钙缓解紫外辐射对蚕豆幼苗的毒害效应研究

周　琳，杨晓琳，苏闪闪，王静宇，包倩倩，杨甜甜，赵锦慧

(周口师范学院 生命科学与农学学院，河南 周口 466001)

近年来由于大量污染物排放的增多，大气臭氧层遭到了严重的破坏，地球失去了臭氧层的保护，紫外辐射对地球上的生命产生了危害．如果不能有效控制这种状况，到2075 年大气臭氧层将减少40%[1]，国际科学界已经开始关注因臭氧层被破坏导致的紫外辐射的增强．据相关研究表明，紫外辐射过强会对植物乃至整个生物圈带来无法预想的危害[2-3]，植物的生长受到了抑制，长久下来也会给人类的生存带来威胁．本实验借鉴逆境植物生理学中的钙调控理论[4]，以蚕豆嫩苗为研究对象，探究不同浓度钙对紫外辐射条件下蚕豆嫩苗生理指标的影响，旨在探索紫外辐射对植物造成伤害的缓解途径．

1　材料与方法

1.1　实验材料

颗粒饱满的蚕豆种子．

1.2　仪器

紫外灯、离心机、电子天平等．

1.3　实验方法

1.3.1氯化钙溶液配制

用电子天平称取一定量的氯化钙，配制出2 mmol/L和6 mmol/L的氯化钙溶液．

1.3.2蚕豆种子消毒、萌发及嫩苗的培养

用5%的次氯酸钠将蚕豆种子浸泡30 min，清洗干净，浸泡24 h，将其分别移至铺有滤纸的托盘中，上面覆盖一层滤纸，在室温下培养，并喷洒蒸馏水催芽，培养4 d后，将蒸馏水改为培养液进行培养，直到长出4～6片叶子．

1.3.3实验处理设置

将长出4～6片真叶的蚕豆嫩叶分为1个对照组和6个处理组．对照组置于正常条件下培养；处理组1为蚕豆嫩苗每天紫外照射4 h，处理1 d；处理组2为蚕豆嫩苗紫外照射4 h，持续处理3 d；处理组3为蚕豆嫩苗每天紫外照射4 h，处理1 d，辐射结束后叶面喷洒浓度为2 mmol/L的氯化钙溶液；处理组4为蚕豆嫩苗每天紫外辐射4 h，处理1 d，辐射结束后叶面喷洒6 mmol/L的 氯化钙溶液；处理组5为蚕豆嫩苗每天紫外辐射4 h，连续处理3 d，辐射结束后叶面喷洒2 mmol/L 的氯化钙溶液；处理组6为蚕豆嫩苗每天紫外辐射4 h，连续处理3 d，辐射结束后叶面喷洒6 mmol/L的氯化钙溶液．紫外辐射上午8:00开始，12:00结束，叶面喷洒氯化钙溶液中午12:00进行，喷洒时以叶面无液滴滴落为宜，注意每盘每次喷洒量保持一致．各处理组培养结束后将嫩苗恢复培养1 d，而后取叶片测定蚕豆嫩苗中游离脯氨酸含量、丙二醛(MDA)的生成量、可溶性蛋白合成量以及过氧化物酶(POD)活性等生理指标．

1.3.4生理指标测定方法

叶绿素含量的测定：利用分光光度法[5]测定叶绿素合成量，用95%乙醇提取蚕豆嫩叶中的叶绿素，每个处理均设置重复(3个)，叶绿素含量用平均值表示，下列所测指标表示方法相同．

游离脯氨酸含量的测定：利用酸性茚三酮法[6]．

丙二醛含量的测定：利用硫代巴比妥酸法[7]．

可溶性蛋白含量的测定：利用考马斯亮蓝法[8]．

过氧化物酶(POD)活性的测定：利用愈创木酚比色法[8]．

可溶性糖含量的测定：利用蒽酮法[8]．

2　结果与分析

2.1　蚕豆嫩叶中叶绿素合成量在各种处理下受到的影响

表1　蚕豆嫩叶中叶绿素的生成量

表1是蚕豆嫩叶中叶绿素合成量在各种处理下受到的影响．在紫外光照射下，蚕豆嫩叶中叶绿素合成受到抑制，叶绿素的合成量下降，辐射时间越长，下降越多．辐射后如果喷洒不同浓度的氯化钙，则叶绿素合成量有所上升，其中喷洒6 mmol/L的氯化钙叶绿素含量变化更明显．由表1可知，6 mmol/L的氯化钙对紫外照射下蚕豆嫩叶的缓解作用要强于 2 mmol/L对其的缓解．

2.2　蚕豆嫩叶中丙二醛生成量在各种处理下受到的影响

表2显示的是蚕豆嫩叶中丙二醛生成量的变化．受到紫外辐射后，MDA生成量与对照比较增加，并且MDA生成量与胁迫时间成正比．蚕豆嫩叶在紫外辐射等恶劣环境中细胞自身会产生丙二醛，丙二醛含量超过一定量会使细胞膜系统受损害[9]．实验结果也证明了这一点，紫外辐射胁迫会使膜系统受到伤害，胁迫时间越长，膜系统所受到的伤害越大．胁迫后喷洒不同浓度的氯化钙，则蚕豆嫩叶中的丙二醛生成量都有所降低，这说明钙能够减轻紫外辐射对蚕豆叶片中磷脂的伤害．

表2　蚕豆嫩叶中丙二醛的生成量

2.3　蚕豆嫩叶中脯氨酸合成量在各种处理下的影响

表3　蚕豆嫩叶中脯氨酸的生成量

实验结果如表3，紫外胁迫组及紫外胁迫+氯化钙组与对照相比较，蚕豆嫩叶中游离脯氨酸合成量均增加，喷洒氯化钙的实验组游离脯氨酸合成量增加更明显．这说明钙能促进蚕豆体内游离脯氨酸的合成，而脯氨酸是调节渗透平衡的物质，因此蚕豆嫩苗细胞的渗透调节能力会增强，使植物增强对外界的抵抗能力．

2.4　 蚕豆嫩叶中可溶性蛋白的合成在不同条件下受到的影响

表4显示了紫外光照射对蚕豆嫩叶中可溶性蛋白合成的影响，紫外胁迫实验组与对照组相比可溶性蛋白合成量减少，外施氯化钙后，可溶性蛋白合成量虽有所提高，但基本上未达到对照组水平．蛋白质是生命活动的主要承担者，它主要在植物嫩苗期合成．有研究表明，植物细胞内基因表达水平和蛋白质合成对强UV-B 辐射更为敏感[10]．本实验结果表明，紫外辐射对蚕豆嫩叶中可溶性蛋白合成确实有一定的破坏作用，并且辐射剂量与破坏程度呈正比，喷洒氯化钙后可缓解这种破坏，说明钙能够缓解紫外辐射对蚕豆嫩叶的伤害．

表4　蚕豆嫩苗可溶性蛋白的合成量

2.5　蚕豆嫩叶中可溶性糖合成量在各种处理下受到的影响

表5　蚕豆嫩叶中可溶性糖的生成量

表5显示了不同处理对蚕豆嫩叶中可溶性糖生成量的影响．紫外胁迫下可溶性糖生成量减少，并且减少程度与辐射程度呈正比，喷洒氯化钙后，可溶性糖生成量虽有所提高，但未达到对照组水平．这说明钙能有效减轻紫外辐射对蚕豆嫩苗生长的抑制作用．

2.6　蚕豆嫩叶中过氧化物酶活性在紫外照射下受到的影响

表6　不同条件下蚕豆嫩叶中过氧化物酶活性

表6实验数据显示，各处理组POD活性与正常培养下的蚕豆嫩叶中POD活性比较明显上升，其中紫外辐射1 d下，POD活性增加了6.7%；紫外辐射3 d下，POD活性增加了8.6%；紫外辐射1 d + 2 mmol/L氯化钙处理下，POD活性增加了7.7%；紫外辐射1 d + 6 mmol/L氯化钙处理下，POD活性增加了8.3%；紫外辐射3 d + 2 mmol/L氯化钙处理下，POD活性增加了16.4%；紫外辐射3 d + 6 mmol/L氯化钙处理下，POD活性增加了19.4%．因此钙能够提高植物的抗逆性．

3　结论与讨论

3.1　结论

本探究结果表明：蚕豆嫩苗叶片叶绿素、可溶性糖生成量在紫外照射下下降，可溶性蛋白合成量降低，游离脯氨酸和丙二醛生成量增加，过氧化物酶活性增强．外施不同浓度的氯化钙后，叶绿素、可溶性蛋白、可溶性糖及游离脯氨酸含量都有不同程度的增加，过氧化物酶活性有不同程度的增强，但丙二醛生成量有不同程度的降低．

3.2　讨论

大量研究显示，紫外辐射等逆境条件对植物的生长、发育会产生不良影响[11-12]．本实验的研究结果表明：蚕豆经6 mmol/L的钙离子处理，其生理特征与正常处理的更接近，这说明钙能够使蚕豆叶片中叶绿素含量增加，促进植物的生长．蚕豆进行光反应需要叶绿素的参与，在光照、二氧化碳含量一定的条件下，植物进行光合作用的速率与叶绿素有关．

植物在逆境下遭到损伤后体内活性氧的积累、损伤和活性氧的种类会引起膜脂过氧化物产物丙二醛的产生．本实验结果表明，蚕豆嫩叶中丙二醛的生成量在紫外胁迫下明显增加，但是蚕豆嫩叶在喷洒不同浓度的氯化钙后丙二醛的生成量下降，这说明钙能够抑制丙二醛的生成，使植物的膜系统免受伤害．

蚕豆嫩叶在紫外辐射条件下，游离脯氨酸生成量增加，并且与辐射时间成正比，辐射后喷洒氯化钙，游离脯氨酸生成量继续增加，这说明钙能促进脯氨酸的合成，这与洪法水[13]等研究结果相似．

蛋白质是生物体内的重要物质．本实验结果显示，在紫外辐射条件下，蚕豆嫩苗中可溶性蛋白含量下降，用不同浓度氯化钙溶液处理蚕豆嫩苗后，可溶性蛋白生成有所增加，并且与辐射时间呈正比．蛋白质是重要的酶类物质，它能够参与细胞内的多种化学反应，对植物的生长有重要的作用．

糖类是植物的主要养分物质，而且糖类是光合作用的产物．本实验结果显示，紫外辐射下蚕豆嫩苗叶片中可溶性糖合成量降低，并且辐射剂量越大，可溶性糖含量越低，这可能是由于紫外辐射处理后，蚕豆嫩苗叶片中叶绿体的类囊体薄膜遭到毁坏，光合速率下降，导致糖类无法正常积累．

过氧化物酶是保护植物生长发育的一种酶类，由表6可知，蚕豆嫩叶在紫外辐射下体内的过氧化物酶活性升高，这是植物自身的保护机制．在处理组中分别施加了不同浓度的氯化钙，结果显示蚕豆嫩叶中POD活性进一步提高，这可减少外界环境对蚕豆的伤害．

由于近年来工业的迅速发展，污染物大量排放，严重破坏了大气中的臭氧，据统计，过去20 年中，全球范围内的臭氧浓度减少了2%～3%，紫外辐射增强的全球性环境问题日趋严重，所以研究钙防御紫外照射对植物生命活动的影响具有重要的意义．

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