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生物光子学技术在水稻种子活力和植物应激反应中的应用研究

陈文利  
【摘要】: 研究背景: 超微弱生物化学发光是生物体中普遍存在的一种现象,它可能与生物体的氧化代谢、防御反应、细胞老化和凋亡等许多基本生命过程相联系,通过对它的研究可能获得机体内部生理生化过程的有关信息。目前,基于对生物超微弱生物化学发光的研究,已形成了一门成熟的生物光子学检测技术,并已在医学、食品工业、农业和环境科学等领域有了较广泛的应用。 目的: 本研究是把生物光子学检测技术应用于农业科学领域,研究水稻种子的活力和大豆苗损伤的应激反应,以建立一个快速判断水稻种子活力及观测农作物损伤应激反应的方法,并试图对其机理进行一些可能的探索。 材料和方法: 1.用自行研制的高灵敏单光子计数系统对不同劣变程度的数种水稻种子吸胀初期自发生物发光进行测量。对比加入适当浓度的活性氧清除剂,及能特异地与活性氧反应的发光试剂,观测其超微弱生物化学发光的变化。同时将种子吸胀初期自发发光强度与萌发实验及生理生化实验测得的种子活力相比较,进行相关性分析。 2.用单光子计数系统观测萌发的大豆黄化苗及绿苗子叶损伤后的应激反应变化。再对比加入适当浓度的活性氧清除剂,观测其超微弱生物化学发光的变化。 结果: 1)各种水稻干种子的超微弱生物化学发光强度很低,但在加水萌发吸 摘要 胀早期均有一个超微弱生物化学发光急剧增加,并随后开始慢慢衰减 的过程。同一品种水稻种子的超微弱生物化学发光的强度越高,其萌 发率及活性氧清除酶活性就越高,即种子活力越高;随着种子活力的 降低,发光强度变弱,发光强度与种于萌发率呈极显著正相关 (R20.99) 2)多种自由基清除剂均能不同程度地降低水稻种子的超微弱生物化 学发光的强度,以NaN3的抑制最显著,达到30-40%。 3)加入探针试剂MCLA,能显著增强吸胀初期的化学发光强度,加入作 为’0。和 0。”一的淬灭剂的NaN3和 SOD,能淬灭MCLA介导的发光,证明 水稻种子吸胀初期见的产生占多数,凡生成量与种子萌发率呈高度 正相关(R20.92)。 4)大豆绿苗于叶比黄化苗子叶的超微弱生物化学发光强度大,损伤后 大豆苗子叶的超微弱生物化学发光均有加强,但绿苗的超微弱生物化 学发光强度明显强于黄化首。绿色植物损伤发光分为两个阶段,损伤 刚开始发光最强,5-6分钟后发光趋于平稳,但仍比未损伤的植株发 光强。 幻各种自由基清除剂均能部分降低绿色损伤大豆子叶的超微弱生物 化学发光的强度,其中以NaN3淬灭作用最大,达50%以上。 6)重水能增强损伤大豆苗子叶的超微弱生物化学发光强度,对绿茵的 增强程度更大。说明植物损伤过程中有单线态氧的产生。 结论: 1)可以用生物光子学检测技术测量水稻品种在吸胀初期超微弱生物 化学发光的强度变化来判断水稻种子活力,同一品种的水稻种子的发 光越强,表明种于活力越高。 2)水稻种子在萌发吸胀早期的超微弱生物化学发光主要是与吸水后 种子体内代谢反应产生的活性氧自由基有关,其中 止的贡献最多。 种子活力越高,代谢就越旺盛,呼吸耗氧量越大,所以发光越强。 2 摘要 :n可以用生物先于学技术所测量植物损伤诱导的发光来评价植物损 伤后的应激反应。植物损伤后发光的增强主要是与损伤后体内发生应 激反应产’生的活性氧自山基有关,损伤诱导的发光大部分来自口一I一级 体。 利根据我们的实验结果和及其它生理生化研究报道,提出了种子吸胀 初期及植物损伤应激反应)一生超微弱生物化学发光的模式。 不同活力种子吸胀初期发光来源模式: 高活力种子吸水后迅速发生转氨及多股等代谢反应,又因为呼吸耗氧 量迅速增加,故产生的活性氧量大;高活力种子体内不饱和脂肪酸含 量多,活性氧启动植物体内膜上的脂质过氧化反应更加剧烈,活性氧 和脂质过氧化反应形成的激发态(几”,’卜C=0)”)分子退激发光。 低活力种子吸水后代谢反应微弱,呼吸强度低,不饱和脂肪酸含量 低,所以活性氧及脂质过氧化反应缓慢,产生的激发态分于数量变 小,发光降低。 植物损伤后发光来源模式: 损伤作为一种胁迫因于刺激细胞膜上的Ca’”通道打开,使NADPH氧化 酶磷酸化,NADPH氧化酶活性增加,导致活性氧自由基的产生,既“氧 暴发”发生;活性氧可以刺激细胞膜上的自由基敏感系统使细胞内部 产生一系列自由基中间物,这些物质同时可以引起细胞内膜系统上发 生脂质过氧化,自由基和脂质过氧化反应产生的激发态分子,一部分 以光于形式发射出来,一部分被叶绿体中的Chla分子扑获,产生三 线态的’Chla”退激发光,经由Chla发光的效率高,所以损伤发光的 主要来源是叶绿体。


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