全 文 ：植物学报Chinese Bulletin of Botany 2009, 44 (4): 451-456, w w w .chinbullbotany.com
doi: 10.3969/j.issn.1674-3466.2009.04.006
收稿日期 : 2008-07-22; 接受日期 : 2008-10-09
基金项目 : 国家自然科学基金 (No.30671061)和山西省自然科学基金 (No.2008011059-1, No.20041101)
*通讯作者。 E-mail: hanrong@dns.sxnu.edu.cn
.研究报告.
He-Ne激光辐照与 UV-B辐射对小麦幼苗细胞器中
Na+/K+-ATP酶活性的影响
张娟, 韩榕 *
山西师范大学生命科学学院 , 临汾 041004
摘要 分别采用5 m J.s-1.mm-2 He-Ne激光辐照、10.08 kJ.m-2.d-1增强UV-B辐射及二者组合对小麦(Triticum aestivum)
晋麦8号(Triticum aestivum ‘Jinm ai8’)幼苗进行处理。第5 天开始测定各处理小麦幼苗叶片中线粒体、叶绿体及细胞溶质
中Na+/K+-ATP酶活性的变化。结果表明, 随着处理天数的增加, 小麦幼苗叶片线粒体、叶绿体及细胞溶质中Na+/K+-ATP酶活
性均在第6天下降, 第7天升高, 而后又逐渐下降。在处理的第7天, 仅He-Ne激光辐照可使小麦幼苗叶片线粒体、叶绿体及细
胞溶质中Na+/K+-ATP酶活性升高; 增强UV-B辐射使各细胞器中Na+/K+-ATP酶活性下降; 复合处理后小麦各细胞器中Na+/K+-
ATP酶活性均高于UV-B单独辐射处理。实验结果表明 , 一定剂量的He-Ne激光辐照能够部分修复UV-B辐射对小麦幼苗细胞
器中Na+/K+-ATP酶造成的损伤。
关键词 He-Ne激光 , Na+/K+-ATP酶 , 细胞器 , UV -B, 小麦
张娟 , 韩榕 (2009). He-Ne激光辐照与 UV-B辐射对小麦幼苗细胞器中 Na+/K+-ATP酶活性的影响 . 植物学报 44, 451-456.
臭氧层变薄及臭氧空洞的出现导致到达地面的
太阳紫外线辐射增强(Kerri, 1994), 其中主要是UV-B
辐射增强。UV-B辐射会影响植物的生长发育及其生
理生化过程, 造成农作物减产 , 甚至影响整个地球生
态系统(Teramura, 1983; Tevini and Teramura, 1986;
郑有飞和杨志敏 , 1996)。目前, 国内外对植物的紫外
辐射效应及其分子机理研究非常活跃。众多的研究
表明, UV-B辐射直接伤害的是植物膜系统。ATP 酶
是一种跨膜蛋白, 在维持细胞内外各种离子正常浓度
上起着重要作用。它主要存在于组织细胞及细胞器
的膜上, 胞质中也有分布 , 与生物体的新陈代谢和外
部环境变化密切相关 , 是一组在细胞内离子运输、能
量转换和信息传递方面起重要作用的酶系统(李杨瑞,
1987; 李衫等, 2001)。本研究从 He-Ne激光辐照和
UV-B辐射对小麦(Triticum aest ivum)叶片线粒体、叶
绿体和细胞溶质中Na+/K+-ATP酶(Na+/K+-ATPase)活
性的影响方面入手 , 探讨植物抗 UV-B辐射的机理及
激光促使作物增产的机制。
1 材料与方法
1.1 材料
晋麦 8号(Trit icum aestivum Y. H. Ren ‘Jinmai8’)由
山西省农业科学院小麦研究所提供。
1.2 方法
1.2.1 处理设置
实验共设 4个处理组: 对照组(CK)、UV-B处理组(B)、
He-Ne激光处理组(L)、UV-B和 He-Ne激光复合处理
组(BL)。选取籽粒饱满且大小均匀的小麦种子, 经
0.1% HgCl2表面消毒后, 放置于盛有湿滤纸的培养皿
内, 每盘 30粒, 每组重复 3次, 25°C下培养, 8小时
光照 /16小时黑暗, 种子露白时待处理。CK组与 L组
光照 8小时后, CK 组转入暗处培养 16小时, L组在
452 植物学报 44(4) 2009
暗处用 He-Ne激光处理 2分钟后再进行暗培养 ; B组
与 BL组在光照与 UV-B同时照射下培养 8小时后, B
组转入暗处培养 16小时, BL组在暗处用 He-Ne激光
处理 2分钟后再进行暗培养。
1.2.2 UV-B辐射处理
UV-B辐射强度为10.08 kJ.m-2.d-1, 采用紫外辐照计
(UV-B型, 北京师范大学光电仪器厂)对 UV-B辐射功
率密度进行测定 , 仪器预先用742型辐射强度测定仪
(Optronics Laboratories Orlando, FL, USA)进行校正。
UV-B 辐射处理采用 UV -B 灯管(秦牌, 宝鸡制造,
30 J.s-1, 297 nm), 将其垂直悬于培养皿的上方 , 并
使用0.13 mm醋酸纤维素滤膜滤掉 290 nm以下的紫
外光, 用聚乙烯滤膜滤掉 320 nm 以下的 UV-B(作为
对照)。通过调整 UV-B 灯与植物培养皿之间的距离
来控制 UV-B辐射强度(Feng et al. , 2000)。从种子露
白时开始处理, 到小麦幼苗长出 2片真叶, 共处理 9
天, 设 3次重复。
1.2.3 He-Ne激光辐照
使用波长为 632.8 nm, 功率为5 mJ.s-1.mm-2的大功
率 He-Ne激光生物辐照仪(南京激光仪器厂), 辐照时
间为 2分钟(韩榕等, 2000)。激光处理在夜间进行 , 以
排除杂光影响。从种子露白时开始处理 , 到小麦幼苗
长出 2片真叶, 共处理 9天, 设 3次重复。
1.3 指标的测定
1.3.1 各细胞器的提取与分离
取 1.5-2 g小麦叶片, 加入 10 mL预冷的提取缓冲液
(0.35 mmol.L-1 山梨醇、0.05 mol.L-1 Tris -HCl、2
mmol.L-1 EDTA、 2.5 mmol.L-1 DDT、 pH 7.5)和少许
石英砂于冰浴中研磨 , 经 4层纱布过滤后 , 滤液用冷
冻离心机 500× g离心 5分钟, 弃去沉淀 , 上清液于
1 000× g下离心 10分钟, 沉淀为叶绿体部分, 上清
液部分再在 11 000× g下离心 20分钟, 所得沉淀为线
粒体部分, 上清液为细胞溶质部分。将所得的叶绿体
及线粒体部分分别用提取缓冲液洗涤1次, 并分别在
1 000 × g和 11 000 × g下重复离心, 取沉淀用 3 mL
提取缓冲液悬浮 , 悬浮液贮于冰箱(4°C)中备用(陈立
松和刘星辉, 1998)。
1.3.2 Na +/K+-ATPase活性的测定
按照宓容钦等(1981)的方法, 酶活力以 ATP 酶降解
ATP释放无机磷的速率表示。无机磷采用Ames(1966)
的方法测定, 以磷酸二氢钾为标准品作出标准曲线。
1.3.3 蛋白质含量的测定
蛋白质含量的测定采用 Bradford(1976)的方法, 用考
马斯亮蓝 G-250在波长 595 nm光下比色测定 , 用牛
血清蛋白(BSA)为标准品作标准曲线。
1.4 统计分析
实验每个处理设 3次重复, 进行 t检验及差异显著性
比较。
2 结果与讨论
2.1 线粒体Na+/K+-ATPase活性的变化
不同处理对小麦幼苗叶片线粒体 Na+/K+-ATPase活
性的影响如图 1所示。随着各处理时间的增加 , 小麦
幼苗叶片线粒体 Na+/K+-ATPase活性第 6天与第 5天
相比有所下降 , 到第 7天突然升高, 而后又逐渐下降
(图 1A)。此外, 从图 1B 中可以看出, He-Ne激光辐照
后第7天, 小麦幼苗叶片线粒体Na+/K+-ATPase活性与
未处理对照相比极显著地升高(tCK, L=8.62, P<0.01)。
单独 UV -B 辐射后小麦幼苗叶片线粒体中 Na+/K +-
ATPase活性低于对照组 , 但差异不显著(tCK, B= 0.40,
P>0.05)。He-Ne激光和UV-B复合处理下线粒体Na+/K+-
ATPase的活性显著升高, 且与对照和单独 UV-B 辐
射处理组差异极显著 (tCK, BL=12.25, P<0.01; tB, BL=
18.70, P<0.01)。
2.2 叶绿体Na+/K+-ATPase活性的变化
从图 2中可以看出不同处理下小麦幼苗叶片叶绿体
453张娟等: He-Ne激光辐照与UV-B辐射对小麦幼苗细胞器中Na+/K+-ATP酶活性的影响
图 1 He-Ne激光辐照和增强 UV-B辐射对小麦幼苗叶片线
粒体 Na+/K+-A TPase活性的影响
(A) 各处理组线粒体 Na+/K+-A TPase活性随时间的变化趋势;
(B) 处理第 7天各处理组线粒体 Na+/K+-A TPase活性的比较
CK: 对照 ; L: He-Ne激光处理 ; B: UV -B处理 ; BL: UV-B和 He-
Ne激光复合处理
Figur e 1 Effect of He-Ne laser on Na+/K+-A TPase ac tiv ity of
mitochondria in w heat seedlings exposed to enhanced ultra-
violet-B radiation
(A) Changes in Na+/K+-A TPase ac tivity of mitochondr ia at dif-
ferent t ime (day) after treatment; (B) A comparison of Na+/K+-
ATPase activity of mitochondria at 7 days after treatment
CK: Untreated control; L: He-Ne laser treatment; B: UV-B
treatment; BL: UV-B and He-Ne laser treatment
图 2 He-Ne激光辐照和增强 UV-B辐射对小麦幼苗叶片叶
绿体 Na+/K+-A TPase活性的影响
(A)、 (B)、CK、 L、 B和BL: 同图1
Figur e 2 Ef fec t of He-Ne laser on Na+/K+-A TPase ac tiv ity of
chloroplast in w heat seedlings exposed to enhanced ultravio-
let-B radiation
(A), (B), CK, L, B and BL: See Figure 1
Na+/K+-ATPase活性的变化。随着处理天数的增加 ,
各处理组(除对照组外)小麦幼苗叶片叶绿体 Na+/K+-
ATPase活性在第 6天下降, 第 7天突然上升, 随后又
逐渐下降; 而对照组 Na+/K+-ATPase活性在第 6天升
高, 第 7天下降, 第 8天突然上升, 然后又开始下降,
与其它处理组相比下降的时间较晚(图2A)。 此外, 与
线粒体相似, 单独 He-Ne激光辐照后第 7天, 叶绿体
Na+/K+-ATPase活性与未处理对照相比明显升高(tCK, L
=18.26, P<0.01)。UV-B 辐射后叶绿体 Na+/K+-AT-
Pase活性显著低于对照 (tCK, B=3.67, P<0.05)。与
454 植物学报 44(4) 2009
UV-B单独辐射处理相比 , He-Ne激光和 UV-B复合处
理后, Na+/K+-ATPase活性极显著升高(tB, BL=19.41,
P<0.01)(图 2B)。
2.3 细胞溶质Na+/K+-ATPase活性的变化
图 3显示了不同处理对小麦幼苗叶片细胞溶质 Na+/
K+- ATPase活性的影响。随着处理天数的增加 , 各处
理组的小麦细胞溶质 Na+/K+-ATPase活性的变化趋
势相似, 在第 6天有所下降 , 第 7天突然升高 , 之后
又逐渐下降(图 3A)。此外, 经 He-Ne激光单独辐照后
第 7天, 细胞溶质 Na+/K+-ATPase活性与未处理对照
相比明显升高 (tC K, L=3.95, P<0.05)。UV-B 辐射使
Na+/K+-ATPase活性下降, 与对照相比达极显著水平
(tCK, B=5.29, P<0.01)。经 He-Ne激光和 UV-B复合处
理后, 细胞溶质Na+/K+-ATPase活性与未处理对照相
比显著下降 (tCK, BL= 3.41, P<0.05), 但与单独 UV-B
辐射处理相比差异不显著(tB, BL= 2. 23 , P> 0 .05 )
(图 3B)。
有文献报道, 在一定剂量范围内, 激光辐照能够
普遍提高多种酶的活性 (吴俊林等, 2005; 王小花等,
2008)。激光对生物体的影响主要是由于其热、压力、
光和电磁场等几方面的效应, 而一定剂量的He-Ne激
光可能通过磁场效应使酶构型或组成发生改变, 从而
激活酶活性(Cai et al. , 1994 ; Chen et al. , 2005)。
Na+/K+-ATPase是在Mg2+、K+和 Na+存在下水解
ATP的一种酶, 在植物细胞膜上可测得其活性 , 但尚
未能分离。相关研究表明 , Na+/K+-ATPase的主要作
用是分解ATP, 逆浓度梯度把胞外的K+移入胞内, 同
时把胞内的 Na+转运到胞外, 从而维持胞内高 K+和
胞外高 Na+的跨膜离子浓度梯度。一旦膜上的离子
通道开放, Na+ 和K+会迅速顺浓度梯度跨膜扩散 , 这
种跨膜的电化学梯度是信号转导和细胞兴奋的基础
(陈靠山和周燮, 1995; 张有福等, 2007)。由 Na+/K+-
ATPase维持的离子浓度梯度不仅可维持细胞膜的膜
电位, 而且可调节细胞的体积并驱动某些细胞中的糖
和氨基酸的运输(Bouquin et al. , 2001)。
陈立松和刘星辉(1998)研究表明, 水分胁迫对不
同品种的荔枝(Litchi chinensis)实生幼苗各细胞器中
Na+/K+-ATPase活性的影响不同。张有福等(2007)研
究了盐度对 3种荒漠植物渗透调节物质积累的影响 ,
表明在盐胁迫条件下 Na+和 K+是植物叶片主要的无
机渗透调节离子。本研究中小麦幼苗叶片各处理组
的 Na+/K+-ATPase活性均在第 6天下降, 第 7天升高,
说明这种变化趋势是由小麦幼苗本身的代谢系统决
图 3 He-Ne激光辐照和增强 UV-B辐射对小麦幼苗叶片细
胞溶质 Na+/K+-A TPase活性的影响
(A)、 (B)、CK、 L、 B和BL: 同图1
Figur e 3 Effect of He-Ne laser on Na+/K+-A TPase ac tiv ity of
cellular solute in w heat seedlings exposed to enhanced ultra-
violet-B radiation
(A), (B), CK, L, B and BL: See Figure 1
455张娟等: He-Ne激光辐照与UV-B辐射对小麦幼苗细胞器中Na+/K+-ATP酶活性的影响
定的。小麦种子水培时 , 其生长发育依靠胚提供的营
养, 有可能第6天叶片便开始逐渐衰老 , 而研究发现,
衰老与自由基损伤有关, 过多的自由基损伤会加速细
胞膜的膜脂过氧化, 引起生物膜结构改变和膜脂流动
性降低, 进一步可使 Na+/K+-ATPase(也是膜的组分)
的构象改变, 最终导致该酶活性降低。但生物体自身
有修复系统, 这也可能是 Na+/K+-ATPase活性下降
后又升高的原因。UV-B 单独辐射 7天, 小麦幼苗叶
片各细胞器 Na +/K +-A TP as e活性的下降, 可能与
UV-B 辐射导致膜脂过氧化、膜系统受伤害有关, 也
可能是由于Na+/K+-ATPase蛋白结构发生了改变, 导
致 ATPase功能受损。He-Ne激光和 UV-B复合处理
后的小麦幼苗叶片 Na+/K+-ATPase活性均高于单独
UV-B辐射处理后的活性 , 说明 He-Ne激光能够在一
定程度上修复 UV-B 辐射造成的膜脂过氧化或蛋白
结构的损伤。
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Effects of He-Ne Laser and UV-B Radiation on Na+/K+-ATPase Activity
in Organelles of Wheat Seedlings
Juan Zhang, Rong Han *
Co lle ge of L ife Scien ce, Sha nxi No rma l Universi ty, Li nfe n 0 4100 4, Chi na
Abstr act Seedlings of w heat (Tr iticum aes tivum) w ere exposed to He-Ne laser irradiation w ith 5 mJ.s-1.mm-2 pow er density,
enhanced UV-B radiation (10.08 kJ.m-2.d-1) and the combined treatment of He-Ne laser ir radiation and enhanced UV-B radiation.
From day 5, changes of Na+/K+-ATPase activity in mitochondria, chloroplasts and cellular solutes w ere measured to determine the
ef fec ts of He-Ne laser irradiation and UV-B radiation on w heat. Na+/K+-ATPase ac tiv ity in mitochondr ia, chloroplasts and cellular
solutes of w heat seedlings w as reduced at day 6, inc reased at day 7, then gradually decreased w ith treatment days . At day 7, He-
Ne laser irradiation resulted in inc reased activity of Na+/K+-ATPase in mitochondr ia, chloroplas ts and cellular solutes of w heat
seedlings . The activity of Na+/K+-ATPase w as reduced under UV-B radiation. The Na+/K+-ATPase activity in various organelles by
combined treatments w as greater than the activity w ith UV-B radiation. All these results sugges ted that damage to w heat seedlings
induced by enhanced UV-B radiation in terms of activity of Na+/K+-ATPase in var ious organelles can be repaired in part by He-Ne
laser irradiation.
Ke y words He -Ne la ser, Na+/K +-ATPa se, o rga nel les, UV-B, whe at
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* Author for correspondence. E-mail: hanrong@dns.sxnu.edu.cn
(责任编辑: 孙冬花)