UV-B辐射对白桦种子萌发及幼苗生理指标影响*

高晋，董恒，隋傅，徐婷婷，曾凡锁

(东北林业大学 生命科学学院，黑龙江 哈尔滨150040)

UV-B辐射对白桦种子萌发及幼苗生理指标影响*

高晋，董恒，隋傅，徐婷婷，曾凡锁

(东北林业大学 生命科学学院，黑龙江 哈尔滨150040)

以人工模拟增强UV-B辐射(25μw/cm2，50μw/cm2)处理白桦种子及幼苗，统计其发芽率及根长，测定幼苗丙二醛(MDA)、一氧化氮(NO)和活性氧(ROS)含量以及超氧化物岐化酶(SOD)活性和过氧化物酶(POD)活性，揭示UV-B辐射处理对白桦种子萌发和幼苗发育的影响。UV-B辐射显著影响了白桦种子萌发，25μw/cm2和50μw/cm2处理后萌发率分别较对照低了10%和16%，且根生长分别较对照低6%和32%。随着UV-B处理强度增加和时间延长，白桦幼苗中MDA的含量显著增加；幼苗的SOD和POD活性呈现先增加(10h前)后降低的趋势。25μw/cm2和50μw/cm2UV-B处理后白桦幼苗的NO含量显著升高，在1h时，分别较对照升高了96.32%和92.94%；同时，UV-B处理后H2O2含量均显著升高，在1h时，分别较对照升高了64.92%和20.43%；5h后，50μw/cm2UV-B处理的白桦幼苗的H2O2含量是25μw/cm2的1.5倍。UV-B辐射抑制了白桦种子的萌发和幼苗生长，并随着UV-B辐射强度的增强，抑制程度越强。NO和ROS参与白桦UV-B辐射信号传导过程，并存在协同作用。

白桦；种子萌发；幼苗生长；UV-B辐射

近年来，由于氟氯烷烃(CFCs)、溴卤代烃(Halons)等化合物的排放增加，导致大气平流层中臭氧分子遭到破坏，臭氧浓度不断降低，致使到达地表的紫外辐射增强。虽然UV-B辐射(280～320nm)仅占所有到达地球表面电磁光谱的很小一部分，但却对动植物的形态结构、生理代谢、遗传特性和生长周期等方面会产生显著影响，并且UV-B 辐射越强，对植物的影响越大[1]。

一氧化氮(NO)和活性氧(ROS)是植物体内广泛存在的信号分子，在多种生物和非生物胁迫的防御反应过程中，NO和ROS协同作用，激活植物的防御基因。有研究认为NO是UV-B 辐射的第二信使，并通过改变细胞壁的机械和化学特性来影响玉米(Zeamays)中胚轴和叶片生长[2]。但ROS是否参与植物对UV-B辐射的防御及其与NO的关系尚不清楚。白桦(Betulaplatypylla)为次生林的先锋树种，在林业生产上具有重要经济和生态价值。本研究以白桦为研究材料，人工模拟UV-B辐射处理种子及其幼苗，通过种子活力、生理指标及信号分子浓度变化揭示UV-B辐射对白桦种子萌发及幼苗生长的影响，对解释植物对UV-B辐射胁迫的响应及适应机制具有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 植物材料

本研究所用的种子采自东北林业大学白桦强化种子园。苗木为实验室培养的生长健壮、无病虫害、长势一致的1年生苗木。

1.2 研究方法

1.2.1 UV-B处理

研究共设置对照组(CK)和实验组(K1、K2)共3个组，对照为自然光照射处理，K1的UV-B强度为25μw/cm2处理，K2的UV-B强度为50μw/cm2处理。种子萌发实验中实验组与对照组各处理10天，测定萌发率及其根长。在生理指标实验以及NO和H2O2测定中实验组与对照组各处理0.5h、1h、5h、10h、24h、36h，分别在对应的时间点取白桦幼苗叶片，辐射强度由紫外辐照计测定。

1.2.2 材料培养

将白桦种子培养在含有3层湿润滤纸的培养皿内，幼苗放在培养室中培养。温度(25±2)℃，湿度60%～80%，光照周期为14h光照、10h黑暗。

1.2.3 有关指标测定

(1)种子萌发率及根长测定 白桦种子点播在含有3层湿润滤纸的培养基上，第2天开始计数，每24h统计1次种子萌发情况。种子萌发和生长指标测定参照宋松泉等的方法[3]进行。每组统计150粒，重复3次，连续统计10天。判断种子萌发的标准为种子露根。第11天计算各组发芽率。发芽率按照以下公式进行计算：发芽率(Gr)=(前11d内供试种子的发芽数/供试种子总数)×100%。

白桦种子于培养基上培养两周后，用电子游标卡尺测量根的长度，以平均值表示。

(2)幼苗生理指标测定 丙二醛含量(MDA)的测定采用硫代巴比妥酸法[4]，超氧化物岐化酶(SOD)含量的测定采用NBT光还原法[5]，过氧化物酶(POD)含量的测定采用愈创木酚法[6]，NO和ROS的测定采用苏州科铭生物技术有限公司提供的试剂盒方法。测定NO的原理是NO在体内或水溶液中极易氧化生成NO2-，在酸性条件下，NO2-与重氮盐磺酸胺生成重氮化合物，进一步与萘基乙烯基二胺偶合，产物在550nm处有特征吸收峰，测定其吸光值。而测定ROS的原理是H2O2与硫酸钛生成黄色的过氧化钛复合物，在415nm有特征吸收峰。一次取3个平行样本，每个样本重复测3次。

1.2.4 数据处理

使用Microsoft Excel 2007软件进行实验数据录入、计算以及图表绘制。使用SPSS软件进行统计学处理。MDA含量，POD、SOD活性以及NO和H2O2的含量均采用相对值(指标相对值=处理指标值-对照指标值)。

2 结果与分析

2.1 UV-B辐射对白桦种子萌发的影响

不同强度UV-B辐射处理影响了白桦种子的萌发(图1和图2)。UV-B强度为25μw/cm2和50μw/cm2的萌发率均低于自然光照射组，分别下降了10%、16%，差异显著(P<0.05)。UV-B照射组和对照组的子叶颜色也存在差异，UV-B强度为25μw/cm2时萌发的子叶为淡绿色，UV-B强度为50μw/cm2时，子叶为淡黄色，而对照组子叶为翠绿色，说明随着UV-B辐射的强度逐渐增强，白桦种子的萌发受到明显抑制作用。

图1 不同UV-B强度下白桦种子的萌发情况

图2 不同UV-B强度下白桦种子的萌发率

2.2 UV-B辐射对白桦根长的影响

不同强度的UV-B辐射处理显著影响了白桦根的生长。对照组与UV-B照射组的种子萌发后的根长在2～3mm所占的比例最多。但与对照组相比，UV-B强度为25μw/cm2和50μw/cm2的照射组根长大于3mm的白桦幼苗数目明显减少，分别减少19.47%和62.83%。并且在UV-B强度为50μw/cm2时，萌发的白桦种子的根长没有超过5mm的。这说明UV-B辐射抑制了白桦根的生长，并且具有剂量效应。

图3 不同UV-B强度处理下白桦的根长

2.3 UV-B辐射对白桦幼苗内丙二醛(MDA)含量的影响

植物在逆境下遭受伤害与活性氧积累诱发的膜脂过氧化作用密切相关，其中丙二醛(MDA)是膜脂过氧化最重要的产物之一[7]。通过测定MDA相对含量了解膜脂过氧化的程度，来反映植物受伤害的程度。由图4可以看出，不同强度UV-B照射后，UV-B照射组中的丙二醛相对含量升高，UV-B强度为50μw/cm2的照射组中的丙二醛含量高于25μw/cm2的照射组。并随着UV-B处理的时间逐渐增长，MDA含量也逐渐增加，至24h时到达最高，之后便开始下降。25μw/cm2和50μw/cm2UV-B照射24h后，MDA含量分别较对照组提高了36.34%和52.79%。由此说明，UV-B辐射使植物细胞膜系统氧化作用加剧，而且UV-B强度越大，损伤越严重。

图4 UV-B对白桦苗内MDA含量的影响

2.4 UV-B辐射对白桦超氧化物岐化酶(SOD)含量的影响

SOD是植物自身产生的超氧自由基清除因子，它可以把有害的超氧自由基转化为过氧化氢。因此可以通过测定SOD了解植物受损伤程度。图5显示了白桦在不同UV-B辐射强度时，SOD相对活性的变化。可以看出，UV-B照射10h内，UV-B照射组的SOD活性随着照射时间的增加，SOD的活性也逐渐增强，且50μw/cm2的照射强度下幼苗的SOD活性比25μw/cm2高，差异显著(P<0.05)。不同强度UV-B照射24h后，SOD相对活性均下降并低于对照组。说明在一定时间内，随着UV-B强度的增加，植物体启动防御机制，产生SOD保护植物体免于UV-B辐射产生的胁迫损伤。

图5 UV-B对白桦苗内SOD含量的影响

2.5 UV-B辐射对白桦过氧化物酶(POD)含量的影响

POD是植物体酶促清除系统的另一个成员。由图6可以看出，在整个UV-B处理过程中，POD的活性变化趋势与SOD的变化趋势相同。10h内，UV-B照射组幼苗的POD活性逐渐升高，并且UV-B强度为50μw/cm2照射组中的POD活性高于25μw/cm2，最高峰出现在10h，与自然光照射组比，分别增长了35.58%、47.99%，差异显著(P<0.05)。24h后，UV-B照射组幼苗的POD活性明显降低。

图6 UV-B对白桦苗内POD含量的影响

2.6 UV-B辐射对白桦幼苗内NO含量的影响

NO是一种特殊的小分子，并且兼有水、脂溶性。图7显示了白桦幼苗在不同UV-B辐射强度时，植株体内NO含量的变化。UV-B照射前期(5h内),NO发生明显的变化，最高峰出现在1h，UV-B强度为25μw/cm2和50μw/cm2分别比对照组增加了96.32%、92.94%，(P<0.05)；照射中期(5h-24h)，NO相对含量降低；后期(36h)25μw/cm2UV-B处理组中的NO含量又升高，25μw/cm2UV-B处理组中NO含量高于50μw/cm2。由此可知，NO参与了植物的UV-B辐射调控。

图7 UV-B辐射下白桦苗NO含量的变化

2.7 UV-B辐射对白桦幼苗内H2O2含量的影响

ROS不仅是植物有氧代谢的副产物，而且也是重要的信号分子，H2O2作为ROS家族中的一员，可以穿过生物膜，进而使得它们适合以信号分子的形式存在。图8显示了白桦幼苗在不同UV-B辐射强度时，体内H2O2含量的变化。在UV-B照射下的H2O2含量发生了明显的变化，不同强度UV-B处理后H2O2含量显著升高。并且在UV-B处理5h后，50μw/cm2UV-B处理白桦幼苗的H2O2含量高于25μw/cm2UV-B处理组。说明高剂量的UV-B辐射，增加了植物体内H2O2的积累。

图8 UV-B辐射下白桦苗H2O2含量的变化

3 结论与讨论

植物生命的初始阶段是种子萌发，种子的发芽率和发芽势是衡量种子萌发快慢和发芽整齐度的重要指标。其高低直接表明在种子萌发过程中代谢反应合成物质过程启动的快慢[8]。在本研究中，选用剂量为25μw/cm2和50μw/cm2的UV-B辐射处理白桦种子，结果表明，随着UV-B辐射的强度逐渐增强，白桦种子的发芽率及其幼苗的根长均有明显的降低及缩短。同时随着UV-B辐射的强度逐渐增强，MDA、SOD、POD均发生明显的变化，膜脂氧化程度加深，说明UV-B辐射强度越大对生物体生长的影响就越大。此外，在UV-B胁迫下，NO和ROS也参与调控植物体的发育。

在UV-B处理下，白桦幼苗中SOD与POD的变化趋势相同。在处理前期，UV-B照射组中幼苗的SOD与POD活性逐渐升高。24h后，UV-B照射组幼苗的2种酶的活性明显降低。UV-B处理的水稻(Oryzasativa)叶中也观察到在处理初期SOD活性有所升高[9]，与本实验结果一致。随着照射时间的增加，白桦幼苗的MDA含量上升，说明细胞膜脂过氧化程度加深，通透性增加，细胞受到了较大程度的伤害。说明当植物体遭受UV-B照射时，细胞壁上会产生ROS，激活植物体的防御反应，开启包括SOD和POD的酶促清除系统，清除由UV-B胁迫产生的过多的ROS，提高其对氧化胁迫的抗性[10]。但随着胁迫时间的增加，ROS反应越剧烈，积累量剧增，超出植物的自身的清除能力，植物体各组织严重受损。

UV-B照射前期(5h内)，UV-B强度为25μw/cm2和50μw/cm2照射组的NO含量显著高于对照组，分别比对照组增长了1.57μmol/g，0.79μmol/g。5h后，NO浓度降低；UV-B照射组中的H2O2含量均高于对照组。并且在UV-B处理5h后，随着UV-B强度的逐渐增强，UV-B强度为50μw/cm2的照射组中H2O2含量高于25μw/cm2的照射组。有研究认为NO可能是UV-B辐射的第二信使，并通过改变细胞壁的机械和化学特性来影响玉米中胚轴和叶片生长[11]。Wang等[12]的研究表明NO和ROS 协同参与了UV-B诱导的乙烯合成。拟南芥(Arabidopsisthaliana)研究表明H2O2通过激活MPK6调控NO的合成[13]，说明NO与ROS二者间有密切联系。在UV-B照射下，白桦幼苗中NO和H2O2的活性存在此消彼长的趋势。Delledonne等[14]在大豆细胞寄主细胞过敏性坏死(Hypersensitive response，HR)反应过程中也证明了这一点。单独NO或ROS的产生都不能引起细胞的过敏性死亡，只有当NO和ROS的产生处于一定程度的平衡时，才会激活HR。植物体内NO和H2O2也可能相互调节彼此含量的消长[15]。UV-B辐射对植物的调控与辐照的剂量以及辐照时间有一定的相关性，辐照时间越长，对植物的损伤越大；高剂量的辐射对植物具有伤害效应，可抑制植物种子的萌发以及生长发育。而对于UV-B低剂量效应以及UV-B的伤害效应的作用机制尚待进一步研究。

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Effect of UV-B Radiation on Seed Germination and Seedling Growth ofBetulaplatypylla

GAO Jin, DONG Heng, SUI Fu, XU Ting-ting, ZENG Fan-suo

(College of Life Sciences,Northeast Forestry University,Harbin Heilongjiang 150040,P.R.China)

Betulaplatypyllaseed and seedling were treated with artificial UV-B (25μw/cm2,50μw/cm2).To explore the impact of UV-B radiation onBetulaplatypyllaseed germination and seedling growth,the paper studied germination rate,root length,and measured the content of MDA,NO and ROS and the activity of SOD and POD.Seed germination was influenced by UV-B radiation significantly.The germination rate of 25μw/cm2and 50μw/cm2treatment decreased by 10% and 16%,respectively,comparing with control group.The growth of root length was inhibited,with 6% and 32% lower than control.With the increase in UV-B intensity and treating time,the content of MDA ascended significantly,and the activity of SOD and POD were enhanced at first (before 10h),then descended.The content of NO in 25μw/cm2and 50μw/cm2treatment group increased significantly,with 96.32%,92.94% higher than control group.At the same time,the content of H2O2increased significantly under UV-B radiation by 64.92%,20.43% respectively higher than control group.But after 5 hours,the content of H2O2under 50μw/cm2treatment was 1.5 times more than that of under 25μw/cm2treatment.The results show that the seed germination and seedling growth ofBetulaplatypyllawere inhibited by the UV-B radiation.NO and ROS were involved in the process of UV-B radiation signal transduction inBetulaplatypylla.

Betulaplatypylla; seed germination; seedling growth; UV-B radiation

10.16473/j.cnki.xblykx1972.2016.06.012

2016-01-08

国家级大学生创新项目(201410225020)。

高晋(1993-)，男，主要从事植物基因工程研究。E-mail：806671695@qq.com

简介：曾凡锁(1980-)，男，副教授，博士，主要从事林木遗传育种和生物技术研究。E-mail：zengfansuo@126.com

S 792.153

A

1672-8246(2016)06-0068-05