全 文 ：武汉植物学研究 1999, 17( 2) : 101～104
Journal of Wuhan Botanical Research
增强 UV-B辐射对小麦叶中 CAT、POX和
SOD活性的影响
陈 拓1 王勋陵2
( 1 中国科学院兰州冰川冻土研究所 兰州 730000) ( 2 兰州大学生物系 兰州 730000)
提 要 研究了 0( CK )、8. 82 kJ/ m2 ( T 1)和 12. 6 kJ/ m2 ( T 2)三种剂量的紫外线 B( UV-B,
280～320 nm)辐射对温室种植的小麦膜伤害的机理。试验结果表明, 在增强 UV-B 辐射下,
与对照相比, 膜脂过氧化产物——丙二醛( MDA )含量明显升高, 同时膜脂脂肪酸组成配比改
变, 不饱和度指数 ( IUFA )有所下降, 并具剂量效应; 过氧化氢酶( CAT )、过氧化物酶 ( POX )
活性显著升高, 而超氧歧化酶( SOD)活性没有明显的改变。根据上述结果推测, UV-B 辐射诱
导的植物伤害可能是因膜脂过氧化作用造成对植物膜系统的破坏引起的,其中活性氧自由基
可能参与了这一过程。然而, 植物存在内在的抗性机制, 如通过 SOD、CAT、POX 活性的改
变, 可以消除 UV-B 胁迫的影响。
关键词 小麦( T r iticum aestivum L . ) , UV-B 辐射, 膜伤害, 膜脂过氧化, 抗性机制
人类活动引起平流层臭氧层减薄、紫外线 B 增强是当今全球性环境问题之一, 倍受各国科学家关
注〔1〕。模拟试验结果表明, 增强 UV-B 辐射能抑制或妨碍植物的多种生理生化功能,导致多种经济作物
的生物量降低, 如小麦、水稻、蚕豆等〔2〕,这可能与植物膜系统的破坏有关〔3〕。近年来, 尽管 UV-B 辐射对
植物膜系统的胁迫机理研究有所加强, 然而,所得结果存在一些分歧。例如就活性氧产生机制来说, M id-
dleton 等〔4〕认为 UV-B 辐射下 NADPH 氧化酶活性的升高使得导致膜伤害的活性氧产生; 而晏斌等〔5〕认
为活性氧的产生是 UV-B辐射抑制了SOD 活性的结果。鉴于此,本试验以小麦为受试材料,研究了增强
UV-B 辐射对膜系统的影响及其作用机理。
1 材料与方法
1. 1 材料
92-5005 品系春小麦( T r iticum aestivum L . )种子经 5%次氯酸钠消毒, 30℃预萌发 24 h 后, 盆栽于
温室。生长条件为:昼夜温度为 30℃/ 15℃,光照 PAR 为 400～600 mo l/ ( m2·s) ,相对湿度为 70%。待
长出三片真叶后进行 U V-B 处理。每隔 7 d 剪取同一叶位的叶片测定各项生理生化指标。
1. 2 UV-B处理
紫外灯管(秦牌,波长峰值 310 nm, 宝鸡光源研究所研制)发射的U V-B 辐射,经 0. 08 mm 乙酸纤维
通讯联系人。
收稿日: 1998-03-08,修回日: 1998-07-09。第一作者:男, 1971年6月出生,博士生,从事同位素地球化学方面的研究。
国家自然基金(编号: 3947004)和博士点基金资助项目。
素膜过滤后照射植物。不断调整灯管与植物冠层之间的距离以保证植物接受一定量的辐射剂量。辐射剂
量分别为 0( CK )、8. 82 kJ/ m2( T 1)和 12. 6 kJ/ m2( T 2)共 3 组。每天照射 8 h( 9∶00～17∶00)。UV-B 辐
射剂量由北京师范大学制造的便携式 UV-B 测定仪测得的读数,经 Caldw ell( 1971)公式转换后获得。公
式为: U V-B = 140. 2×(读数) - 4. 283 。
1. 3 MDA含量测定
称取 1 g 鲜重的叶片,加入 0. 1%三氯乙酸溶液 5 mL ,充分研磨匀浆后于 12 000×g 下离心 5 min,
取上清液测定 M DA 含量。测定按 Raer i等方法〔6〕。
1. 4 脂肪酸含量测定
按 Norberg 等的方法〔7〕。
1. 5 酶活性测定
称取 1 g 鲜重的叶片,加入 3 mL 含 1% PVP 的磷酸缓冲液( pH7. 8, 浓度 50 mmol/ L ) ,于冰浴中充
分研磨匀浆, 然后在 15 000×g 下离心 20 min, 取上清液供测定用。CAT 和 POX活性按 Jagoap 等〔8〕方
法, 分别取消光系数 3. 6 ( mmo l/ L ) - 1·cm - 1和 26. 6 ( mmol/ L ) - 1·cm- 1进行酶活性计算; SOD 测定按
Giannopo litis 等〔9〕方法, 1 个酶活单位定义为抑制 NBT 光还原 50%所需酶量。
2 结果
UV-B 辐射下, M DA 含量升高, 并随 UV- B 辐射处理时间的延长, MDA 含量也相应地升高 (图
1) ,说明植物膜发生了膜脂过氧化作用。
同对照相比, UV-B 处理导致了膜脂肪酸配比的改变(表 1)。具体表现为: 棕榈酸( 16∶0)的相对含
量升高, 亚麻酸( 18∶3)的相对含量显著下降。正是脂肪酸配比的改变,导致 UV-B 处理组的不饱和度指
数( IUFA )有不同程度的降低。说明植物膜正常的生理功能受到影响。
图 1 UV-B处理下 MDA含量的变化
Fig. 1 Ef fect of UV-B radiat ion on
MDA con tent
表 1 UV-B辐射对植物膜脂肪酸组成的影响
Table 1 Effect o f UV-B radiation on the com position of
fatt y acids in plant membrane sy st em
处 理
Tr eatm ent
脂肪酸组成( % )
C om posit ion of fat ty acid
棕榈酸
Palm itic
( 16∶0)
硬脂酸
Stearic
( 18∶0)
油 酸
Oleic
( 18∶1)
亚油酸
L inoleic
( 18∶2)
亚麻酸
Lin olenic
( 18∶3)
IU FA *
CK 37. 85 5. 59 5. 36 6. 96 42. 92 147. 98
T 1 44. 65 5. 96 6. 63 11. 27 26. 89 109. 84
T 2 48. 20 5. 20 9. 38 8. 90 21. 38 91. 32
* IUFA= 〔181 mol% + ( 182 mol% )×2+ ( 183 m ol %)×3〕×100。
图 2 和图 3 显示 CAT、POX活性的变化相似。UV-B处理
下,二者活性均明显升高,并具剂量效应。间接说明 UV-B 辐射
诱导了活性氧自由基的产生。而UV-B 辐射对SOD活性影响不大(图 4) ,在处理前期, 其活性略微降低。
3 讨论
由还原性活性氧引起的氧化胁迫是绿色植物不可避免的现象〔10〕。植物体内的活性氧既可通过直接
将叶绿素激活能传递给氧原子产生, 也可通过双氧原子的单电子还原产生〔11, 12〕。普遍认为植物膜中存在
的高比例不饱和脂肪酸易受氧化胁迫的氧化〔13〕。本试验中对膜脂过氧化产物——MDA 含量及膜脂肪
酸组成的测定结果表明, 与对照相比, UV-B处理组的MDA含量升高,亚麻酸( 18∶3)的相对含量显著下
降, IUFA也有所降低。说明膜伤害是由膜脂的过氧化引起的,而活性氧可能卷入了膜脂的过氧化过程。
102 武汉 植 物学 研究 第 17卷
图 2 UV-B处理下 CAT活性的变化
Fig. 2 Ef fect of UV-B radiat ion on CAT activity
图 3 UV-B处理下 POX活性的变化
Fig. 3 Ef fect of UV-B radiat ion on POX act ivity
图 4 UV-B处理下 SOD活性的变化
Fig. 4 Ef fect of U V-B radiation on SOD act ivity
正常情况下, 植物体内活性氧(包括 O 2 、H2O2
和 O2 等)的产生和清除处于一种动态的平衡状态,
SOD、CAT 和 POX 在这个过程中起着重要作用。
SOD 能催化 O 2 发生歧化作用, 生成 H2O2 和 O 2,
CAT 和 POX清除 H2O 2和其它的氧自由基。植物对
逆境胁迫的忍耐力很大程度上取决于是否能维持
SOD、POX 和CAT 的高活性〔14〕。图2、图 3 和图 4的
结果显示,在 UV-B 辐射下, CAT 和 POX 活性明显
升高, 这可能与它们对 UV-B 辐射特别敏感有
关〔15, 16〕, 也间接地说明了 UV-B 胁迫下有活性氧自
由基的产生;而SOD活性没有明显的变化。Willekens
等研究 UV-B 辐射胁迫下烟草叶片编码 SOD 基因的转录水平时也发现 UV-B 辐射对 SOD 基因的转录
水平几乎没有影响〔17〕。也许植物体内在正常情况下存在的 SOD酶量足够清除 UV-B 诱导形成的 O 2 。
然而, Rao 等〔14〕和晏斌等〔5〕均观察到 UV-B 辐射引起了 SOD活性的变化, 前者发现在U V-B 处理 8 d 后
SOD 活性略微升高,后者的试验结果表明 SOD 活性在 UV-B 处理初期有所升高, 但随处理时间的延长
其活性降低。这种情况的出现可能与不同试验者选用的试验材料不同有关,因植物对 UV-B 辐射的敏感
性具有明显的品种间差异〔2〕。
从上面的讨论可以看出, UV-B 诱导的活性氧产生可能是因为 UV-B 辐射能穿透细胞表层进入细
胞内部。众所周知, UV-B 辐射具有的能量远高于可见光辐射,意味将有更多的叶绿素激活能传递给氧
原子而产生活性氧。而植物具有内在的抗性机制 ,如 SOD、POX 和 CAT 活性的改变,以避免其伤害。
参 考 文 献
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103 第 2期 陈 拓等:增强 UV-B辐射对小麦叶中 CAT、POX 和 SOD活性的影响
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THE EFFECT OF ENHANCED UV-B RADIATION
ON THE ACTIVITIES OF SOD, CAT AND
POX IN WHEAT LEAVES
Chen Tuo
1 Wang Xunling2
( 1 Lanz hou Insti tut e of G laciology and Geocryology , The Chinese A cad emy of S ciences Lanzhou 730000)
( 2 Dep artment of Biology, Lanz hou Univ er si ty Lanzhou 730000)
Abstract T he damage mechanisms of UV-B radiat ion with the differ ent do se of 0 ( CK ) , 8. 82 kJ/ m2
( T 1) and 12. 6 kJ/ m
2( T 2) in wheat leaves w ere studied under g r eenhouse conditions. The MDA content
w as incr eased, while IU FA decr eased compar ing with co tr ol. CAT and POX activit ies wer e significantly
enhanced dur ing expo sur e to UV-B radiation. SOD activ ity , however, was almost unchanged. T he r esults
suggest that lipid pero x idation is one of t he causes o f membrane damage, wher e activated oxygen was
probably invo lv ed in t his pro cess, but plants have some intern r esistant m echanisms to pr ot ect fr om UV-
B-induced damage.
Key words UV-B radiation, T r iticum aes tiv um L ., Membrane damage, Resistant mechanism, L ipid
pero xidat ion
104 武汉 植 物学 研究 第 17卷