He-Ｎe激光對紫外線-B輻射花生種子的生物學效應

摘要：采用Ｈｅ－Ｎｅ激光輻射方法，對紫外線－Ｂ輻射下，花生幼苗在生長發(fā)育、生理生化等方面的損傷修復效應，從個體、細胞、ＤＮＡ分子等水平上進行了試驗和分析。主要闡明了Ｈｅ－Ｎｅ激光在植物生長和細胞分子損傷修復過程中所起的促進作用，以及激光促進生長和修復的途徑、方式和作用機理。

關鍵詞：花生；Ｈｅ－Ｎｅ激光；紫外線－Ｂ；輻射；生長；修復

中圖分類號：Ｓ５６５．２文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０11）09－1749-03

Ｔｈｅ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｈｅ－Ｎｅ Ｌａｓｅｒ ｏｎ Ultraviolet-B Radiated Ｐｅａｎｕｔ Ｓｅｅｄ

ＧＡＯ Ｘｉａｏ－ｌｉｎｇ，ＬＡＩ Ｌｉｎ，XU Xiao-yan，ＦＥＮＧ Ｈｏｎｇ

（Ｓｉｃｈｕａｎ College of Education，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１１1３０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｅｓｔｓ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗｅｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｏｎ levels of ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ， ｃｅｌｌ ａｎｄ ＤＮＡ ｍｏｌｅｃｕｌｅ ｏｆ ultraviolet-B radiated ｐｅａｎｕｔ ｓｅｅｄｌｉｎｇ ｔｏ ｅｘｐｌｏｒｅ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｈｅ－Ｎｅ ｌａｓｅｒ ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ ｏｎ ｉｎｊｕｒｙ ｒｅｐａｉｒ from ｇｒｏｗｔｈ， ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ， ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ａｓｐｅｃｔｓ． Ｔｈｅ ｐｒｏｍｏｔｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｈｅ－Ｎｅ ｌａｓｅｒ ｏｎ ｐｌａｎｔ ｇｒｏｗｔｈ ａｎｄ ｉｎｊｕｒｙ ｒｅｐａｉｒ ｏｆ ｃｅｌｌｓ ａｎｄ ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｔｈｅ pathway， ｐａｔｔｅｒｎ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｍｏｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｐｅａｎｕｔ （Ａｒａｃｈｉｓ ｈｙｐｏｇａｅａ Ｌ．）； Ｈｅ－Ｎｅ ｌａｓｅｒ； ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ－Ｂ； ｒａｄｉａｔｉｏｎ； ｇｒｏｗｔｈ； ｒｅｐａｉｒ

由于大氣臭氧層變薄，導致到達地表的紫外線－Ｂ輻射量持續(xù)增強，對生物及農(nóng)作物產(chǎn)生了廣泛的影響。目前已證明絕大多數(shù)植物已受到紫外線－Ｂ輻射不同程度的傷害，成為越來越受關注的全球環(huán)境問題之一?；ㄉ俏覈饕挠土献魑?，被廣泛種植，但由于受到紫外線－Ｂ輻射的影響，長期以來其產(chǎn)量受到制約。激光生物學效應是指在激光作用下生物體所產(chǎn)生的生物化學反應，光能的吸收可促進某些生化反應，促進植物細胞有絲分裂，提高抗氧化酶和光修復酶的活性，促進ＤＮＡ的修復［１］。同時，促進植物進行光合作用，提高植物的水分吸收率、葉綠素含量及蛋白質(zhì)合成效率，利于植物生長。

本試驗的目的主要是尋找由于紫外線－Ｂ輻射對植物傷害的一種新的解決途徑，試圖利用Ｈｅ－Ｎｅ激光輻射來探索這一問題，通過Ｈｅ－Ｎｅ激光處理植物來防護和修復增強的紫外線－Ｂ輻射對植物的傷害，同時促進植物的生長，從而為農(nóng)作物增產(chǎn)尋求新的途徑。

１材料與方法

１．１材料

選取來自山東省優(yōu)質(zhì)花生新品種花育１６種子１５０粒，分為３個處理組：單純紫外線－Ｂ處理組、紫外線－Ｂ與Ｈｅ－Ｎｅ激光復合處理組和對照組，每組５０粒。

１．２試驗方法

第一組單純用紫外線－Ｂ輻射花生種子，由蘇州技高電子科技有限公司生產(chǎn)的紫外輻射計（波長為２８０～３２０ ｎｍ），輻射強度為３０Ｗ／ｍ２，輻射花生種子胚，輻射時間分別為１０ ｓ，２０ ｓ，３０ ｓ，４０ ｓ，５０ ｓ；第二組先經(jīng)過紫外線－Ｂ處理，然后用西北大學光電研究所制造的Ｈｅ－Ｎｅ激光器（ＭＳＨＮ－Ａ－Ｂ４５０ＭＭ波長為６３２．８ｎｍ），輸出功率３０ｍＷ，光班直徑６ ｍｍ，直射植物種子的胚，種子與激光束的夾角為９０°；第三組花生種子不經(jīng)過輻射處理作為對照。

１．３種子萌發(fā)

以上３種處理過的花生種子經(jīng)表面消毒后，再用２８℃清水浸泡３ ｄ。取大田２０ ｃｍ的上表土，過篩去除大塊土粒及植物殘體，土壤充分混合均勻。選取大小及出芽情況一致的種子播于直徑２５ ｃｍ、高２５ ｃｍ的花盆中，每盆２株，放在玻璃溫室中自然光照下培養(yǎng)，溫度２３～３２℃，培養(yǎng)３０ ｄ。觀察３個試驗組的花生種子萌發(fā)、生長情況，記載花生株高、葉片生長情況及地上部分干重。

１．４花生根尖細胞的染色體效應試驗

?。唇M處理的花生根尖，用０．１％秋水仙素于室溫下處理２～３ ｈ，轉(zhuǎn)入卡諾氏固定液（甲醇∶冰醋酸＝３∶１，Ｖ／Ｖ）中室溫下固定３～４ ｈ；固定后的材料可用體積分數(shù)為７０％酒精保存。制片前將材料取出于離析液（濃鹽酸∶９５％乙醇＝１∶１，Ｖ／Ｖ）中解離４～５ ｍｉｎ，用蒸餾水洗滌后漂洗１５ ｍｉｎ，取出切取根尖生長點用改良石炭酸品紅染液染色１０～１５ ｍｉｎ后壓片，鏡檢，觀察細胞染色體畸變情況。每處理分別取根尖１０根以上進行制片，觀察細胞不少于１ ０００個，記錄花生發(fā)芽率、分裂指數(shù)和染色體畸變率。

２結(jié)果與分析

２．１紫外線－Ｂ輻射對花生生長的影響

由試驗結(jié)果看出，花生種子隨著紫外線－Ｂ輻射時間的增加，花生生長抑制作用明顯增強，其平均株高、葉片數(shù)量和地上部干重明顯降低。從表１看出，隨著輻射時間的延長，經(jīng)紫外線－Ｂ輻射后的平均株高逐漸降低，但卻未達到顯著水平。紫外線－Ｂ處理２０ ｓ以后，葉片總數(shù)與對照葉片總數(shù)的差異達到顯著水平。紫外線－Ｂ輻射對花生地上部分干重的影響十分明顯，從輻射２０ ｓ開始，干重與對照相比已達到顯著水平，有些處理間的差異也達到顯著水平，隨著紫外線－Ｂ輻射時間的增加，干重減少量增加?；ㄉN子經(jīng)過紫外線－Ｂ輻射后，生長減弱，花生葉片數(shù)量和地上部干重逐漸降低，輻射時間越長這種減少的趨勢越明顯。因此可以看出，紫外線－Ｂ輻射對花生生長有明顯的抑制作用［２］。

２．２紫外線－Ｂ加Ｈｅ－Ｎｅ激光復合處理對花生的效應

根據(jù)試驗可知，單獨紫外線－Ｂ處理花生種子，其發(fā)芽率明顯降低，而由紫外線－Ｂ加Ｈｅ－Ｎｅ激光復合處理的花生種子發(fā)芽率明顯高于單純紫外線－Ｂ處理組；經(jīng)過紫外線－Ｂ輻射后的花生種子細胞分裂指數(shù)明顯降低，隨著輻射時間的加長，細胞的分裂指數(shù)隨之降低，但加了Ｈｅ－Ｎｅ激光處理后，細胞分裂指數(shù)明顯提高。花生染色體的畸變效應，隨著紫外線－Ｂ輻射時間的增長，總畸變率明顯增加，而紫外線－Ｂ加Ｈｅ－Ｎｅ激光復合處理組的染色體畸變率明顯低于單純紫外線－Ｂ處理組（表2）。說明Ｈｅ－Ｎｅ激光照射促進了細胞的分裂，Ｈｅ－Ｎｅ激光輻射對受損植物具有修復作用［３］。

２．３Ｈｅ－Ｎｅ激光輻射對損傷植物的修復作用

２．３．１Ｈｅ－Ｎｅ激光輻射對植物細胞ＤＮＡ的影響根據(jù)進一步的試驗研究，發(fā)現(xiàn)植物幼苗受到紫外線－Ｂ輻射損傷時，其中植物ＤＮＡ是紫外線－Ｂ輻射損傷的主要靶目標之一。ＤＮＡ受到傷害時，在相鄰的兩個堿基之間形成二聚體。Ｔ４核酸內(nèi)切酶Ｖ能特異識別環(huán)丁烷嘧啶二聚體（ＣＰＤ），并在該損傷位點切斷磷酸二醋鍵，造成單鏈斷裂。因此，ＣＰＤ上的磷酸二醋鍵是Ｔ４核酸內(nèi)切酶Ｖ的敏感位點ＥＳＳ，以其ＥＳＳ的產(chǎn)生和消失作為ＣＰＤ生成及被修復的指標［４］。從試驗結(jié)果可知，增強的紫外線－Ｂ輻射，ＣＰＤ的數(shù)量明顯提高，從而說明紫外線－Ｂ輻射導致了植物ＤＮＡ的傷害。研究表明，當ＤＮＡ受紫外線－Ｂ輻射形成ＣＰＤ后，光修復酶利用藍光和近紫外光作為能量，使二聚體分解成單體，完成修復作用。因此，它在植物傷害修復中是一個非常重要的酶。同時，植物在白天光照下進行修復，并不能完全修復ＣＰＤ，而在黑暗中修復更慢。然而用Ｈｅ－Ｎｅ激光處理紫外線－Ｂ輻射損傷的植物，ＤＮＡ上的ＣＰＤ能迅速變成單體。同時發(fā)現(xiàn)，Ｈｅ－Ｎｅ激光可顯著提高光修復酶的活性。Ｈｅ－Ｎｅ激光對植物酶活性的提高已有大量的報道，Ｈｅ－Ｎｅ激光對酶的刺激作用已為人們所公認。因此，光修復酶也毫無例外地被Ｈｅ－Ｎｅ激光刺激而使其活性增強。

２．３．２Ｈｅ－Ｎｅ激光輻射對ＭＤＡ的影響ＭＤＡ是膜脂質(zhì)過氧化的主要產(chǎn)物之一，它可與細胞膜上的蛋白質(zhì)、酶等結(jié)合、交聯(lián)使之失活，從而破壞生物膜的結(jié)構(gòu)與功能，是有細胞毒性的物質(zhì)，對許多生物大分子均有破壞作用。花生種子的ＭＤＡ含量在紫外線－Ｂ輻射和Ｈｅ－Ｎｅ激光輻射復合處理下接近對照，而在紫外線－Ｂ單獨輻射作用下都升高，在單獨Ｈｅ－Ｎｅ激光輻射處理下均降低。說明紫外線－Ｂ輻射加速了膜脂質(zhì)過氧化，而Ｈｅ－Ｎｅ激光輻射使之減弱，二者共同作用時相互平衡，起到修復作用。

２．４Ｈｅ－Ｎｅ激光輻射對植物生長的促進作用

２．４．１Ｈｅ－Ｎｅ激光輻射對植物水分利用效率的影響紫外線－Ｂ處理花生的水分利用效率要比對照低３８％，說明紫外線－Ｂ輻射顯著降低了花生的水分利用效率。經(jīng)Ｈｅ－Ｎｅ激光輻射后，花生的水分利用效率恢復到與對照相當?shù)乃?。同時，延長Ｈｅ－Ｎｅ激光輻射時間和輻射密度，導致花生的水分利用效率比對照高，說明Ｈｅ－Ｎｅ激光輻射對紫外線－Ｂ輻射損傷花生水分利用效率有著明顯的恢復作用。

２．４．２Ｈｅ－Ｎｅ激光輻射對植物葉綠素含量的影響從試驗中可知，當紫外線－Ｂ輻射劑量增高時，花生的光合速率逐漸降低，說明高劑量的紫外線－Ｂ對光合速率有明顯的抑制作用［５］。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，紫外線－Ｂ輻射抑制光合作用，主要原因是使光系統(tǒng)ＩＩ（ＳＰＩＩ）反應中心失活，降低了Ｒｕｂｉｓｃｏ的活性，Ｈｅ－Ｎｅ激光輻射可以為光合作用提供充足的原料，而且可提高ＲｕＢＰ羧化酶活性，增強光合作用對ＣＯ２的固定能力，與此同時，ＣＯ２升高還抑制了ＲｕＢＰ加氧酶的活性，從而減少光呼吸底物乙醇酸的合成，降低了植物的光呼吸強度，最終有利于提高光合速率。

３小結(jié)

Ｈｅ－Ｎｅ激光對紫外線－Ｂ輻射具有防護作用。經(jīng)紫外線－Ｂ加Ｈｅ－Ｎｅ激光復合處理后的花生種子其發(fā)芽率、細胞分裂指數(shù)明顯高于單純紫外線－Ｂ處理，其染色體畸變率大大低于單純紫外線－Ｂ處理組。試驗結(jié)果表明，采用Ｈｅ－Ｎｅ激光輻射方法，對紫外線－Ｂ輻射下花生幼苗在生長、發(fā)育、生理、生化等方面都具有明顯的損傷修復效應。

Ｈｅ－Ｎｅ激光輻射具有顯著的提高酶活性的作用，促使植物體內(nèi)調(diào)用大量抗氧化酶來清除活性氧自由基，使自由基－抗氧化酶之間恢復動態(tài)平衡。Ｈｅ－Ｎｅ激光輻射使花生發(fā)芽率提高，使幼苗的氣孔導度升高，幼苗的水分利用率、光合速率升高，而且花生經(jīng)紫外線－Ｂ輻射損傷后再經(jīng)Ｈｅ－Ｎｅ激光修復，其氣孔導度、水分利用率、光合速率和葉綠素含量均得到較好的恢復［６］。紫外線－Ｂ輻射引起花生ＤＮＡ損傷后，再經(jīng)過Ｈｅ－Ｎｅ激光輻射，能直接打斷ＣＰＤ二聚體之間的共價鍵，使二聚體分解成單體，從而形成一種斷鍵修復方式。

參考文獻：

［１］ 歐琳，陳榮，林彤，等． 激光輻照對花生種子的細胞生物學效應［Ｊ］.激光生物學報，２００１（１）：８２－８４．

［２］ 王海霞，叢鵬，劉漢柱，等． 植物對增強ＵＶ－Ｂ輻射的防御機制研究進展［Ｊ］.西北植物學報，２００７（７）：２１３－２１９．

［３］ 晏斌，戴秋杰．紫外線Ｂ對水稻葉組織中活性氧代謝及膜系統(tǒng)的影響［［Ｊ］．植物生理學報，１９９６，２２（４）：３７３－３７８．

［４］ 王勛陵．增強紫外Ｂ輻射對植物及生態(tài)系統(tǒng)影響研究的發(fā)展趨勢［Ｊ］． 西北植物學報， ２００２，２２（３）：６７０－６８１．

［５］ 歐琳，陳榮， 肖華山， 等． 激光輻照花生種子的生物學效應［Ｊ］．光電子激光，２００１，１２（７）：７５１－７５３．

［６］ 楊毓峰，袁紅旭． 紫外線ＵＶ－Ｂ輻照花生的生物效應［Ｊ］． 西南農(nóng)業(yè)大學學報，２００１（４）：６８－７１．