UV-C輻射玉米種子對葉片保護酶活性及葉表皮形態(tài)的影響

，， ，，，

(齊齊哈爾大學生命科學與農(nóng)林學院，抗性基因工程與寒地生物多樣性保護黑龍江省重點實驗室，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

太陽紫外光輻射根據(jù)其波長分為3種，其中波長在260～280 nm之間的短波紫外線(UV-C)對植物的傷害最大，通常UV-C在到達地表前被臭氧層吸收而無法到達地表[1]。近年來，隨著人類文明和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，臭氧層損耗甚至出現(xiàn)臭氧空洞的問題越來越突出，使照射到地面的太陽光紫外線增強，其中包括了大量UV-C 輻射的增強,會危害陸地植物的正常生長發(fā)育并導致減產(chǎn)[2]。植物在長期的適應(yīng)UV輻射過程中，形成了一定的保護機制，以適應(yīng)環(huán)境條件的改變。因此，開展紫外輻射對植物的效應(yīng)研究有重要的意義[3]。

研究顯示[4-7]，UV-C輻射能減少部分細菌、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、貯藏品質(zhì)和防御酶活性等效應(yīng)。玉米(ZeamaysL.)是世界上種植最廣的重要糧飼作物和工業(yè)原料之一[8]。有學者[9-11]研究了UV-B輻射對玉米葉片光合作用、種子萌發(fā)及玉米新品種選育等[12-13]，而UV-C輻射對玉米葉片形態(tài)及葉片保護酶活性的影響未見報道。本文探討了UV-C輻射玉米種子對玉米葉片保護酶活性以及葉片表皮形態(tài)的影響，有助于揭示UV-C作為光信號對玉米生長發(fā)育的作用機制，為評價玉米抗紫外輻射能力提供實驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 植物材料及處理

實驗以玉米嫩單18為試材，將玉米種子分為5組，進行不同時長UV-C紫外線輻射處理，輻射時間分別為0(ck)，2，4，6，8 h，將輻射處理后的玉米種子于2018年5月末分別栽種在實驗田中，常規(guī)田間管理，待玉米植株長葉4周后，取玉米葉片備用。

1.2 測量的指標及方法

1) 超氧化物歧化酶(SOD)活性的測定：采用氮藍四唑還原法； 2) 過氧化物酶(POD)活性的測定：采用愈創(chuàng)木酚法； 3) 過氧化氫酶(CAT)活性的測定：采用紫外吸收法[14]； 4) 葉表皮形態(tài)指標：撕取玉米葉上、下表皮制成臨時水裝片，在Motic顯微圖像采集系統(tǒng)下采集圖像并測量相關(guān)指標。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉片中保護酶活性

2.1.1 SOD活性

玉米種子經(jīng)過不同時間梯度的UV-C紫外線輻射后，發(fā)育成的植株葉片中SOD活性變化明顯，見圖1。與ck組相比，在UV-C輻射6 h以內(nèi)，均呈下降趨勢,與對照組比差異顯著(p<0.05)，處理時間8 h時，其活性略有升高。SOD 是一種誘導性酶，能消除生物體在新陳代謝過程中產(chǎn)生的有害物質(zhì)。短時間內(nèi)的UV-C輻射會對SOD的活性起到一定的抑制作用，輻射時長8 h時，能誘導植物體內(nèi)的活性氧的形成，活性氧含量升高，進而誘發(fā)植物體啟動了活性氧代謝機制，使SOD的活性增強。

圖1 UV-C輻射對玉米葉片中SOD活性的影響

2.1.2 POD活性

不同時間的UV-C輻射對玉米葉片中POD活性的影響見圖2。與ck組相比，在UV-C輻射4 h以內(nèi)，POD活性呈下降趨勢,輻射4 h時POD活性最低，此后隨輻射時間的延長其活性逐漸開始升高。總體來說，ck組的POD活性顯著高于其他4個實驗組(p<0.05)。說明UV-C輻射對POD活性的抑制作用較強。玉米葉片在受到輻射傷害時，POD活性呈先降低后升高的趨勢，即機體能在一定的UV-C輻射時間內(nèi)調(diào)節(jié)POD的活性來適應(yīng)外界的輻射刺激。

圖2 UV-C輻射對玉米葉片中POD活性的影響

2.1.3 CAT活性

植物體內(nèi)的活性氧最終被清除有賴于CAT。圖3顯示，不同時間的UV-C輻射對玉米葉片中CAT活性有一定的影響。在UV-C輻射處理2，4，6 h CAT活性均呈下降趨勢，輻射時間6 h時達最低，輻射8 h時活性有所上升。ck組的CAT活性顯著高于其他4個實驗組(p<0.05)。6 h以內(nèi)的UV-C輻射處理，會抑制玉米葉片中CAT的活性，輻射時間達到8 h時植物體通過自身的調(diào)節(jié)，對CAT的活性又起到了一定的誘導作用。

圖3 不同時長UV-C輻射對玉米葉片中CAT活性的影響

2.2 葉片表皮形態(tài)

UV-C輻射對玉米葉表皮的影響見表1～表3。UV-C輻射種子后萌發(fā)產(chǎn)生的幼苗，上、下表皮的氣孔器、保衛(wèi)細胞寬度、長細胞長度和寬度上均有不同程度的減小(p<0.05)。輻射作用在種子上，但是通過幼苗的表皮細胞可反映出在葉片形態(tài)上的變化比較顯著。而葉片長度、寬度以及根條數(shù)各輻射組均比對照組有所增加，輻射時間為8 h時葉片寬度和根條數(shù)達到最大值(p<0.05)，輻射時間為6 h時葉片長度最大(p<0.05)。

表1 UV-C輻射對玉米葉片上表皮形態(tài)特征的影響

注：abc表示多重比較差異，字母不同即表示差異顯著。下同。

表2 UV-C輻射對玉米葉片下表皮形態(tài)特的影響

3 結(jié)論與討論

研究表明，UV-B輻射增強，對玉米葉片的凈光合速率、蒸騰速率等有顯著的影響，隨紫外輻射的增強將使玉米產(chǎn)量降低[9]。UV-B輻射增強時可刺激植物機體的抗氧化酶系統(tǒng)，提高抗氧化酶活性，增強自身抗氧化能力[3]。經(jīng)過不同時間UV-C輻射玉米種子，至萌發(fā)成幼苗后，葉片中保護酶的活性會發(fā)生相應(yīng)的變化，即UV-C輻射對玉米葉片中的保護酶的活性有一定的影響。短時間UV-C輻射對保護酶活性有抑制作用，達到一定的輻射時間后，會激發(fā)機體內(nèi)的調(diào)節(jié)機制，使酶活性有所增加。葉片表皮形態(tài)指標的測量實驗結(jié)果表明，不同時長的UV-C輻射會對玉米葉上下表皮的氣孔長度、保衛(wèi)細胞寬度、細胞長度、細胞寬度有不同程度的抑制作用，這在一定程度上影響了植物光合作用。然而，UV-C輻射后的葉片長度、葉片寬度和根條數(shù)都明顯增加(p<0.05)，顯示了玉米能通過增加葉表面積來保證葉片對氧氣的吸收，從而達到相對穩(wěn)定的光合作用速率，反映出玉米對UV-C輻射有調(diào)節(jié)能力，本結(jié)果與姜智超[15]的實驗結(jié)果相吻合，認為玉米嫩單18有較好的耐受短時UV-C輻射的能力，在玉米種子受到8 h內(nèi)的UV-C輻射可通過不同的調(diào)節(jié)機制來適應(yīng)外界環(huán)境條件的變化，表明玉米嫩單18可作為優(yōu)質(zhì)的耐受輻射的玉米資源加以利用。

表3 UV-C輻射對玉米葉片大小及根條數(shù)的影響