 h. Mean values and SE w ere calculated based on three
independent experiments.
546 植物学通报 25(5) 2008
度。图 2 显示: 在增强 UV-B 辐射下, 0-36小时叶片
相对电导率从18.5%上升到37.9%; 而NaHSO3处理能
减缓 UV-B诱导的相对电导率的升高, 在36小时比对照
降低了 25.4%。而到 48小时 NaHSO3+UV-B 处理组
的相对电导率高于 U V - B 处理组, 这可能是由于
NaHSO3在植物细胞微环境内积累过多, 其自身反应产
生有害自由基, 破坏膜的通透性所致(陈屏昭等, 2004)。
2.3 NaHSO3处理对增强UV-B辐射下离体红芸
豆叶片色素含量的影响
离体红芸豆叶片在增强 UV-B 辐射下, 总叶绿素和类胡
萝卜素含量均随处理时间的延长而降低。NaHSO3 处
理能延缓 UV-B辐射引起的叶绿素和类胡萝卜素含量的
下降(图 3A, B)。表明 NaHSO3 处理对光合色素有一定
的保护作用, 可增强叶片对 UV-B 的抗性。在单独的
UV-B处理条件下, 叶片类黄酮含量随辐射时间延长而升
高(图 3C), 从 0小时的 2.5 OD305.g-1 FW 到 36小时的
4.0 OD305 .g-1 FW, 而 NaHSO3+UV-B 处理的离体红
芸豆叶片中类黄酮含量则从 2.5 OD305.g-1 FW 升高到
5.0 OD305.g-1 FW, 随后有小幅降低。
2.4 NaHSO3处理对增强UV-B辐射下离体红芸
豆叶片中H2O2含量的影响
叶片在增强UV-B辐射下, H2O2含量在48小时内逐渐升
高, 从 0小时的 16.2 mmol.g-1 FW 增加到 48小时的
40.8 mmol.g-1 FW, 增幅为 151.8%; 在 NaHSO3+UV-
B处理下, 叶片中H2O2含量始终低于单独UV-B处理组,
在 48小时为 27.4 mmol.g-1 FW , 仅增加 69.13%(图
4)。实验表明NaHSO3 处理能显著降低红芸豆叶片中
H2 O2 含量。
2.5 NaHSO3处理对增强UV-B辐射下离体红芸
豆叶片中抗氧化酶活性的影响
如图 5所示, NaHSO3 处理对增强UV-B 辐射下叶片中
图 3 NaHSO3处理对增强UV -B辐射下红芸豆叶片中类胡萝卜
素(A)、叶绿素(B)及类黄酮(C)含量的影响
将红芸豆叶片分别漂浮于50 mL 蒸馏水(对照)和50 mL 0.5 mmol.
L-1 NaHSO3 (pH5.6)溶液中, 先在自然光下预处理 3小时, 然后进
行UV-B辐射。每隔 12小时取样, 共处理48小时。平均值和标
准误由 3个独立实验获得
Figur e 3 Ef fects of NaHSO3 treatment on carotenoid con-
tents (A), chlorophyll contents (B) and f lavonoid contents (C)
in leaves of Phaseolus vulgaris under enhanced UV-B radia-
tion
After the excised leaves of Phaseolus vulgar is w ere pretreated
in 50 mL distilled w ater (control) or 50 mL 0.5 mmol.L-1 NaHSO3
buffer (pH5.6) f or 3 h, they w ere treated under UV -B radiation
for 0-48 h as natural light, UV -B treatment and NaHSO3+UV -B
treatment, respectively, and the samples w ere harves ted ev-
ery 12 h. Mean values and SE w ere calculated f rom three
independent experiments.
®
547李东波等: UV-B胁迫下NaHSO3对红芸豆叶片的保护作用
不同抗氧化酶活性的影响不同。单独用UV-B 处理和
NaHSO3+UV-B 处理都能诱导 SOD和 CAT活性增强。
图 4 NaHSO3处理对增强UV-B辐射下离体红芸豆叶片中H2O2
含量的影响
将红芸豆叶片分别漂浮于50 mL 蒸馏水(对照)和50 mL 0.5 mmol.
L-1 NaHSO3 (pH5.6)溶液中, 先在自然光下预处理 3小时, 然后进
行UV-B辐射。每隔 12小时取样, 共处理48小时。平均值和标
准误由 3个独立实验获得
Figure 4 Ef fect of NaHSO3 treatment on H2O2 contents in
leaves of Phaseolus vulgaris under enhanced UV-B radiation
After the excised leaves of Phaseolus vulgar is w ere pretreated
in 50 mL distilled w ater (control) or 50 mL 0.5 mmol.L-1 NaHSO3
buffer (pH5.6) f or 3 h, they w ere treated under UV -B radiation
for 0-48 h as natural light, UV -B treatment and NaHSO3+UV -B
treatment, respectively, and the samples w ere harves ted ev-
ery 12 h. Mean values and SE w ere calculated f rom three
independent experiments.
图 5 NaHSO3处理对增强UV -B辐射下红芸豆叶片中抗氧化酶
SOD(A)、POD(B)、CAT(C)和A PX(D)活性的影响
将红芸豆叶片分别漂浮于50 mL 蒸馏水(对照)和50 mL 0.5 mmol.
L-1 NaHSO3 (pH5.6)溶液中, 先在自然光下预处理 3小时, 然后进
行UV-B辐射。每隔 12小时取样, 共处理48小时。平均值和标
准误由 3个独立实验获得
Figure 5 Effec ts of NaHSO3 treatment on ac tivities of antioxi-
dant enzymes SOD (A), POD (B), CAT(C) and APX (D) in leaves
of Phaseolus vulgaris under enhanced UV-B radiation
After the excised leaves of Phaseolus vulgar is w ere pretreated
in 50 mL distilled w ater (control) or 50 mL 0.5 mmol.L-1 NaHSO3
buffer (pH5.6) f or 3 h, they w ere treated under UV -B radiation
for 0-48 h as natural light, UV -B treatment and NaHSO3+UV -B
treatment, respectively, and the samples w ere harves ted ev-
ery 12 h. Mean values and SE w ere calculated f rom three
independent experiments.
®
548 植物学通报 25(5) 2008
到 48小时, 在单独 UV-B 辐射下, SOD和 CAT活性分
别增加了 46.2% 和 69.0%; NaHSO3+UV-B 处理下,
SOD和 CAT活性分别增加了 50.9%和 66.6%(图 5A,
C)。POD和 APX活性的变化趋势与 SOD和 CAT活性
变化不同, 在 UV-B 辐射下, 外源 NaHSO3能明显诱导
POD和 APX活性增强(图 5B, D)。当处理到 36小时,
在单独 UV-B 辐射下, POD和 APX的活性分别增加了
60.2%和63.0%; 而在NaHSO3+UV-B处理下, POD和
APX的活性分别增加了 17.8% 和 31.6%。而到 48小
时, NaHSO3+UV-B处理下的 POD和 APX的活性却低
于单独用 UV-B 处理组的活性。
2.6 NaHSO3处理对增强UV-B辐射下离体红芸
豆叶片荧光动力学参数的影响
叶绿素荧光参数包含大量关于PS II 原初光化学反应的
信息, 通过对各参数的分析, 便可了解 NaHS O3 对受
UV-B胁迫下光合机构的影响。Fv /Fm (最大光化学量子
产量)表征 PSII利用光能的效率, ETR(表观光合电子传
递速率)反映表观电子传递效率。增强 UV-B 辐射下,
Fv /Fm从0.79降低到0.58(图6A), ETR从31.55降低到
21.40(图6B); NaHSO3处理可减缓增强UV-B辐射引起
的 Fv /Fm 和 E TR 的降低, 减缓幅度分别为 9 .3% 和
10.9%(图 6)。实验结果表明 NaHSO3处理可提高 PSII
中光能的转化效率, 减缓 UV-B 对光合电子传递链的损
伤程度, 保护光合器官, 延缓光合作用的降低。
3 讨论
UV-B辐射的生物学效应是损伤、修复和适应综合作用的
结果。它对植物的膜系统、次生代谢产物系统、光合
作用系统和抗氧化酶系统均有显著影响(王海霞等, 2007)。
生物膜系统是 U V - B 辐射胁迫伤害的靶位点
(Murphy, 1983)。UV-B 胁迫下, 植物体内活性氧代谢
失衡。过剩的活性氧攻击细胞膜系统中的不饱和脂肪
酸, 引发膜系统自氧化链式反应, 使膜脂过氧化产物丙二
醛含量骤增、膜结构受损、透性升高和代谢紊乱(杨景
宏等, 2000)。在增强的 UV-B辐射下, 用 NaHSO3处理
离体红芸豆叶片, 可减少叶表面褐斑和细胞膜透性(图1,
图 2), 表明外源的 NaHSO3可以降低 UV-B引起的叶片
膜系统的损伤程度。其原因可能有两方面 : 一方面
NaHSO3是一种较强的还原性物质, 可将O2-.、H2O2 和
.OH及[O]等细胞内有害物质清除掉(陈屏昭等, 2004);
图 6 NaHSO3处理对增强UV -B辐射下红芸豆叶片中Fv/Fm (A)
和ETR (B)的影响
将红芸豆叶片分别漂浮于50 mL 蒸馏水(对照)和50 mL 0.5 mmol.
L-1 NaHSO3 (pH5.6)溶液中, 先在自然光下预处理 3小时, 然后进
行UV-B辐射。每隔 12小时取样, 共处理48小时。平均值和标
准误由 3个独立实验获得
Figur e 6 Ef fec ts of NaHSO3 treatment on Fv/Fm (A) and ETR
(B) in leaves of Phaseolus vulgari s under enhanced UV-B ra-
diation
After the excised leaves of Phaseolus vulgar is w ere pretreated
in 50 mL distilled w ater (control) or 50 mL 0.5 mmol.L-1 NaHSO3
buffer (pH5.6) f or 3 h, they w ere treated under UV -B radiation
for 0-48 h as natural light, UV -B treatment and NaHSO3+UV -B
treatment, respectively, and the samples w ere harves ted ev-
ery 12 h. Mean values and SE w ere calculated f rom three
independent experiments.
549李东波等: UV-B胁迫下NaHSO3对红芸豆叶片的保护作用
另一方面NaHSO3 可能通过提高部分抗氧化酶的活性
(图 5), 降低体内有害自由基的含量。
植物耐受 UV-B胁迫的一种重要方式就是依赖植物
叶片中黄酮类化合物的抗紫外辐射作用, 其中类黄酮具
有吸收 280-315 nm 波长辐射的特性。类黄酮在植物
抗紫外辐射、抗病原菌侵染等方面起重要作用。它主
要分布在植物体茎和叶的表皮细胞层、叶茸毛以及对
UV-B辐射敏感的组织与器官中, 形成一道天然屏障, 保
护植物体器官(Mackerness et al., 1999)。本研究结果
表明用低浓度的NaHSO3处理离体红芸豆叶片, 可明显
提高叶片中类黄酮含量(图 3C), 这对提高叶片对UV-B
的抗性有重要的意义。
植物对逆境胁迫的抗性与抗氧化酶系统密切相关
(Krause, 1988), 抗氧化酶类主要有 SOD、CAT、APX
和 POD。已有的研究表明, UV-B 胁迫下这些抗氧化酶
活性的变化并不完全相同。吴杏春等(2001)证明 UV-B
胁迫使水稻叶片中 SOD和 CAT的活性先升后降, POD
活性上升。陈拓等(2001)在研究 UV-B 辐射对蚕豆的影
响时发现, SOD活性稍有波动, 在处理小麦时却发现,
CAT和 POD活性明显升高, S OD活性却没有明显变
化。古今等(2006)提出 UV-B 辐射下不同植物的SO D
活性变化差异较大, SOD活性的变化可能是植物对UV-
B辐射的一种适应性的生理反应, 它的大小也许不能反
映植物对 UV-B辐射的抵抗能力。在本实验中, UV-B辐
射下 SOD活性随时间延长而增加, 外源 NaHSO3 处理
基本没有影响 UV-B 辐射下 SOD活性的变化(图 5A)。
与单独的 UV-B 辐射相比, NaHSO3+UV-B处理可以显
著提高叶片中 POD和 APX活性(图 5B, D)。POD是一
大类酶的总称, 在逆境初期表达, 主要负责清除H2O2, 表
现保护效应; 在后期表达, 却能参与活性氧的生成。本
研究中低浓度 NaHSO3 在辐射初期增加POD活性, 而
在后期降低 POD活性, 可以降低自由基对叶片的伤害。
CAT酶可清除植物体内产生的 H2O2, 但对 H2O2的亲和
力比较弱。在本研究中, NaHSO3+UV-B处理组的CAT
活性较单独 UV-B处理组低(图5C), 这可能是由于POD
和 A P X 等的活性增高、类黄酮含量的显著增加以及
NaHSO3自身清除活性氧保持了叶片内较低的 H2O2 含
量(图 4), 从而导致了诱导的 CAT活性降低。总之, 低
浓度的NaHSO3可以通过刺激植物体内抗氧化防御体系
的活性来控制体内过氧化物和H2O2的水平, 从而保护红
芸豆叶片细胞免于活性氧的伤害。
UV-B辐射可以通过引起光合色素的降解而间接影
响光合作用(Pakrasi and Vermaas, 1992)。光合色素
在 UV-B 辐射下的增加与降低, 这两种影响结果尽管均
有报道, 但当以光合色素吸收、传递、转化光能的效
率为基础时, UV-B辐射则降低光合作用(Teramura and
Sullivan, 1994)。外源NaHSO3处理可以不同程度地提
高作物叶片叶绿素含量(刘斌和李明启, 1989)。叶绿素
含量的提高, 改善了叶片光合作用的内环境(陈屏昭等,
2004)。类胡萝卜素是重要的结合于细胞膜上的抗氧化
剂, 在植物光合作用中担负吸收光能的辅助色素的重要
功能, 具有吸收和传递电子、清除 UV-B 辐射下光合作
用中产生的三线态和单线态及超氧阴离子等自由基的作
用(Bart ley and Scolnik , 1995; Tracewell et al. ,
2001)。在本研究中 NaHSO3处理能减缓 UV-B 辐射引
起的红芸豆叶片叶绿素和类胡萝卜素含量的下降(图 3A,
B), 进而可以减缓光合效率的降低, 使更多的过剩光能通
过叶黄素循环耗散掉, 这可能是NaHSO3保护光合器官
免受 UV -B 损伤的一个作用机制。
叶绿素荧光参数对研究光合作用生理状态有重要意
义。在 UV-B辐射强烈的青藏高原生长的植物叶片, Fv /
Fm下降, 发生光抑制(张树源等, 1999)。增强 UV-B 辐
射可以导致柚树苗的PSII失活, 非环式电子传递效率下
降; 同时还诱导膜脂过氧化作用, 攻击光合作用中心靶点
并导致 PSII失活, 进而降低植物光合能力, 最终导致柚
树苗生长受抑制(聂磊等, 2001)。ETR反映光照条件下
的表观电子传递效率, 与植物净光合速率呈显著正相关
(Iacono, 1999)。ETR还与光合作用中的循环式光合电
子传递和抗坏血酸的电子传递过程有关(Murchie et al.,
1999)。 Fv /Fm和ETR降低(图6)表明增强UV-B辐射导
致了光合器官的损伤。Wang和 Shen (2002)认为低浓
度NaHSO3通过促进围绕PSI的循环电子传递及其偶联
的光合磷酸化, 增加 ATP 的供应以提高光合速率。在
本实验中, 外源的NaHSO3 处理能减缓离体红芸豆叶片
550 植物学通报 25(5) 2008
Fv /Fm和ETR随着辐照时间的延长而降低的程度(图6),
这可能是由于 NaHSO3处理可以增加 ATP 产量和清除
叶绿体内有害自由基, 进而减轻UV-B对光合电子传递链
的破坏作用, 提高过剩光能的转化能力, 保护光合器官。
综上所述, UV-B辐射下, 外源NaHSO3处理可以通
过增加离体红芸豆叶片中类黄铜的含量、显著提高抗
氧化酶(POD和APX)的活性, 降低叶片中活性氧的水平,
保证细胞内环境处于一定的氧化还原状态。另一方面,
外源NaHSO3处理还通过缓解UV-B辐射导致的光合色
素含量的降低来保护光合器官, 保证光合效率。这一结
论可为通过人工方法降低和解决 UV-B辐射对农业生产
造成的影响提供理论依据。
参考文献
安黎哲 , 冯虎元 , 王勋陵 (2001). 增强的紫外线B辐射对几种作物
和品种生长的影响. 生态学报 21, 249-253.
陈屏昭 , 罗家刚 , 王磊 , 陈顺方, 桑正林 , 周云 (2004). 亚硫酸氢钠
影响脐橙叶片光合作用的原因. 西北农业学报 13, 69-75.
陈拓 , 安黎哲 , 冯虎元 , 杨景宏 , 王勋陵 (2001). UV-B辐射对蚕豆
叶膜脂过氧化的影响及机制. 生态学报 21, 579-583.
古今 , 陈宗瑜 , 訾先能 , 罗丽琼 (2006). 植物酶系统对UV-B辐射
的响应机制. 生态学杂志 25, 1269-1274.
胡哲森 , 时忠杰 , 许长欣 (2001). 亚硫酸氢钠对油茶光合机构的生
理效应研究. 林业科学 37, 68-71.
刘斌 , 李明启 (1989). 亚硫酸氢钠对水稻幼苗乙醇酸氧化酶的抑制
作用及其机理. 植物生理学报 15, 295-300.
聂磊 , 刘鸿先 , 彭少麟 (2001). 水分胁迫对长期UV-B辐射下柚树
苗特性的影响. 植物资源与环境学报 10, 19-24.
谭实 , 沈允钢 (1987). 亚硫酸氢钠对光合机构及其转运的影响. 植
物生理学报 13, 42-50.
王海霞 , 丛鹏 , 刘汉柱 , 刘文哲 (2007). 植物对增强UV-B辐射防
御机制研究进展. 西北植物学报 27, 1491-1497.
吴杏春 , 林文雄 , 郭玉春 , 何华勤 , 陈芳育 , 梁义元 (2001). UV-B
辐射增强对水稻叶片抗氧化系统的影响. 福建农业学报 16, 51-
55.
杨景宏 , 陈拓 , 王勋陵 (2000). 增强紫外线B辐射对小麦叶绿体膜
组分和膜流动性的影响. 植物生态学报 24, 102-105.
张树源 , 武海 , 吴姝 , 沈允钢 , 郭连旺 (1999). 青海高原及上海平
原地区植物叶片光合作用的光抑制. 西北植物学报19 , 5 6-
66.
Bart ley GE, Scolnik PA (1995). Plant carotenoids: pigments for
photoprotection, visual attraction and human health. Plant Cell
7, 1027-1038.
Beligni MV, Lamattina L (1999). Nitric oxide protects against
cellular damage produced by methyl viologen herbicides in
potato. Nitric Oxide 3, 199-208.
Ber go E, Segalla A, Giacometti GM, Tarantino D, Soave C,
Andreucci F, Barbato R (2003) . Role of visible light in the
recovery of photosystem II structure and function from ultra-
violet-B stress in higher plants. J Exp Bot 54, 1665-1673.
Bradfor d M (1976) . A rapid and sens it ive method f or the
quantitation of microgram quantities of protein utilizing the prin-
ciple of dye binding. Anal Bi ochem 72, 248-254.
Britton C, Maehly AC (1995). Assay of Catalase and Peroxidase.
New Y ork: Academic Press. pp. 764-775.
Cakmak I, Marschner H (1992). Magnesium deficiency and high
light intensity enhance ac tivities of superox ide dismutase,
ascorbate peroxidase and glutathione reducetase in bean
leaves. Plant Physiol 98, 1222-1227.
Caldwell MM (1971). Solar UV irradiation and grow th and devel-
opment of higher plants. Photophysiology 4, 131-177.
Clütz C, Navak oudis E, Se idlitz HK, Kotzabasis K (2005) .
Simulated solar irradiation w ith enhanced UV-B adjust plastid
and thylakoid associated polyamine changes for UV-B
protection. Biochim Biophys 1710, 24-33.
Dar ies KT (1987). Protein damage and degradation by oxygen
radical general aspec ts. Biol Chem 262, 9895-9901.
Giannopolit is CN, Ries SK (1977). Superoxide dismutase I.
Occur rence in higher plants. Plant Physi ol 59, 309-314.
Iacon KJ (1999). The measurement of chlorophyll f luorescence
as a tool to evaluate the photosynthetic performance of grape-
vine leaves. Acta Hortic 493, 31-44.
Kakani VG, Reddy KR, Zhao D, Mohamme d AR (2003) . Ef-
fects of ultraviolet-B radiation on cotton (Gossypium hirsutum
L.) morphology and anatomy. Ann Bot 91, 817-826.
Krause GH (1988). Photoinhibit ion of photosynthesis: an evalua-
tion of damaging and protective mechanisms . Physiol Plant
74, 566-574.
Lichtenthaler HK, Wellbum AR (1983) . Determinations of total
caroteneoid and chlorophyll a and b of leaf extract in different
solvent. Biochem Soc Trans 603, 591-592.
Mackerness AH, Jor don BR, Thomas B (1999). Reactive oxy-
gen species in the regulation of photosynthetic genes by ul-
traviolet-B radiation in green and etiolated buds of pea (Pisum
sati vum L.) . J Photochem Photobiol B 48, 180-188.
Mirecki RM, Teramura AH (1984). Effects of ultraviolet-B irra-
diance on soybean V. The dependence of plant sensitivity on
the photosynthetic photon f lux density dur ing and af ter leaf
expans ion. Plant Physiol 74, 475-480.
551李东波等: UV-B胁迫下NaHSO3对红芸豆叶片的保护作用
Murchie EH, Chen YZ, Hubbart S (1999). Interactions betw een
senescence and leaf or ient at indetermine in s itu patterns of
photosynthesis and photoinhibit ion in f ield grow n rice. Plant
Physi ol 119, 553-563.
Murphy TM (1983). Membranes as targets of ultraviolet radiation.
Physiol Plant 58, 381-388.
Nakano Y, Asada K (1981). Hydrogen peroxide is scavenged by
ascorbate-spec if ic peroxidase in spinach chloroplas ts. Plant
Cell Physiol 22, 867-880.
Pakrasi HB, Vermaas WFJ (1992). Protein engineering of photo-
system II. In: Barber J, ed. The Photosystems: Structure, Function,
and Molecular Biology. New York: Elsevier. pp. 231-257.
Patterson BD, Mzcrae ea EA, Fergnson IB (1984). Estimation
of damaging and protec tive mechanisms. Physiol Plant 74,
566-574.
Strid A, Chow WS, Ande rson GM (1990). Effec ts of supple-
mentary ultraviolet-B radiation on photosynthesis in Pisum
sati vum. Biochi m Biophys Acta 120, 260-268.
Protective Effects of NaHSO3 on Leaves of Phaseolus vulgaris Under
Enhanced Ultraviolet-B Radiation
Dongbo Li1, 2, Xiaomin Wang1, Dongkai Zhang1, Yurong Bi1*
1Schoo l of Li fe Sci ence s, Lan zho u Un ive rsi ty, Lan zho u 7 300 00, Chi na
2De partmen t o f L ife Sciences, Lo ngd ong Uni versit y, Q ing yan g 7 450 00, Chi na
Abstr act In this s tudy, w e investigated the protec tive eff ec ts of NaHSO3 on the physiological and biochemical processes of
Phaseolus vul gari s leaves under enhanced UV-B radiation. UV-B-induced damage in such leaves could be reduced w ith 0.5 mmol.
L-1 NaHSO3 treatment; brow n spots on the leaf surface w ere reduced in number , the degree of leaf w ilt w as reduced, degradation
of chlorophyll and carotinoid w as reduced and f lavonoid level w as increased. With the NaHSO3 treatment, the content of H2O2 in
leaves of Phaseol us vulgar is under enhanced UV-B radiation w as s ignif icantly low er than in controls, and the ac tivities of
antioxidant enzymes (POD and APX) w ere higher w ith treatment than in controls. The results for chlorophy ll f luorescence param-
eters (Fv/Fm, ETR) indicated that NaHSO3 treatment could cause increased ability for elec tron transpor t in PSII, delay in reduction
of maximum eff iciency of PSII photochemistry and dec reased appearance of the harmful free radicals in chloroplasts. As w ell, it
could also reduce the failure of the photosynthetic mechanism in chloroplasts . Thus , NaHSO3 can eff ectively reduce the damage
to plants induced by enhanced UV-B radiation by improv ing the enzyme ac tivit ies of antioxidants (POD and APX) , reducing the
production of reactive oxygen species to protec t the photosynthetic color ing matter and improving chlorophy ll f luorescence
parameters.
Ke y w ords an tio xid ant enzyme s, enh ance d UV-B ra dia tion , NaHSO3, Ph ase olu s vulg ari s, reactive oxyge n speci es
Li DB, Wang XM , Zhang DK, Bi YR (200 8). Protective e ffects of NaHSO3 on le aves of Ph ase olu s vu lga ris un der enha nced ul traviole t-
B radi atio n. Ch in Bull Bo t 25 , 54 3-55 1.
* Author for correspondence. E-mail: biyr2003@yahoo.com.cn
Teram ura AH, Sullivan JH (1994). Effects of UV-B radiation on
photosynthesis and grow th of terrestrial plants . Photosynth
Res 39, 463-473.
Tr acew ell CA, Vr ettos JS, Baut ista JA (2001) . Carotenoid
photooxidation in photosystem. Arch Biochem Biophys 385,
61-69.
Vu CV, Alle n LH, Garrard LA (1982). Ef fects of supplemental
UV-B radiation on pr imary photosynthetic carbonylating en-
zymes and soluble proteins in leaves of C3 and C4 crop plants.
Phys iol Plant 55, 11-16.
Wang HW, She n YG (2002) . How bis ulf ite enhances
photosynthes is. J Pl ant Phys iol Mol Biol 28, 247-252.
Wright LA, Murphy TM (1982). Short w ave ultraviolet light closes
leaf stomata. Am J Bot 69, 1196-1198.
Zhao L, Zhang F, Guo J, Yang Y, Li B, Zhang L (2004). Nitric
oxide functions as a signal in salt res istance in the calluses
from tw o ecotypes of reed (Phragmites communis Trin.). Plant
Phys iol 134, 849-857.
(责任编辑: 白羽红)