蓝藻对UV-B增强的响应与适应

平流层臭氧破坏导致地球表面紫外辐射(主要是UV-B)增强逐渐受到人们重视。由于蓝藻在生态系统中的重要性和在生物进化过程中的特殊性,用于研究UV-B对生物体的影响具有诸多优势。目前国内关于UV-B与蓝藻的研究报道较少,所以本文介绍了近年来国外该领域的相关研究,主要包括UV-B对蓝藻生物量、光合机构以及固氮等方面的影响,同时着重介绍了蓝藻对UV-B的适应策略。     

螺旋藻对增强的UV-B胁迫的响应

本文研究了实验室条件下增强的uv-B（280-320nm）胁迫对一种蓝藻一钝顶螺旋藻（Spirulina platensis）794生物量、色素和蛋白、细胞内MDA含量及活性氧产生的影响。结果表明,在增强的uV-B胁迫下,螺旋藻的生物量减少,细胞内叶绿素a和类胡萝卜素含量降低,从而使螺旋藻的生长发育受到一定程度的抑制,而细胞浆蛋白质含量增加,这可能是螺旋藻对逆境胁迫的一种适应性反应。增强UV-B胁迫下,螺旋藻细胞内MDA含量增加,与之相对应,活性氧的产生速率也增加,进一步证实了逆境胁迫下,植物细胞内叶绿素含量的下降、MDA的积累主要与UV-B胁迫下活性氧的产生及其对细胞的氧化损伤有关。     

固氮蓝藻促长物质处理春小麦的研究

在黑龙江省海伦县连续三年用浓度1％固氮蓝藻促长物质浸种春小麦,能促进种子萌动,田间种子发芽率提高约18％以上;能促进种子根和芽的生长,田间出苗率可提高9—17.8％。三叶期用固氮蓝藻促长物质喷雾,对苗期生长有促进作用,对根系发育的效果特别显著,同时促进植株分蘖,增加分蘖数,提高成穗率及种子蛋白质含量。小麦增产5—10％。固氮蓝藻促长物质大面积(250亩)应用,国内外尚无先例。     

增强UV-B对矮牵牛花瓣中生理生化物质变化的影响

比较研究了普通光照(CK)和增强UV-B处理条件下,粉红色矮牵牛(Petunia hybrida)花瓣中花色素苷、辅色素、丙二醛和还原糖的含量以及苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性的变化.结果表明,UV-B照射处理组花瓣中花色素苷、辅色素和还原糖含量均高于对照(CK),PAL活性增强,叶面积、叶宽和周长均小于对照组,MDA含量则低于对照组.综合分析表明,粉红色矮牵牛承受增强UV-B处理有一个阈值,大致为960.5 kJ?m-2;并且花色素苷和辅色素的作用不同,花色素苷以抗氧化为主,而辅色素以对UV-B的屏蔽作用为主.     

UV-B辐射对神农香菊萜类物质合成 及其相关基因表达的影响

该研究以神农香菊为材料,用强度为400μw·cm~(-2)的紫外光UV-B对其进行辐射处理,辐射时间分别为0、0.5、1、2、4 h,探讨了UV-B辐射对神农香菊萜类物质合成及其相关基因表达的影响。结果表明:(1)较短时间的UV-B辐射对神农香菊萜类物质合成相关基因表达量有明显的促进作用。与对照相比,0.5、1、2、4 h处理对相关基因表达量均有不同程度的提高;在2 h处理下HMGR、DXR、TPS、GPS基因的相对表达量达到最大值,在4 h处理下FPS和DXS的相对表达量达到最大值,其中FPS基因表达量变化最显著,为对照的69倍。(2) MVA途径中,去氢白菖烯、杜松萜烯的含量与FPS基因表达量4 h内持续上升的变化趋势保持一致,1-石竹烯与HMGR的变化趋势保持一致,表现为先升高后降低。(3) MEP合成途径中,α-侧柏酮、崖柏酮、β-侧柏酮的含量呈现与DXR、GPS、TPS基因表达量相同的变化趋势,桉树脑在UV-B辐射4 h内持续上升,与DXS基因的变化一致。由此可以推断,UV-B辐射通过影响各自途径中一些关键基因的表达量,进而影响了神农香菊萜类物质的合成量。     

花生叶片蛋白组对UV-B辐射增强的响应

为揭示UV-B辐射增强处理降低花生光合速率和花生抵御UV-B辐射增强的分子机制,应用蛋白质双向电泳与质谱联用技术对自然光环境下补增UV-B辐射(54μW/cm2)处理24h的苗期花生叶片差异表达蛋白质变化进行了分析。结果表明:补增UV-B处理下,花生叶片中共检测到丰度变化在2.5倍以上的差异表达蛋白点39个(其中22种蛋白质表达下调,17种表达上调),经过MALDI-TOF-TOF分析及数据库检索,成功鉴定出其中的27种蛋白质。被鉴定的27种蛋白质按其功能大致可归为8类,第Ⅰ类:光合作用相关的蛋白质,包括质体蓝素、1,5-二磷酸核酮糖羧化酶小亚基、放氧复合物增强子蛋白1、PsbP结构域蛋白6和果糖二磷酸醛缩酶;第Ⅱ类:糖代谢相关蛋白质,包括苹果酸脱氢酶;第Ⅲ类:能量合成相关蛋白质,包括ATP合酶;第Ⅳ类:氨基酸代谢相关蛋白质,包括半胱氨酸合成酶;第Ⅴ类:蛋白质加工相关蛋白质,包括热激蛋白;第Ⅵ类:蛋白质翻译相关蛋白质,包括核糖体循环因子;第Ⅶ类:防御相关蛋白质,包括几丁质酶、过氧化物酶、Cu-Zn超氧化物歧化酶、二羟肉桂酸3-O-转甲基酶和类萌发素蛋白;第Ⅷ类,未知功能蛋白质。这些研究结果为进一步研究花生抵御UV-B辐射的分子机理提供了有意义的线索。     

不同氮供应下增强UV-B辐射对谷子叶片重要生理指标的影响

以谷子(Setaria italica(L.)Beauv.)为研究材料,从拔节期开始持续浇灌1.88、15mmol·L-12种氮供应水平营养液,从抽穗期开始对材料进行增强UV-B辐射处理(14.7μW·cm-2),研究了谷子叶片中总叶绿素、可溶性物质及紫外吸收物质的含量在开花期期间的变化。结果表明:与较高氮供应水平相比,无论是否进行增强UV-B辐射,较低氮供应水平明显降低了谷子叶中总叶绿素、可溶性蛋白的含量,但提高了其紫外吸收物质的含量;与较低氮供应水平相比,较高氮供应水平下的谷子叶中总叶绿素含量在开花期初期和中期,可溶性蛋白含量在开花期中期对增强UV-B辐射处理更敏感;氮供应水平虽然对开花期中期至末期的谷子叶片可溶性糖含量有显著影响,但在整个增强UV-B辐射处理期间,该指标对增强UV-B辐射并不敏感。上述结果表明,较低氮供应水平可促进谷子叶片在开花期期间紫外吸收物质的积累,有利于增强其抵抗UV-B辐射能力,但仍应寻求一个合理范围的氮供应水平,以平衡谷子生殖生长和提高对UV-B辐射抗性的需求。     

云杉幼苗对气候变暖和UV-B辐射增强的光合响应

采用开顶式有机玻璃罩(OTCs)及紫外灯分别模拟气候变暖和紫外辐射B(UV-B)增强,对位于气候变暖和UV-B增强突出的青藏高原东缘、高山峡谷地云杉(Picea asperata)幼苗的光合气体交换和叶绿素荧光参数进行测定分析,探讨云杉幼苗对气候变暖和UV-B增强的光合响应特性。结果显示:(1)UV-B辐射增强显著抑制了云杉幼苗茎和根的伸长生长以及生物量的累积,显著降低了云杉幼苗的净光合速率(Pn)、最大光合速率(Pmax)和表观量子产量(Φ),但是提高了光补偿点(LCP);UV-B辐射增强导致了云杉幼苗光合系统Ⅱ(PSⅡ)的光抑制,使PSⅡ有效量子产量(ΦPSⅡ)显著降低。(2)单纯OTC模拟增温显著提高了云杉幼苗的Pn和Pmax,而对气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和Φ无显著影响。(3)模拟增温缓解了UV-B增强对云杉幼苗光合作用的抑制作用,显著提高了UV-B胁迫下幼苗的Pn、Pmax、PSⅡ的潜在量子效率(Fv/Fm)和有效量子产量(ΦPSⅡ),并且提高了UV-B胁迫下幼苗茎、根的生长以及生物量的累积。研究表明,在未来气候变暖和UV-B辐射增强同时存在时,气候变暖能够在一定程度上缓解UV-B增强对云杉林光合作用的抑制作用。     

增强UV-B辐射和SO2作用下植物光合响应及其相对抗性

 研究了20种野外生长的树种在增强UV-B、NaHSO3的作用下,它们的光合作用响应及其对这两种胁迫的抗性。研究结果表明,这些植物的抗性可分为抗性强、抗性中等和敏感3种类型。UV-B、NaHSO3以及UV-B+NaHSO3 3种处理与这些植物光合作用受抑制程度呈现良好的线性关系,说明这些植物在防御UV-B和NaHSO3伤害的能力方面有一致性,没有种的特异性。结果还表明,在这些植物中NaHSO3增强了UV-B对它们的抑制作用,敏感类型植物尤为明显。      

植物酶系统对UV-B辐射的响应机制

紫外辐射作为一种自然界存在的环境因子,影响着植物的生长发育。在植物从太阳辐射中获得光照和热量的同时,不可避免地要受到UV-B辐射的胁迫。植物在长期对环境的适应中,在体内形成了防御系统,以保护自身的安全,酶系统是其中之一。植物酶系统在实施防护的同时也受到了UV-B辐射的影响,信号分子对调节酶响应UV-B胁迫起了关键作用。本文重点论述了UV-B辐射增强下,植物酶系统的变化、植物酶系统的响应机制以及酶系统与信号物质的关系,并对该领域未来的研究方向提出了展望。     

Responses of aquatic algae and cyanobacteria to solar UV-B

Continuous depletion of the stratospheric ozone layer has resulted in an increase in solar ultraviolet-B (UV-B; 280–315 nm) radiation reaching the Earth's surface. The consequences for aquatic phototrophic organisms of this small change in the solar spectrum are currently uncertain. UV radiation has been shown to adversely affect a number of photochemical and photobiological processes in a wide variety of aquatic organisms, such as cyanobacteria, phytoplankton and macroalgae. However, a number of photosynthetic organisms counteract the damaging effects of UV-B by synthesizing UV protective compounds such as mycosporine-like amino acids (MAAs) and the cyanobacterial sheath pigment, scytonemin. The aim of this contribution is to discuss the responses of algae and cyanobacteria to solar UV-B radiation and the role of photoprotective compounds in mitigating UV-B damage.     

Effects of Enhanced UV-B Radiation on Nitrogen Fixation in Arctic Ecosystems

Recent global climate models predict a further significant loss of ozone in the next decades, with up to 50% depletion of the ozone layer over large parts of the Arctic resulting in an increase in ultraviolet-B radiation (UV-B) (280–315 nm) reaching the surface of the Earth. The percentage of total annual ecosystem N input due to biological nitrogen fixation by cyanobacteria might be as high as 80% and the contribution to total annual N uptake by plants up to 20%. A possible reduction of nitrogen fixation raises serious concerns about already nutrient impoverished plant communities. This review shows that nitrogen fixation by moss-associated cyanobacteria in arctic vegetation was dramatically reduced after six years of exposure to enhanced UV-B radiation. In subarctic vegetation, nitrogen fixation activity of moss-associated cyanobacteria was not affected by 6 years of enhanced UV-B radiation. However, a 50% increase of summer precipitation resulted in a 5- to 6-fold increase in activity. Long-term effects of UV-B radiation on nitrogen fixation activity have been examined only in two lichens, giving contrasting results. Peltigera aphthosa (L.) Willd., having external cephalodia, experienced a significant reduction, whereas Peltigera didactyla (With.) J.R. Laudon, having cyanobacteria in the photobiont layer below the upper cortex, did not experience any changes due to radiation regimes. The difference is probably related to the location of the cyanobacteria. While the Nostoc cells are protected by the fungal, melanized upper cortex in P. didactyla, they are exposed and unprotected in P. aphthosa, and their own synthesis of UV-B absorbing compounds appears to be low. Under certain environmental conditions, an increasing UV-B radiation will dramatically affect nitrogen fixation in arctic tundra vegetation, which in turn may have severe influence on the nitrogen budget in these environments. Further long-term studies are necessary to conclude if these effects are temporal and how concurrent climatic changes will influence the nitrogen balance of the ecosystem.     

Functional acclimation to solar UV-B radiation in Gunnera magellanica, a native plant species of southernmost Patagonia

The ecosystems of Tierra del Fuego (in southern Patagonia, Argentina) are seasonally exposed to elevated levels of ultraviolet‐B radiation (UV‐B: 280–315 nm), due to the passage of the ‘ozone hole’ over this region. In the experiments reported in this article the effects of solar UV‐B and UV‐A (315–400 nm) on two UV‐B defence‐related processes: the accumulation of protective UV‐absorbing compounds and DNA repair, were tested. It was found that the accumulation of UV‐absorbing sunscreens in Gunnera magellanica leaves was not affected by plant exposure to ambient UV radiation. Photorepair was the predominant mechanism of cyclobutane‐pyrimidine dimer (CPD) removal in G. magellanica. Plants exposed to solar UV had higher CPD repair capacity under optimal conditions of temperature (25 °C) than plants grown under attenuated UV. There was no measurable repair at 8 °C. The rates of CPD repair in G. magellanica plants were modest in comparison with other species and, under equivalent conditions, were about 50% lower than the repair rates of Arabidopsis thaliana (Ler ecotype). Collectively our results suggest that the susceptibility of G. magellanica plants to current ambient levels of solar UV‐B in southern Patagonia may be related to a low DNA repair capacity.     

拟南芥黏连蛋白RAD21对增强UV-B辐射后细胞分裂的响应

UV-B辐射对植物的影响体现在多个水平, 其会引起植物DNA损伤, 造成有丝分裂异常, 最终影响植物的生长发育及生理生化过程。RAD21.3是黏连蛋白复合物的一个亚基, 参与有丝分裂中染色体的分离。该研究以哥伦比亚生态型拟南芥(Arabidopsis thaliana)和atrad21.3突变体为材料, 设置对照(CK)及UV-B处理组, 对野生型(WT)、atrad21.3及过表达株系的根长、株高、抽薹时间和生理生化指标进行统计分析。利用碱性品红染色观察拟南芥根尖的有丝分裂现象, 并统计畸变率。SPSS分析结果表明, UV-B处理后, WT UV-B和atrad21.3 CK的抽薹时间、株高及各项生理生化指标与WT CK相比无显著差异, 但atrad21.3 UV-B与之相比差异显著。通过烟草(Nicotiana benthamiana)的瞬时表达和亚细胞定位观察, 发现RAD21.3集中在细胞核; 进一步观察分裂期细胞发现落后染色体、染色体桥和游离染色体等异常现象。统计结果表明, 与WT CK相比, WT UV-B和atrad21.3 CK的畸变率较高, 但atrad21.3 UV-B的畸变率更高, 表明RAD21.3可能响应UV-B辐射诱导的异常有丝分裂。     

UV-B辐射对烟草光合色素和几种酶的影响

对UV-B胁迫条件下烟草叶片相关生理生化指标的变化进行研究.结果表明,UV-B辐照后,烟草叶片内光合色素(叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素)的含量均呈上升趋势,3种色素比对照分别上升了21%、10%、27%;可溶性蛋白含量呈先上升后下降趋势;过氧化物酶活性明显上升,同工酶图谱分析证实,有一种新的过氧化物酶同工酶表达;利用重组噬夏孢欧文氏菌(Erwinia uredovora)GGPP合成酶免疫家兔,制备了兔抗GGPP合成酶的抗血清.Western blot检测显示,UV-B辐照可使烟草叶片GGPP合成酶(GGPS)的表达量显著提高.     

增强UV-B辐射对3种芦荟蒽醌类物质含量的影响

以中华芦荟、库拉索芦荟和木立芦荟为试验材料,采用HPLC技术,研究了增强UV-B辐射对3种芦荟叶片中主要药用成分总蒽醌、芦荟素和芦荟大黄素含量的影响。结果显示:增强UV-B辐射20 d,每天处理6 h,库拉索芦荟和木立芦荟叶中总蒽醌、芦荟素、芦荟大黄素的含量增加,叶提取物中出峰数量增多,总峰面积增大;而中华芦荟中蒽醌类物质含量显著降低,叶提取物中出峰数量减少,总峰面积减少。研究表明,增强UV-B辐射能刺激库拉索芦荟和木立芦荟叶片中蒽醌类物质的积累和新物质的合成,而不利于中华芦荟蒽醌类物质的积累。     

多蒴灰藓对强紫外线照射的生理响应

将多蒴灰藓(Hypnum fertile)置于紫外辐射下照光3周,研究了紫外辐射对多蒴灰藓的损害及其生理响应。结果表明： 与对照(自然环境)相比,多蒴灰藓的叶绿素和类胡萝卜素含量均随紫外辐射时间的延长而减少,MDA含量却明显增加,SOD、POD和CAT活性也相应增加;增加紫外辐射量会引起多蒴灰藓的氧化胁迫,其能通过增加抗氧化酶的活性来减轻这种胁迫。     

增强UV-B辐射对拟南芥叶肉细胞蛋白的影响

采用不同剂量的UV-B辐射处理4周龄的野生型拟南芥幼苗(Columbia-0),分别采用丙酮沉淀法和TCA-丙酮法提取其叶肉细胞中的蛋白质,进而研究分析拟南芥叶肉细胞中蛋白质的含量与组成对不同强度UV-B辐射的响应。结果显示,两种方法相比较,TCA-丙酮法所提取得到的蛋白含量相对较多,更适合于分析增强UV-B辐射对拟南芥叶肉细胞蛋白质的影响;而两种方法所提取得到的蛋白质含量的变化趋势相同,随着UV-B辐射剂量的增加,蛋白质含量呈先增加后减少的趋势,B₂组达到了最大。此外,蛋白条带的数目和表达量也都发生了显著变化,同样也是以中剂量处理组（B₂组）变化最为明显,既有新增条带,又有消失条带。这可能是由于拟南芥在受到低剂量的UV-B辐射时,可以激活自身一些抗性基因的表达而诱导产生抗性蛋白,进而抵御UV-B的伤害;而当受到高剂量的UV-B辐射时,损伤自身的蛋白质合成途径,影响蛋白的合成。     

增强UV-B辐射与其它因子复合作用对植物生长的影响研究

增强UV-B辐射与其它因子复合作用对植物的影响研究是扩展UV-B辐射效应研究的重要途径,有着广阔的研究空间,并已成为目前UV-B辐射研究新的发展趋势.本文较为全面地综述了目前国内外有关增强UV-B辐射与其它因子（包括CO2、O3、水分、温度、有效辐射、重金属、盐分、矿质营养、酸雨、铈、镧、硒以及某些物理因子）复合作用对植物影响的研究进展,提出了目前该领域研究的一些不足并对未来发展提出了展望.