全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2012, 48 (2): 161~165 161
收稿 2011-09-05　　修定 2012-01-04
资助 国家科技支撑项目子课题(2009BADA1B04-1-2)和海南省
自然科学基金项目(807005)。
* 通讯作者(E-mail: kaibingzhou0528@163.com; Tel: 0898-
66182916)。
增强UV-B辐射对芒果离体叶片染色体的损伤
刘鹏1, 徐迟默2, 罗微2, 周开兵1,*
1海南大学热带作物种质资源保护与开发利用教育部重点实验室, 海口570228; 2中国热带农业科学院, 海口571101
摘要: 以芒果‘台农一号’盆栽苗离体叶片为试材, 采用单细胞凝胶电泳法研究增强UV-B辐射条件下芒果叶片细胞染色体的
损伤。结果显示: 幼叶在处理4 h、老叶和成年叶在处理6 h开始出现染色体彗星拖尾现象, 其OTM值开始急剧上升, 此后,
各叶龄叶片的彗星拖尾密度和长度以及OTM值持续上升; 自然光下的叶片则无明显彗星拖尾, 其OTM值低于UV-B辐射处
理的并无显著变化。在UV-B辐射下, 幼叶彗星拖尾最明显，OTM值最高, 成年叶彗星拖尾和OTM值分别比老叶的更明显
和更高。
关键词: 增强UV-B辐射; 芒果; 叶片; 染色体损伤; 单细胞凝胶电泳
Enhanced UV-B Radiation Damage Chromosomes in Leaves of Mango (Mangifera
indica L.) in vitro
LIU Peng1, XU Chi-Mo2, LUO Wei2, ZHOU Kai-Bing1,*
1Key Laboratory of Protection and Development Utilization of Tropical Crop Germplasm Resources, Hainan University, Ministry
of Education, Haikou 570228, China; 2Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Haikou 571101, China
Abstract: The leaves of mango (Mangifera indica L.) in vitro were used to study the damages of chromosomes
under the enhanced UV-B radiation by the single cell gel electrophoresis assay. The results showed that the
young leaves with 4 hours of UV-B radiation, the adult leaves and the old leaves with 6 hours of UV-B radiation
began to reveal comet tails of chromosomes. Meanwhile, their OTM values rose quickly. From then on, the
length and density of comet tails and the OTM values of all the leaves rose constantly. And the leaves under the
natural light had no obvious comet tail, their OTM values were lower and had no obvious change. Under the
UV-B radiation, the comet tails of the young leaves were the most obvious and its OTM values were the
highest, and those of the adult leaves were second.
Key words: enhanced UV-B radiation; mango (Mangifera indica L.); damage; chromosomes in leaves; single
cell gel electrophoresis
正常情况下, UV-B辐射(280~320 nm)绝大多
数被臭氧层吸收, 但是, 由于氟利昂等致冷剂的大
量应用, 导致臭氧层被破坏, 造成太阳光中到达地
面的UV-B辐射剂量增加, 此时称增强UV-B辐射。
研究表明, 增强UV-B辐射直接导致植物出现形
态、生理、遗传上的损伤和适应性等改变, 从而
威胁人类的生产和生活(Wu等2009; Roledal等
2006)。根据相关预测, 今后70年内全球大气臭氧
浓度将减少2%~10%, 到达地球表面的UV-B辐射
将增加4%~20% (郑友飞等2007)。因此, 研究植物
在受到UV-B辐射后产生的损伤在当前植物生理学
研究中尤为重要。
已有报道表明, UV-B紫外辐射可以诱导高等
植物形成烷嘧啶二聚体(cyclobutane primidine dim-
mers, CPD)和6-4光产物(primidine 6-4 primidinone
photoproducts, 6-4PP), 同时也能导致碱基不稳定位
点的形成和DNA单链的断裂。而且UV-B紫外辐
射诱导植物DNA嘧啶二聚体的形成具有温度依赖
性(Li等2001, 2004)。当 DNA 受紫外光照射形成
嘧啶二聚体后, 光修复酶(photolyase)可以利用蓝
光和近紫外光(300~500 nm)把二聚体单体化(Britt
1996)。植物光复活酶活性最早是在拟南芥中得到
证实, 缺乏CPD和6-4PP修复能力的拟南芥突变体
均表现出对UV-B紫外辐射的高度敏感(Landry等
1997)。
植物生理学报162
芒果在我国号称“热带水果之王”, 海南是我
国最大的芒果产区。其地理纬度低, 紫外辐射极强,
而芒果能够很好地适应这种强紫外辐射环境, 我
们报道过芒果离体幼叶、成年叶和老叶在增强
UV-B辐射下的抗氧化响应情况(刘鹏等2010a, b, c,
d)。在此基础上, 我们进一步研究芒果叶片在增强
UV-B辐射胁迫下的染色体(遗传)损伤问题, 了解
具有良好紫外光辐射适应性植物对增强UV-B辐射
的响应特点。通常单细胞凝胶电泳法(single cell gel
electrophoresis, SCGE)用于检测动物染色体的损伤
(Marry等2002; Richard和Scott 2003), 近来SCGE法
进行优化后, 开始应用于植物染色体损伤的检测
(王静等2007)。我们采用SCGE法检测芒果叶肉细
胞染色体在增强UV-B辐射下的损伤表现和特点。
材料与方法
供试材料为芒果‘台农一号’ (Mangifera indica
L. cv Tainong No.1)盆栽苗50株, 由海南省农业科
学院果树研究所提供。2008年6月取一年生容器
苗上盆定植。盆土为腐叶土、菜园土和河沙按照
4:5:1配比经人工调配的营养土, 盆容积7 L, 上盆后
先在荫棚内培养, 成活后即揭去遮阳网, 之后白天
全光照。其余管理采取常规管理措施。2009年6
月, 取幼叶(2月龄红叶)、成年叶(一年生梢中部健
康的2月龄以上绿叶)和老年叶(12月龄以上)各200
片, 在室内对离体叶片模拟增强UV-B辐射处理。
紫外灯为上海晨辰照明电器有限公司生产的
ZWB系列UV-B灯管, 波长范围280~320 nm, 功率8
W, 光照强度为4 μmol·m-2·s-1, 共2只。紫外灯离叶
片垂直高度为30 cm, 经0.08 mm乙酸纤维膜过滤
后, 在室内26 ℃条件下(空调控温, 同时启用空调
换气功能)对离体叶片进行模拟增强UV-B辐射处
理。以室内自然光下离体叶片为对照, 在辐照0、
2、4、6、8、10、12 h分别取样(0 h时处理与对照
共用样品), 每次重复取5片叶, 重复3次。每次取样
后经液氮速冻后存放于–80 ℃冰箱备用。
原生质体制备和SCGE方法参考Gichner等
(2004)和王静等(2007)的方法进行。SCGE检测分
析时, 每测样随机取30幅图片, 在电脑上用CASP
彗星图象分析软件自动分析(Krzysztof等2003), 并
以DNA损伤指数(olive tail moment, OTM)值反映
DNA损伤程度(Sastre等2001)。OTM值即olive尾
矩, 其反映尾部的面积、尾部的DNA含量以及尾
部的DNA所占总DNA的百分比, 其剂量值相对稳
定, 其值大小与DNA损伤程度呈正相关, 较适合对
细胞中DNA损伤程度进行评估(Fekadu等2000,
Chauvel-Lebret等2001)。
所有数据统计分析均采用SAS软件。应用
ANOVA过程作OTM动态变化方差分析, 采用LSD
法作不同时间的OTM值多重比较分析。应用
TTEST过程作差异显著性分析, 应用CORR过程作
UV-B辐射时间与OTM值线性相关性分析。
结果与讨论
1 UV-B辐射后芒果叶片细胞染色体的变化
UV-B辐射0~4 h的老叶和成年叶以及UV-B辐
射0~2 h的幼叶一直无彗星拖尾现象产生, 表明叶
肉细胞染色体保持完好; 之后则染色体彗星拖尾越
来越明显, 说明其细胞染色体出现明显损伤(图1)。
UV-B辐射6 h之后, UV-B辐射的老叶、成年
叶的彗星拖尾比其对照更加明显; 而UV-B辐射4 h
之后的幼叶彗星拖尾也比对照更明显(图1)。说明
芒果老叶和成年叶能耐受UV-B胁迫约 4 h, 芒果幼
叶能耐受UV-B胁迫约 2 h, 超过各自忍耐限度后则
引起叶肉细胞染色体损伤, 且具有处理时间上的
累积加重效应。
2 UV-B辐射后芒果叶片细胞染色体OTM值的变化
老叶和成年叶OTM值在UV-B辐射0~2 h时无
显著差异, 但在4~6 h期间开始急剧上升。而幼叶
OTM值在UV-B辐射2~4 h期间开始急剧升高; 各叶
龄叶片的OTM值开始显著升高, 即说明其细胞染色
体开始发生明显损伤(表1)。随着UV-B辐射时间的
延续, OTM值不断增加, 即细胞染色体损伤一直显
著加重(表1)。对照的OTM值则一直无显著变化, 说
明其细胞染色质未表现出明显损伤(表1)。
以UV-B辐射4 h老叶和成年叶、以及UV-B辐
射2 h幼叶为起点, 对UV-B辐射处理时间与其相应
OTM值作线性相关性分析。结果(图2)表明, UV-B
辐射剂量与染色体损伤轻重具有极显著的线性相
关性(老叶: r=0.9785, Pr=0.0038; 成年叶: r=0.9939,
Pr=0.0006; 幼叶: r=0.9893, Pr=0.002)。说明UV-B
辐射对芒果叶肉产生细胞染色体损伤轻重具有剂
刘鹏等: 增强UV-B辐射对芒果离体叶片染色体的损伤 163
量效应。
3 UV-B辐射对芒果不同叶龄叶肉细胞染色体的损
伤的差异
UV-B辐射对芒果不同叶龄叶肉细胞染色体
损伤有差异(图1和表1)。总体上, 幼叶出现损伤最
早和最重, 在4 h出现彗星拖尾, 此后拖尾密度、长
度和OTM值均极显著高于成年叶和老叶的。成年
叶和老年叶于UV-B辐射处理6 h出现彗星拖尾, 其
OTM值间差异不显著; 在8 h之后, 成年叶的彗星
拖尾密度、长度和OTM值显著大于老叶的。
总之, UV-B辐射能引起芒果叶肉细胞染色体
损伤, 且细胞染色体损伤的发生需要一定UV-B辐
射剂量的积累, UV-B辐射对芒果叶片产生细胞染
色体损伤具有“剂量-损伤效应”, 这与前人在九里
香(Murraya panicuata)上的试验结果是一致的(王
静等2007)。
细胞染色体损伤后, 可激活DNA损伤修复系
统, CPD修复就是利用可见光或UV-A来激活光修
复酶, 从而切除嘧啶二聚体和完成修补(Sinha和
Hader 2002)。本试验在自然光背景下添加UV-B辐
表1 UV-B辐射下芒果叶肉细胞染色体OTM值的变化
Table 1 Changes in OTM values of cell chromosomes in mango leaves under UV-B radiation treatment
处理时间/h
老叶 成年叶 幼叶
对照 UV-B辐射 对照 UV-B辐射 对照 UV-B辐射
0 0a 0 a 0a 0e 0a 0d
2 0a 0e 0a 0.14±0.01e 0a 0.14±0.01d
4 0.08a 0.06±0.01e 0.05±0.01a 0.19±0.01e 0.11±0.01a 4.77±0.05d,*
6 0.09a 3.67±0.13d,* 0.08a 3.62±0.07d,* 0.09±0.01a 7.58±0.08c,*
8 0.09a 5.49±0.13c,* 0.08a 6.38±0.13c,* 0.11±0.03a 10.24±0.19b,*
10 0.11a 6.60±0.14b,* 0.08a 8.80±0.13b,* 0.11±0.02a 11.78±0.19b,*
12 0.11a 8.65±0.16a,* 0.08a 10.69±0.17a,* 0.09±0.03a 16.50±0.21a,*
　　不同英文字母表示不同时间的差异显著; *表示处理与对照差异显著。
图1 UV-B辐射下芒果叶肉细胞染色体的单细胞凝胶电泳图像
Fig.1 Image of SCGE assay of the cell chromsome in mango leaves cell under UV-B raditaion treatment
植物生理学报164
射来模拟增强UV-B辐射, 环境中存在可见光和
UV-A辐射, 因此, CPD修复机制可能存在。我们已
报道过UV-B辐射处理可诱导芒果叶片合成大量的
类胡萝卜素和类黄酮, 可刺激消耗Vc和还原性谷
胱甘肽, 可激发抗氧化酶(如SOD、POD和CAT)活
性升高, 可促进可溶性蛋白含量提高(刘鹏等2010a,
b, c)。这说明芒果叶片可能利用类胡萝卜素和类
黄酮等色素对UV-B的吸收作用来分散UV-B辐射
胁迫, 通过清除活性氧来减轻DNA氧化损伤, 通过
维持细胞渗透性来保护膜系免遭解体, 这些保护
机制均可减轻DNA损伤。因此, UV-B辐射必须达
到一定剂量, 对植物细胞染色体造成的损伤水平
超出其自身修复能力和保护限度, 才表现出明显
损伤, 这可能就是在UV-B辐射2 h的芒果幼叶、
UV-B辐射4 h的老叶和成年叶未表现出细胞染色
体损伤的原因。
UV-B辐射对叶肉细胞染色体损伤随着叶龄
增加而减轻, 这可能象其他植物一样与不同叶龄
叶片的解剖结构有关(王静等2007; Manetas2003;
Ballare等1996)。即芒果幼叶蜡质层和角质层薄而
少, 茸毛短而软, 叶片薄, 尚未革质化, 不具备阻挡
和削弱UV-B辐射的能力; 老叶则表面积累大量蜡
质层和角质层, 茸毛长而硬, 叶片厚, 高度革质化,
具有较强阻挡和削弱UV-B辐射穿透能力; 成年叶
大体上居中。我们推测, 不同叶龄叶片的生理状
态也可能是造成其对UV-B辐射敏感性差异的原
因。幼叶细胞处于旺盛分裂和分化期, 染色体复
制和基因表达极其活跃, DNA处于易被损伤的失
去蛋白质包被和单链状态 , 从而细胞染色体对
UV-B辐射很敏感; 而老叶则分裂活动较弱, 组织结
构稳定而很少发生分化, 染色体大多以完整的结
构状态存在, 另外衰老激活抗氧化机制增强逆境
交叉保护能力, 从而对UV-B辐射不敏感; 成年叶则
生理状态介于二者之间, 且生理机能完善和最为
强大, 因而对UV-B辐射的敏感性居中。这种推测
还有待进一步作后续研究证实。
参考文献
刘鹏, 潘学锋, 周开兵(2010a). 芒果离体幼叶在增强UV-B辐射处理
下的损伤和保护反应. 热带生物学报, 1 (2): 144~149
刘鹏, 周开兵, 潘学锋(2010b). 芒果老叶在增强UV-B辐射处理下的
损伤和保护反应. 植物生理学通讯, 46 (8): 787~792
刘鹏, 周开兵, 丁姗, 蔡惠珍(2010c). UV-B辐射下离体芒果成年叶
抗氧化响应. 山地农业生物学报, 29 (5): 397~402
刘鹏, 周开兵, 王爽, 王丽文, 潘学锋(2010d). 芒果不同叶龄叶片在
增强UV-B辐射处理下的损伤和保护响应. 热带生物学报, 1
(4): 350~356
王静, 蒋磊, 王艳, 李韶山(2007). 紫外辐射诱导植物叶片DNA损伤
敏感性差异. 植物学通报, 24 (2): 189~193
郑有飞, 刘建军, 王艳娜, 吴荣军(2007). 增强UV-B辐射与其他因
子复合作用对植物生长的影响研究. 西北植物学报, 27 (8):
1702~1712
Ballare CL, Scopel AL, Stapleton AE, Yamovsky MJ (1996). Solar
ultraviolet radiation affects seedling emergence, DNA integrity,
plant morphology, growth rate, and attractiveness to herbivore
insects in Datura ferox. Plant Physiol, 112: 161~170
Britt AB (1996). Molecular genetics of DNA repair in higher plants.
Trends Plant Sci, 4: 20~25
Chauvel-lebret DJ, Aurey P, Tricot-Doleux S, Bownaure-Mallet M
(2001). Evaluation of the capacity of the SCGE assay to assess
the genotoxicity of biomaterials. Biomaterials, 22: 1795~1801
Fekadu K, Wolfram P, Siegfried K (2000). Single cell gel electropho-
resis assay: a new technique for human biomonitoring studies.
Mutat Res, 463: 13~31
Gichner T, Patkov Z, Szkov J, Demnerov K (2004). Cadmium induces
DNA damage in tobacco roots, but bo DNA damage, somatic
mutations or homologous recombination in tobacco leaves. Mu-
tat Res, 559: 49~57
Krzysztof K, Anna L, Anna B, Haiina L, Tomasz K, Stanisiaw G,
Zblgniew K, Andrzej W (2003). A cross-platform public domain
PC image-analysis program for the comet assay. Mutat Res, 534:
25~30
Landry LG, Stepieton AE, Lim J, Hoffman P, Hays JB, Walbot V, Last
RL (1997). An Arabidopsis photolyase mutant is hypersensitive
to ultraviolet-B radiation. Proc Natl Acad Sci USA, 94: 328~332
Li S, Paulsson M, Bjorn Lo (2001). Temperature-dependent forma-
tion and photorepair of DNA damage induced by UV-B radiation
in suspension-cultured tobacco cells. J Photochem Photobiol B
图2 OTM值与UV-B辐射时间的线性相关性
Fig.2 The linear correlation of OTM values
with UV-B radiation time
刘鹏等: 增强UV-B辐射对芒果离体叶片染色体的损伤 165
Biol, 66: 67~72
Li S, Wang Y, Bjorn Lo (2004). Effects of temperature on UV-B-
induced DNA damage and photorepair in Arabidopsis thatiana. J
Environ Sci, 16: 173~176
Manetas Y (2003). The importance of being hairy: the adverse effects
of hair removal on stem photosynthesis of Verbascum speciosum
are due to solar UV-B radiation. New Phytol, 3: 503~508
Marry MN, Janani S, Prabhu BK, Kumar PR, Jeevanram RK (2002).
DNA damage and integrity of UV-induced DNA repair in lym-
phocyte of smokers analyzed by the comet assay. Mutat Res,
520: 179~187
Richard FL, Scott S (2003). Use of the single cell gel electro -phore-
sis/comet assay for detecting DNA damage in aquatic (marine
and freshwater) animals. Muta Res, 544: 43~54
Roledal MY, Wiencke C, Luder UH (2006). Impact of ultraviolet
radiation on cell structure, UV-absorbing compounds, photo-
synthesis, DNA damage, and germination in zoospores of Arctic
Saccorhiza dermatodea. J Exp Bot, 57 (4): 3847~3856
Sastre MP, Vernet M, Stelnert S (2001). Single-cell gel/comet assay
applied to the analysis of UV radiation-induced DNA damage in
Rhodomonass sp. (Cryptophyta). Photochem Photobiol, 74: 55~60
Sinha RP, Hader D (2002). UV-induced DNA damage and repair: a
review. Photochem Photobiol Sci, 1: 225~236
Wu JB, Guan DX, Yuan FH, Zhang XJ (2009). Research advances on
the biological effects of elevated ultraviolet-B radiation on ter-
restrial plants. J For Res, 20 (4): 383~390