He-Ne激光对紫外线-B辐射花生种子的生物学效应

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摘要：采用Ｈｅ－Ｎｅ激光辐射方法，对紫外线－Ｂ辐射下，花生幼苗在生长发育、生理生化等方面的损伤修复效应，从个体、细胞、ＤＮＡ分子等水平上进行了试验和分析。主要阐明了Ｈｅ－Ｎｅ激光在植物生长和细胞分子损伤修复过程中所起的促进作用，以及激光促进生长和修复的途径、方式和作用机理。

关键词：花生；Ｈｅ－Ｎｅ激光；紫外线－Ｂ；辐射；生长；修复

中图分类号：Ｓ５６５．２文献标识码：Ａ文章编号：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

由于大气臭氧层变薄，导致到达地表的紫外线－Ｂ辐射量持续增强，对生物及农作物产生了广泛的影响。目前已证明绝大多数植物已受到紫外线－Ｂ辐射不同程度的伤害，成为越来越受关注的全球环境问题之一。花生是我国主要的油料作物，被广泛种植，但由于受到紫外线－Ｂ辐射的影响，长期以来其产量受到制约。激光生物学效应是指在激光作用下生物体所产生的生物化学反应，光能的吸收可促进某些生化反应，促进植物细胞有丝分裂，提高抗氧化酶和光修复酶的活性，促进ＤＮＡ的修复［１］。同时，促进植物进行光合作用，提高植物的水分吸收率、叶绿素含量及蛋白质合成效率，利于植物生长。

本试验的目的主要是寻找由于紫外线－Ｂ辐射对植物伤害的一种新的解决途径，试图利用Ｈｅ－Ｎｅ激光辐射来探索这一问题，通过Ｈｅ－Ｎｅ激光处理植物来防护和修复增强的紫外线－Ｂ辐射对植物的伤害，同时促进植物的生长，从而为农作物增产寻求新的途径。

１材料与方法

１．１材料

选取来自山东省优质花生新品种花育１６种子１５０粒，分为３个处理组：单纯紫外线－Ｂ处理组、紫外线－Ｂ与Ｈｅ－Ｎｅ激光复合处理组和对照组，每组５０粒。

１．２试验方法

第一组单纯用紫外线－Ｂ辐射花生种子，由苏州技高电子科技有限公司生产的紫外辐射计（波长为２８０～３２０ ｎｍ），辐射强度为３０Ｗ／ｍ２，辐射花生种子胚，辐射时间分别为１０ ｓ，２０ ｓ，３０ ｓ，４０ ｓ，５０ ｓ；第二组先经过紫外线－Ｂ处理，然后用西北大学光电研究所制造的Ｈｅ－Ｎｅ激光器（ＭＳＨＮ－Ａ－Ｂ４５０ＭＭ波长为６３２．８ｎｍ），输出功率３０ｍＷ，光班直径６ ｍｍ，直射植物种子的胚，种子与激光束的夹角为９０°；第三组花生种子不经过辐射处理作为对照。

１．３种子萌发

以上３种处理过的花生种子经表面消毒后，再用２８℃清水浸泡３ ｄ。取大田２０ ｃｍ的上表土，过筛去除大块土粒及植物残体，土壤充分混合均匀。选取大小及出芽情况一致的种子播于直径２５ ｃｍ、高２５ ｃｍ的花盆中，每盆２株，放在玻璃温室中自然光照下培养，温度２３～３２℃，培养３０ ｄ。观察３个试验组的花生种子萌发、生长情况，记载花生株高、叶片生长情况及地上部分干重。

１．４花生根尖细胞的染色体效应试验

取４组处理的花生根尖，用０．１％秋水仙素于室温下处理２～３ ｈ，转入卡诺氏固定液（甲醇∶冰醋酸＝３∶１，Ｖ／Ｖ）中室温下固定３～４ ｈ；固定后的材料可用体积分数为７０％酒精保存。制片前将材料取出于离析液（浓盐酸∶９５％乙醇＝１∶１，Ｖ／Ｖ）中解离４～５ ｍｉｎ，用蒸馏水洗涤后漂洗１５ ｍｉｎ，取出切取根尖生长点用改良石炭酸品红染液染色１０～１５ ｍｉｎ后压片，镜检，观察细胞染色体畸变情况。每处理分别取根尖１０根以上进行制片，观察细胞不少于１ ０００个，记录花生发芽率、分裂指数和染色体畸变率。

２结果与分析

２．１紫外线－Ｂ辐射对花生生长的影响

由试验结果看出，花生种子随着紫外线－Ｂ辐射时间的增加，花生生长抑制作用明显增强，其平均株高、叶片数量和地上部干重明显降低。从表１看出，随着辐射时间的延长，经紫外线－Ｂ辐射后的平均株高逐渐降低，但却未达到显著水平。紫外线－Ｂ处理２０ ｓ以后，叶片总数与对照叶片总数的差异达到显著水平。紫外线－Ｂ辐射对花生地上部分干重的影响十分明显，从辐射２０ ｓ开始，干重与对照相比已达到显著水平，有些处理间的差异也达到显著水平，随着紫外线－Ｂ辐射时间的增加，干重减少量增加。花生种子经过紫外线－Ｂ辐射后，生长减弱，花生叶片数量和地上部干重逐渐降低，辐射时间越长这种减少的趋势越明显。因此可以看出，紫外线－Ｂ辐射对花生生长有明显的抑制作用［２］。

２．２紫外线－Ｂ加Ｈｅ－Ｎｅ激光复合处理对花生的效应

根据试验可知，单独紫外线－Ｂ处理花生种子，其发芽率明显降低，而由紫外线－Ｂ加Ｈｅ－Ｎｅ激光复合处理的花生种子发芽率明显高于单纯紫外线－Ｂ处理组；经过紫外线－Ｂ辐射后的花生种子细胞分裂指数明显降低，随着辐射时间的加长，细胞的分裂指数随之降低，但加了Ｈｅ－Ｎｅ激光处理后，细胞分裂指数明显提高。花生染色体的畸变效应，随着紫外线－Ｂ辐射时间的增长，总畸变率明显增加，而紫外线－Ｂ加Ｈｅ－Ｎｅ激光复合处理组的染色体畸变率明显低于单纯紫外线－Ｂ处理组（表2）。说明Ｈｅ－Ｎｅ激光照射促进了细胞的分裂，Ｈｅ－Ｎｅ激光辐射对受损植物具有修复作用［３］。

２．３Ｈｅ－Ｎｅ激光辐射对损伤植物的修复作用

２．３．１Ｈｅ－Ｎｅ激光辐射对植物细胞ＤＮＡ的影响根据进一步的试验研究，发现植物幼苗受到紫外线－Ｂ辐射损伤时，其中植物ＤＮＡ是紫外线－Ｂ辐射损伤的主要靶目标之一。ＤＮＡ受到伤害时，在相邻的两个碱基之间形成二聚体。Ｔ４核酸内切酶Ｖ能特异识别环丁烷嘧啶二聚体（ＣＰＤ），并在该损伤位点切断磷酸二醋键，造成单链断裂。因此，ＣＰＤ上的磷酸二醋键是Ｔ４核酸内切酶Ｖ的敏感位点ＥＳＳ，以其ＥＳＳ的产生和消失作为ＣＰＤ生成及被修复的指标［４］。从试验结果可知，增强的紫外线－Ｂ辐射，ＣＰＤ的数量明显提高，从而说明紫外线－Ｂ辐射导致了植物ＤＮＡ的伤害。研究表明，当ＤＮＡ受紫外线－Ｂ辐射形成ＣＰＤ后，光修复酶利用蓝光和近紫外光作为能量，使二聚体分解成单体，完成修复作用。因此，它在植物伤害修复中是一个非常重要的酶。同时，植物在白天光照下进行修复，并不能完全修复ＣＰＤ，而在黑暗中修复更慢。然而用Ｈｅ－Ｎｅ激光处理紫外线－Ｂ辐射损伤的植物，ＤＮＡ上的ＣＰＤ能迅速变成单体。同时发现，Ｈｅ－Ｎｅ激光可显著提高光修复酶的活性。Ｈｅ－Ｎｅ激光对植物酶活性的提高已有大量的报道，Ｈｅ－Ｎｅ激光对酶的刺激作用已为人们所公认。因此，光修复酶也毫无例外地被Ｈｅ－Ｎｅ激光刺激而使其活性增强。

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２．３．２Ｈｅ－Ｎｅ激光辐射对ＭＤＡ的影响ＭＤＡ是膜脂质过氧化的主要产物之一，它可与细胞膜上的蛋白质、酶等结合、交联使之失活，从而破坏生物膜的结构与功能，是有细胞毒性的物质，对许多生物大分子均有破坏作用。花生种子的ＭＤＡ含量在紫外线－Ｂ辐射和Ｈｅ－Ｎｅ激光辐射复合处理下接近对照，而在紫外线－Ｂ单独辐射作用下都升高，在单独Ｈｅ－Ｎｅ激光辐射处理下均降低。说明紫外线－Ｂ辐射加速了膜脂质过氧化，而Ｈｅ－Ｎｅ激光辐射使之减弱，二者共同作用时相互平衡，起到修复作用。

２．４Ｈｅ－Ｎｅ激光辐射对植物生长的促进作用

２．４．１Ｈｅ－Ｎｅ激光辐射对植物水分利用效率的影响紫外线－Ｂ处理花生的水分利用效率要比对照低３８％，说明紫外线－Ｂ辐射显著降低了花生的水分利用效率。经Ｈｅ－Ｎｅ激光辐射后，花生的水分利用效率恢复到与对照相当的水平。同时，延长Ｈｅ－Ｎｅ激光辐射时间和辐射密度，导致花生的水分利用效率比对照高，说明Ｈｅ－Ｎｅ激光辐射对紫外线－Ｂ辐射损伤花生水分利用效率有着明显的恢复作用。

２．４．２Ｈｅ－Ｎｅ激光辐射对植物叶绿素含量的影响从试验中可知，当紫外线－Ｂ辐射剂量增高时，花生的光合速率逐渐降低，说明高剂量的紫外线－Ｂ对光合速率有明显的抑制作用［５］。据研究发现，紫外线－Ｂ辐射抑制光合作用，主要原因是使光系统ＩＩ（ＳＰＩＩ）反应中心失活，降低了Ｒｕｂｉｓｃｏ的活性，Ｈｅ－Ｎｅ激光辐射可以为光合作用提供充足的原料，而且可提高ＲｕＢＰ羧化酶活性，增强光合作用对ＣＯ２的固定能力，与此同时，ＣＯ２升高还抑制了ＲｕＢＰ加氧酶的活性，从而减少光呼吸底物乙醇酸的合成，降低了植物的光呼吸强度，最终有利于提高光合速率。

３小结

Ｈｅ－Ｎｅ激光对紫外线－Ｂ辐射具有防护作用。经紫外线－Ｂ加Ｈｅ－Ｎｅ激光复合处理后的花生种子其发芽率、细胞分裂指数明显高于单纯紫外线－Ｂ处理，其染色体畸变率大大低于单纯紫外线－Ｂ处理组。试验结果表明，采用Ｈｅ－Ｎｅ激光辐射方法，对紫外线－Ｂ辐射下花生幼苗在生长、发育、生理、生化等方面都具有明显的损伤修复效应。

Ｈｅ－Ｎｅ激光辐射具有显著的提高酶活性的作用，促使植物体内调用大量抗氧化酶来清除活性氧自由基，使自由基－抗氧化酶之间恢复动态平衡。Ｈｅ－Ｎｅ激光辐射使花生发芽率提高，使幼苗的气孔导度升高，幼苗的水分利用率、光合速率升高，而且花生经紫外线－Ｂ辐射损伤后再经Ｈｅ－Ｎｅ激光修复，其气孔导度、水分利用率、光合速率和叶绿素含量均得到较好的恢复［６］。紫外线－Ｂ辐射引起花生ＤＮＡ损伤后，再经过Ｈｅ－Ｎｅ激光辐射，能直接打断ＣＰＤ二聚体之间的共价键，使二聚体分解成单体，从而形成一种断键修复方式。

参考文献：

［１］ 欧琳，陈荣，林彤，等． 激光辐照对花生种子的细胞生物学效应［Ｊ］.激光生物学报，２００１（１）：８２－８４．

［２］ 王海霞，丛鹏，刘汉柱，等． 植物对增强ＵＶ－Ｂ辐射的防御机制研究进展［Ｊ］.西北植物学报，２００７（７）：２１３－２１９．

［３］ 晏斌，戴秋杰．紫外线Ｂ对水稻叶组织中活性氧代谢及膜系统的影响［［Ｊ］．植物生理学报，１９９６，２２（４）：３７３－３７８．

［４］ 王勋陵．增强紫外Ｂ辐射对植物及生态系统影响研究的发展趋势［Ｊ］． 西北植物学报， ２００２，２２（３）：６７０－６８１．

［５］ 欧琳，陈荣， 肖华山， 等． 激光辐照花生种子的生物学效应［Ｊ］．光电子激光，２００１，１２（７）：７５１－７５３．

［６］ 杨毓峰，袁红旭． 紫外线ＵＶ－Ｂ辐照花生的生物效应［Ｊ］． 西南农业大学学报，２００１（４）：６８－７１．

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