UV-C辐射玉米种子对叶片保护酶活性及叶表皮形态的影响

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(齐齐哈尔大学生命科学与农林学院，抗性基因工程与寒地生物多样性保护黑龙江省重点实验室，黑龙江 齐齐哈尔 161006)

太阳紫外光辐射根据其波长分为3种，其中波长在260～280 nm之间的短波紫外线(UV-C)对植物的伤害最大，通常UV-C在到达地表前被臭氧层吸收而无法到达地表[1]。近年来，随着人类文明和现代工业的发展，臭氧层损耗甚至出现臭氧空洞的问题越来越突出，使照射到地面的太阳光紫外线增强，其中包括了大量UV-C 辐射的增强,会危害陆地植物的正常生长发育并导致减产[2]。植物在长期的适应UV辐射过程中，形成了一定的保护机制，以适应环境条件的改变。因此，开展紫外辐射对植物的效应研究有重要的意义[3]。

研究显示[4-7]，UV-C辐射能减少部分细菌、真菌的侵染，增加番茄等蔬菜的抗病能力；提高果蔬植物抗氧化性、贮藏品质和防御酶活性等效应。玉米(ZeamaysL.)是世界上种植最广的重要粮饲作物和工业原料之一[8]。有学者[9-11]研究了UV-B辐射对玉米叶片光合作用、种子萌发及玉米新品种选育等[12-13]，而UV-C辐射对玉米叶片形态及叶片保护酶活性的影响未见报道。本文探讨了UV-C辐射玉米种子对玉米叶片保护酶活性以及叶片表皮形态的影响，有助于揭示UV-C作为光信号对玉米生长发育的作用机制，为评价玉米抗紫外辐射能力提供实验依据。

1 材料与方法

1.1 植物材料及处理

实验以玉米嫩单18为试材，将玉米种子分为5组，进行不同时长UV-C紫外线辐射处理，辐射时间分别为0(ck)，2，4，6，8 h，将辐射处理后的玉米种子于2018年5月末分别栽种在实验田中，常规田间管理，待玉米植株长叶4周后，取玉米叶片备用。

1.2 测量的指标及方法

1) 超氧化物歧化酶(SOD)活性的测定：采用氮蓝四唑还原法； 2) 过氧化物酶(POD)活性的测定：采用愈创木酚法； 3) 过氧化氢酶(CAT)活性的测定：采用紫外吸收法[14]； 4) 叶表皮形态指标：撕取玉米叶上、下表皮制成临时水装片，在Motic显微图像采集系统下采集图像并测量相关指标。

2 结果与分析

2.1 叶片中保护酶活性

2.1.1 SOD活性

玉米种子经过不同时间梯度的UV-C紫外线辐射后，发育成的植株叶片中SOD活性变化明显，见图1。与ck组相比，在UV-C辐射6 h以内，均呈下降趋势,与对照组比差异显著(p<0.05)，处理时间8 h时，其活性略有升高。SOD 是一种诱导性酶，能消除生物体在新陈代谢过程中产生的有害物质。短时间内的UV-C辐射会对SOD的活性起到一定的抑制作用，辐射时长8 h时，能诱导植物体内的活性氧的形成，活性氧含量升高，进而诱发植物体启动了活性氧代谢机制，使SOD的活性增强。

图1 UV-C辐射对玉米叶片中SOD活性的影响

2.1.2 POD活性

不同时间的UV-C辐射对玉米叶片中POD活性的影响见图2。与ck组相比，在UV-C辐射4 h以内，POD活性呈下降趋势,辐射4 h时POD活性最低，此后随辐射时间的延长其活性逐渐开始升高。总体来说，ck组的POD活性显著高于其他4个实验组(p<0.05)。说明UV-C辐射对POD活性的抑制作用较强。玉米叶片在受到辐射伤害时，POD活性呈先降低后升高的趋势，即机体能在一定的UV-C辐射时间内调节POD的活性来适应外界的辐射刺激。

图2 UV-C辐射对玉米叶片中POD活性的影响

2.1.3 CAT活性

植物体内的活性氧最终被清除有赖于CAT。图3显示，不同时间的UV-C辐射对玉米叶片中CAT活性有一定的影响。在UV-C辐射处理2，4，6 h CAT活性均呈下降趋势，辐射时间6 h时达最低，辐射8 h时活性有所上升。ck组的CAT活性显著高于其他4个实验组(p<0.05)。6 h以内的UV-C辐射处理，会抑制玉米叶片中CAT的活性，辐射时间达到8 h时植物体通过自身的调节，对CAT的活性又起到了一定的诱导作用。

图3 不同时长UV-C辐射对玉米叶片中CAT活性的影响

2.2 叶片表皮形态

UV-C辐射对玉米叶表皮的影响见表1～表3。UV-C辐射种子后萌发产生的幼苗，上、下表皮的气孔器、保卫细胞宽度、长细胞长度和宽度上均有不同程度的减小(p<0.05)。辐射作用在种子上，但是通过幼苗的表皮细胞可反映出在叶片形态上的变化比较显著。而叶片长度、宽度以及根条数各辐射组均比对照组有所增加，辐射时间为8 h时叶片宽度和根条数达到最大值(p<0.05)，辐射时间为6 h时叶片长度最大(p<0.05)。

表1 UV-C辐射对玉米叶片上表皮形态特征的影响

注：abc表示多重比较差异，字母不同即表示差异显著。下同。

表2 UV-C辐射对玉米叶片下表皮形态特的影响

3 结论与讨论

研究表明，UV-B辐射增强，对玉米叶片的净光合速率、蒸腾速率等有显著的影响，随紫外辐射的增强将使玉米产量降低[9]。UV-B辐射增强时可刺激植物机体的抗氧化酶系统，提高抗氧化酶活性，增强自身抗氧化能力[3]。经过不同时间UV-C辐射玉米种子，至萌发成幼苗后，叶片中保护酶的活性会发生相应的变化，即UV-C辐射对玉米叶片中的保护酶的活性有一定的影响。短时间UV-C辐射对保护酶活性有抑制作用，达到一定的辐射时间后，会激发机体内的调节机制，使酶活性有所增加。叶片表皮形态指标的测量实验结果表明，不同时长的UV-C辐射会对玉米叶上下表皮的气孔长度、保卫细胞宽度、细胞长度、细胞宽度有不同程度的抑制作用，这在一定程度上影响了植物光合作用。然而，UV-C辐射后的叶片长度、叶片宽度和根条数都明显增加(p<0.05)，显示了玉米能通过增加叶表面积来保证叶片对氧气的吸收，从而达到相对稳定的光合作用速率，反映出玉米对UV-C辐射有调节能力，本结果与姜智超[15]的实验结果相吻合，认为玉米嫩单18有较好的耐受短时UV-C辐射的能力，在玉米种子受到8 h内的UV-C辐射可通过不同的调节机制来适应外界环境条件的变化，表明玉米嫩单18可作为优质的耐受辐射的玉米资源加以利用。

表3 UV-C辐射对玉米叶片大小及根条数的影响