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Effect of Ultraviolet Radiation on Cunninghamia lanceolata Somatic Embryogenesis Plantlets

紫外线对杉木体胚再生植株的影响



全 文 :林业科学研究 2015,28(6):839 843
ForestResearch
  文章编号:10011498(2015)06083905
紫外线对杉木体胚再生植株的影响
吴 华1,闫 姗1,陈金慧1,郑仁华2,施季森1,成铁龙1
(1.南京林业大学林学院 林木遗传与生物技术省部共建教育部重点实验室,江苏 南京 210037;2.南京林业大学南方现代林业协同
创新中心,江苏 南京 210037;3.福建省林业科学研究院 国家林业局南方山地用材林培育重点实验室,福建 福州 353002)
收稿日期:20150307
基金项目:江苏省高校自然基金项目(No.13KJA220001);教育部新世纪优秀人才支持计划;江苏高校优势学科建设工程资助项目(
PAPD);南京林业大学南方现代林业协同创新中心计划。
作者简介:吴 华(1989—),女,河南开封人,在读硕士生,研究方向为林木遗传育种。
 通讯作者:高级工程师,Email:ctielong@126.com.
摘要:为了解紫外线辐射时间对杉木生长的影响,本研究以杉木优良杂交组合的体胚再生植株为材料,用紫外灯模
拟自然界UVB辐射对其进行处理,研究0、1、3、5、7、9天紫外胁迫下杉木的光合作用效率及生理状态的变化。结果
表明:随着紫外线辐射时间的延长,杉木体胚再生植株叶片的叶绿素含量明显降低、叶绿素荧光参数(Fv/Fm、YⅡ、
qP、qN)数值均降低,MDA含量先降低后增加,POD活性提高、可溶性蛋白含量明显增加;紫外线辐射3天叶片杉木
体胚再生植株叶片尖端开始变黄,5—7天黄化现象加剧,9天叶片完全失水,干枯死亡,说明长时间紫外辐射会阻
碍杉木体胚再生植株的生长发育。
关键词:杉木;紫外线;生理指标;叶绿素荧光参数
中图分类号:S791.27 文献标识码:A
EfectofUltravioletRadiationonCunninghamialanceolata
SomaticEmbryogenesisPlantlets
WUHua1,YANShan1,CHENJinhui1,ZHENGRenhua2,SHIJisen1,CHENGTielong1
(1.ColegeofForestry,NanjingForestryUniversity,Nanjing 210037,Jiangsu,China;2.ColaborativeInnovation
CenterofSustainableForestryinSouthernChina,NanjingForestryUniversity,Nanjing 2100037,Jiangsu,China;
3.FujianAcademyofForestrySciences,Fuzhou 353002,Fujian,China)
Abstract::TostudytheefectofultravioletradiationonChinesefir(Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook),
thesomaticembryogenicplants(emblings)regeneratedfromChinesefirwereusedastestingmaterials.Theem
blingsweretreatedbydiferentexposuredaysunderultravioletlight.Theresultsshowedthatwiththeprolongingof
exposuretimeunderultravioletlight,thechlorophylconcentrationandchlorophylfluorescenceparametersde
creased,whiletheMDAcontentincreasedwiththeactivityofPODandsolubleprotein.ItwasrevealedthattheUV
radiationcouldcausealargeamountofMDAinleafwhichmaydamagethecelmembranesandfurtherdecreasethe
eficiencyofphotosynthesisofChinesefir.Stressesmaytriggeredtheemblingsrespondingpathwaytoprotectdama
gesbyUVradiationthroughactivatingPODcompetenceandsolubleprotein,butfailedtosavetheplantsundersev
erdamagesintheinvestigation,PODmayexcitedtheactivitysolubleproteintoprotectemblingsavoidingfromdam
agecausedbyultravioletradiation,butcouldnotbeingefectivelyaleviate.
Keywords:Cunninghamialanceolata;UV;physiologicalindicators;chlorophylfluorescenceparameters
林 业 科 学 研 究 第28卷
现代工业的高速发展带来的环境问题不仅影响
人类的健康,还影响着植物的正常生长发育,比如氟
氯烃等有害气体严重破坏臭氧层,使达到地球表面
的太阳紫外辐射增强,从而导致植物光合作用降低,
农作物产量降低、植株矮小等[1-4]。在长期的进化
过程中,植物体形成了自身的防御能力,并通过一系
列生理生化反应抵抗紫外胁迫,从而保障植物细胞
内各种生命代谢活动的正常进行[5-7]。
杉木为中国长江流域、秦岭以南地区栽培最广、
生长快、经济价值高的用材树种,在其生长过程中常
受到各种逆境环境的胁迫。熊日荣等[8]研究发现杉
木不同无性系间抵抗逆境胁迫的能力有所差异,曲
弈等[9]利用杉木体胚苗进行了低温胁迫处理,发现
杉木体胚再生植株一定程度上可以抵御低温胁迫。
而关于紫外胁迫对杉木生长和发育的影响还没有进
行过系统的研究。陈金慧等[10]建立了杉木优良杂
交组合的体胚发生体系,可获得具有相同基因型的
植株,避免了可能由于基因型不同所引起的实验误
差。本试验以同一基因型的杉木体胚再生植株为材
料,用紫外灯对杉木体胚再生植株进行不同时间的
照射处理,分别测定了胁迫处理条件下杉木叶片叶
绿素荧光参数(Fv/Fm,YⅡ,qP,qN)、MDA含量、叶
绿素含量、POD活性、可溶性蛋白含量,探讨杉木体
胚再生植株在紫外线胁迫下的生理变化及杉木幼苗
能承受的紫外辐射的能力,为杉木体胚再生植株在
紫外胁迫下的逆境响应机制提供理论依据,对杉木
幼苗培育条件提供指导。
1 材料与方法
1.1 试验设计
选取株高4 5cm、叶片长1 2cm,株高叶片
大小一致的杉木体胚再生植株,随机分成 A、B两
组,每组 6株,3组重复。A组:对照组(自然光照
射);B组:试验组(自然光 +紫外光照射),随机放
置。将UVB灯管(30W,上海高硼紫外灯管)(280
320nm),置于植株上方,用紫外辐射强度测试仪
(北京师范大学光电仪器厂)测定紫外线辐射强度
为18kJ·m-2·d-1。紫外辐射处理时间为每天10
h(8:00—18:00)。分别在第0、1、3、5、7、9天对 A、
B两组样品进行表型记录,并取相同部位的叶片进
行生理指标的测定。
1.2 试验方法
1.2.1 光合效率测定 使用DualPAM100叶绿素
荧光仪进行活体叶绿素荧光的测定。测定前,叶片
于暗中适应30min,先照射测量光(24umol·m-2·
s-1)测初始荧光 Fo,再照射饱和脉冲(20000umol
·m-2·s-1)测最大荧光 Fm,打开持续5min的光
化光(209umol·m-2·s-1)诱导荧光动力学,并每
隔20s打开饱和脉冲测量光适应下的最大荧光
(Fm’)。光系统Ⅱ的最大光合效率(Fv/Fm)、光系
统Ⅱ的实际光合效率(YⅡ)、光化学猝灭系数(qP)、
非光化学猝灭系数(qN)由仪器自动给出。
1.2.2 生理指标测定 本研究测定了丙二醛、叶绿
素含量、可溶性蛋白含量、过氧化物酶活性等生理指
标,其中,用硫代巴比妥酸比色法进行丙二醛
(MDA)含量的测定[11];用改良的Arnon法进行叶绿
素含量测定[12];用考马斯亮蓝比色法进行可溶性蛋
白含量测定[13];用愈创木酚法进行过氧化物酶
(POD)活性的测定[14],将每分钟 OD值增加1时为
1个过氧化物酶活力单位(U),酶活性以“U·g-1·
min-1”表示。
2 结果分析
2.1 紫外辐射对杉木植株表型的影响
不同时间的紫外辐射明显影响了杉木体胚再生
植株的表型(图1)。在紫外辐射的第一天,植株表
型没有明显的变化,在第三天时试验组针叶的尖端
开始变黄,叶片颜色轻微地变黄,5—7天试验组黄
化现象加剧,9天时试验组杉木植株的针叶已经完
全失水变黄,叶片枯萎。
注:a-对照组,b-试验组
图1 第0、1、3、5、7、9d的杉木体胚再生植株表型
2.2 紫外辐射对杉木植株叶片叶绿素含量的影响
从图2可以看出,紫外辐射降低了杉木的叶绿
素含量(P<0.05)。在紫外辐射的第一天,试验组
植株的叶绿素含量与对照组相比变化不明显,从3d
后叶绿素含量明显地逐步降低,5d,7d,9d时与对
048
第6期 吴 华,等:紫外线对杉木体胚再生植株的影响
照相比叶绿素含量分别降低了 12.23%,22.65%,
23.47%,30.47%。说明杉木植株叶片的黄化可能
是由于紫外辐射降低了植株的叶绿素含量。
注:不同字母表示差异显著(P
%
0.05),下同。
图2 紫外辐射下杉木叶绿素含量的变化
2.3 杉木植株叶绿素荧光参数的变化
从图 3可以看出,随着紫外胁迫时间的延长,
Fv/Fm和 qP均下降,前3d下降速率缓慢,3d后
Fv/Fm和qP下降速率加剧,至9d时试验组的 Fv/
Fm与对照组相比降低了58.16%,qP较对照组降低
了43.69%;YⅡ与对照相比在前3d呈上升趋势,其
中1d、3d时分别上升了27.28%、14.34%。随后Y
Ⅱ下降,5d、7d、9d分别降低了7.78%、15.20%、
47.11%;qN较对照组呈持续下降趋势,且下降速率
较快,至9d时试验组比对照组下降了43.70%。
图3 紫外辐射下杉木叶绿素荧光参数的变化
2.4 MDA含量的变化
紫外辐射对试验组 MDA含量影响的整体趋势
是先下降后上升(图4),前3d下降,3d时降至最
低,比对照组降低了27.34%,说明杉木幼苗对紫外
线胁迫产生了抵抗作用。3d后 MDA含量开始上
升,5d时试验组的MDA含量比对照组低7.22%,7
d时试验组MDA含量比对照组增加了13.99%,9d
时比对照组增加了23.32%。
2.5 POD活性的变化
紫外线照射处理使杉木幼苗的 POD活性明显
增加(P<0.05)(图5),1d时试验组POD活性增加
图4 紫外辐射下杉木MDA含量的变化
缓慢,与对照组相比增加了3.02g&1·min&1,3d、5
d、7d、9d时增加幅度变大,与对照组相比分别增加
了34.31U·g&1·min&1、36.41U·g&1·min&1、
59.58U·g&1·min&1、72.24U·g&1·min&1。
图5 紫外辐射下杉木POD活性的变化
2.6 可溶性蛋白含量的变化
从图6可知,紫外胁迫处理使杉木幼苗叶片中
可溶性蛋白含量明显增加(P<0.05),且随着处理
天数的增加而增加,紫外处理9d后叶片可溶性蛋
白质含量最高,比对照组增加了2.975mg·g-1。
图6 紫外辐射下杉木可溶性蛋白含量的变化
3 讨论与结论
3.1 紫外胁迫对杉木体胚幼苗的光合效率的影响
叶绿素作为植物叶片内重要的光合色素,其含
量受紫外辐射后逐步降低,可能是紫外辐射破坏了
148
林 业 科 学 研 究 第28卷
叶绿体类囊体膜[15-16]。经紫外辐射后,杉木叶片叶
绿素含量逐渐降低,最终导致杉木叶片变黄(图1,
4),影响叶片光合速率,阻碍杉木生长。聂磊[17]的
研究也发现紫外辐射会使柚树的叶绿素含量下降。
光系统I的最大光合效率 Fv/Fm反映了植物
潜在最大光能转换效率,当 Fv/Fm下降时,代表植
物受到了胁迫。因此,Fv/Fm是研究光抑制或各种
环境胁迫对光合作用影响的重要指标[18-19]。从上
述研究结果可以看出,紫外辐射使杉木幼苗 Fv/Fm
下降,说明杉木受紫外线胁迫后光合作用受到了严
重影响(图2)。
光系统 I的实际光合效率(Y(I))反映了植物
光合机构的实际光能转换效率[20]。紫外线胁迫引
起了杉木叶片 Y(I)先上升后下降,表明短期胁迫
对Y(I)有促进作用,但胁迫时间延长将促使Y(I)
降低,即杉木实际光能转化效率降低(图2)。
叶绿素荧光产量的下降(淬灭)可以由光合作
用的增加引起,也可以由热耗散的增加引起。由光
合作用引起的荧光淬灭称之为光化学淬灭(qP),qP
反映了植物光合活性的高低;由热耗散引起的荧光
淬灭称之为非光化学淬灭(qN),qN反映了植物耗
散过剩光能为热的能力,也就是光保护能力[21]。本
研究中紫外线胁迫使 qP和 qN均降低,即杉木光合
活性和光保护能力均降低(图2),说明紫外线胁迫
影响了杉木的光合作用。
3.2 紫外胁迫对细胞膜系统及可溶性蛋白含量的
影响
  紫外辐射会使植物内产生大量活性氧自由基,
自由基作用于脂质发生过氧化反应,最终产生
MDA,大量的MDA会破坏细胞膜结构,导致叶肉细
胞内生理代谢紊乱[22-23]。高等植物体内存在 POD
等活性氧清除酶类,可以清除活性氧自由基[24-26]。
本实验中,随着紫外辐射天数的增加,杉木幼苗叶片
中MDA含量先降低后升高(图3),POD活性随着紫
外辐射时间延长而升高(图5),这可能是由于处理
植株体内的抗氧化机制发生了作用、导致MDA含量
降低[27]。但杉木幼苗的这种防御机制有限,最终
MDA会大量积累从而破坏细胞膜结构。
蛋白质最大吸收波长在紫外线波长(280 320
nm)范围内,所以紫外辐射对蛋白质含量产生的影
响较大[28]。本实验中,紫外辐射增加了杉木幼苗针
叶中可溶性蛋白的含量(图6),可能是紫外辐射诱
导一些与抗性相关基因的表达,从而导致一些新的
与抗性有关的蛋白质产生[29],如查尔酮合酶(chal
conesynthase,CHS)。CHS是植物类黄酮化合物合
成的第一关键酶,类黄酮可以使植物避免遭受紫外
线伤害[30]。所以,杉木体内可溶性蛋白含量上升可
能是杉木抵抗紫外胁迫的一种应急反应。
综上所述,长时间的紫外辐射会对杉木体胚再
生植株叶片的叶绿素含量、叶绿素荧光参数、MDA
含量、POD活性、可溶性蛋白质含量产生不同程度的
影响,紫外辐射3天杉木体胚再生植株叶片开始变
黄,光合作用受阻,5—7天黄化现象严重,9天杉木
胚再生植株干枯死亡,说明杉木体胚再生植株对紫
外辐射敏感,长时间的紫外辐射会阻碍杉木体胚再
生植株的生长和发育。因此,在杉木体胚再生植株
培育过程中应避免过多的紫外辐射。
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