ABA和UV-B辐射对小麦叶片角质层的影响

张彩艳

关键词：ABA;UV-B辐射;叶片角质层;蜡质

1 小麦叶片角质层概述

植物地上器官的表皮覆盖的一层连续薄脂类物质称为角质层。根据角质层的位置、结构和化学成分可分为3层：最外层是由无定形的晶体或半晶体结构形成的表层角质;其下方是中层角质层，由细胞壁纤维素等材料构成，是由细胞壁外表皮分泌的角质沉积形成;中层角质层的下方是内层角质层，含有细胞壁分泌物，主要是纤维素。表层角质和中层角质中含有蜡质，主要由饱和的超长链脂肪酸组成，有减少水分流失的作用[1]。

角质层的重要功能是减少植物表面的水分流失，在防止紫外线辐射伤害、抵抗病虫害的侵入方面也起到重要作用，同时在植物适应外界环境方面也起到重要作用。

在增强UV-B辐射对小麦叶片影响的研究中发现，温室种植的小麦在0、8.82和12.60 kJ∕m²3种剂量的UV-B辐射下，其内源脱落酸（Abscisic Acid，ABA）和游离脯氨酸含量的变化表明，UV-B辐射导致叶绿体膜脂肪酸配比改变和UFA降低、叶片MDA含量升高以及ABA和游离脯氨酸积累。分析表明，UV-B辐射对膜系统的损坏可能是内源ABA和游离脯氨酸含量增加的原因之一，而后者也是植物抵抗UV-B胁迫所作出的适应性反应。

1.1 ABA对植物角质层影响的研究成果

在有关ABA对玉米影响的研究中发现，适应干旱环境的玉米品种的植物角质层较生活在正常环境下厚且蒸腾率较低。结构类似的叶片在气孔关闭的情况下，蒸腾率已被证明与角质层的厚度成反比，而且蜡质的含量与失水率呈现相关性。ABA还可以加强玉米抗氧化防护系统，保护细胞免受氧化损伤，保障可溶性渗透剂（如脯氨酸）维持细胞内的水分;同时，ABA参与葡萄的抗低温胁迫;ABA还参与植物的抗盐胁迫，通过诱导气孔关闭，加强与盐胁迫相关基因表达等一系列胁迫应答反应，ABA信号诱导植物向抗盐代谢调节途径转化，最终增强植物对外界盐环境的适应性，缓解受盐胁迫的危害程度。在干旱、ABA和盐胁迫下，拟南芥角质层显著增加，每单位面积蜡质增加32%～80%，蜡质中烷烃增加29%～98%，干旱使角质层增厚49%，ABA对角质层也有一定影响[2]。

1.2 研究目的

本次实验主要研究ABA和UV-B辐射对小麦叶片透性、角质层结构、蜡质等的影响以及它们之间的关联性。

2 材料方法

2.1 小麦品种

选取的小麦品种是临优2018，是一种水地生不抗旱品种，由山西省农科院小麦研究所提供。

2.1.1 材料培养

取完全相同的健康饱满的种子，在室温下浸泡24 h。待小麦种子萌动长出胚芽后，移入培養钵，每钵均匀种植9棵。在每个培养钵中装入相同质量的培养基。培养基基质用蛭石。营养土按质量比1∶1混和。

2.1.2 培养条件

自然条件培养，光周期为12 h;空气湿度为70%;温度为白天25 ℃，夜间20 ℃[1] 。

2.1.3 实验方法

（1）对照组。正常浇水培养，每隔两天浇一次水，共培养18天。

（2）ABA处理。正常浇水培养小麦到第11天（第3片叶子完全长出时），用100 μmol/L的ABA均匀喷洒，每3天喷洒一次，共喷洒两次。

（3）UVB处理。先在正常条件下培养小麦到第11天后（第3片叶子完全长出时），将小麦幼苗置于10.08 kJ/m²/d UVB照射下，每天照射8 h，光周期为光照8 h、黑暗16 h。共处理4天。

2.2 扫描电镜观察

2.2.1 试剂配制

福尔马林-乙酸-乙醇（Formalin-Aceto-Alcohol，FAA）固定液的配方：福尔马林（30%甲醛）5 mL，冰醋酸5 mL，70%酒精90 mL。

2.2.2 扫描电镜观察

将不同处理条件下的小麦叶片中部2～3 mm²的小块在室温下固定在FAA试剂中，放入一系列酒精（35%、50%、70%、80%、95%、100%）中脱水3次。然后，用醋酸异戊酯置换3次，每次20 min。到达临界点（HITACHI HCP-2）再用离子溅射（EIKO IB-3），最后用扫描电镜（HITACHIS-3400N）观察。由某老师送至北京进行扫描电镜拍照观察。

2.3 叶片失水率测定

将经过处理的小麦和对照组的小麦植株置于黑暗中，分别取不同处理的对照组小麦同一叶位且叶面积大致相同的叶子（第二片叶子），剪下并立即浸入蒸馏水中60min，之后去掉多余水分，在完全黑暗的条件下，每30min用微量天平称重一次，直到180 min，共称重6次，各取3个重复。记录实验结果，计算出每组叶片的失水率。最后以时间为横坐标，失水率为纵坐标作图。

2.4 叶绿素外渗率测定

分别取经过处理的、和对照组小麦同一叶位的叶片（第二片叶子），截成约3 cm的小段，用电子天平称量，使每组叶子质量相同。将实验材料浸于装有15 mL 80%乙醇溶液的小瓶中，并将小瓶放到摇床上轻轻摇动，保持摇床的温度低于20 ℃，防止温度过高导致叶绿素分解。每隔30 min分别取出100 μL液体，用745分光光度计分别测出其在645、663 nm波长下的叶绿素吸光度值，并根据下列公式计算出叶绿素外渗率。

每个时间点与24 h时测量的叶绿素质量浓度的百分比即为叶绿素的外渗率。

2.5 单位面积叶片的蜡质质量测定

分别取每种条件处理下的小麦叶片和对照组的小麦叶片（每张平均10 cm，第3片叶子）6张，测出叶面积后，剪成2～3 cm的小段。将装有15 mL三氯甲烷的锥形瓶放入水浴锅中加热至60 ℃，将叶片浸入三氯甲烷60 s，然后立即取出叶片，放入锥形瓶，并用封口膜封住锥形瓶口（防止蜡质变性）放入冰箱。待其自然风干。待三氯甲烷风干至剩1 mL时，移入事先称好的EP管中，待其完全风干。称量风干后的EP管质量。（风干后EP管的质量-空EP管的质量）∕叶片的面积即单位面积叶片的蜡质质量。

叶片面积的测量方法：取一张A4纸，分别量出长和宽，精确计算出面积S（cm²），用电子天平称取A4纸的质量M（g），计算出A4纸单位面积的质量p。将剪下的叶片标号，在A4纸上描出叶片的图形。将描出的叶片剪下并称取质量m。叶片面积的计算公式如下：

S=m∕p （4）

3 ABA、UV-B辐射对小麦表型的影响

ABA处理和UV-B辐射结束后，比较对照组和经过ABA处理、UV-B辐射小麦表型的差异可以发现，对照组小麦长势良好，植株直立，叶片健康长势均匀，颜色碧绿，发黄叶片较少;而经过ABA处理、UV-B辐射后的小麦叶片出现不同程度的倒伏，叶片长势杂乱，有较多叶片出现叶尖发黄现象，同一处理下第3片叶子叶尖发黄的比例明显多于第一和第二片叶子。统计各条件下小麦叶尖发黄的数量占总叶片数的比例，衡量小麦受损程度（见表1）。

由表1可知，在对照组中，小麦叶尖发黄的叶片所占比例最小，而UV-B辐射下小麦叶尖发黄叶片所占比例大于ABA处理条件下的发黄率，且两者都大于對照组。

4 讨论

实验结果表明，经ABA处理和UV-B辐射后，小麦表型变化明显，植株出现倒伏，实验组叶尖发黄的叶片数所占比例明显高于对照组，说明ABA和UV-B辐射对小麦造成了一定影响。其中，UV-B辐射对小麦的损害尤其严重。

角质层是由角质和透水性差的蜡质组成，所以推测在这一过程中起主导作用的是角质层中的蜡质。对单位面积蜡质质量测定的实验表明，具有较低失水率和叶绿素外渗率的实验组单位面积蜡质质量高于对照组。根据拟南芥角质层的研究发现，蜡质沉积增多以及蜡质晶体分布变化会使叶片水分散失和叶绿素外渗速率减慢，表明蜡质含量的增多在降低小麦叶片叶绿素外渗率的过程中起主导作用。

综上所述，ABA和UV-B辐射可增加叶片角质层厚度、表皮毛竖立和单位面积蜡质质量，进而降低叶片失水率和叶绿素外渗率，而单位面积蜡质质量在这一过程中起主导作用。

实验结果还表明，UV-B辐射后的小麦叶片角质层厚度和单位面积蜡质质量都高于ABA处理后的小麦，而UV-B辐射后的小麦具有较低的失水率和叶绿素外渗率，进一步证明了上述实验结果[2]。

本次实验表明，ABA和UV-B辐射可以促进小麦叶片角质层增厚和表皮毛的合成，是前人尚未研究过的，但对这一促进作用的分子生物学机制尚不清楚，有待作进一步的研究。