全 文 ：文章编号 :100028551 (2009) 022316204
稀土元素对增强 UV2B 辐照下小麦抗氧化酶的影响
张美萍1 ,2 　江玉珍1 　于光辉1 　苑中原1 　陈国祥1
(11 南京师范大学生命科学学院Π江苏省生物多样性与生物技术重点实验室 ,江苏 南京　210097 ;
21 山西师范大学生命科学学院 ,山西 临汾　041004)
摘 　要 :盆栽条件下 ,研究了增强紫外线 B (UV2B ,280～320nm)辐照对小麦幼苗抗氧化酶的影响以及施用
稀土元素后的修复作用。结果表明 , 与对照 (CK) 相比 ,增强 UV2B 辐照处理的小麦幼苗过氧化氢酶
(CAT) 、过氧化物酶 (POD)活性和丙二醛 (MDA)含量显著升高 ( P < 0105) ,而超氧歧化酶 (SOD) 活性有所
升高 ,峰值后移。施用稀土元素后可以抑制由于紫外线辐照所导致的 MDA 含量及 POD 活性的增加 ,且
SOD、CAT的活性增强 ,提高了清除活性氧的能力 ,减弱了 UV2B 辐照对小麦抗氧化酶的影响。研究发
现 ,各施用浓度为 013 %、011 %和 01075 %的稀土元素处理下 ,以 01075 %的处理对紫外线 B 的抗逆效应
最好。施用适量的稀土元素可改变小麦的抗氧化酶活性 ,提高小麦抗逆性。
关键词 :小麦 ;增强 UV2B 辐照 ;稀土元素 ;抗氧化酶
EFFECTS OF RARE EARTH ELEMENTS ADDING ON ANTIOXIDANT ENZYMES OF WHEAT
UNDER ENHANCED ULTRAVIOLET2B RADIATION
ZHANG Mei2ping1 ,2 　J IANG Yu2zhen1 　YU Guang2hui1 　YUAN Zhong2yuan1 　CHEN Guo2xiang1
(1. Life Sciences College , Nanjing Normal UniversityΠKey Laboratory of Biodiversity and Biotechnology of Jiangsu Province , Nanjing Jiangsu 　210097 ;
2. College of life sciences , Shanxi Normal University , Shanxi , Linfen 　041004)
Abstract :This effects of rare earth elements adding on the antioxidant enzymes of wheat under enhanced Ultraviolet2B radiation
(UV2B) was studied in pot experiments. The results showed that enhanced UV2B significantly increased the content of MDA
and activities of CAT and POD ( p < 0105) , but no obvious increasing of SOD activity , except the activity peak moved
afterwards. Spraying earth elements on the wheat could inhibit the increasing of MDA content and POD activity induced by the
UV2B , meanwhile , the activities of SOD and CAT increased ,which means the capability of active oxygen removing improved
and consequently alleviated the damage of enhanced UV2B. Among the three concentrations of 013 % , 011 % and 01075 %
applied the wheat , 01075 % earth elements adding induced the highest antioxide capability. A suitable amount of rare earth
elements could increase antioxidant enzymes of the wheat to decrease UV2B damage.
Key words :wheat ; enhanced ultraviolet2B radiation ; rare earth elements ; antioxidant enzymes activity
收稿日期 :2008207231 　接受日期 :2008210226
基金项目 :国家自然基金 (30771299)
作者简介 :张美萍 (19752) ,女 ,山西忻州人 ,在读博士 ,副教授 ,主要从事环境植物学等方面的研究。E2mail :zhangmp2006 @yahoo. com. cn
通讯作者 :陈国祥 (19632) ,男 ,江苏丹阳人 ,博士 ,教授 ,研究方向为植物生理学。E2mail :gxchen @nju. edu. cn　　温室效应所致大气平流层中臭氧含量下降 ,臭氧层减薄造成太阳光中到达地面的 UV2B (280～320nm)辐射增强是当今全球性环境问题之一[1 ,2 ] ,备受各国科学家关注。研究表明 ,增强 UV2B 直接影响生物的生存 ,导致许多动、植物在形态结构、生理功能、遗传特 性、生长周期等方面发生改变 ,进而对人类生产生活构成严重威胁[3～5 ] 。稀土元素 (rare earth elements ,REE) 是具有生理活性的化学元素 ,可以影响植物的形态和生长发育 ,有利于植物生物量的增加、改善果实品质和增强植物抗逆
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能力[6 ] ,以及影响植物的光合作用和植物吸收养分等
生理活动 ,对植物病害有一定防治作用[7～9 ] 。但稀土
元素对 UV2B 辐照影响小麦抗氧化酶的防护效应尚未
见报道。本文研究了稀土元素对 UV2B 辐射的小麦抗
氧化酶的影响 ,为探索减轻或消除 UV2B 辐射对作物
影响的途径提供切实可行的农业保护措施和基础理论
依据。
1 　材料与方法
111 　材料
冬小麦临远 9324736 ( Triticum aestivum cv. ) 种子由
江苏省农业科学院研究所提供。所用稀土元素为“常
乐”复合硝酸稀土 ,主要含镧、铈、镨、钕等元素 ,其分子
式为 R(NO3 )·6H2O (R 表示混合稀土) ,稀土氧化物含
量为 37 %～40 % ,为外观灰白至微红色的粉末状 ,由
河南商丘稀土微肥示范厂生产、山西农业大学提供 ,试
验时测定其放射性比活度为 1102 ×10 - 5BqΠg。
112 　方法
11211 　种子的萌发 　选取籽粒饱满、大小均匀的小麦
种子 ,用 011 % HgCl2 表面消毒后 ,培养于盛有湿滤纸
的培养皿内 , 25 ℃恒温培养 ,待种子露白时进行紫外
线处理。
11212 　处理设置 　设对照 (CK组 ,幼苗光照培养 8hΠ
d) 、UV2B 处理组 (辐照幼苗 ) 、不同浓度稀土元素
011 %、013 %拌种 (晒干后培养) 和 01075 %浸种 (浸种
16h 阴干后培养) + UV2B 辐照复合处理组。处理组均
在光照培养 8hΠd 的同时进行 UV2B 辐射 ,暗培养 16hΠ
d。幼苗培养期间复合处理组用对应浓度的稀土溶液
浇灌。每个处理 3 次重复。
11213 　UV2B 辐射处理 　将 UV2B 灯垂直悬于培养皿
上方 ,通过调整与培养皿之间的距离来控制 UV2B 的
辐照强度[10 ] 。剂量采用 10108KJΠm2·d (相当于臭氧下
降 20 %、UV2B 增强 40 %的强度) ,每天处理 8h ,然后转
入暗处培养 ,共处理 16d。处理 7d 开始进行各项指标
测定。
11214 　酶活性及相对电导率的测定 　分别取不同处
理组的小麦叶片 015g ,加入适量 50mmolΠL 磷酸缓冲液
(pH = 718) ,冷冻研磨后 ,10000rΠmin 离心 10min ,取上
清液 ,所得为粗酶液。SOD、CAT 酶活性采用南京建成
生物工程研究所的试剂盒测定 ; POD 酶活性参照张志
良[11 ]的愈创木酚氧化法测定 ,以 1min 光密度变化值表
示酶活性大小 ;膜脂过氧化产物丙二醛 (MDA) 含量的
测定参照赵世杰[12 ]等的硫代巴比妥酸 (TBA)比色法。
参照张志良的方法[11 ] ,小麦幼苗处理 10d 后 ,取
015g叶片 ,用蒸馏水冲洗干净 ,擦干 ,剪碎 ,放入小烧
杯中 ,加入双蒸水 ,用保鲜膜封口 ,于 25 ℃下震荡 2h ,
静置 24h 后 ,用 DSS22120 型电导仪测出其电导率。
113 　数据处理
采用 SPSS1115 软件进行处理。
2 　结果与分析
211 　各处理对小麦幼苗超氧化物歧化酶( SOD) 活性
的影响
SOD 是生物体内清除活性氧的一种关键酶。由图
1 可知 ,增强 UV2B 辐照后 ,小麦叶片的 SOD 活性随时
间的增加呈先升高后下降的趋势。与 CK相比 ,增强
UV2B 辐照的小麦 SOD 活性增加 ,表明小麦在增强 UV2
B 胁迫时能启动体内自身抗逆体系 ,从而诱导 SOD 活
性增加以抑制活性氧对脂膜的过氧化作用。而施用稀
土元素的小麦 SOD 活性仍呈先升高后下降的趋势 ,但
是出现了峰值后移 , SOD 活性大小 (以处理的顺序) 为
处理 5 (01075 %稀土浸种) > 处理 4 (011 %稀土拌种)
> 处理 3 (013 %稀土拌种) ,并且各处理间差异显著 ( P
< 0105) ,说明稀土在一定程度上能减轻增强 UV2B 辐
照对植物的伤害 ,且以施入 01075 %的稀土元素时的
系统抗逆性最好。
图 1 　稀土元素及 UV2B 胁迫对小麦 SOD 的影响
Fig. 1 　Effect of REE on the response
of SOD in wheat to UV2B stress
1 :CK;2 :单一 UV2B 处理 ;3 :UV2B + 013 %稀土拌种 ;
4 :UV2B + 011 %稀土拌种 ;5 :UV2B + 01075 %稀土浸种 ;下图均同
1 :CK; 2 : UV2B ; 3 :UV2B + 013 % REE seed dressing ;
4 :UV2B + 011 % REE seed dressing ; 5 :UV2B + 01075 % REE
seed soaking ;The same as following figures
212 　各处理对小麦幼苗过氧化物酶( POD)活性的影响
POD 是普遍存在于植物体中的氧化还原酶 ,对各
种环境胁迫敏感。由图 2 可知 ,POD 随时间的延长呈
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逐渐上升的趋势 ,与 CK相比 ,增强 UV2B 辐照使小麦
POD 活性大幅度升高 ( P < 0101) 。表明增强 UV2B 辐
照使植物体中积累了过多的 H2O2 ,使细胞内发生一系
列过氧化反应。施用稀土元素后 ,小麦叶片中 POD 活
性比单一 UV2B 处理有明显降低 ,但仍较 CK组的活性
高 ( P < 0101) ,3 种浓度稀土元素处理下 POD 活性大
小顺序为 :处理 3 > 处理 4 > 处理 5 ,并且各处理间差异
显著 ( P < 0105) ,说明稀土在一定程度上减轻了增强
UV2B 辐照对植物的伤害 ,其中以 01075 %稀土浸种的
效果最好。
图 2 　稀土元素及 UV2B 胁迫对小麦 POD 的影响
Fig. 2 　Effect of REE on the response
of POD in wheat to UV2B stress
213 　各处理对小麦幼苗过氧化氢( CAT)酶活性的影响
CAT是植物活性氧清除系统中一种能够有效地清
除细胞内过多 H2O2 的膜结构保护酶 ,CAT活性的增高
使植物体内清除 H2O2 的能力增强。由图 3 可知 ,与
CK相比 ,CAT活性在增强 UV2B 胁迫下升高。施用稀
土元素后 ,CAT 活性总体水平明显增加。10d 后稀土
处理的 CAT 酶活性都显著高于增强 UV2B 胁迫处理
( P < 0105) 。说明稀土在一定程度上提高了小麦抗
UV2B 辐照能力。3 种稀土处理浓度下 ,CAT 活性的增
加顺序为处理 5 > 处理 4 > 处理 3 ( P < 0105) ,01075 %
浓度稀土浸种的抗逆效果最好。
图 3 　稀土元素及 UV2B 胁迫对小麦 CAT的影响
Fig. 3 　Effect of REE on the response of
CAT in wheat to UV2B stress
214 　各处理对小麦幼苗丙二醛( MDA)含量的影响
丙二醛是膜脂质过氧化的主要产物。由图 4 可看
出 ,与 CK相比 ,增强 UV2B 辐照时小麦 MDA 含量明显
升高 ,说明小麦经 UV2B 辐照后细胞膜发生了膜脂过
氧化作用 ,细胞膜透性增大。施用不同浓度稀土元素
后 ,小麦 MDA 含量比增强 UV2B 辐射处理都有显著降
低 ( P < 0101) ,其中经过 01075 %稀土浸种处理的小麦
MDA 含量最低 ,说明稀土元素能在一定程度上缓解增
强 UV2B 辐照时造成的损伤。三种浓度稀土元素处理
比较 ,以 01075 %浓度处理效果最好。
图 4 　稀土元素及 UV2B 胁迫对小麦 MDA 的影响
Fig. 4 　Effect of REE on the content of
MDA in wheat to UV2B stress
215 　各处理对小麦幼苗相对电导率的影响
图 5 是各种处理下小麦叶片的电导率变化情况。
增强 UV2B 胁迫下 ,小麦叶片电导率增大 ( P < 0101) ,
致使小麦幼苗叶片细胞的原生质体遭到损伤 ,通透性
增加 ,离子从细胞中渗出进入外界环境中。施用稀土
元素后小麦叶片的电导率显著降低 ( P < 0105) ,说明
稀土元素在一定程度上修复了增强 UV2B 对小麦原生
质体造成的损伤。浓度为 01075 %的稀土处理时 ,电
导率最低 ,其对增强 UV2B 辐照的修复作用最好。
图 5 　稀土元素及 UV2B 胁迫对小麦电导率的影响
Fig. 5 　Effect of REE on the conductance
in wheat to UV2B stress
3 　讨论
从本研究结果可以看到 ,UV2B 辐照引起了小麦叶
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片活性氧代谢的紊乱和膜损伤 ,导致小麦受到伤害。
正常情况下 ,植物体内活性氧 (包括·O2 - 、H2O2
等)的产生和清除处于一种动态的平衡状态。SOD、
CAT和 POD 是生物体内酶促防御系统中 3 种非常重
要的保护酶 ,是活性氧的有效清除剂。SOD 是一种典
型的诱导酶 ,催化超氧阴离子自由基的歧化反应而形
成氧分子和过氧化氢 ,CAT 和 POD 是植物体内 H2O2
等活性氧的清除酶 ,它们与 SOD 协同作用维持体内活
性氧代谢平衡[13 ] 。SOD 活性水平决定了膜脂过氧化
反应的程度[14 ] ,其变化意味着植株受胁迫的程度。植
物对逆境胁迫的耐性很大程度上取决于能否维持
SOD、POD 和 CAT的活性。
丙二醛 (MDA) 是膜脂过氧化的产物 ,在一定胁迫
强度内细胞的各种保护机制使丙二醛含量维持在一定
水平。但胁迫强度超过特定阈值后 ,就会使细胞内代
谢失调 ,膜脂过氧化作用加大 ,丙二醛的含量升高 ,因
此丙二醛含量的高低一定程度上可表示细胞膜脂过氧
化程度和植物对逆境条件的反应强弱[15 ] 。本研究结
果表明 ,增强 UV2B 辐照下其细胞膜选择透性机能受
到了影响 ,随增强 UV2B 辐照处理的延长 ,MDA 含量相
应地升高 ,说明植物膜发生了膜脂过氧化作用 ,细胞膜
透性增大。
通常情况下 , 细胞生理条件和环境条件刺激会引
起质膜离子通道的开闭和膜透性的改变 , 进而影响离
子进出质膜 ;当植物体受到毒害时 ,金属离子与细胞膜
蛋白的或磷脂分子层的磷脂类物质反应 ,造成膜蛋白
的磷脂结构改变 ,致使细胞膜结构改变 ,膜系统受到损
伤、透性增大 ,使细胞内一些可溶性物质外渗 ,从而电
导率增大[16 ] 。
稀土元素可以增加植物的抗逆性 ,激发并增加植
物体内一些酶的活性。本研究表明稀土元素能提高
SOD 和 CAT活性 ,降低 POD 活性和 MDA 含量 ,缓解膜
损伤 ,增强植物对·O2 - 的消除能力。施用稀土元素后
减弱了紫外线 B 对小麦的伤害 ,增加了小麦耐受紫外
辐照的时间 ,这是稀土元素对 UV2B 影响小麦保护系
统的一种防护作用。稀土元素使 3 种重要抗氧化酶活
性相对稳定 ,进而使活性氧的清除和生成处于相对的
低水平平衡状态 ,表现出对增强 UV2B 辐照的防护作
用。稀土元素能利用增强 UV2B 胁迫所产生大量的
·O2 - 使·O2 - + Fe3 + →Fe2 + + O2 反应无法形成更多的
Fe2 + ,阻断 Fe2 + 通过 Fenton 反应产生更多的·OH- ,从
而有效地避免了增强 UV2B 胁迫对小麦的伤害[14 ] 。试
验表明稀土元素对增强 UV2B 辐照影响小麦抗氧化酶
有一定的防护作用。
4 　结论
增强 UV2B (1018KJΠm2 ·d) 能对小麦造成胁迫作
用 ,施用稀土元素可增强小麦对增强 UV2B 的抗逆性。
本研究表明 ,小麦施用 01075 %稀土元素对增强 UV2B
的修复效果比 013 %和 011 %的稀土好。说明施用稀
土元素减轻增强 UV2B 对小麦造成伤害的最佳浓度为
01075 %。
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