全 文 ：武汉植物学研究 2008，26(4)：402—406
Journal of Wuhan Bo~n&al Research
CO2激光处理对干旱胁迫小麦幼苗谷胱甘肽
抗氧化酶系统的影响
邱宗波 ，李方民 ，王芳 ，岳 明
(1．西部资源生物与现代生物技术省部共建教育部重点实验室(西北大学)，西安 710069；
2．河南师范大学生命科学学院，河南新乡 453007)
摘 要：用 CO：激光(波长 10600 nm，辐射剂量 20．1 mW／mm )对萌动小麦种子分别辐照 0、1、3、5 min，待其长
至 12 d时，用 10％(W／V)PEG 6000胁迫其幼苗。结果表明：CO：激光处理 1、3、5 min显著提高了还原型谷胱甘肽
(GSH)含量，显著降低了氧化型谷胱甘肽(GSSG)含量(5 min除外)，导致 GSH／GSSG比率显著上升。3 min激光处
理显著提高了干旱胁迫下小麦幼苗叶片谷胱甘肽还原酶(GR)和谷胱甘肽一s一转移酶(GST)活性。通过参与降解因
干旱胁迫而过量产生的过氧化产物 ，实现了细胞解毒功能。此外，1 min和 3 min激光处理可显著提高干旱胁迫下
小麦幼苗抗坏血酸氧化酶(APX)活性和抗坏血酸(AsA)含量 ，提高了组织内部的抗氧化能力，从而起到保护作用。
关键词：CO：激光；小麦；干旱胁迫；谷胱甘肽
中图分类号：Q945．78 文献标识码：A 文章编号：1000—470X(2008)04—0402—05
Efects of CO2 Laser on Glutathione-dependent Antioxidative System in
W heat Seedling under Drought Stress
QIU Zong．Bo 一，LI Fang-Min ，WANG Fang ，YUE Ming
(1．Key Laboratory ofResource Biology and Biotechnology Western China(Northwest University)，Ministry ofEducation，
Xi’an 710069，China；2．Colege ofLife Science，ltenan Normal University，Xinxiang，Henan 45307，China)
Abstract：The objective of this study was to determine the efects of CO，laser(wavelength 1 0600 nm．
power density 20．1 mW／mm )on glutathione dependent antioxidative system in wheat seedling under
drought stress．Germ inating seeds were exposed to CO，laser radiation for 0 min，1 min，3 min and 5 min，
respectively．then they were treated with 10％ (W／V)PEG6000 solution for 8 days．When the seedlings
were 12-day-old，changes in the concentration of oxidized glutathione (GSSG)，reduced glutathione
(GSH)，ascorbate(AsA)and the activities of glutathione reductase(GR)，glutathione-S-transferase
(GST)，ascorbate peroxidase(APX)were measured to determine the effects of laser．The results showed
that suitable laser treatment of seeds improved drought tolerance in wheat seedlings by decreasing the con．
centration of GSSG and increasing the activities of APX，GR，GST，AsA and GSH concentration．The re．
sults suggested that those changes in glutathione dependent antioxidative system were responsible for pro-
tection wheat against drought induced oxidative damage．
Key words：CO2 laser；Wheat；Drought stress；Glutathione
激光作为一种技术，在遗传育种、生物刺激效应
等方面的研究获得了广泛的尝试，并对 uV．B辐射
损伤具有一定的防护和修复作用。干旱是农业生产
的巨大障碍，对作物造成的减产量超过其它自然逆
境减产量之和⋯。因此，如何提高作物的抗旱性是
植物抗逆领域的重要科学问题。适当剂量的激光辐
射可以提高种子的萌发率、种子内能(焓变和熵
变) 、种子生物光子的辐射强度和酶活性 。韩
榕等M 用 He-Ne激光辐照小麦可提高其酶活性，对
细胞膜损伤具有修复作 用，可增强抗逆性。齐
智 发现 He-Ne激光辐射蚕豆幼苗可提高 SOD、
POD、CAT酶活性，改变SOD、CAT同工酶谱，从而对
UV-B辐射损伤具有一定的防护和修复作用。然
而，适当剂量的激光辐照对植物干旱胁迫损伤是否
收稿日期：2007—11一O5，修回日期：208—02—19。
基金项目：国家 自然科学基金资助项目(30670366)。
作者简介：邱宗波(1978一)，女，河南南阳人，博士，主要从事植物生理生态和分子生物学方面的研究(E-mail：zongboqiu7711@163 corn)。
通讯作者 (Author for corespondence E—mail：yueming@nwu edu．on)。
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第 4期 邱宗波等：CO：激光处理对干旱胁迫小麦幼苗谷胱甘肽抗氧化酶系统的影响
具有防护作用，这个问题 目前并不清楚。目前普遍
认为，除了活性氧清除酶外，植物体内还存在非酶抗
氧化物质，例如谷胱甘肽(GSH)和抗坏血酸(AsA)
等，同时GSH和AsA也是 AsA—GSH氧化还原途径
的重要组成成分，而 AsA—GSH氧化还原途径也是植
物组织中直接清除 ROS的酶促催化系统 。本研
究以春小麦品种‘绵阳26号’为受试材料，研究 CO：
激光处理对干旱胁迫小麦幼苗 GSH及其相关抗氧
化系统的调节作用，为激光辐照应用于提高植物抗
旱性和胁迫生理生态研究提供科学依据。
1 材料与方法
1．1 材料
春小麦(~iticum aestivum L．)品种为 ‘绵阳26
号’，由杨凌示范区种子公司提供。
1．2 材料培养及处理
选取籽粒饱满、大小均匀的小麦种子用 0．1％
HgC1：消毒 10 min、用自来水冲洗 50 min后，培养于
盛有湿滤纸的培养皿内，待种子露白时进行处理。
无激光和干旱胁迫处理的种子为对照组(CK)，进行
激光照射的种子为处理组。所用 CO：激光器的波
长为 10600 nm，光斑直径为 30 mm，辐射剂量为
20．1 mW／mm ，距离为36 cm，辐射时间分别为 0、
1、3、5 min，然后置于25c恒温箱中浸种36 h，播种
在铺有 2层滤纸的培养皿中催芽，40粒／皿，每组 5
个重复，培养皿直径为 18 Cm。待出芽后，培养于
(25±1)oC人工气候室内，浇以Hoagland营养液，有
效光量子密度为 250 I~mol·m一·s～，光暗周期为
l2 h／12 h，昼夜温度为 25cl／18clc，相对湿度 为
70％。待幼苗长至 12 d时，用 10％(W／V)PEG6000
(聚乙二醇)溶液进行干旱胁迫处理。在干旱胁迫
的第 8 d取小麦幼苗测定各项指标。
1．3 生理生化指标测定
抗坏 血酸过 氧化物 酶 (ascorbate peroxidase。
APX)活性测定 取 0．5 g新鲜叶片，加入 3 mL
50 mmol／L磷酸缓冲液(pH 7．8，含 2 mmol／L AsA，
5 mmol／L EDTA，现用现 配)，冰浴研 磨，4c 下
15000 g离心20 min，上清液冰浴待用。活性测定按
照 Nakano等 的方法。3 mL反应液为50 mmol／L
磷 酸缓 冲 液 (pH 7．8，含 0．1 mmol／L EDTA、
0．1 mmol／L H，02、0．5 mmol／L AsA)。于 290 nm下
测定光吸收的下降。
谷胱甘肽还原酶(glutathione reductase。GR)
活性测定 取 0．5 g新鲜叶片，加入 3 mL 50 mmol／
L s HC1缓冲液 (pH 7．0，含 20％甘油，2％ PVP，
1 mmol／L AsA。1 mmol／L DTr，1 mmol／L EDTA，
1 mmol／L GSH和 5 mmol／L MgC1 )，冰浴研磨，4c
下 15000 g离心 20 rain，上清液冰浴待用。活性测
定按照 Foyer等 的方 法。3 mL反 应液 为 50
mmol／L Tris—HC1缓 冲液 (pH 7．5，含 5 mmol／L
MgC1，、0．5 mmol／L GSSG、0．2 mmol／L NADPH)，于
340 ilm下测定光吸收的下降。
谷胱甘肽-S-转移酶(glutathione-S-transferase，
GST)活性的测定 取 0．5 g新鲜叶片，加入 3 mL
50 mmol／L磷 酸缓 冲液 (pH 7．8，含 3％ PVP，
0．1 mmol／L EDTA)，冰浴研磨，4~C下 15000 g离心
20 rain，上清液冰浴待用。活性测定按照Mannervik
等_l 的方法。3 mL反应液为50 mmol／L磷酸缓冲
液(pH 7．4，含 1 mmol／L CDNB、1 mmol／L GSI-I)，于
340 nm下测定光吸收的上升。
GSH含量测定按 Elmanl】 的方法。AsA含量
测定按 Arakawal 的方法。GSSG含量的测定用
GSSG检测试剂盒(南京建成生物工程研究所生产)。
1．4 统计分析
实验进行 2次，每次 3个重复。对所有数据进
行方差分析，处理间的差异显著性用新复极差
(Duncan’s)检验。整个计算过程在 SPSS和EXCEL
软件系统下完成。
2 结果与分析
2．1 CO：激光处理对干旱胁迫小麦叶片 GSH和
GSSG含量以及 GSI GSSG的影响
GSH是植物体内普遍存在的含一SH的还原物质，
在防御自由基对膜脂过氧化中起重要作用。与对照
(CK)相比，干旱胁迫处理(激光处理0 min)的小麦幼
苗 GSH含量显著下降，而 GSSG含量显著上升，从而
导致 GSH／GSSG比率显著下降。从图 1可以看出，
CO：激光处理 1、3、5 rain可使幼苗 GSH含量显著提
高，而使 GSSG含量显著下降(5 rain除外)，从而导致
GSH／GSSG比率显著上升，与激光处理 0 min相比差
异显著(P<0．05)。说明 CO：激光处理可通过分别
提高或降低GSH和GSSG含量来增强干旱胁迫下小
麦幼苗叶片的抗氧化能力，使小麦幼苗组织内部保持
较高水平的GSH／GSSG，从而维持干旱胁迫下小麦幼
苗合适的氧化还原环境，有利于提高耐旱性。
2．2 CO：激光处理对干旱胁迫小麦叶片 GR和
GST活性的影响
GR是植物细胞内将 GSSG还原为 GSH的关键
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武 汉 植 物 学 研 究 第 26卷
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Laser exposuretime(min)
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CK 0 1 3 5
Laserexposure time(min)
CK 0 1 3 5
Laserexposuretime(Inin)
不同字母表示不同处理之间方差分析结果的差异显著性(p<0．05，n=6)
Means with diferent letters above bars were significantly different at 0．05 level according to Duncan’S multiple range test
图 1 CO 激光处理对干旱胁迫小麦叶片 GSH (A)和 GSSG(B)含量以及 GSH／GSSG (C)的影响
Fig．1 Efect of laser treatment on the content of GSH(A)，GSSG(B)and ratios of GSI-I／GSSG(C)in
wheat seedling leaves under drou t stress
酶，也是清除植物细胞内部 H 0 酶催化系统的组
分之一。图 2：A表明，干旱胁迫处理(激光处理
0 min)可使小麦幼苗叶片 GR活性下降，而3、5 min
激光处理可显著提高 (P<0．05)因干旱引起的小
麦叶片 GR下降的活性，这与其提高 GSH含量的结
果相一致。说明3、5 min激光处理可通过提高干旱
胁迫下小麦幼苗叶片 GR活性进而调节 GSH和
GSSG的水平以及 GSH／GSSG的比率。
GST是细胞内依赖于 GSH的重要解毒酶。从
图2：B可以看出，与对照(CK)相比，干旱胁迫处理
对小麦幼苗叶片 GST活性没有太大影响，而 3 min
激光处理可显著提高 (P<0．05)干旱胁迫下小麦
幼苗叶片 GST活性。
釜
曩
0
CK 0 1 3 5
Laser exposuretime(min)
上
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2．3 CO：激光处理对干旱胁迫小麦幼苗 APX活
性和AsA含量的影响
APX是植物细胞内以AsA为底物的H O 清除
酶。从图 3可以看出，干旱胁迫处理 (激光处理
0 min)可使 APX的活性下降，而 1、3 min激光处理
可显著提高干旱胁迫下小麦幼苗 APX活性。AsA
是植物体内重要的非酶类抗氧化物质，它参与的
AsA．GSH循环是植物体内重要的清除活性氧自由
基系统。干旱胁迫处理(激光处理 0 min)可使 AsA
的含量下降，而 1、3 min激光处理可显著提高干旱
胁迫下小麦幼苗 AsA的含量。说明 CO，激光处理
通过调节干旱胁迫下小麦幼苗叶片的APX活性，提
高组织内部的抗氧化能力，从而起到保护作用。
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第4期 邱宗波等：c0 激光处理对干旱胁迫小麦幼苗谷胱甘肽抗氧化酶系统的影响 405
3 讨论
植物细胞内的 AsA—GSH循环在清除活性氧方
面起重要作用，AsA被 APX氧化为 MDA，MDA可以
自发歧化生成双脱氢抗坏血酸(DHA)，DHA通过酶
或非酶过程被 GSH还原，形成AsA和氧化型GSSG，
GSSG再被光合作用产生的 NADPH还原为 GSH，最
终使 H O 分解为 H O[13 3。实验结果表明，干旱胁
迫处理可使小麦幼苗叶片 AsA和GSH含量下降，而
3 rain激光处理缓解了干旱胁迫下小麦幼苗叶片
AsA和GSH含量的下降，这可能与激光处理改变干
旱胁迫下植物细胞内的氧化还原状态有关。激光对
生物体的作用表现为光效应、电磁效应、热效应 ¨，
但在以前的研究中发现激光的光效应对植物体没有
作用 ¨。所以激光对生物体的影响就主要为电磁
效应或是一种协同效应。其本质是生物分子在激光
的电磁场效应下，分子内发生能级跃迁，达到一定的
震动能和产生 自由基引起生物分子内分解、裂解或
断裂，导致分子激活，从而改变细胞内的氧化还原状
态l1 。GSH是催化 AsA合成的关键酶双脱氢抗坏
血酸还原酶(DHAR)的底物，激光处理提高了干旱
胁迫下小麦叶片GSH的含量，植物细胞内高含量的
GSH能促进 AsA—GSH循环，部分促进了 AsA含量
的上升。这与3 rain激光处理显著提高AsA含量的
结果相一致(图3)。同时，AsA也是 H，O，清除酶
APX的底物，AsA含量的上升有利于小麦叶片 APX
活性的上调，使 APX的活性增加 。本研究结果
表明，激光处理显著提高干旱胁迫小麦幼苗叶片
APX，GST和 GR活性。已经知道，GST通过催化植
物细胞内GSH与包括膜质过氧化物以及 DNA氧化
降解产物在内的有害代谢物的结合，从而实现细胞
解毒功能 ¨。所以，这些酶之间的协调作用，可清
除体内的活性氧，维持植物细胞内较低的膜脂过氧
化水平，从而可提高小麦幼苗的耐旱性。这也与前
人 的实验结果相一致。即 CO 激光处理对 10％
PEG6000胁迫下的小麦幼苗叶片氧化损伤有明显的
缓解效应，这与其能显著诱导干旱胁迫下小麦幼苗
叶片 SOD、POD活性上升，延缓 O 和 H O 的积累
有关。蔡素雯等用 He．Ne激光(波长632．8 rim，辐
射剂量5．43 roW／ram )辐照玉米幼苗，发现 He—Ne
激光可以提高幼苗 CAT、POD活性和 GSH含量，从
而提高玉米幼苗抗氧化能力 。不同波长激光促
进植物抗氧化酶活性的增高与激光的刺激作用有
关。当用激光照射时，生物分子吸收能量，分子内发
生能级跃迁，达到一定振动后，使机体当代产生光照
活化效应。从而使 DNA．RNA．蛋白质系统活性提高
以及核糖体上蛋白质合成作用的活化，导致生物合
成水平的提高 。
此外，激光处理可提高小麦幼苗叶片GR活性，
还原 GSSG为GSH，从而维持干旱胁迫下小麦幼苗
叶片高水平的GSH和合适的GSH／GSSG比例，并在
保持细胞的氧化还原势方面发挥重要作用。这与
Uchida等H 发现外源 SNP提高盐胁迫 2 d时水稻
幼苗 GR活性的结果相一致。同时，超量表达 GR
的转基因植物耐盐性也显著提高 J。已有证据表
明，GSH／GSSG比值(非 GSH的绝对含量)可以作为
细胞内的信号分子，从而对相关基因表达、翻译速
率、蛋白质巯基化 以及酶活性调节进行直接调
控 。从而暗示激光处理可通过上调 GR活性，改
变 GSH／GSSG，并通过其信号作用来完成对干旱胁
迫下小麦幼苗耐旱性调节的可能性。激光辐照会使
植物体内的SOD同工酶谱发生改变，SOD、POD、淀
粉酶、酯酶、硝酸还原酶等活性上调，活性提高，从而
使植物体代谢旺盛，抗逆性增强 j。
4 结论
激光预处理提高了干旱胁迫下小麦幼苗叶片
GSH和 AsA含量以及 APX、GR和 GST活性，改变
了植物细胞内氧化还原状态。同时，这些酶之间的
协调作用可有效清除植物体内的活性氧，维持植物
细胞内较低的膜脂过氧化水平，从而可提高小麦幼
苗的耐旱性。
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