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Effect of Different Times of UV-B Radiation on Seedling Growth of Arabidopsis thaliana

不同时间的UV-B辐射对拟南芥幼苗生长的影响



全 文 :植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2015, 50 (1): 40–46, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3724/SP.J.1259.2015.00040
——————————————————
收稿日期: 2013-11-13; 接受日期: 2014-03-12
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.20081101)
* 通讯作者。E-mail: hhwrsl@yahoo.com.cn
不同时间的UV-B辐射对拟南芥幼苗生长的影响
韩雯, 韩榕*
山西师范大学生命科学学院, 临汾 041004
摘要 以哥伦比亚野生型拟南芥(Arabidopsis thaliana)为实验材料, 用辐射功率为16.67 μW·cm–2但不同时间(0.5、1、1.5、
2、2.5和3小时)的UV-B辐射对拟南芥幼苗进行处理, 观察叶片形态, 并测定其根长、叶绿素含量、可溶性蛋白含量、丙二
醛(MDA)浓度、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性及叶绿素荧光参数。结果显示, 短时间UV-B辐射可促进拟
南芥根的伸长, 叶绿素和可溶性蛋白含量升高; 长时间UV-B辐射则抑制拟南芥根的生长, 使叶绿素含量、可溶性蛋白含量、
叶绿素荧光参数Fv/Fm及qP逐渐降低, MDA浓度、SOD活性、CAT活性和qN值升高, 并随着时间的延长逐渐降低或升高。
当辐射功率为16.67 μW·cm–2时, 其最佳辐射时间为1.5小时。UV-B辐射作为一种环境胁迫, 其胁迫程度都是在一定的范围
内, 当胁迫达到极限时, 植株都会对UV-B辐射产生一定的适应效应而使损伤降低。
关键词 拟南芥, UV-B辐射, 幼苗生长
韩雯, 韩榕 (2015). 不同时间的UV-B辐射对拟南芥幼苗生长的影响. 植物学报 50, 40–46.
由于人类活动、自然因素和工业化的发展, 使环
境遭受巨大的破坏, 环境污染越来越严重。大气污染
引起的臭氧层空洞使地球表面的紫外辐射量增加, 不
仅对生态环境产生了破坏, 而且也影响人类和其它生
物有机体的正常生存(颜其德和康建成, 2005)。
本研究组前期实验选用小麦(Triticum aestivum)
作为材料, 研究增强UV-B辐射对小麦的损伤及其修
复, 现已取得了一定的成果。韩榕(2002)首次在增强
UV-B辐射的小麦根尖中发现了“分束分裂”现象。
郭爱华等(2010)、陈慧泽等(2011)研究发现增强UV-B
辐射对小麦的细胞骨架微管和微丝分别造成了一定
的损伤。但是由于小麦的基因组庞大、基因组序列未
知等因素导致UV-B辐射对小麦的损伤及修复机理不
易研究。而拟南芥作为生物学研究的模式植物, 具有
基因组小、结构简单、生存力强、生长周期短和自花
授粉等优点, 并且其基因组全序列已测定完成, 这为
研究植物基因结构和功能提供了有利条件。
因此, 本研究选择拟南芥(Arabidopsis thaliana)
作为实验材料, 分别用不同的UV-B辐射时间对其进
行处理, 观察叶片形态, 测定根长、叶绿素含量、可
溶性蛋白含量、丙二醛(MDA)浓度、过氧化氢酶(CAT)
和超氧化物歧化酶(SOD)活性及叶绿素荧光参数, 初
步得到适合拟南芥的UV-B辐射时间, 并进一步探讨
UV-B辐射对拟南芥幼苗生长的影响 , 为揭示增强
UV-B辐射对植株的损伤及防御机制提供一定的实验
基础和理论依据。
1 材料与方法
1.1 实验材料
野生型拟南芥(Arabidopsis thaliana L.)为哥伦比亚生
态型(Columbia-0)。
1.2 培养方法
将拟南芥种子提前3天在4°C、黑暗的条件下进行春化
处理。用1%次氯酸钠溶液对种子进行灭菌, 然后用无
菌水冲洗。加琼脂水使种子悬浮后点种于MS培养基上,
然后转移至营养土中进行培养。培养条件: 温度18–
22°C; 相对湿度为60%–70%; 16小时光照/8小时黑暗。
1.3 UV-B辐射处理
UV-B辐射处理用紫外灯垂直悬于花盆上方, 辐射功
率为16.67 μW·cm–2。设不同的辐射时间 , 分别为
0.5、1、1.5、2、2.5和3小时。未经UV-B辐射处理的
·研究报告·
韩雯等: 不同时间的 UV-B辐射对拟南芥幼苗生长的影响 41

拟南芥作为对照组。对照组和各处理组分别标记为
CK、B1、B2、B3、B4、B5和B6。
1.4 各项生理指标的测定
在辐射处理结束后进行根长、叶绿素含量、可溶性蛋
白含量、丙二醛(MDA)浓度、过氧化氢酶(CAT)活性、
超氧化物歧化酶(SOD)活性及叶绿素荧光参数等生
理指标的测定。叶绿素含量的测定参考张志良等
(2009)的方法。可溶性蛋白的提取参考吴少伯(1979)
的方法, 并略作修改。采用紫外吸收法(李合生, 2000)
测定260 nm和280 nm处的吸光值。丙二醛浓度的测
定参照Ranieri等 (1993)的方法并略作修改。按照
Lowry等(1951)的方法检测蛋白含量。过氧化氢酶
(CAT)活性测定参照王学奎(2006)的方法。超氧化物
歧化酶(SOD)活性的测定参照张志良等(2009)的方
法。测定叶绿素荧光参数使用PAM-2100便携式叶绿
素荧光仪, 在检测之前暗处理30分钟。
2 结果与讨论
2.1 不同时间的UV-B辐射对拟南芥叶片形态和根
长的影响
不同时间的UV-B辐射对拟南芥叶片形态和根长的影
响见图1和图2。由图1和图2可知, 对照组的叶片呈现
墨绿色, 叶片表面积相对较大; 而经UV-B辐射后, 拟
南芥的叶片变黄, 叶片表面积减小, 并且叶片边缘卷
曲, 并随着UV-B辐射时间的延长, 叶片变黄越来越
严重, 叶片表面积也越来越小。从图2可以得出, B1
组的拟南芥根长比对照组增加了7.19%, 差异显著
(P<0.05); B2组增加了2.22%, 差异不显著(P>0.05);
而B3、B4和B6组的拟南芥根长分别低于对照组
5.35%、8.42%和11.67%, 差异显著(P<0.05); B5组
的根长较对照组下降了15.95%, 差异极显著 (P<
0.01); B6组与B5组相比, 拟南芥根长增长了5.1%,
差异不显著(P>0.05)。由此说明短时间UV-B辐射能促
进拟南芥根长的生长, 而较长时间的UV-B辐射可以
抑制其生长; 但是长时间的UV-B辐射可能使拟南芥
对其产生了适应性。
2.2 不同时间的UV-B辐射对拟南芥叶绿素含量的
影响
不同时间的UV-B辐射对拟南芥叶绿素含量的影响见
图3。从图3可知, 各处理组叶绿素a和叶绿素b含量和
叶绿素总含量与对照组相比呈现出先升高后降低的
趋势, 并且B3处理组, 叶绿素含量达到最大值。B1处
理组较对照组其叶绿素a和叶绿素b含量分别增加了
8.51%和10.04%, 差异不显著(P>0.05), 叶绿素总含
量增加了9.09%, 差异显著(P<0.05); B2和B3处理组
的叶绿素a与叶绿素b含量及叶绿素总含量分别升高
了17.31%、40.85%和38.90%, 66.93%、25.65%和
50.92%, 均达到差异显著水平(P<0.05); 而B4、B5
和B6处理组的叶绿素a与叶绿素b含量分别降低了
10.46%、 26.56%、 40.87%及 6.07%、 25.63%、
27.48%, 且都达到差异显著水平(P<0.05), 叶绿素
总含量分别降低了3.93%、26.20%和35.70%。由此
可知, 短时间的UV-B辐射可以促进叶绿素含量的增
加; 当辐射时间长于1.5小时, 则表现为抑制作用。
2.3 不同时间的UV-B辐射对拟南芥可溶性蛋白含
量的影响
不同时间的UV-B辐射对拟南芥可溶性蛋白含量的影
响见图4。从图4可知, 不同时间的UV-B辐射对可溶性



图1 不同时间的UV-B辐射对拟南芥叶片形态的影响
(A) 对照; (B)–(G) B1–B6处理组, 辐射时间分别为0.5、1、1.5、2、2.5和3小时

Figure 1 The leaf morphological character of Arabidopsis thaliana with different periods of time of UV-B radiation
(A) Control (CK); (B)–(G) B1–B6 treatments, with enhanced UV-B radiation at 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, and 3 h, respectively

42 植物学报 50(1) 2015



图2 不同时间的UV-B辐射对拟南芥根长的影响
CK: 对照; B1–B6同图1

Figure 2 The root length of Arabidopsis thaliana with
different periods of time of UV-B radiation
CK: Control; B1–B6 see Figure 1



图3 不同时间的UV-B辐射对拟南芥叶片叶绿素含量的影响
CK: 对照; B1–B6同图1

Figure 3 The leaf chlorophyll content of Arabidopsis
thaliana with different periods of time of UV-B radiation
CK: Control; B1–B6 see Figure 1


蛋白含量的影响趋势与拟南芥根长的变化趋势基本
一致。增强UV-B辐射使B1组的可溶性蛋白含量有所
升高, 增加了12.67%, 差异显著(P<0.05); B2组增加
了3.24%, 差异不显著(P>0.05); 而B3和B4组较对照
组其可溶性蛋白含量分别降低了10.12%和13.85%,
差异显著(P<0.05); B5和B6组分别降低了31.09%和
28.78%, 差异极显著(P<0.01); 而B6组的可溶性蛋
白含量却比B 5组升高了 3 . 3 6 % , 差异不显著
(P>0.05)。实验结果说明, 短时间的UV-B辐射能促进
拟南芥叶片可溶性蛋白含量的增加 , 而长时间的


图4 不同时间的UV-B辐射对拟南芥可溶性蛋白含量的影响
CK: 对照; B1–B6同图1

Figure 4 The soluble protein content of Arabidopsis
thaliana with different periods of time of UV-B radiation
CK: Control; B1–B6 see Figure 1

UV-B辐射则对其产生了抑制作用。但B6组较B5组的
可溶性蛋白含量有所提升 , 这可能是由于B6组的
UV-B辐射时间较长, 使拟南芥幼苗产生了适应性。
2.4 不同时间的UV-B辐射对拟南芥MDA浓度的
影响
不同时间UV-B辐射对拟南芥MDA浓度的影响见图5。
从图5可知, 随着UV-B辐射时间的延长, 拟南芥MDA
浓度也随之增加, 二者呈正相关。与对照组相比, B1
和 B2处理组的MDA浓度分别升高了 32.46%和
35.51%, 差异显著(P<0.05), B3、B4、B5和B6处理
组分别上升了41.12%、48.21%、59.08%和75.42%,
差异极显著(P<0.01)。由此可见, 随着UV-B辐射时间
的延长, MDA含量呈升高趋势, 说明细胞的膜脂过氧
化作用水平不断升高, 辐射时间越长, 对拟南芥叶片
造成的损伤越严重。
2.5 不同时间的UV-B辐射对拟南芥SOD活性的
影响
不同时间的UV-B辐射对拟南芥SOD活性的影响见图
6。从图6可知, 不同时间UV-B辐射对拟南芥SOD活
性的影响差异显著。与对照组相比, B1处理组的SOD
活性增加了6.07%, 差异不显著(P>0.05); B2处理组
较对照组升高了16.35%, 差异显著(P<0.05); B3、B4
和B5处理组分别上升了60.61%、55.61%和53.83%,
差异极显著(P<0.01); B6处理组升高了15.70%, 差异
韩雯等: 不同时间的 UV-B辐射对拟南芥幼苗生长的影响 43



图5 不同时间的UV-B辐射对拟南芥丙二醛浓度的影响
CK: 对照; B1–B6同图1

Figure 5 The malondialdehyde concentration of
Arabidopsis thaliana with different periods of time of UV-B
radiation
CK: Control; B1–B6 see Figure 1



图6 不同时间的UV-B辐射对拟南芥超氧化物歧化酶活性
的影响
CK: 对照; B1–B6同图1

Figure 6 The superoxide dismutase activity of Arabi-
dopsis thaliana with different periods of time of UV-B ra-
diation
CK: Control; B1–B6 see Figure 1


显著(P<0.05)。其中, 当辐射时间为1.5小时, 即B3处
理组SOD活性最高。由此说明, 短时间的UV-B辐射
对拟南芥造成的损伤不大, 而长时间的UV-B辐射加
剧了细胞膜脂过氧化作用, 增加了膜透性, 活性氧积
累量增加, 植株受损严重。
2.6 不同时间的UV-B辐射对拟南芥CAT活性的
影响
不同UV-B辐射时间对拟南芥过氧化氢酶(CAT)活性
的影响见图7。从图7可知, 增强UV-B辐射使CAT活性


图7 不同时间的UV-B辐射对拟南芥过氧化氢酶活性的影响
CK: 对照; B1–B6同图1

Figure 7 The catalase activity of Arabidopsis thaliana
with different periods of time of UV-B radiation
CK: Control; B1–B6 see Figure 1


呈升高的趋势, 且B3处理组活性最高。与对照组相比,
B1和B2处理组的CAT活性分别升高了11.33%和
18.31%, 差异显著(P<0.05); B3和B4处理组分别增
加了34.70%和22.89%, 差异极显著(P<0.01); B5处
理组升高了9.40%, 差异不显著(P>0.05); 而B6处理
组却降低了10.60%, 差异不显著(P>0.05)。由此可
见, 不同时间的UV-B辐射处理对拟南芥叶片过氧化
氢酶活性产生了显著影响, 当辐射时间为1.5小时,
其CAT活性达到最大。
2.7 不同时间的UV-B辐射对拟南芥叶绿素荧光特
性的影响
不同时间的UV-B辐射对拟南芥叶绿素荧光特性的影
响结果(图8)表明, Fv/Fm、qP等指标与对照组相比均
逐渐降低, 并且随着UV-B辐射时间的延长, 各组指标
呈现降低的趋势; 而qN值与对照组相比呈上升的趋
势, 随辐射时间的延长逐渐升高。B1处理组与对照组
相比 , Fv/Fm、qP降低 , qN值升高 , 差异均不显著
(P>0.05); B2、B3、B4、B5和B6处理组与对照组相比,
Fv/Fm、qP降低, qN值升高, 差异显著(P<0.05)。说明
短时间的UV-B辐射对细胞的PSII反应中心损伤不大,
而长时间的UV-B辐射条件下, 细胞的PSII反应中心受
到损伤, 光合电子传递受阻, 导致光合效率下降。
2.8 讨论
通过观察不同时间的UV-B辐射条件下叶片形态和根
44 植物学报 50(1) 2015



图8 不同时间的UV-B辐射对拟南芥叶片叶绿素荧光特性
的影响
CK: 对照; B1–B6同图1

Figure 8 The chlorophyll fluorescence characteristics of
Arabidopsis thaliana with different periods of time of UV-B
radiation
CK: Control; B1–B6 see Figure 1


长的变化, 检测叶绿素a和叶绿素b含量、可溶性蛋白
含量、丙二醛(MDA)浓度、超氧化物歧化酶(SOD)活
性、过氧化物氢(CAT)活性和叶绿素荧光特性的结果,
可得: 短时间的UV-B辐射促进拟南芥根的伸长, 使
叶绿素a、叶绿素b和可溶性蛋白含量升高; 而长时间
的UV-B辐射抑制拟南芥根的生长, 并使得叶绿素a、
叶绿素b和可溶性蛋白含量降低, 丙二醛浓度、超氧
化物歧化酶和过氧化氢酶活性升高; 另外, 长时间的
UV-B辐射破坏了细胞PSII反应中心, 而使电子的传
递运输受到限制, 降低了光合效率。
UV-B辐射作为一种环境胁迫因子, 已经受到了
广泛的关注。目前, 不同UV-B辐射强度对植株形态结
构、生长发育、生理代谢和遗传特性的影响已有很多
研究报道。李元等(2006)研究了不同强度UV-B辐射对
报春花(Primula spp.)生理代谢的影响, 结果表明, 增
强UV-B辐射对报春花幼苗的叶片有损伤作用, 并随
着辐射时间和强度的增加, 其损伤作用增强。张红霞
等(2010)的研究结果表明, 不同强度UV-B辐射使得蚕
豆(Vicia faba)幼苗生长、叶绿素含量及其它一些生理
指标下降, 高强度的UV-B辐射使蚕豆幼苗叶片的各种
荧光参数值显著下降。李晓阳等(2013)研究表明, 拟南
芥的最佳辐射剂量为1.0 kJ·m–2, 低剂量的UV-B辐射
可以促进拟南芥种子萌发和幼苗生长; 而高剂量的辐
射逐渐表现出抑制作用。但是对于不同时间的UV-B辐
射对拟南芥幼苗的影响尚未见报道。因此, 本研究针
对不同UV-B辐射时间对拟南芥幼苗的影响进行了初
步的研究, 得到了适合拟南芥进行UV-B辐射的最佳时
间, 为进一步揭示增强UV-B辐射对植株造成的损伤
和防御机制提供了一定的实验基础和理论支持。
植物对增强UV-B辐射最直接的接受部位是叶片,
因此, 叶片的变化也就成为对UV-B辐射直接的反应。
另外, 叶片作为植物的主要光合作用器官, 与光合作
用的发生有密切的关系。在本研究中, 经UV-B辐射
后, 叶片发黄、变小且叶边缘卷曲, 随辐射时间的延
长, 该现象逐渐增强, 说明UV-B辐射抑制了拟南芥
叶片的生长。研究表明, 增强UV-B辐射使叶绿素a、
叶绿素b及总叶绿素含量降低, 且随辐射时间的延长
而逐渐降低, 而叶绿素含量的降低必然会引起光合作
用的减弱, 这与叶片对UV-B辐射的响应是一致的。另
外, 叶绿素含量的降低与UV-B辐射诱导引起的活性
氧的增加有关(晏斌和戴秋杰, 1996)。有研究表明, 增
强UV-B辐射会破坏细胞膜的透性, 导致细胞内活性
氧大量积累, 引起膜脂过氧化作用发生, 进而造成细
胞结构和功能的损伤(魏晓雪等, 2011)。丙二醛作为
膜脂过氧化作用的氧化终产物, 长期以来一直作为检
测细胞膜质过氧化程度的一个公认指标(罗丽琼等,
2008), 且其含量也能够反映植物遭受胁迫损伤的程
度。另外, 丙二醛能引起蛋白质、核酸等生命大分子
的交联聚合, 进一步对其膜结构和功能造成不良影
韩雯等: 不同时间的 UV-B辐射对拟南芥幼苗生长的影响 45

响, 具有细胞毒性。研究发现, 丙二醛可以促进叶绿
素的降解(Uphem and Jahnke, 1986)。超氧化物歧化
酶是细胞中重要的抗氧化酶, 在活性氧清除反应过程
中发挥作用 (马旭俊和朱大海 , 2003; 张美萍等 ,
2009)。过氧化氢酶是一种酶类清除剂, 可以促进过
氧化氢分解为分子氧和水, 清除细胞内的过氧化氢,
是生物防御体系的关键酶之一 (张永峰和殷波 ,
2009)。这与本研究得出的增强UV-B辐射使丙二醛浓
度、超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性升高的结果一
致。并且丙二醛含量的升高也表现出与叶绿素含量降
低的一致性, 说明光合效率的降低与UV-B辐射具相
关性。此外, 叶绿素荧光参数也是反映PSII反应中心
活性的重要指标, 其荧光特性反映出当环境发生变化
时叶绿体光合反应中心(主要是PSII反应中心)的功能
(李鹏民等, 2005), 可以进一步反映环境胁迫程度,
因此可作为植物抗逆指标。本研究结果表明, 增强
UV-B辐射使叶绿素荧光参数Fv/Fm、qP降低, qN值升
高, 这说明了UV-B辐射作为一种胁迫因子, 破坏了
叶绿体的光合反应中心, 降低了光合效率, 这与本研
究得到的叶片变小、颜色变黄、丙二醛含量升高、叶
绿素含量降低相符合。
当植株受到环境胁迫时, 本身会对该胁迫产生一
定的响应, 以抵抗外界环境的胁迫。但是, 该抵抗响
应都是在一定范围内的, 当环境胁迫达到一定程度
后, 植株就会对其产生相对的适应效应, 而使得损伤
程度降低, 保护其生长发育及生理代谢。在本研究中,
不同UV-B辐射时间对拟南芥根长、可溶性蛋白含量
的影响基本都呈现出先升高后降低再升高的趋势, 对
叶绿素含量、SOD及CAT活性的影响基本呈现出先升
高后降低的趋势, 并在辐射时间为1.5小时达到最高
值, 说明根长、可溶性蛋白含量、SOD和CAT活性受
环境影响很大。当UV-B辐射时间过长时, 根长和可溶
性蛋白含量又回升的现象, 以及随辐射时间的增加,
SOD和CAT活性逐渐降低, 可能是由于植株接受辐
射时间过长使其有了一定的适应性而降低了损伤程
度, 也可能是由于辐射时间过长, 植株已经损伤严
重, 自身的调节已不能修复生理代谢而使代谢处于损
伤前的某一状态, 具体原因还需进一步研究。
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Effect of Different Times of UV-B Radiation on Seedling Growth of
Arabidopsis thaliana
Wen Han, Rong Han*
College of Life Sciences, Shanxi Normal University, Linfen 041004, China
Abstract We treated Columbia-0 wild-type Arabidopsis thaliana seedlings with enhanced UV-B radiation (16.67
μW·cm–2 radiant power) at 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, and 3 h. We observed leaf morphological characters and detected root
length, leaf chlorophyll content, soluble protein content, malondialdehyde (MDA) concentration, superoxide dismutase
(SOD) activity, catalase (CAT) activity and chlorophyll fluorescence characteristics. With a short period of UV-B radiation,
roots were elongated and chlorophyll content and soluble protein content were increased in leaf, but prolonged UV-B
radiation inhibited the elongated root length; caused decreased leaf chlorophyll content, soluble protein content and
chlorophyll fluorescence characteristics such as Fv/Fm and qP; promoted MDA concentration; and increased SOD and
CAT activity and qN over time. With 16.67 μW·cm–2 radiation, the optimal time of UV-B radiation was 1.5 h. If UV-B ra-
diation acts as a kind of environmental stress, the extent of damage to the plant was restricted, and the plant would have
to adapt to UV-B radiation to let the damage reach a minimum when the stress level reached the limitation.
Key words Arabidopsis thaliana, UV-B radiation, seedling growth
Han W, Han R (2015). Effect of different times of UV-B radiation on seedling growth of Arabidopsis thaliana. Chin Bull
Bot 50, 40–46.
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* Author for correspondence. E-mail: hhwrsl@yahoo.com.cn
(责任编辑: 白羽红)