景天三七对紫外线B辐射敏感性研究

郭建军，贵梦园，张佩佩,3，王 静，王瀚博，李景原

(1.河南师范大学生命科学学院，河南 新乡 453007； 2.郑州财税金融职业学院，河南 郑州 450048； 3.华南农业大学农学院， 广东 广州 510642)

景天三七对紫外线B辐射敏感性研究

郭建军1,2，贵梦园1，张佩佩1,3，王 静1，王瀚博1，李景原1

(1.河南师范大学生命科学学院，河南 新乡 453007； 2.郑州财税金融职业学院，河南 郑州 450048； 3.华南农业大学农学院， 广东 广州 510642)

紫外线B(UV-B)辐射是重要的环境生态因子，对植物的生长发育有着重要的影响。本文以景天三七(SedumaizoonL.)为材料，研究UV-B辐射对其形态结构和生理生化的影响，旨在探究景天三七对UV-B辐射敏感的机理。结果表明，在增强UV-B辐射条件下，叶表皮气孔下陷，叶肉组织细胞的叶绿体相互聚拢成团状，堆积在细胞中。叶片鲜质量和光合色素含量急剧下降，类黄酮的含量升高不明显。抗氧化酶系统中的SOD活性、POD活性下降，超氧阴离子产生速率明显升高。增强UV-B打破了景天三七植物体的活性氧平衡，导致光合作用能力和修复能力下降。研究结果证明，在UV-B辐射条件下，景天三七形态结构受到损伤、生理生化代谢受到抑制。景天三七不具备防御UV-B辐射的形态结构，防御UV-B辐射的次生代谢产物含量低、修复UV-B辐射操作能力弱，因此景天三七是UV-B辐射敏感性植物。

UV-B；景天三七；形态结构；生理生化

日光是植物在生长发育过程中不可缺少的环境因子。但是，日光中除了植物生长发育需要的光线外，还有对植物有害的紫外光。所幸地球的臭氧层屏蔽掉了大量紫外线，使地球上的生物免受紫外线辐射的伤害。然而伴随着全球工业化的发展，过多卤代物等化学物的排放，造成臭氧层的破坏，大气中到达地球表面的紫外线辐射增多，尤其是紫外线B(UV-B)辐射增加最为显著[1-2]。过量的UV-B辐射抑制植物生长和破坏生态平衡[3]。为此，1989年联合国环境规划署(UNEP)颁布了《关于臭氧层的蒙特利亚议定书》，旨在阻止臭氧层的进一步破坏。尽管如此，对臭氧层的破坏尚未发生本质性好转，2011年在南极洲上空形成了前所未有的臭氧空洞，到达地球表面的UV-B辐射增加趋势依然在发展。大气中臭氧层每减少1%，到达地球表面的UV-B辐射就会相应地增加1.2%。气象研究表明，破坏臭氧层的物质(如氯氟烃类)可在大气上空存留约100 a，在2050年之前，臭氧层的修复不会得到实质性的改善[4]。因此，在相当长的时间内地球上的生物仍将面临UV-B辐射增加的胁迫。

大量研究证明，过量紫外线辐射损伤DNA、蛋白质和细胞膜结构，影响生物生长发育[5-6]。动物可以通过躲藏等行为减轻UV-B对其辐射伤害，但固定性生长的植物，只能通过调整自身形态结构和生理代谢来适应UV-B的胁迫。研究发现，有些植物如松、芦荟对UV-B辐射有较强的耐受性，增强UV-B辐射诱导，这些植物表皮角质层增厚、多酚类次生代谢产物含量增加、SOD和POD抗氧化酶系统活性提高[7-8]，即植物通过表皮角质层反射和屏蔽掉一部分紫外线辐射，通过多酚类次生代谢物吸收一部分紫外线辐射，通过SOD和POD抗氧化酶系统消除紫外线辐射产生的氧自由基危害，从而达到减轻或消除紫外线辐射产生的危害。目前研究植物抗紫外线辐射机理的报道较多，而研究紫外线辐射损伤植物机理的报道较少。为此，本研究以阴生植物(景天三七)为试验材料，研究其对增强紫外线辐射的响应，旨在发现增强紫外线辐射对其造成何种损伤？进而探索紫外线辐射损伤植物的机理，并为研究植物抗紫外线辐射机理提供反证依据。

1 材料与方法

1.1 材料的种植

研究材料为景天三七(SedumaizoonL.) 苗。采用室内人工光照扦插法培育景天三七，扦插于大小一致的营养钵中，每个营养钵中1株试验苗，至景天三七生根后进行处理。取长势均匀、生长良好的景天三七进行研究，培养室光周期为12 h(光照) / 12 h(黑暗)，温度为白天25 ℃，晚上18 ℃，定时浇水，保证植物正常生长发育。

1.2 紫外线B(UV-B)的处理

试验设置2个处理，对照组在自然光下生长，处理组除了照射自然光外，另增加UV-B辐射(南京牌UV-B灯管，40 W)，灯管距植物顶部约50 cm，每天10:00-12:00 进行UV-B增强辐射，辐射剂量为15 kJ·m-2·d-1(由UV-B型紫外线辐射计测量，北京师范大学光电仪器厂)，模拟赤道地区夏季前后臭氧层衰减15% 时的UV-B辐射强度，时间为2 d。每个处理设置30株，共60株,5次重复。然后，分别取处理植株叶片和对照植株叶片，观察形态结构和测量生理指标。

1.3 形态结构的观察

做新鲜叶片徒手切片，或将表皮制成临时装片，将装片置于Axioskop 40 (Carl Zeiss)显微镜下观察叶片结构，用数码相机拍摄。

1.4 生理指标的测定

叶绿素、类胡萝卜素含量的测定采用80%丙酮浸提法[9]；类黄酮采用甲醇浸提液浸提法[10]；超氧阴离子产生速率采用羟胺氧化法测定[11]；超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)分别采用氮蓝四唑(NBT)法和愈创木酚比色测定法[12]。

1.5 数据统计分析

各项指标的平均值和标准差采用Excel 2007分析获得，采用SPSS 13.0单因素方差分析对不同处理条件下景天三七生长影响进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 UV-B辐射对景天三七形态结构的影响

形态学观察结果表明，自然生长条件下的景天三七植株绿色，叶片自然舒展，整个叶片表面光滑，角质层很薄，叶片呈墨绿色(图1-A)；在增强UV-B辐射后，景天三七的叶片形状严重变形，有微枯焦现象，叶片失去本来的绿色，呈现黄绿色，整个叶片表面凸凹不平(图1-B)。在光学显微镜下观察到叶片上表皮气孔分布密集，清晰可见，气孔由2个肾形细胞组成，且在气孔中有叶绿体分布，在增强UV-B辐射后下陷(图1-C)。在增强UV-B辐射后，叶肉组织中的大液泡界限不明显，多个叶绿体相互聚拢成团状，堆积在细胞中，只有少部分叶绿体零星散布叶肉细胞中(图1-D)。

A：对照组植株叶片表面光滑，呈墨绿色；B：增强UV-B辐射后，叶片微枯变形，叶片表面凸凹不平，呈枯黄色；C：叶片上表皮气孔，气孔由两个肾形细胞组成，在增强UV-B辐射后下陷；D：在增强UV-B辐射后，叶肉组织细胞中多个叶绿体相互聚拢成团状。

A: The leaves of CK control were smooth and take on dark green; B: Elevated UV-B radiation, the leaves slightly withered deformation, the surface ofleaf was uneven and yellow; C: Stomatal stomata in the leaves, stomata composed of two renal cells, Stomatal sag after elevated UV-B radiation; D: Afer elevated UV-B radiation, The chloroplasts were gathered together in mesophyll cells.

图1 UV-B辐射对景天三七叶片形态结构的影响
Fig.1 Effects of UV-B radiation on structure of leaves ofSedumaizoon

2.2 UV-B辐射对景天三七光合色素的影响

在景天三七发育过程中光合色素的含量随着叶片的位置从上到下逐渐降低，上部叶含量最高，中部叶次之，下部叶含量最少(图2)。增强UV-B处理后，景天三七叶片中的光合色素与对照组相比均降低，其中上部叶和中部叶中的光合色素受影响程度较大，叶绿素a 含量在上部叶和中部叶中达到极显著差异(P<0.01)(图2-A)；在下部叶中也达到显著差异(P<0.05)；叶绿素b含量的降低虽然在上部叶和下部叶中并没有达到显著性差异，但在中部叶处理组与对照相比达到极显著差异(图2-B)；由图2-C可以看出，在UV-B辐射增强后，叶绿素a/b含量相较于对照组升高，说明叶绿素b对UV-B辐射的敏感性要大于叶绿素a。在UV-B辐射后类胡萝卜的含量在3个时期均低于对照组，且都达到显著性差异(图2-D)。由此可知，增强UV-B辐射可降低景天三七叶片内光合色素的含量，说明UV-B辐射可能直接或间接地破坏了叶绿素和类胡萝卜素的合成和积累，进而降低景天三七叶片的光合作用能力。

2.3 UV-B对景天三七类黄酮的含量的影响

在自然条件下，景天三七叶片中类黄酮的含量在上部叶中最高，下部叶次之，在中部叶中最低(图3-A)。在UV-B辐射增强下，上部叶中类黄酮的含量较对照降低，并达到显著性差异；在中部叶中类黄酮的含量明显增加，并未达到显著性差异；而在下部叶中其含量增加不明显，也未达到显著性差异。在景天三七中类黄酮的含量在上部叶中含量最高，随着叶片的成熟类黄酮的含量降低，叶片逐渐衰老，类黄酮的含量又再次上升，即在景天三七不同的发育时期，其类黄酮含量是不同的。在UV-B辐射后，类黄酮的含量增加，是中部叶对UV-B胁迫的一种积累效应；上部叶生长于植株的顶端，距离UV-B辐射的距离最近，故受到的UV-B辐射强度最大，且上部叶正处于快速伸展期，受UV-B辐射的影响最为明显。

*显著差异(P<0.05)，**极显著差异(P<0.01)。下同。* Significant difference (P<0.05), ** Extremely significant difference (P<0.05). The same as below.

2.4 UV-B对景天三七抗氧化系统的影响

UV-B辐射处理后的景天三七，与未照射UV-B的对照相比，不同时期SOD活性变化差异较大(图3-B)。在增强UV-B辐射后，上部叶片和中部叶片中的SOD活性下降均达到极显著差异，其中UV-B辐射对上部叶中SOD活性的影响效果最为明显，说明UV-B辐射会对SOD的含量以及活性造成影响，且上部叶的敏感性最强。在下部叶中，UV-B照射后SOD活性略有增加，但是并未达到显著差异，说明在低强度UV-B辐射(下部叶距离UV-B辐射相对较远)下，可以提高SOD活性。

UV-B照射后，对景天三七叶片中POD活性产生了明显的影响(图3-C)。在上部叶和中部叶中，POD活性在增强UV-B辐射发生显著性降低；而自然条件下生长的下部叶中其POD含量相较于上部叶和中部叶高，在增强UV-B辐射后，其POD活性升高，但并未达到显著性差异。说明景天三七不同叶龄中POD活性存在差异，POD活性的改变也是对增强UV-B辐射响应的一种形式。

图3 UV-B辐射对景天三七叶片中类黄酮 、SOD、POD 和超氧阴离子产生速率的影响Fig.3 Effects of UV-B radiation on flavonoid contents, SOD activity, POD activity and superoxide anion generation rate in leaf of Sedum aizoon

在景天三七叶片的不同发育时期，其超氧阴离子产生速率存在差异，其中上部叶中产生速率最低，随着叶片的发育成熟及老化，叶片中产生的自由基增多、速率加快，连续诱发生物膜膜脂的过氧化反应，最终导致细胞的损伤、衰老和死亡。在UV-B辐射的胁迫下，叶片不同时期超氧阴离子产生速率均明显升高，尤其是在上部叶中超氧阴离子产生速率增幅最大，表明上部叶在UV-B辐射下产生大量自由基，其产生自由基的速率明显加快，并达到极显著差异，由此可知上部叶对UV-B辐射的敏感性最强，达到极显著差异；在中部叶中，超氧阴离子产生速率的增高也达到了极显著差异；下部叶中其产生速率虽有增加，但并未达到显著性差异(图3-D)。说明下部叶的超氧阴离子产生速率已超出自身的清除速率，故在UV-B辐射的照射下，进一步加剧了自由基的积累。

3 结论与讨论

不同植物对UV-B辐射的敏感性有很大差异[13-16]。目前研究植物抗紫外线辐射机理的报道大多选用抗紫外线辐射能力较强的植物，而对抗紫外线辐射能力差的植物则较少研究，因此有必要系统地探讨紫外线辐射对抗紫外线能力较弱的植物造成哪些损伤，进而探索紫外线辐射损伤植物的机理，为研究植物抗紫外辐射机理提供的反向证据。

叶绿体在受到外界环境光刺激时，会发生向光移动(聚集反应)或远离光照(回避反应)的运动，从而适应环境中光的变化[17-18]。景天三七在受到UV-B辐射后，少数叶绿体呈散状分布于细胞内部外，多数叶绿体相互聚拢呈团状，以延长UV-B辐射的路径来减轻部分叶绿体受UV-B辐射的伤害程度，这是景天三七叶绿体应对UV-B辐射的一种防御方式。但叶绿体聚拢的方式也降低了景天三七中叶绿体接触、吸收和传递光能的能力，进而对植株的光合作用能力产生影响，说明景天三七是UV-B敏感性植物。

UV-B照射植物时会产生更多的活性氧，使细胞内膜系统发生过氧化作用，促使植物体内产生类黄酮、酚类、香豆酸等紫外吸收物质，清除植物体内过多的活性氧，保持植物体内活性氧的产生和清除之间的平衡[19-22]。植物体还可以提高自身抗氧化酶系统的活性，并通过氧化还原反应清除体内活性氧，因此，增强抗氧化性酶活性能够缓解植物受UV-B辐射的胁迫，提高植物对UV-B辐射的抗性和适应性。然而景天三七的SOD活性、POD活性很低，这可能是由于过量的UV-B辐射使植株内的活性氧含量超过了景天三七的自我调节和恢复的能力，导致景天三七抗UV-B辐射能力变弱。

总之，本研究证明景天三七对UV-B辐射的敏感性强。在形态结构上，叶片角质层薄，不具备反射或屏蔽UV-B辐射的能力，其叶片在受到UV-B辐射后有叶表面凹凸不平、气孔下陷、叶绿体聚拢成团等现象；在保护和修复机制上，景天三七中类黄酮含量较低，不能有效吸收紫外线辐射。叶片组织中SOD活性和POD活性低下，不能有效清除体内过多的活性氧，故景天三七不能有效避免UV-B辐射对其伤害，是对UV-B辐射敏感性植物，该研究结果是研究抗UV-B辐射机理的反向证据。

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(责任编辑：朱秀英)

Sensitivity ofSedumaizoonto the enhanced ultraviolet B radiation

GUO Jianjun1,2，GUI Mengyuan1，ZHANG Peipei1,3，WANG Jing1，WANG Hanbo1，LI Jingyuan1

(1.College of Life Sciences, Henan Normal University, Xinxiang 453000, China; 2.Zhengzhou Vocational College of Finance and Taxation, Zhengzhou 450048, China; 3.College of Agronory, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

Ultraviolet B (UV-B) radiation is an important environment-ecological factor, which has an important influence on the growth and development of plants. In this paper we usedSedumaizoonL. as experimental materials to study the effects of UV-B radiation on morphological structure and physiological and biochemical reactions, and aimed aiming to explore the sensitive mechanism of UV-B radiation onSedumaizoonL.. The results showed that under the conditions of enhanced UV-B radiation, leaf stomata caved in, the mesophyll chloroplasts were gathered into ball shape and accumulated in cells. The fresh weight and the content of photosynthetic pigment in leaves decreased sharply, and the content of flavonoids was not obviously increased. The activity of SOD and the POD in antioxidant enzyme system decreased, and the production rate of superoxide anion increased significantly. The balance of generation and elimination of ROS was broken with enhanced UV-B radiation, which resulted in the decrease of the capacity of photosynthesis and repairation decreased. It followed that under the UV-B radiation, the morphological structure ofSedumaizoonL. were was damaged and the physiological and biochemical metabolism was inhibited. ForSedumaizoonL., there was not morphological structure that could defense defend against UV-B radiation, .the The content of secondary metabolites in defendsing against UV-B radiation was low, and the repairation capacity was weak, soSedumaizoonL. was a plant that was sensitive to UV-B radiation.

UV-B;SedumaizoonL.; morphological structure; physiology

2016-04-00

国家自然科学基金项目(31270225，31300163)

郭建军(1963-)，男，河南郑州市人，特级教师，主要从事发育生物学方面的研究工作。

李景原(1963-)，男，河南新乡市人，教授，硕士生导师。

1000-2340(2017)01-0071-05

R287

A