UV-C辐射增强对绿化树种膜质过氧化及抗氧化酶的影响

生态环境2006,15(5):[e-mail]基金项目：辽宁省科技攻关项目（2005229003）；国家自然科学基金项目（20337010）作者简介：陈忠林（1969－），男，高级实验师，硕士研究生，主要研究方向为生态学。E-mail:[e-mail]*通讯作者，E-mail:[e-mail]收稿日期：2006-04-07UV-C辐射增强对绿化树种膜质过氧化及抗氧化酶的影响陈忠林，马溪平*，张利红，王杰辽宁大学资源与环境学院，辽宁沈阳110036摘要：采用叶片试验法研究了模拟紫外辐射(UV-C)胁迫对3种绿化树种叶片膜质过氧化及抗氧化酶产生的影响。实验结果表明：UV-C辐射处理使连翘ForsythiasuspensaVahl和垂柳Salixbabylonica叶片的叶绿素质量分数增加，但使水蜡树FraxinuschinesisRoxb.叶片的叶绿素质量分数降低。UV-C辐射处理增加连翘和垂柳叶片的SOD活性，而水蜡的SOD活性则表现为先升高随后降低的变化趋势；辐射处理对水蜡树和垂柳POD活性影响不大，但使连翘POD活性先升高随后降低；辐射处理明显降低水蜡树和连翘的CAT活性，而垂柳的则先升高后降低。辐射处理导致MDA含量增加。关键词：绿化树种；紫外-C辐射；抗氧化酶中图分类号：S154.1文献标识码：A文章编号：1672-2175（2006）05-1014-04环境问题已成为当今人类面临的主要挑战之一，现代工业释放出的大量污染气体，使得大气平流层中臭氧含量下降，导致到达地球表面的太阳紫外（UV）辐射增加，紫外辐射对人类、动植物以及微生物等都会产生伤害[1-2]。UV又可分为UV-C（200~280nm），UV-B（280~320nm）和UV-A（320~400nm）。UV-C波长短，被臭氧层吸收，UV-B的一部分和UV-A可穿过大气层到达地面。由于臭氧层变薄乃至臭氧空洞的形成导致地球上UV-B和UV-C辐射的增强。目前对UV-B给植物带来的影响研究较多，但针对UV-C辐射增强的研究相对较少。在陆地生态系统中，增加UV-BC辐射可以影响植物物质的产生和分解[3]。远紫外辐射(UV-BC)可使膜脂过氧化，叶绿体超微结构受到破坏，叶绿体活性氧产额增加，PSⅡ电子传递活性下降[4-5]。UV-C对生物DNA损伤已有大量研究，杜英君等[6]研究表明，UV-C辐射降低紫杉活性氧清除系统的清除能力，导致丙二醛含量和膜相对透性增加，光系统Ⅱ电子传递活性显著下降。Zacchini和Agazio[7]研究表明UV-C辐射增强会引起烟草愈伤组织的氧化损伤。大量研究表明，植物的许多生理和发育过程受紫外辐射影响，但影响的机制尚缺乏研究。远紫外辐射对生物体产生损伤已有报道，但对树木活体细胞诱发活性氧引起膜脂过氧化伤害机制研究不多[5]。本文研究了增加UV-C辐射对绿化树木（垂柳、连翘和水蜡树）叶片部分生理指标的影响，为了解由于臭氧空洞形成造成UV-C辐射增强对植物产生的伤害提供理论依据。1材料和方法1.1材料选择取垂柳Salixbabylonica、连翘ForsythiasuspensaVahl.和水蜡树FraxinuschinesisRoxb.3种绿化树木的叶片，选择树龄、长势近于一致，同向、同节位枝条的叶片为试材。1.2材料处理采当年生无虫斑、色泽一致的成熟叶片，洗净、吸干水分，用作对照与处理材料，置于内盛1/2Hoagland营养液的瓷盘中，正面朝上悬浮于营养液之中。将叶片放置在0.5kJ·m-2·s-1辐射剂量的UV-C(灭菌灯，254nm)下进行短期处理，即叶片距灯管40cm处分别处理0、2、4、6h，处理结束取叶片测定各项指标。1.3测定方法叶绿素含量的测定采用乙醇丙酮混合液法[8]；SOD活性采用NBT光化还原法测定[9]；POD活性采用愈创木酚法[8]；CAT活性采用氧化还原滴定法[10]；MDA含量的测定采用硫代巴比妥酸（TBA）比色法[8]。所有数据均为3次重复的平均值。2结果与讨论2.1UV-C辐射增强对叶片叶绿素质量分数的影响由表1可以看出，UV-C辐射处理后不同树种叶片叶绿素a、b及a/b变化不同。辐射处理使垂柳Salixbabylonica和连翘ForsythiasuspensaVahl.叶绿素a、b质量分数降低，且随辐射时间延长，降低幅度加大，叶绿素a/b后期明显增加；而水蜡树FraxinuschinesisRoxb.叶绿素质量分数的变化则相反，叶绿素a、b质量分数都逐渐增加，而叶陈忠林等：UV-C辐射增强对绿化树种膜质过氧化及抗氧化酶的影响1015绿素a/b则随辐射处理时间逐渐降低；叶绿素质量分数是判定植物光合作用强弱的一个重要生理指标。当植物受到伤害后，会导致叶绿体膜系统受损，而阻碍叶绿素的合成，致使叶绿素质量分数下降。UV-C辐射增强对3种树木叶绿素质量分数的影响不同，这可能与各自对UV-C辐射的抗性强弱有关，其中机制有待进一步研究。2.2UV-C辐射增强对叶片抗氧化酶活性的影响在许多逆境条件下，植物体内活性氧代谢系统的平衡会受到影响，活性氧如O2-、OH、H2O2、O2等的产生量增加。体内活性氧含量的升高能启动膜脂过氧化或膜脂脱氧化作用,从而破坏膜结构。因此，植物体内的抗氧化酶活性的高低与植物抗逆能力具有密切关系。SOD、POD、CAT是存在于植物细胞中最重要的清除自由基的酶类[5]。不同树木叶片的SOD活性存在一定差异（图1），其中水蜡叶片SOD活性最高，其次为垂柳，而连翘的最低。UV-C辐射增强对叶片SOD活性影响不同，在UV-C辐射下垂柳和连翘叶片的SOD活性逐渐升高，而水蜡树叶片的SOD活性的变化趋势是先升高随后逐渐降低，辐射处理2h时其SOD活性最高，与对照相比升高11.7%，随着辐射时间延长SOD活性降低，但在处理6h时SOD活性仍比对照高5.2%。SOD在植物的叶绿体、线粒体和细胞质中都有分布，它的主要功能是清除超氧化物自由基（O2-）。SOD活性的增强，表明树木清除O2-的能力有所提高。也有研究表明，生物体合成SOD常受O2-浓度的影响，在O2-诱导下，SOD的生物合成能力升高[11]，说明植物只要受到不利于生长因素的干扰，植物体就会启动自身的保护机制最大限度减少伤害，但当胁迫程度进一步加大时，植物自身的调节系统被破坏，从而导致SOD活性降低，这应该是辐射处理后期水蜡树SOD活性降低的原因之一。UV-C辐射处理对3种树木叶片的POD活性影响不同（图2），其中垂柳和水蜡树POD活性的变化不明显，而连翘的POD活性在处理2h时明显高于对照，比对照升高155.3%，随着处理时间的延长，POD活性逐渐降低，但仍然高于对照。CAT可清除H2O2，主要存在于细胞的过氧化物体中[12]。从图3（下页）可看出，UV-C辐射增强明显抑制连翘和水蜡树叶片CAT活性，且随着处理时间的延长，影响越明显。但垂柳叶片CAT活性的变化趋势与前二者不同，UV-C辐射初期CAT活性升高，随着辐射时间的延长，活性缓慢降低。2.3UV-C辐射增强对叶片MDA含量的影响植物在逆境条件下会发生脂质过氧化，丙二醛（MDA）已被确认为是脂质过氧化的产物，其含量的多少是脂质过氧化强弱的一个重要指标。UV-C表1UV-C辐射增强对叶片叶绿素质量分数的影响1)Table1EffectsofenhancedUV-Cradiationonthecontentofchlorophyllinleaves处理时间/h垂柳连翘水蜡树Chla/(mgg-1)Chlb/(mgg-1)Chla/bChla/(mgg-1)Chlb/(mgg-1)Chla/bChla/(mgg-1)Chlb/(mgg-1)Chla/b02462.0762.0462.0391.9760.5690.5510.5500.5273.653.713.713.751.9922.0471.8931.8870.9820.9760.9150.6582.032.102.072.871.4931.4941.6331.6020.4750.5140.5290.6063.142.913.092.641)以鲜质量计图2UV-C辐射增强对叶片POD活性的影响Fig.2EffectsofenhancedUV-CradiationontheactivityofPODinleaves图1UV-C辐射增强对叶片SOD活性的影响Fig.1EffectsofenhancedUV-CradiationontheactivityofSODinleaves01002003004005006007000246处理时间/hSOD活性[U/(g.FW)]柳树连翘水蜡树00.030.060.090.120.150246处理时间/hPOD活性[△OD470/(g.FW.min)]柳树连翘水蜡树1016生态环境第15卷第5期（2006年9月）辐射处理会引起树木叶片MDA含量增加（图4）。其中垂柳和连翘叶片MDA含量变化相同，都是在辐射处理4h开始迅速升高，而水蜡树在辐射处理初期变化不明显，在辐射处理2h后开始逐渐升高。MDA含量的增加说明叶片受到辐射伤害，细胞发生脂质过氧化。由活性氧引起的氧化胁迫是绿色植物不可避免的现象。正常情况下，植物体内的活性氧的产生和清除处于一种动态的平衡状态，抗氧化酶在这个过程中起着重要作用。从上述研究结果来看，在抵抗UV-C造成的损伤方面，SOD可能起主要作用，短期辐射处理使叶片SOD活性升高，提高了植物的抗性，但随辐射时间延长，水蜡树的SOD活性已经开始降低(图1)。连翘叶片POD对辐射有一定抗性，而垂柳和水蜡树的POD变化不大；连翘和水蜡树的CAT受辐射影响最明显，在受到辐射胁迫后迅速降低（图3）。综合来看，不同树种在受到辐射伤害时，会通过不同的抗氧化酶来清除活性氧，但抗氧化酶的清除能力也会随着损伤加强而减弱，最终导致MDA含量的增加。参考文献：[1]CALDWELLMM,BJOMLO,BRONMANJF,etal.Effectsofincreasedsolarultravioletradiationonterrestrialecosystem[J].JPhotochemPhotobiolB:Biol,1998,46:40-52.[2]TEVINIM.UV-BEffectsonPlant[M]//AGRAWALSB,AGRAWALM,eds.EnvironmentalPollutionandPlantResponses[M].Florida:CRCPressLLC,2000:83-97.[3]郭秀林,王睿文.紫外辐射增加对植物生长及某些生理代谢的影响[J].生态学杂志,2001,18(1):12-14.GUOXL,WANGRW.Influenceofenhancedultravioletradiationongrowthandphysiologicalmetabolisminplants[J].JournalofBiology,2001,18(1):12-14.[4]杜英君,靳月华.远紫外辐射对紫杉幼苗针叶膜脂过氧化及内源保护系统的影响[J].应用生态学报,2000,11(5):660-664.DUYJ,JINYH.Effectsoffarultravioletradiationonlipidperoxi-dationandinherentprotectionsysteminseedlingsofTaxuscuspi-date[J].ChineseJournalAppliedEcology,2000,11(5):660-664.[5]靳月华,杜英君,刘桂珍.远紫外诱导紫杉产生的活性氧[J].植物学报,2001,3(4):380-384.JINYH,DUYJ,LIUGZH.Productionofactiveox