JournalofJilinNormalUniversity(NaturalScienceEdition)
吉林师范大学学报(自然科学版)Vol.40ꎬNo.4Nov.ꎬ2019
doi:10.16862/j.cnki.issn1674 ̄3873.2019.04.019
UV ̄B胁迫对植物抗氧化酶活性的影响
吕 杰ꎬ王 超ꎬ刘 璐ꎬ徐洪伟∗
(吉林师范大学吉林省植物资源科学与绿色生产重点实验室ꎬ吉林四平136000)
摘 要:随着污染物质尤其是氧化氮和氟氯烃等的排放、扩散ꎬ臭氧层被不断遭到破坏ꎬ以至于UV ̄B辐射大量到达地面.尽管近年来的研究发现UV ̄B(280~320nm)实际上可以对许多水果ꎬ蔬菜和观赏作物的性能和营养质量产生许多有益的影响ꎬ但大多数研究表明增强UV ̄B辐射对作物有害.增强的UV ̄B辐射对生态系统及动植物的生长发育都有抑制效应ꎬ尤其是需要光源进行光合作用的植物.在长期进化下ꎬ植物对UV ̄B辐射形成了相应的响应机制:其中一条重要途径就是利用酶系统来修复或降低损伤ꎬ来维持正常的生理活动.本文研究了植物抗氧化酶系统对UV ̄B胁迫的响应机制及相关酶活性变化规律ꎬ并对今后植物响应UV ̄B辐射进行了展望.
关键词:UV ̄B辐射ꎻ抗氧化酶ꎻ植物
中图分类号:S567.71 文献标志码:A 文章编号:1674 ̄3873 ̄(2019)04 ̄0113 ̄05
0 引言
400nm)、影响生物生长发育的中波紫外线(UV ̄Bꎬ280~320nm)和具有超强灭生性的短波紫外线(UV ̄Cꎬ200~280nm)[1].其中ꎬ波长短于300nm的紫外辐射能被臭氧层吸收ꎬ因此只有UV ̄A和极少部分UV ̄B能到达地面[2].近年来环境污染导致臭氧层变薄甚至出现空洞ꎬ最终导致到达地面的辐射逐渐增强ꎬ尤其是UV ̄B辐射[3].异于正常环境水平值的UV ̄B辐射ꎬ能引起活性氧(ReactiveoxygenspeciesꎬROS)代谢失调ꎬ产生大量超氧化离子ꎬ从而加剧膜脂发生过氧化作用ꎬ最终引起膜结构损伤、损坏植物正常的生理功能[4].为适应环境的改变ꎬ植物经过长期进化ꎬ形成了感应胁迫的系统和有效的防御机制———抗氧化酶系统.抗氧化酶催化发生一系列的生理生化反应ꎬ不断清除过多的单线态氧(1O2)、超氧阴离子(O2-)、过氧化氢(H2O2)、羟自由基(OH)和过氧化物自由基(ROO)等ꎬ防止了活性氧的级联放大ꎬ保障植物细胞内各种生命代谢活动的正常进行[5].
CAT)、过氧化物酶(GuaiacolperoxidaseꎬPOD)、抗坏血酸专一性过氧化物酶(AscorbateperoxidaseꎬAPX)、谷胱甘肽过氧化物酶(GlutathioneperoxidaseꎬGSH ̄PX)、谷胱甘肽还原酶(GlutathionereductaseꎬGR)等.SOD是与超氧自由基结合进行特异性反应的首要物质ꎬ能够催化超氧阴离子(O2-)转化为过氧化氢(H2O2)和氧(O2).过氧化氢酶(CAT)是一种含血红素的蛋白酶ꎬ能催化光呼吸、线粒体电子传递及乙醛酸循环过程中脂肪酸β ̄氧化所产生的H2O2[6]ꎬ将其分解成H2O和O2.然而CAT不直接参与叶绿体内H2O2的分解过程ꎬ是以Halliwell ̄Asada反应来消除H2O2[7].CAT对光十分敏感ꎬ因此在光照下的条件极易发生光失活.当CAT酶活性下降时ꎬ就会导致H2O2积累ꎬ进而损害植物体的生命系统.过氧
收稿日期:2019 ̄09 ̄09
基金项目:国家自然科学基金项目(31070224)
第一作者简介:吕 杰(1988—)ꎬ女ꎬ内蒙古自治区包头市人ꎬ讲师ꎬ博士.研究方向:植物分子生物学.∗通讯作者:徐洪伟(1964—)ꎬ男ꎬ吉林省公主岭市人ꎬ教授ꎬ博士ꎬ硕士生导师.研究方向:基因工程.
紫外线(UltravioletꎬUV)按照波长大小可大致分为:生物作用较弱的长波紫外线(UV ̄Aꎬ320~
抗氧化酶系统主要包含:超氧化物歧化酶(SuperoxidedismutaseꎬSOD)、过氧化氢酶(Catalaseꎬ
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化物酶(POD)是一种氧化还原酶[8]ꎬPOD利用H2O2及类似物作为氧化剂生成H2Oꎬ来调节植物的生长发育ꎬ增强其对胁迫的抵抗能力[9].但是在胁迫后期ꎬ高活性的POD能参与活性氧的生成及叶绿素降解ꎬ对植物体表现为损伤效应[10].抗坏血酸过氧化物酶(APX)主要存在于叶绿体及胞质中ꎬ是清除过氧化氢的关键酶之一.APX在抗坏血酸—谷胱甘肽(AsA ̄GSH)循环中实现催化作用[11]ꎬAPX在循环中可催化还原抗坏血酸(AsA)ꎬAsA作为还原剂被H2O2氧化成单脱氢抗坏血酸(MDA)ꎬ同时将H2O2转化为H2Oꎬ进而维持了正常的光合作用.谷胱甘肽还原酶(GR)分布于叶绿体、细胞质和线粒体中ꎬ其中在叶绿体中基质含量最多.GR能和APX共同参与到AsA—GSH循环中ꎬ氧化型谷胱甘肽(GSSG)能在GR的催化作用下被还原为还原型谷胱甘肽(GSH)ꎬ保持较高的GSH/GSSG比率[12]ꎬ确保足量的还原型谷胱甘肽参与到清除活性氧的过程中ꎬ这对植物缓解氧胁迫、保护机体起到重要作用.植物体内的谷胱甘肽过氧化物酶(GSH ̄PXꎬGPX)与GR的催化相反ꎬGPX能够催化GSH氧化为GSSGꎬ并清除活性氧[13].
近年来的研究资料表明ꎬUV ̄B胁迫下植物抗氧化酶系统的变化不尽相同.在同一机体内ꎬ同种抗
氧化酶活性随胁迫条件不同而处于动态变化的过程ꎬ且不同抗氧化酶的活性在相同条件下也存在差异ꎻ在不同机体内ꎬ同种酶有的活性升高、有的活性降低ꎬ不同种酶的活性变化趋势既有相同的又有不同的.但总体上来说ꎬ是向着维持植物体内均衡的生理生化水平方向发展.本文介绍了增强UV ̄B辐射下的植物中抗氧化酶的活性变化规律及其响应机制.
1 实验
1.1 植物材料
(Arabidopsisthaliana)ꎬ麻花艽(GentianastramineaMaxim.).
小麦(TriticumaestivumL.)ꎬ高粱(SorghumbicolorL.)ꎬ烟草(NicotianatabacumL.)ꎬ拟南芥
1.2 试验设计
本研究共包括两个处理ꎬ(1)CK(UV ̄B辐射为正常环境强度)和增强UV ̄Bꎬ每个处理设置3次重复.(2)UV ̄B辐射强度与辐射时长及植物苗龄见表1.挑选植物相同部位为试材ꎬ测定各植物的超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化氢酶(CAT)活性、过氧化物酶(POD)活性、抗坏血酸(APX)含量、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH ̄PX)、谷胱甘肽还原酶(GR)等相关生理生化指标[14 ̄15].
2 结果与讨论
2.1 UV ̄B辐射时长对抗氧化酶系统的影响
这一过程中ꎬ抗氧化酶系统的活性会呈现出不同的变化规律.通过表1可以看出ꎬ随着辐射时间的延长ꎬ同一植物体内SOD、CAT、POD、APX、GPX、GR等抗氧化酶对UV ̄B辐射的响应存在显著差异.
在高粱对UV ̄B辐射响应的实验中ꎬ不同时间的各种抗氧化酶活性均发生了变化ꎬAPX和GPX活性最先上升ꎬ随着辐射时间增长ꎬ其他酶类:SOD、CAT、GR等活性均先下降后上升ꎬ而POD含量先下降再上升最后活性又有降低.薛盈文等[18]认为可能是轻微胁迫下ꎬ少量活性氧作为信号分子调节代谢过程ꎬ或是已经通过其他途径被清除.随着胁迫强度提高ꎬROS逐渐增多且抗氧化酶被激活.当UV ̄B辐射到达一定剂量时ꎬ酶蛋白结构被破坏或者细胞受到损伤ꎬ导致部分酶活性下降.
拟南芥中CAT含量先增加后减少ꎬ其他酶含量均下降ꎬ表明CAT在UV ̄B辐射胁迫的调节下起主要作用.同样在杨璐等[17]做的大豆实验中发现ꎬUV ̄B胁迫下SOD活性先升高后降低ꎬ其他酶活性均下降.可能是由于初期ROS代谢速率增加ꎬ诱导产生大量CAT或SODꎬ因此后期的ROS含量减少ꎬCAT或SOD活性相对降低.
根据表1的数据可得ꎬ烟草内SOD、POD及麻花艽体内SOD、POD、APX活性均随UV ̄B辐射增强而
UV ̄B辐射胁迫植物的时间越长ꎬ对植物的影响越大ꎬ也就是说UV ̄B辐射的影响具有累积效应[16].在
上升.表明UV ̄B辐射可以通过提高植物的抗氧化系统的活性来提高抗氧化能力.然而植物的抗氧化酶系统的防御能力是有限的ꎬ当胁迫到达一定程度时ꎬ防御系统可能会出现一系列故障ꎬ抗氧化能力降低ꎬ最终对细胞产生毒害作用.
第4期吕 杰ꎬ等:UV ̄B胁迫对植物抗氧化酶活性的影响
表1 UV ̄B胁迫下植物抗氧化酶活性的变化
Table1 ChangesinantioxidantsactivitiesofplantsubjectedtoUV ̄Bradiation
UV ̄B
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场所材料生育期分枝期增强/%105.00105.00105.00105.00294.98UV ̄B
辐射强度/(Wm-2)0.320.320.320.320.40辐射
抗氧化酶
参考文献
时长/hSOD/%CAT/%POD/%APX/%GPX/%GR/%999912315.5015.604.106.8081.00—12.8016.908.0025.00—2.308.446.1127.9418.2224.5014.508.103.1315.308.2011.1014.6032.003.802.092.550.090.262.692.385.043.483.440.750.530.93室外(GlycinemaxMerr.)大豆开花期结荚期鼓粒期[17]室内(TriticumaestivumL.)小麦第3片真叶完全展开[18]室内(SorghumbicolorMoench)高粱两叶一心294.980.4061211232410241088916.2225.1939.4714.9138.19—4.658.3210.3816.4213.8215.02[19]室内(NicotianatabacumL.)拟南芥烟草还苗期3849.724.000.5[16]—23.0817.3132.70室内(Arabidopsisthaliana)出苗24d29868.5030.3544.4543.9146.2921.91[5]1157.2361.62166.61室内(GentianastramineaMaxim.)麻花艽两年生第2片成熟叶215.970.272594.5294.20276.33118.291509.0392.73761.66120.241251.5694.851556.87148.921572.1766.41261.48118.761909.8479.12188.33152.561377.2185.56384.8794.2351.36195.0878.60309.36[20]0.32 注:红色代表显著升高ꎬ绿色代表显著降低ꎬ灰色代表没有显著性变化.2.2 植物种属对UV ̄B辐射效应的影响
将各实验数据进行对比后发现ꎬ同一种抗氧化酶在不同植物体内的变化具有差异性.在同样的UV ̄B辐射条件下ꎬ小麦POD活性上升而高粱的POD活性下降ꎻ小麦CAT活性变化不显著ꎬ高粱的CAT活性显著上升3.13%.因此ꎬ植物种属决定了其体内抗氧化酶对同一胁迫的不同响应(表1).
大豆及麻花艽的CAT活性在UV ̄B胁迫下降低ꎬ说明体内CAT对活性氧代谢平衡失调较为敏感ꎬ而在小麦和高粱体内CAT活性随胁迫的增强而升高.分析可知ꎬ植物抗氧化酶的敏感性因物种差异而有所不同(表1).
即使在同一植物体内ꎬ对UV ̄B的反应也略有差异.用剂量为0.27Wm-2的UV ̄B照射麻花艽ꎬ10h后ꎬ其机体内的POD活性上升ꎬ而0.32Wm-2照射下的POD活性反而降低.叶片的数目对植物的抗胁迫能力有一定影响ꎬ如:拟南芥在各发育年龄时期ꎬ反映总抗氧化能力的TEAC值随叶片数目增加(即年轻化)而降低ꎬ但结果并不显著ꎬ槲皮素和山奈酚浓度增高[21].同样ꎬ植物同一叶片内的差异性对UV ̄B响应的也很重要ꎬ同时包括“较老的远侧”叶片区和“较年轻的近侧”叶片区之间的差异ꎬ以及紫外线暴露较多的表面组织和暴露较少的叶肉组织之间的差异.
除此之外ꎬ植物对UV ̄B辐射的响应效率还取决于多种因素ꎬ如:光照强度、水分含量、温度变化、营养成分、土壤性质、遗传特性以及其他生物干扰因素.也就表明ꎬ各种因素会共同影响抗氧化酶的活性ꎬ
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共同调节植物机体内的代谢活动ꎬ响应效果因条件不同而发生改变.
3 结论和展望
负离子自由基(O2-)歧化产生过氧化氢和分子氧ꎬ随后由过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)等酶清谷胱甘肽还原酶(GR)通过AsA—GSH循环起作用:催化保持高水平的AsA、GSH值.APX是一种能直接清除ROS的抗氧化剂ꎬGSH在植物抗逆性中通过循环体系还原APX而实现抗氧化效能ꎬ两者起到藕联作用[22].APX和CAT虽然均能直接清除过氧化氢ꎬ但是对于过氧化氢的亲和力却不相同ꎬ表明在响应胁迫时具体分工不同.通过机体这一系类的生理生化反应ꎬ能够减少进而消除ROS对植物机体的毒害作用.
在UV ̄B胁迫下ꎬ为抵抗活性氧对植物体的危害ꎬSOD、CAT、POD、APX、GPX、GR等抗氧化酶活性会产生相应的改变.由于各种酶的作用机理不同ꎬ其在细胞内的活性变化趋势略有不同:有的酶对活性氧自由基敏感ꎬ其含量能在氧胁迫下快速地升高ꎻ有的酶活性降低ꎬ可能与其他酶的含量有关ꎬ或者是对UV ̄B胁迫不敏感ꎬ也可能是被UV ̄B辐射后破坏了其结构.适量的UV ̄B辐射能调节植物体内代谢过程ꎬ然而过量的UV ̄B辐射对抗氧化酶系统有抑制作用[1].因此UV ̄B辐射不仅是一种胁迫因子ꎬ更是作为一种信号分子参与到代谢的各个方面.
UV ̄B辐射剂量是影响植物的重要因素ꎬ然而不同的研究对UV ̄B辐射剂量的选择存在分歧ꎬ没有比较的标准ꎻ研究多集中于生育期较短的植物上ꎬ主要以幼苗为材料ꎬ对木本植物的研究相对较少ꎻUV ̄B胁迫实验时间相对较短ꎬ不能代表长期UV ̄B辐射胁迫下植物抗氧化酶系统的响应[23]ꎻ研究多在实验室内完成ꎬ与真实环境下有很大的区别ꎬ不能完全反映自然状态下植物抗氧化酶的活性变化.
目前有许多从基因层次上探究植物抗氧化酶系统响应机制的研究.在UV ̄B胁迫下ꎬ植物启用相应的分子途径调控基因的表达ꎬ但是响应机制比较复杂ꎬ是由多基因控制的ꎬ因此只从研究某单个方面是远远不够的[24]ꎬ揭示各种植物耐受UV ̄B辐射的遗传效应及分子机制任重道远.
伴随着人类生产生活的发展ꎬ臭氧层不断被破坏ꎬ到达地面的UV ̄B辐射增强已成必然.从分子水对比UV ̄B胁迫下植物抗氧化酶系统响应的相关实验ꎬ发现此方面的研究还有些许不全之处:UV ̄B辐射胁迫下ꎬ抗氧化酶系统中的超氧化物歧化酶(SOD)作为第一道防线ꎬ特异性的催化超氧
除H2O2及有机过氧化物等底物.其中ꎬ抗坏血酸过氧化物酶(APX)ꎬ谷胱甘肽过氧化物酶(GSH ̄PX)、
平上显示抗氧化酶及其同功酶作用机理ꎬ对开拓抗氧化酶新应用途径和领域有重要意义.如何利用其他物质来缓解或抑制逆境对植物的伤害ꎬ提高植物抗逆性ꎬ有效地促进植株良好发育ꎬ将是保护植物免受UV ̄B、干旱、高温等逆境胁迫的一个有效课题.
参 考 文 献
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AdvanceinresponseofantioxidantenzymesysteminplanttoUV ̄Bstress
LYUJieꎬWANGChaoꎬLIULuꎬXUHong ̄wei
(JilinProvincialKeyLaboratoryofPlantResourcesScienceandGreenProductionꎬJilinNormalUniversityꎬSiping136000ꎬChina)
Abstract:WiththeemissionanddiffusionofpollutantsꎬespeciallynitrogenoxidesandchlorofluorocarbonsꎬtheozonelayerisdestroyedorevenhollowedoutꎬresultinginalargeamountofUV ̄Bradiationreachingtheground.AlthoughseveralstudiesshowedthatUV ̄B(280—320nm)canactuallyhavemanybeneficialeffectsontheperformanceandnutritionalqualityofmanyfruitsꎬvegetablesandornamentalcropsꎬthemajorityshowedplantshaveformedcorrespondingresponsemechanismstoUV ̄Bradiation:oneoftheimportantwaysistouseofplantantioxidantenzymetoUV ̄BstresswerestudiedꎬandthefutureresearchonplantresponsetoUV ̄Bradiationwasprospected.
Keywords:UV ̄Bradiationꎻantioxidantenzymesꎻplants
(责任编辑:林险峰)
thatitisharmfulforcrops.TheenhancedUV ̄Bradiationinhibitsthegrowthanddevelopmentofecosystemsꎬanimalsandplantsꎬespeciallyplantsthatneedlightsourcesforphotosynthesis.Underlong ̄termevolutionꎬenzymesystemstorepairorreducedamagestomaintainnormalphysiologicalactivities.Inthispaperꎬresponses
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