光质对水稻幼苗超弱发光和谷氨酰胺合成酶活性的影响(精)

1、光质对水稻幼苗超弱发光和谷氨酰胺合成酶活性的 影响*核心提示：中文摘要：生长在不同光质下的水稻幼苗叶片的超弱发光(UBE随着其生长进程不断增强，光质对 UBE有显著影响，生长在白光下的水 稻幼苗的UBE明显高于生长在红光或蓝光下的水稻幼苗的 UBE而红光和蓝光 处理之间无显著差异.同时谷氨酰胺合成酶(GS活性变化也是白光处理的水稻 幼苗GS活性明显高于红光和蓝光处.皿IS遵中文摘要：生长在不同光质下的水稻幼苗叶片的超弱发光(UBE随 着其生长进程不断增强，光质对 UBE有显著影响，生长在白光下的水稻幼苗的 UBE明显高于生长在红光或蓝光下的水稻幼苗的 UBE而红光和蓝光处理之间无 显著差异.同

2、时谷氨酰胺合成酶(GS活性变化也是白光处理的水稻幼苗 GS活 性明显高于红光和蓝光处理，而后两者之间也无显著差异.表明光质对水稻幼苗 UBE和GS活性的影响是相似的，可能与叶绿体的发育和光合作用有关讨论了超 弱发光的生物学应用前景.1998年6月生命科学研究Jun. 1998光质对水稻幼苗超弱发光和 谷氨酰胺合成酶活性的影响 S李德红 邓江明1邢达(华南师范大学激光 生命科学研究所,中国广州,510631) (1 华南师范大学生物系,中国广州, 510631) 摘 要 生长在不同光质下的水稻幼苗叶片的超弱发光(UBE)随着其生长进程不断增强，光质对UBE有显著影响，生长在白光下的水稻幼苗的 U

3、BE明显高于生长在红光或蓝光下的水稻幼苗的UBE,而红光和蓝光处理之间无显著差异.同时谷氨酰胺合成酶(GS)活性变化也是白光处理的水稻幼苗 GS 活性明显高于红光和蓝光处理，而后两者之间也无显著差异.表明光质对水稻 幼苗UBE和GS活性的影响是相似的,可能与叶绿体的发育和光合作用有关. 讨论了超弱发光的生物学应用前景.关键词 水稻，光质，超弱发光(UBE), 谷氨酰胺合成酶(GS)分类号 Q 559,Q 63, S312, S313, S511 ( In st itu te of L aser L ife Scien ce. Sou th Ch ina N o rm al U n iversi

4、ty,Gua ngzhou, 510631, PRC) (1D epartm en t of B io logy, Sou th Ch ina N o rm al U n iversity, Guangzhou, 510631, PRC)S 国家杰出青年科学基金和广东省自然科学基金资助项目研究生，工作单位：湖南师范大学生物学系； 邢达，男,41岁，教授，博士转载光质对植物的生长发育具有十分显著的影响 它对生理生化过程(如气孔开闭、叶片衰老、碳水化合物和蛋白质代谢、质膜 蛋白磷酸化及基因表达等)的影响是光生物学研究的重 要内容1 . 光质对 超弱发光的影响如何？尚未见报道A近年来植物超弱发光的研

5、究已成为生物学、农学和生物物理学等学科的交叉领域中的新生长点，国内外有关学者对其发生机制进行了有益的探索，并在UBE的应用基础方面进行了初步探讨2 6 .但目前对其生物学机理尚无明确认识.笔者等710 从超弱发光的二 维图象观测入手，得到了一些新的启示.先前的研究已表明，植物的(诱导) 超弱发光与光形态建成和光合作用等生长代谢过程密切相关11, 12 . 据报道，蓝光等光质明显影响水稻幼苗叶绿体的发育及光合作用13 . 因此，我们在 上述工作基础上 , 就生长在不同光质下的水稻幼苗的超弱发光及谷氨酰胺 合成酶 (GS) 的活性等进行观察比较 , 进一步探讨超弱发光的生物学机理及应 用途径. 1

6、 材料与方法 1. 1 材料的培养 选用的水稻 (O ry z a sa tiva L ) 种子 ( 品种 : 湘粳 2 号, X iangjing N o. 2) 经 浸种、催芽后播于培养 瓶中,保持合适水分,置于光照培养室内,在(25 1) C下培养311 d,每 天分别照射白光(W h ite ligh t, 波长4001 000 nm )、红光(R ed ligh t, 最强发射波 长在 650 nm , 半高宽 35 nm ) 或蓝光 (B lue ligh t, 最强发射波长在 465 nm , 半高宽 55 nm ) 12 h ( 光强 24 Am o lm - 2 s-1) .

7、 试验所用光源为白、红或蓝色荧光灯 , 其中红光和蓝光分别加相应的滤膜 . 1. 2 超弱发光的测定 采用自行研制的超弱发光探测系统进行图象观测 7,9 . 将不同时间、 不同光照培养的水稻幼苗的第一片真叶经 2 m in 白炽灯 照射 (光强 10 Am o l m - 2 s- 1) 后放入样品池, 暗置 10 s 后开始采集图 象. 每幅图象采集 30 s, 每个样品共采集 5 幅图象. 1. 3 谷氨酰胺合成酶 活性的测定 参照文献14 的方法进行测定 . 每个样品 3 次重复. 2结果与分析2. 1UBE的变化趋势 UBE强度随着水稻幼苗的生长进程不断增强.2日龄时UBE较弱,3日龄

8、时则已十分明显.与2日龄时相比,9日龄时水稻 幼苗的UBE可增强到2370倍，视不同光质而异.最初(35 d)增加较快, 后来 (7 9 d) 增加减慢; 到 11 日龄时, UBE 已不再增强, 反而比 9 日龄时 略有降低 (图 1). 2. 2 不同光质的比较 从图 1 还可以看出不同光质对水 稻幼苗UBE的影响.在白(W )、红(R )、蓝(B ) 3种光质下生长的水稻幼苗的 UBE 强度在 2 日龄时无明显差别 . 在 3 日龄时已 表现出不同光质处理 的差别来，其中，白光下生长的水稻幼苗的UBE最强，红光和蓝光下生长的水 稻幼苗的UBE较弱.从整个实验观察过程(211 d)来看，白

9、光比红光的 UBE 强 011生 命 科 学 研 究 1998 年 图 1 生长在不同光质下的水稻幼苗的超弱发光强度变化 度约高 30% 57% , 白光比蓝光的 UBE 强度约高 30% 65%. 但红光和蓝光处理之间的差别不明显 . 就诱导超弱发光的 衰减规律而言 , 生长在白红蓝 3 种光质下的水稻幼苗的 UBE 变化比较一致 ( 图2) . 2. 3不同光质对水稻幼苗谷氨酰 胺合成酶 (GS) 活性的影响 为探讨超A g? (g?FW ?20 m in) - 10. 080 1. 270 0. 020 1. 710 0. 120 7 d 2.0. 040 2. 160 0. 060 1

10、0 d 2. 390 0. 040 1. 李德红等 : 光质对水稻幼苗超弱 活性明显高于红光和蓝光处理 , 而弱发光与生理生化过程的关系 , 我们测定了水稻幼苗谷氨酰胺合成酶活性 , 结 果见表 1. GS 活性也随生长进程而增加 . 白光的 GS 图 2 水稻幼苗诱导超弱 发光的衰减 表 1 光质对水稻幼苗谷氨酰胺合成酶 (GS) 活性的影响谷氨酰胺 合成酶活性 GS activit ies? Ag? (g?FW ?20 m in) - 1 白光 (W ) 红光 (R ) 蓝光 (B) 5 d 1. 640 460 0. 007 2. 070 990 0. 070 2. 000 0. 007

11、 111 第 2 期发光和谷氨酰胺合成酶活性的影响 蓝光和红光之间无显著差别 (5 日龄时除外 ). 表明白红蓝三种光质对水稻幼苗 谷氨酰胺合成酶的活性具有非常显著的影响 , 且与光质对超弱发光的影响是相 似的 ( 图 1). 3 讨 论 本试验就光质对超弱发光和谷氨酰胺合成酶活性的影 响进行了初步观测，发现生长在不同光质下的水稻幼苗的UBE强度差异很明显,并且这种变化与谷氨酰胺合成酶等的活性变化密切关联 , 光质对超弱发光和谷 氨酰胺合成酶活性的影响是相似的 . 我们知道 GS 活性在氮代谢中起着十分重 要的作用. 无机氮同化为 N H +4 后, 在 GS 作用下形成谷氨酰胺 , 经转氨酶

12、 进一步形成其它氨基酸.同时，细胞呼吸的三羧酸循环所产生的A2酮戊二酸另一方面 , 呼吸速率大大提高 15 ,与谷氨酰胺在谷氨酸合成酶的催化下又可生成 2 分子的谷氨酸 . 这样, GS 就 在植物体内游离 N H +4 的平衡中起着十分关键的作用 , 并在氨基酸、蛋白质的 合成和分解及呼吸作用之间起着一种纽带的作用.这暗示着UBE与生长发育中 的某些生理生化过程 ( 如氨基酸、蛋白质的合成与分解、三羧酸循环等 ) 有关. 进一步证实了先前的推测 10, 11 . 与白光相比 , 蓝光和红光对植物的生长发 育具有不同的影响 . 以 10 日龄的水稻幼苗为例 , 一方面, 蓝光处理的水稻幼 苗叶

13、绿素 a 和叶绿素 b 的含量较低、 a?b 的比值较大、叶绿体的基粒分布较 少、基粒类囊体的垛叠程度较低 13 ;导致其光合速率远远低于普通白光处理 . 即蓝光可能通过影响叶绿体发育及光 合作用来调控水稻幼苗的形态建成 13, 15 . 我们先前的试验指出 , 植物的 超弱发光可能与叶绿体的发育和光合作用有关 11 , 本试验的结果进一步证 实了这一点 , 并且表明通过测定 UBE, 可以在 3 日龄时快速、简便地测得光质 对水稻幼苗生长发育的影响 . 由于这种方法对样品无损伤、灵敏度高、非常直 观, 可能更利于在生物学和农学等领域中的应用 . 若能将 UBE 的变化与超弱发 光光谱分析、生

14、物学机理研究及某些关键的生物学过程联系起来 , 有可能开辟 全新的研究领域 . 参 考 文 献 1 李韶山, 潘瑞炽. 植物的蓝光效应 . 植物生 理学通讯，1993, 29：248252 2 沈恂，傅世密,张月敬等.生物系统超弱发光的探测 : 绿豆、大鼠血液和 3T 3 细胞的发光 . 生物物理学报 . 1988, 4 (2) ： 98 1033 Schauf B , R epas LM , Kaufm ann R. Localizat ion of u ltraw eak pho ton em ission in p lan ts. P hotochem and 4 Sho ich i K

15、ai,M itan i T , Fu jikaw a M. A nom alous b iopho ton em ission du ring germ ination p rocess of red 5汪沛洪 , 吕金印 .利用植物超弱发光鉴定抗旱性的小麦品种初探 . 生物化学与生物物理进展 , 1990, 17 (5) ： 399 400 6 周禾, 杨起简 . 不同类型植物种子在萌发期的超弱发光研究 . 生物物理学报 , 1996, 12 (1) ： 157 160 7 谭石慈, 邢达.生物的超弱发光图象的观测 . 科学通报 , 1996, 42 (6) ： 644 646 8 王苏生,

16、 陈天明, 俞信等 . 生物超微弱发光的两维探测 . 激光生物学 , 1996, 5(1) ： 771 774 ( 下转第 117 页) 211生 命 科 学 研 究 1998年 旱对地下部分 ( 根系 )的影响 , 试图从地下部分寻找抗旱的生理生化指标 (待发表)，但研究结果表明，干旱对水稻的影响主要在地上部分A本研究以水稻植株的抗脱水能力、叶绿素含量、游离脯氨酸含量与可溶性糖含量为分析 对象， 结果表明都与水稻抗旱性有关 ， 但以抗脱水能力为指标比其它 3 个指标 更能反映抗旱性 A 参 考 文 献 1 金忠男 A 稻的抗旱性机理与鉴定 A 杂 交水稻 ， 1991， (4) ： 45 4

17、8 2 江苏农学院主编 . 植物生理学 . 北京 ： 农业出版社， 1986. 295 309 3 黎裕. 植物的渗透调节与其它生理过程的关系及 其在作物改良中的应用 . 植物生理学通讯 ， 1994， 30 (5) ： 377 385 4 朱广廉， 曹宗巽 . 太谷核不育小麦不育株和可育株花药内游离氨基酸的比较分析 . 植物生理学报 ， 1984， 10 (2) ： 185 189 5 张志良主编 . 植物生理学实验指导. 第 2 版. 北京： 高等教育出版社， 1990， 88 91， 160 162， 259 260 6 杨建昌 ， 王志琴 ， 朱庆森 . 水稻在不同土壤水分状况下脯氨酸

18、的积累与 抗旱性的关系 . 中国水稻科学 ， 1995， 9 (2) ： 92 967 杨建昌， 王志琴，朱庆森. 水稻品种的抗旱性及其生理特性的研究 . 中国农业科学 ， 1995， 28 (5) ： 65 72 8 IRR I. Physio logy of drough t resistance. In： IRR龚明.I A nnual R epo rt fo r 1973. IRR I， L o s Bano s， L aquna， 9作物抗旱性鉴定方法与指标及其综合评价 . 云南农业大学学报 , 1989, 4 (1) :73 81 10 Yam bao E B. D rough t stress in dex fo r rice. Ph ili pp J.C rop Sci, 1990, 13：105111 9 王维