楊 璐，趙天宏

(1.中國氣象局 沈陽大氣環(huán)境研究所，遼寧 沈陽 110166；2.錦州市生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，遼寧 錦州 121001； 3.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，遼寧 沈陽 110866)

隨著工業(yè)的發(fā)展，氟氯烴類氣體被成倍釋放到大氣中，導(dǎo)致大氣臭氧層變薄，部分地區(qū)出現(xiàn)臭氧層“空洞”現(xiàn)象[1]。臭氧層對地球最大的作用就是吸收紫外線。紫外線根據(jù)其波長，由長至短可分為UV-A、UV-B和UV-C。臭氧層對UV-C(<280 nm)的吸收能力很強(qiáng)，即便臭氧層減少了90%，也鮮有UV-C到達(dá)地面；臭氧層對UV-A(320～400 nm)的吸收能力雖然很弱，但UV-A引起的生物學(xué)效應(yīng)可以小到微不足道[2]。因此，臭氧層變薄導(dǎo)致的直接結(jié)果是太陽輻射中到達(dá)地面的UV-B(280～320 nm)輻射增強(qiáng)，并有繼續(xù)增強(qiáng)的趨勢。

20世紀(jì)30年代，國外出現(xiàn)了紫外輻射對植物影響的報道。60年代初期，前蘇聯(lián)杜布羅夫撰寫的《紫外輻射對植物的作用》一書，綜述了1930-1960年全球紫外輻射對植物影響的有關(guān)研究，其中包括紫外輻射對種子的萌發(fā)、生長發(fā)育等以及對農(nóng)業(yè)的影響[3]。隨著臭氧層空洞的發(fā)現(xiàn)，UV-B輻射變化對各種生物的影響的研究引起國際科技界廣泛關(guān)注，主要包括UV-B輻射變化對植物生理生化方面的影響、對植物生長發(fā)育、形態(tài)結(jié)構(gòu)及產(chǎn)量品質(zhì)的影響以及對植物群落及生態(tài)系統(tǒng)的影響等[4-22]，并隨之進(jìn)入高峰期，成為當(dāng)前全球環(huán)境變化研究的重要課題。

國內(nèi)外鮮有以大豆根系為主要研究對象，在UV-B輻射增強(qiáng)脅迫下，探究其活性氧代謝規(guī)律及其抗氧化系統(tǒng)的響應(yīng)。為今后研究UV-B輻射增強(qiáng)對作物的影響以及大豆根系逆境生理生態(tài)等方面提供一定的參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

以大豆(Glycinemax)栽培品種鐵豐29為試材。試驗(yàn)在中國科學(xué)院沈陽野外農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)站進(jìn)行，對大豆進(jìn)行UV-B脅迫試驗(yàn)。增強(qiáng)UV-B輻射處理用40 W的UV-B燈管(燈管生產(chǎn)商為：北京電光源研究所，燈管輻射范圍為：280～320 nm) 產(chǎn)生的UV-B輻射先通過0.08 mm乙酸纖維素膜過濾，然后照射大豆植株，模擬增強(qiáng)0.32 W/m2的UV-B輻射(相當(dāng)于試驗(yàn)地夏日平均UV-B輻射的105%左右)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

本試驗(yàn)共設(shè)置2個處理，即：CK(UV-B輻射為正常環(huán)境強(qiáng)度)和UV(增強(qiáng)UV-B，即UV-B 輻射強(qiáng)度為0.32 W/m2)、每個處理設(shè)置3次重復(fù)。大豆出苗20 d后開始脅迫試驗(yàn)，9 h/d(8：00-17：00)，分別于大豆分枝、開花、結(jié)莢和鼓粒期取樣。

2 結(jié)果與分析

2.1 UV-B輻射增強(qiáng)對大豆根系膜脂過氧化的影響

膜脂過氧化是指在自由基誘發(fā)下生物膜中的不飽和脂肪酸發(fā)生的過氧化反應(yīng)。膜脂過氧化作用不僅可使生物膜相分離，破壞生物膜的正常功能，而且產(chǎn)生的MDA及其他類似物質(zhì)也能直接對植物細(xì)胞產(chǎn)生毒害作用[25]。

2.1.1 UV-B輻射增強(qiáng)對大豆根系MDA含量的影響 生物體內(nèi)的自由基作用于脂質(zhì)而產(chǎn)生的細(xì)胞膜脂過氧化反應(yīng)，其氧化終產(chǎn)物MDA及其他類似物質(zhì)會引起生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)、核酸等生命大分子的交聯(lián)聚合，并且這些物質(zhì)具有細(xì)胞毒性。MDA產(chǎn)生數(shù)量的多少可以代表植物體內(nèi)的膜脂過氧化程度，也可以間接地反映植物組織的抗氧化能力[19]。如圖1所示，從大豆的不同生育時期來看，隨著生育時期的變化，各處理大豆根系的MDA含量呈上升趨勢。且不同處理間，經(jīng)過UV-B輻射脅迫下的大豆根系的MDA含量高于同時期對照組的MDA含量，即UV>CK。具體表現(xiàn)為：與CK相比，在分枝期，UV處理升高了58.5%；開花期，UV處理升高了53.5%；結(jié)莢期，UV處理升高了64.8%；鼓粒期，UV處理升高了69.8%。所有生育時期，UV處理與CK相比，差異均顯著。上述結(jié)果表明，隨著生長發(fā)育的推進(jìn)，大豆根系MDA含量增加，且UV-B脅迫可引起各時期大豆根系中MDA含量高于正常值，即UV-B脅迫能夠加劇植物細(xì)胞膜脂過氧化程度。

圖中標(biāo)記不同小寫字母表示處理間差異達(dá) 到P<0.05顯著水平。圖2-10同。 Different lowercase letters indicate significant differences at 0.05 levels. The same as Fig.2-10.

2.1.2 UV-B輻射增強(qiáng)對大豆根系相對電導(dǎo)率的影響 植物根系的相對電導(dǎo)率是反映植物膜脂化程度的重要指標(biāo)之一，相對電導(dǎo)率越高，說明植物膜脂的透性越高，植物膜脂化的程度越高，對植物細(xì)胞的毒害作用越大，植物的抗氧化能力越弱。如圖2所示，從大豆的不同生育時期來看，隨著生育時期的變化，各處理大豆根系的相對電導(dǎo)率呈上升趨勢。且不同處理間，經(jīng)過UV-B輻射脅迫下的大豆根系的相對電導(dǎo)率高于同時期對照組的相對電導(dǎo)率，即UV>CK。具體表現(xiàn)為：與CK相比，在分枝期，UV處理升高了68.8%；開花期，UV處理升高了81.4%；結(jié)莢期，UV處理升高了19.5%；鼓粒期，UV處理升高了26.6%。所有生育時期，UV處理與CK相比，差異均顯著。上述結(jié)果表明，隨著生長發(fā)育的進(jìn)行，大豆根系相對電導(dǎo)率增加，且UV-B脅迫可引起各時期大豆根系中相對電導(dǎo)率高于正常值，即UV-B脅迫可以使大豆根系膜相對透性增加。

圖2 不同處理下大豆根系相對電導(dǎo)率的變化Fig.2 The soybean roots′ relative electrolytic conductivity under different processing

2.2 UV-B輻射增強(qiáng)對大豆根系活性氧代謝的影響

圖3 不同處理下大豆根系超氧陰離子產(chǎn)生速率的變化Fig.3 The soybean roots′ super oxygen anion production rate under different processing

2.2.2 UV-B輻射增強(qiáng)對大豆根系H2O2含量的影響 H2O2是活性氧的重要的代表之一，其能夠毒害植物組織。增強(qiáng)UV-B脅迫下，H2O2的含量變化，可間接反映大豆根系的受害程度。如圖4所示，從大豆的不同生育時期來看，隨著生育時期的變化，對照組大豆根系的H2O2含量呈升高趨勢，而經(jīng)過增強(qiáng)UV-B輻射脅迫下的大豆根系的H2O2含量呈先降低、后升高的趨勢，且開花期的H2O2含量為最低值。不同處理間，各時期H2O2含量均表現(xiàn)為UV>CK。具體表現(xiàn)為：與CK相比，在分枝期，UV處理升高了69.9%；開花期，UV處理升高了9.9%；結(jié)莢期，UV處理升高了5.0%；鼓粒期，UV處理升高了19.9%。所有生育時期，UV處理與CK相比，差異均顯著。上述結(jié)果表明，隨著生長發(fā)育的進(jìn)行，大豆根系H2O2含量整體增加，且UV-B脅迫可引起各時期大豆根系中H2O2含量高于正常值。

圖4 不同處理下大豆根系H2O2含量的變化Fig.4 The soybean roots′ H2O2 content under different processing

2.3 UV-B輻射增強(qiáng)對大豆根系保護(hù)酶活性的影響

生物體對活性氧的積累也具有相應(yīng)的適應(yīng)能力和抵抗能力，具體表現(xiàn)為在生物體內(nèi)擁有一套完善的抗氧化防御系統(tǒng)，又稱活性氧清除系統(tǒng)，包括酶促系統(tǒng)(SOD、POD、CAT等)和非酶促性的活性氧清除劑(抗氧化劑)[25]。

2.3.1 UV-B輻射增強(qiáng)對大豆根系SOD活性的影響 SOD是一種源于生命體的活性物質(zhì)，是酶促防御系統(tǒng)中最主要的保護(hù)酶之一，具有特殊的生理活性，能消除生物體在新陳代謝過程中產(chǎn)生的有害物質(zhì)，是生物體內(nèi)清除自由基的首要物質(zhì)[19]。如圖5所示，從大豆的不同生育時期來看，隨著生育時期的變化，對照組大豆根系的SOD活性呈先升高后降低趨勢，且開花期達(dá)到最大值。而經(jīng)過增強(qiáng)UV-B輻射脅迫下的大豆根系的SOD活性呈降低趨勢。不同處理間，分枝期SOD活性表現(xiàn)為UV>CK，其他時期均表現(xiàn)為UV

圖5 不同處理下大豆根系SOD活性變化Fig.5 The soybean roots′ SOD activity under different processing

2.3.2 UV-B輻射增強(qiáng)對大豆根系POD活性的影響 過氧化物酶(POD)是生物體內(nèi)產(chǎn)生的氧化還原酶的一類，它們能催化生物體內(nèi)很多生理生化反應(yīng)。POD是以H2O2為電子受體的一種氧化酶。在植物細(xì)胞中，POD是酶促防御系統(tǒng)中的主要保護(hù)酶之一，它是定位于葉綠體中的專一酶，可將H2O2轉(zhuǎn)化為H2O[19]。如圖6所示，從大豆的不同生育時期來看，隨著生育時期的變化，各處理大豆根系的POD活性呈上升趨勢。且不同處理間，經(jīng)過增強(qiáng)UV-B輻射脅迫下的大豆根系的POD活性低于同時期對照組的POD活性，即UV

圖6 不同處理下大豆根系POD活性變化Fig.6 The soybean roots′ POD activity under different processing

2.3.3 UV-B輻射增強(qiáng)對大豆根系CAT活性的影響 CAT是一種酶類清除劑，又稱為觸酶，是清除H2O2的另一種關(guān)鍵酶，它催化H2O2分解為H2O和O2。CAT主要存在于生物體細(xì)胞內(nèi)的過氧化體中，主要是清除過氧化體中的H2O2，其他部分產(chǎn)生的H2O2可擴(kuò)散到過氧化體中而部分被CAT清除[19]。如圖7所示，從大豆的不同生育時期來看，隨著生育時期的變化，各處理大豆根系的CAT活性呈先上升后驟降趨勢。且不同處理間，經(jīng)過增強(qiáng)UV-B輻射脅迫下的大豆根系的CAT活性低于同時期對照組的CAT活性，即UV

圖7 不同處理下大豆根系CAT活性變化Fig.7 The soybean roots′ CAT activity under different processing

2.4 UV-B輻射增強(qiáng)對大豆根系保護(hù)性物質(zhì)的影響

2.4.1 UV-B輻射增強(qiáng)對大豆根系A(chǔ)sA含量的影響 抗壞血酸(AsA)，即維生素C，維生素的一種，是一種高活性的物質(zhì)，它作為生物體內(nèi)應(yīng)對活性氧傷害而產(chǎn)生的相應(yīng)保護(hù)系統(tǒng)成員之一，參與了許多代謝過程。是近年來植物衰老和逆境脅迫等活性氧傷害研究的重點(diǎn)研究對象[20]。如圖8所示，從大豆的不同生育時期來看，隨著生育時期的變化，各處理大豆根系的AsA含量呈先升高后降低趨勢，結(jié)莢期達(dá)到最大值。不同處理間，開花期表現(xiàn)為，經(jīng)過增強(qiáng)UV-B輻射脅迫下的大豆根系的AsA含量高于同時期對照組的AsA含量，即UV>CK，其他時期均表現(xiàn)為UV

圖8 不同處理下大豆根系A(chǔ)sA含量的變化Fig.8 The soybean roots′ AsA content under different processing

2.4.2 UV-B輻射增強(qiáng)對大豆根系Car含量的影響 類胡蘿卜素(Car)是一種保護(hù)性物質(zhì)，常作為植物細(xì)胞內(nèi)重要的抗氧化物質(zhì)。它可直接與活性氧反應(yīng)，清除活性氧[19]。如圖9所示，從大豆的不同生育時期來看，隨著生育時期的變化，各處理大豆根系的Car含量呈先升高后降低趨勢，結(jié)莢期達(dá)到最大值。不同處理間表現(xiàn)為，經(jīng)過增強(qiáng)UV-B輻射脅迫下的大豆根系的Car含量低于同時期對照組的Car含量，即UV

圖9 不同處理下大豆根系Car含量的變化Fig.9 The soybean roots′ Car content under different processing

2.4.3 UV-B輻射增強(qiáng)對大豆根系脯氨酸含量的影響 脯氨酸是生物體蛋白質(zhì)的組成成分之一。在生物體受到逆境脅迫的條件下，生物體內(nèi)的脯氨酸大量積累，因此，生物體內(nèi)的脯氨酸含量也是反映生物抗逆性的一項(xiàng)重要指標(biāo)之一[19]。如圖10所示，從大豆的不同生育時期來看，隨著生育時期的變化，對照組大豆根系的脯氨酸含量呈先基本持平而后升高最后降低的趨勢，結(jié)莢期達(dá)到最大值；而在經(jīng)過增強(qiáng)UV-B輻射脅迫下的大豆根系的脯氨酸含量趨勢為先升高、后降低。不同處理間，分枝期和開花期表現(xiàn)為，經(jīng)過增強(qiáng)UV-B輻射脅迫下的大豆根系的脯氨酸含量高于同時期對照組的脯氨酸含量，即UV>CK，結(jié)莢期和鼓粒期表現(xiàn)為UV

圖10 不同處理下大豆根系脯氨酸含量的變化Fig.10 The soybean roots′ Proline content under different processing

3 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)中，大豆根系超氧陰離子產(chǎn)生速率在開花期，出現(xiàn)了UV-B脅迫較CK超氧陰離子產(chǎn)生速率低的現(xiàn)象，分析其原因，可能是由于大豆根系在受到UV-B脅迫后，產(chǎn)生的一個應(yīng)激反應(yīng)，一些保護(hù)性物質(zhì)包括保護(hù)酶等激增，使大豆根系短期內(nèi)超氧陰離子的產(chǎn)生速率降低，但經(jīng)過長時間的脅迫，大豆根系的自我保護(hù)機(jī)制達(dá)到限度，無法抵御長時期的脅迫，以致結(jié)莢期大豆根系超氧陰離子的產(chǎn)生速率又升高到高于CK，這與前人研究結(jié)果相似[26]。H2O2含量也在開花期出現(xiàn)異常波動，開花期H2O2含量低于分枝期和結(jié)莢期，可能也是應(yīng)激反應(yīng)所造成的。

同理，SOD活性在分枝期與其他生育時期不同，表現(xiàn)為UV-B脅迫下的SOD活性高于CK值。這說明分枝期大豆根系受到脅迫后，活性氧代謝加劇，誘導(dǎo)大豆根系實(shí)行自我防護(hù)機(jī)制，產(chǎn)生SOD清除活性氧，致使開花期大豆根系活性氧含量相對較少，代謝相對較不旺盛。但大豆根系的自我防御系統(tǒng)的抵抗能力是有限的，隨著脅迫時間的延長，結(jié)莢期開始，活性氧對大豆根系產(chǎn)生的傷害，便無法抵消。同理還有AsA活性和脯氨酸含量的變化。說明UV-B脅迫對大豆根系的酶促系統(tǒng)有一定的負(fù)效應(yīng)，植物體內(nèi)的保護(hù)性酶和保護(hù)性物質(zhì)組成的保護(hù)性系統(tǒng)可以在一定范圍內(nèi)清除活性氧，減輕膜傷害。

通過本試驗(yàn)可以得出，UV-B輻射增強(qiáng)對大豆根系活性氧代謝及抗氧化系統(tǒng)的影響結(jié)果，并且在UV-B輻射增強(qiáng)對作物的影響以及大豆根系逆境生理生態(tài)等方面的研究具有一定參考意義。但由于時間及水平有限，更加深入的生理生化作用機(jī)理，尚需要進(jìn)一步研究。