赵天宏， 刘 波， 王 岩， 刘轶鸥， 赵超然， 杨 兴， 曹 莹

沈阳农业大学, 农学院, 沈阳 110866

UV-B辐射增强和O3浓度升高对大豆叶片内源激素和抗氧化能力的影响

赵天宏*， 刘 波， 王 岩， 刘轶鸥， 赵超然， 杨 兴， 曹 莹

沈阳农业大学, 农学院, 沈阳 110866

UV-B辐射增强; O3浓度升高; 复合胁迫; 内源激素; 大豆

近年来，由于大气中氮氧化物和含氧有机挥发物含量剧增，导致近地层大气O3浓度日益升高[1]，目前全球近四分之一的地区夏季O3浓度已超过60 nmol/mol[2]。同时，由于臭氧层的侵蚀和破坏日趋加重，使到达地面的紫外辐射增强[3]。据报道大气中臭氧每减少1%，地球表面的UV-B强度就会增加2%[4]。UV-B辐射增强和O3浓度升高能够对植物生长发育、形态建成、光合作用以及生理生化代谢等过程产生诸多影响[5-7]。因此，研究未来近地面O3浓度增加和紫外线辐射强度加强对植物的影响，成为国内外学者关注的焦点[8-9]。

植物激素作为一类重要的植物代谢产物，在植物生长发育、生理生化代谢、应激抗逆反应等方面扮演着重要角色。高浓度O3可以明显降低银杏叶片IAA和ZR含量，ABA含量升高[10]，O3胁迫改变了油松内源激素物质间的平衡，IAA/ABA、CK/ABA比值降低[11]。Li等[12]研究了UV-B增强对10个小麦品种内源激素的影响，发现ABA含量显著升高的有3个品种，显著降低的有5个品种，ZR含量和IAA含量在不同品种间也表现出类似的趋势。研究表明，UV-B辐射增强使大豆幼苗IAA和GA(Gibberellin，GA)含量下降，而ABA含量增加[13]。郑有飞等[14]、Ambasht等[15]研究了UV-B辐射增强和O3浓度升高复合作用对大豆、小麦光合作用的影响，赵天宏等[16]研究了二者复合胁迫对大豆活性氧代谢的影响，结果发现O3和UV-B复合胁迫表现为协同作用，而且O3胁迫占主导作用。目前，国内外关于臭氧和紫外线辐射复合胁迫对植物内源激素影响的研究鲜见报道，复合作用对大豆叶片激素物质的影响及其响应机理研究尚不明确。

大豆是我国重要的油料作物，对O3污染较为敏感，本文利用开顶式气室(Open-top chamber，OTC)，研究O3浓度升高和UV-B辐射增强对大豆叶片内源激素含量及与其相关的活性氧代谢的影响，旨在揭示大豆内源激素对臭氧浓度升高和紫外线辐射增强的适应机制与响应方式，为进一步深入研究作物对全球变化的适应机理提供理论依据和思路。

1 材料与方法

1.1 试材

以大豆(Glycinemax.)栽培品种“铁丰29”(辽宁省农科院提供)为试验材料。该品种以铁8114-7-4与铁84059-13-8杂交选育而成，生育期为130—133 d，适合中等或中等以上肥力的土壤种植。

1.2 试验设计

试验在中国科学院沈阳农田生态系统国家野外研究站进行，利用开顶式气室对大豆进行熏蒸试验。主要设备为12个结构完全相同的OTCs(横截面为正八边形，边长1.15 m，高2.4 m，玻璃室壁)及与其配套的通气、通风控制设备。主要包括用于产生臭氧的臭氧发生器(BGY-Q8，中国)以及监控开顶箱内O3浓度的臭氧传感器(S-900，新西兰)和数据分析与自动控制充气系统。UV-B强度处理采用高度可调的灯架，紫外灯管(北京电光源研究所生产，峰值310 nm)置于大豆植株上方40 cm处，产生的UV-B辐射经0.08 mm乙酸纤维素膜过滤后照射大豆植株，模拟增强的UV-B辐射为0.32 W/m2，相当于沈阳夏天紫外强度增加5%左右[17]。采用手持式O3检测仪(S200，新西兰)和双通道紫外辐照计(北京师范大学光电仪器厂)对大豆冠层上方的O3浓度和UV-B辐射强度进行检测和调节，使其在预设范围内浮动。

试验共设4个处理，即：CK处理(OTC中的对照，O3为环境浓度(45±8)nmol/mol，UV-B为环境强度0.30 W/m2)、O3处理(O3浓度升高，为(110±10)nmol/mol)、UV处理(UV-B强度增大，0.32 W/m2)和O3+UV复合处理(O3浓度和UV-B强度分别为(110±10)nmol/mol和0.32 W/m2)，每个处理设置3次重复。采用盆栽试验，试验土壤主要理化性质为速效氮95.83 mg/kg，有效磷10.98 mg/kg，速效钾88.20 mg/kg。于2011年5月14日播种，每个气室内放置25盆，每盆播种10粒大豆种子，出苗后每盆保留5株生长一致的幼苗(即每个气室约125株，相当于18万株/hm2)，出苗20 d后开始胁迫试验，每天胁迫处理9 h(8:00—17:00)。试验期间水分、肥料均匀一致，无病虫害及杂草等限制因素。分别于大豆分枝期(6月30日)、开花期(7月24日)和结荚期(8月12日)取样，9月7日停止胁迫处理直至大豆成熟。在每个生育时期各处理分别选取6—7片相同部位的功能叶并混合，测定相关生理生化指标。

1.3 测定项目与方法

内源激素吲哚乙酸(IAA)、脱落酸(ABA)和玉米素(ZR)含量测定：采用高效液相色谱法测定[18]。将1 g大豆叶片加8倍量80%甲醇(预冷)浸泡，机械匀浆4 ℃过夜，离心10 min(4 ℃，18800 r/min)，离心后残渣加入少许甲醇重复提取2次，离心后合并上清液。合并液中加入PVPP(Polyvinylpyrrolidone)充分摇匀，离心10 min后上清液过C18小柱。再加入1 mL pH3.0磷酸缓冲液溶解，乙酸乙酯等体积萃取3次，上层(乙酸乙酯)相真空干燥浓缩，2 mL甲醇溶解，过0.45 μm有机系微孔滤膜，所得样品在高效液相色谱仪(Agilent 1100LC，美国)上测定IAA、ZR、ABA含量。

1.4 数据处理

应用Excel和SPSS17.0软件对实验数据进行统计分析，采用单因素方差分析，并用LSD在0.05水平下进行多重比较。实验数据为各个处理的均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 UV-B和O3复合胁迫对大豆叶片ABA、ZR和IAA含量的影响

如图1所示，随着大豆生育期的推进，大豆叶片ABA含量呈上升趋势。在整个生育期内，大豆叶片ABA含量的变化趋势为CK>O3+UV-B>UV-B>O3。与CK相比，O3处理、UV-B处理和O3+UV-B 处理下ABA含量的降幅分别为18.73%—30.15%、15.43%—39.01%和11.95%—18.20%，并且在3个处理在各个生育时期均达到显著差异(P<0.05)。

图1 UV-B和O3复合胁迫下大豆叶片ABA、ZR和IAA含量的变化Fig.1 Changes of ABA、ZR and IAA content in soybean leaves under UV-B and ozone stress

整个生育期各个处理组的大豆叶片ZR含量呈下降趋势。与CK相比，O3处理下ZR含量的升幅为13.63%—20.64%，在各个生育时期均差异显著(P<0.05)；UV-B处理和O3+UV-B处理下ZR含量的降幅分别为17.99%—22.56%和33.98%—41.77%，并且在各生育时期均达到显著差异(P<0.05)。

在整个生育期内大豆叶片IAA含量亦呈下降趋势。与CK相比，O3处理、UV-B处理和O3+UV-B 处理下IAA含量的降幅分别为9.12%—11.14%、21.04%—29.22%和15.60%—19.28%，并且在各个生育时期均差异显著(P<0.05)。

2.2 UV-B和O3复合胁迫对大豆叶片内源激素平衡的影响

大豆叶片IAA/ABA、ZR/ABA和(IAA+ZR)/ABA比值随大豆生育期进程的变化如图2所示。结果表明：整个生育期各个处理组的IAA/ABA、ZR/ABA和(IAA+ZR)/ABA均呈下降趋势。与CK相比，O3处理下大豆叶片IAA/ABA的增幅为29.18%—60.50%，并且在分枝期和开花期达到显著差异(P<0.05)；UV-B处理下IAA/ABA增幅为1.56%—28.53%，在分枝期差异显著(P<0.05)；而O3+UV-B处理下IAA/ABA在各生育时期均未达到显著差异(P>0.05)。O3处理下大豆叶片ZR/ABA的增幅为9.20%—29.82%，并且在各个生育时期均达到显著差异(P<0.05)；UV-B处理下ZR/ABA虽有升高，但仅在开花期达显著差异(P<0.05)；O3+UV-B处理下ZR/ABA的降幅为21.42%—28.89%，并且在各个生育时期均差异显著(P<0.05)。同样地，O3处理下大豆叶片(IAA+ZR)/ABA在分枝期和开花期达到显著差异(P<0.05)；UV-B处理下(IAA+ZR)/ABA在开花期和结荚期达到显著差异(P<0.05)；而O3+UV-B处理下(IAA+ZR)/ABA在各生育时期均未达到显著差异(P>0.05)。

图2 UV-B和O3复合胁迫下大豆叶片IAA/ABA、ZR/ABA和(IAA+ZR)/ABA的变化Fig.2 Changes of IAA/ABA、ZR/ABA and (IAA+ZR)/ABA under UV-B and ozone stress

2.3 UV-B和O3复合胁迫对大豆叶片活性氧代谢的影响

在整个生育期内各处理组大豆叶片MDA含量亦呈上升趋势。与CK相比，O3处理、UV-B处理和O3+UV-B处理下MDA含量的增幅分别为13.05%—19.83%、5.97%—12.70%和18.73%—42.35%，且O3处理下MDA含量在开花期和结荚期达到显著差异(P<0.05)；UV-B处理在分枝期和结荚期达到显著差异 (P<0.05)；而O3+UV-B处理在各个生育时期均达到显著差异(P<0.05)。

图3 UV-B和O3复合胁迫下大豆叶片产生速率和MDA含量的变化Fig.3 Changes of production rate of and MDA content in soybean leafs under UV-B and ozone stress

大豆叶片SOD活性、CAT活性和POD活性随大豆生育期进程的变化如图4所示。随着大豆生育期的推进，大豆叶片SOD活性呈下降趋势。与CK相比，O3处理下SOD活性的降幅为11.80%—17.36%，并且在各个生育时期均达到显著差异(P<0.05)；UV-B处理仅在分枝期差异显著(P<0.05)；O3+UV-B 处理SOD活性的降幅为11.09%—23.22%，在各个生育时期均达到显著差异(P<0.05)。

图4 UV-B和O3复合胁迫下大豆叶片SOD、CAT和POD活性的变化Fig.4 Changes of SOD 、CAT and POD activity in soybean leafs under UV-B and ozone stress

与CK相比，O3处理、UV-B处理和O3×UV-B处理下大豆叶片CAT活性的降幅分别为14.29%—22.22%、8.70%—14.81%和4.76%—48.15%，并且O3处理和O3+UV-B处理下CAT活性在开花期和结荚期达到显著差异(P<0.05)；而UV-B处理仅在结荚期差异显著(P<0.05)。与CK相比，O3处理、UV-B处理和O3+UV-B处理下大豆叶片POD活性的降幅分别为22.50%—45.74%、5.37%—52.27%和19.23%—35.47%，且O3处理下POD活性在各个生育时期均达到显著差异 (P<0.05)；UV-B处理在开花期和结荚期差异显著(P<0.05)；O3+UV-B处理在各个生育时期均达到显著差异(P<0.05)。

3 结论与讨论

ABA是植物响应外界胁迫的主要信号分子，在胁迫的作用下，植物首先提高体内ABA的含量来增强其抗性，减缓细胞分裂速度。本试验结果表明，随着生育期进展，UV-B辐射和O3胁迫诱导大豆植株ABA累积，在逆境条件下，植物启动ABA合成系统，并通过ABA信号转导对胁迫做出积极的、主动的适应性反应，促使SOD和CAT等保护酶保持较高的活性，维持自由基在产生和清除之间的动态平衡，以增强植株对胁迫的耐受性。这与林文雄在水稻[20]、Tatyana在大豆[21]的研究结论相一致。研究表明[22]，ABA含量的增加与大豆抗紫外胁迫能力呈正相关，即ABA含量随着胁迫时间的延长而增加，ABA含量增加有利于保护细胞膜结构，从而缓解逆境对大豆中有关生理生化指标的影响。但也有研究表明[23]，植物在UV-B辐射胁迫下，体内ABA的积累可能是UV-B辐射损伤了叶绿体膜和细胞膜，细胞失去膨压所致，也可能与膜上Mg-ATPase活性下降、使叶绿体基质pH值降低，造成细胞内ABA的累积有关。

本试验结果表明，当大豆植株受到UV-B辐射和O3胁迫时，大豆植株的生长发育受到影响，使内源激素IAA的运输受到限制，叶片IAA含量降低，有利于减缓细胞分裂，促使植株矮化，叶面积减小，从而适应在逆境中生长。前人研究认为，UV-B辐射增强条件下，由于IAA能够吸收UV-B辐射光谱，从而产生光降解而使其含量降低所致[24]。还有报道认为[25, 11]，增强的UV-B辐射和O3胁迫能够引起POD活性增强从而降低IAA含量，因为POD作为一种催化剂可能参与了IAA的光氧化并引起IAA的降解。

ZR是大豆等高等植物体内可以转运的主要细胞分裂素之一，本试验结果表明，O3浓度升高条件下，大豆叶片ZR含量升高，而UV-B辐射胁迫下ZR含量降低，这与Li[10]的研究结果相类似。林文雄等[20]研究发现，在UV-B辐射胁迫初期(7—14 d)ZR含量下降，而在辐射后期(21—28 d)则呈显著增加的趋势，并且品种间的变化趋势不一致。这可能与所采用的试验方法和植物种类不同有关。另有研究指出[26]，UV-B 辐射增强引起ZR含量的提高，可直接或间接地清除活性氧，减少膜脂过氧化作用，改变膜脂过氧化产物和膜脂肪酸组成比例，提高SOD等膜保护酶的活性，起到保护细胞膜的作用。UV-B辐射增强引起ZR含量的提高，可能与UV-B增强导致光氧化引起光合电子传递受阻，电子传递链中的核黄素去环化而导致ZR的积累有关。

植物内源激素物质之间也存在着相互作用，本研究表明，在O3和UV-B胁迫下大豆叶片IAA/ABA、ZR/ABA和(IAA+ZR)/ABA值降低，同时，大豆叶片IAA/ABA值在分枝期最高，之后呈下降趋势，说明胁迫初期大豆植株具有一定的抗性，而持续的胁迫处理致使ABA含量增加，加速大豆衰老。在O3和UV-B单一胁迫作用下，叶片中ZR/ABA值高于对照，说明ZR含量增加起到一定的抗氧化作用，但在二者复合胁迫下ZR含量下降而ABA含量升高，说明两种内源激素间具有拮抗作用。研究表明[27]，番茄幼苗在UV-B照射下，IAA和ZR含量明显下降，ABA含量显着增加，最终导致IAA/ABA、ZR/ABA比值降低，说明UV-B照射对番茄幼苗具有伤害作用。Li等[10-11]研究发现，长时间高浓度O3熏蒸下的银杏和油松叶片IAA/ABA、ZR/ABA值亦呈下降趋势。

UV-B辐射增强和O3浓度升高在一定程度上可以使大豆叶片ABA和IAA含量降低、ZR含量升高，以及内源激素之间平衡的改变，进而影响大豆叶片的代谢水平。胁迫初期诱使大豆叶片抗氧化能力提高，但是持续胁迫导致大豆叶片抗氧化系统的氧化损伤，膜脂过氧化程度加重，对大豆表现为伤害效应。UV-B和O3复合胁迫比单独胁迫时的影响有所加深，但是小于两者单独作用时影响的简单累加。

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Effects of plant endogenous hormones and antioxidant ability in soybean leaves under UV-B and ozone stress

ZHAO Tianhong*, LIU Bo, WANG Yan, LIU Yiou, ZHAO Chaoran, YANG Xing, CAO Ying

CollegeofAgronomy,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang110866,China

enhanced UV-B; elevated ozone concentration; combination; endogenous hormones; soybean

国家自然科学基金(30970448); 辽宁省高等学校优秀人才支持计划(LJQ2011072)

2013-06-08;

日期:2014-05-16

10.5846/stxb201306081450

*通讯作者Corresponding author.E-mail: zth1999@163.com

赵天宏， 刘波， 王岩， 刘轶鸥， 赵超然， 杨兴， 曹莹.UV-B辐射增强和O3浓度升高对大豆叶片内源激素和抗氧化能力的影响.生态学报,2015,35(8):2695-2702.

Zhao T H, Liu B, Wang Y, Liu Y O, Zhao C R, Yang X, Cao Y.Effects of plant endogenous hormones and antioxidant ability in soybean leaves under UV-B and ozone stress.Acta Ecologica Sinica,2015,35(8):2695-2702.