賀瑞瑞， 習崗， 劉鍇， 趙燕燕

(西安理工大學 理學院，陜西 西安 710054)

滲透脅迫下玉米幼苗根系超弱光子輻射的變化與分析

賀瑞瑞， 習崗， 劉鍇， 趙燕燕

(西安理工大學 理學院，陜西 西安 710054)

為了揭示滲透脅迫下玉米幼苗根系超弱光子輻射的生物學意義，研究了-0.1MPa的PEG-6000溶液形成的滲透脅迫下玉米幼苗根系自發(fā)光子輻射和外界光激發(fā)下的延遲光子輻射。結果表明，隨著玉米幼苗的生長，根系自發(fā)光子輻射呈現(xiàn)出波動的趨勢，滲透脅迫使波動的幅度減小，根系鮮重和自發(fā)光子輻射的變化呈現(xiàn)出明顯的正相關。研究還發(fā)現(xiàn)，玉米幼苗根系的初始光子數(shù)I0、衰減參數(shù)β和相干時間τ這幾個延遲光子輻射動力學參數(shù)也都隨著玉米幼苗根系的生長呈現(xiàn)出波動的變化趨勢。機理分析表明，根系自發(fā)光子輻射可以作為根系細胞呼吸代謝強度的信號，初始光子數(shù)I0的大小表征了根系細胞能態(tài)水平的高低，衰減參數(shù)β的變化反映了根系細胞中功能分子之間相互作用的變化。

玉米； 幼苗根系； 滲透脅迫； 光子輻射； 細胞代謝

玉米幼苗根系的超弱光子輻射包括根系在暗中的自發(fā)光子輻射和外界光誘導下的延遲光子輻射，這種來自于細胞生命活動的發(fā)光是生命體重要的狀態(tài)信息，其有可能提供一種無損的光學檢測活體技術，用來分析和判斷細胞活動和狀態(tài)[1]。目前，關于植物葉片超弱光子輻射的研究有很多，主要涉及植物對某些脅迫如滲透、電磁場等[2-9]的反應和對葉片衰老的評價[10]，而對根系的研究較少。事實上，在植物生長過程中，根系細胞十分活躍，其光子輻射比葉片要強得多，研究根系超弱光子輻射規(guī)律及其所隱含的生命信息對于了解根系細胞生理代謝及其功能狀態(tài)的變化具有重要意義。

滲透脅迫是影響作物生長的主要因素之一，干旱、鹽堿和冷害都會導致作物水分虧缺、細胞失水，造成滲透脅迫[11]。玉米對干旱具有非常敏感的反應且為主要的糧食作物，因此，本文研究和分析了滲透脅迫下玉米幼苗根系超弱光子輻射的變化規(guī)律，為從活體細胞層面上揭示滲透脅迫下植物根系細胞代謝、功能狀態(tài)的變化以及植物的抗逆機理提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料培養(yǎng)與滲透脅迫

以玉米種子(鄭單958號)作為實驗材料。選取長勢均勻一致的飽滿玉米種子分為兩組，用蒸餾水清洗表面，用HgCl2(體積分數(shù)為0.2%)消毒，再以蒸餾水清洗數(shù)遍，放置在培養(yǎng)皿中，加入一定量的蒸餾水，置于PRX-1000A型人工培養(yǎng)箱中，在溫度、濕度和光照分別為35℃、50%和3 000Lx的條件下萌發(fā)48 h。挑選發(fā)芽較好的玉米種子分別作為處理組和對照組，每組200粒。待所選玉米種子在恒溫箱中生長3 d后，參照文獻[6]的方法，去除對照組和處理組中的水分，同時處理組中加入滲透勢為-0.1 MPa的PEG-6000溶液，在滲透脅迫后的不同時間取樣測量。

1.2 根系鮮質量的測量

從對照組和處理組中各選取長勢均勻的玉米幼苗15株，分為三組，每組5株。剪下根系，用濾紙吸干根系表面液體，用電子天平測量根系質量，測量后分別取平均，并做統(tǒng)計分析。

1.3 自發(fā)光子輻射的測量

根系自發(fā)光子輻射的測量參照文獻[6]，測量時分別選取處理組和對照組中長勢均勻的玉米幼苗各15株，分為3組，剪取根系部分，用濾紙吸干根系表面殘留的液體，放入儀器暗室暗處理5 min，測定各樣品玉米幼苗根系的自發(fā)光子輻射。每次測量前，均先測定暗室的本底，測量數(shù)據(jù)減去本底即為樣品的超弱光子輻射。每個樣品的測量均設置3個重復，取平均。

1.4 延遲光子輻射的測量

延遲光子輻射的測量系統(tǒng)和測量原理見文獻[6]。測量時分別選取處理組和對照組的玉米幼苗各15株，分為3組，實驗時剪取根系部分，用濾紙吸干根系表面液體后放入暗室中，用LED輻照30 s后測量實驗樣品的延遲光子輻射，每組樣品根系重復測量3次，取平均。

1.5 統(tǒng)計分析

測量結果的差異顯著性采用SPSS軟件進行分析，P<0.05為顯著水平，P<0.01為極顯著水平。

2 結果與分析

2.1 滲透脅迫下玉米幼苗根系鮮質量的變化

根系鮮質量可以反映根系生長狀況和植物的后續(xù)生長潛力。圖1為未經滲透脅迫的對照組與經過滲透脅迫的處理組的玉米幼苗根系鮮質量的變化。由圖1可見，對照組玉米幼苗根系鮮質量隨著幼苗的生長呈現(xiàn)出先增加，再小幅度下降，后增加的變化趨勢。與對照組相比較，處理組鮮質量的變化具有相同的趨勢，但是，處理組峰值出現(xiàn)的時間比對照組要早，增長幅度一直低于對照組。在脅迫后2 d、3 d、4 d和5 d時，對照組鮮質量比處理組分別增加了17.4%、49.6%、33.6%和17.2%，差異均達到極顯著水平(P<0.01)，表明-0.1MPa的PEG-6000溶液形成的滲透脅迫對玉米幼苗根系生長有抑制作用。

2.2 滲透脅迫下玉米幼苗根系自發(fā)光子輻射的變化

滲透脅迫對玉米幼苗根系自發(fā)光子輻射的影響見圖2。從圖2可見，未經脅迫處理時(0 d)，對照組與處理組的自發(fā)光子輻射沒有明顯差別。在脅迫開始后，隨著脅迫時間的推移，對照組的自發(fā)光子輻射呈現(xiàn)波動的變化趨勢，在2 d附近達到一個峰值，滲透脅迫下玉米幼苗根系的自發(fā)光子輻射的變化趨勢與對照組相似，但是強度比對照組要低。在脅迫后2 d和3 d時，對照組的光子輻射強度比處理組分別高13.2%(P<0.05)和20.4%(P<0.01)。比較圖1和圖2容易看出，在滲透脅迫下，對照組和處理組的鮮質量和自發(fā)光子輻射的變化呈現(xiàn)出明顯的正相關，對照組相關方程為y=0.005 01x-1.593 22，處理組相關方程為y=0.005 5x-1.813 57，相關系數(shù)分別為0.913 15和0.937 57。

2.3 滲透脅迫對玉米幼苗根系延遲光子輻射的影響

圖3為對照組和處理組玉米幼苗根系的延遲光子輻射。由圖3可見，玉米幼苗根系細胞在光照停止后衰減過程持續(xù)了幾十秒的時間。

2.4 玉米幼苗根系延遲光子輻射動力學分析

由于延遲光子輻射是細胞中處于激發(fā)態(tài)的功能分子之間的合作效應，這些功能分子之間通過一種非線性耦合方式關聯(lián)起來，形成了一個具有高度相干性的整體。因此，假定處于激發(fā)態(tài)的功能分子數(shù)n(t)服從下述非線性動力學方程[12]：

(1)

式中，μ(>0)和γ(>1)是兩個常數(shù)，t為弛豫時間。由于延遲輻射強度I(t)∝-dn(t)/dt，得到輻射強度I(t)為：

(2)

其中:

(3)

(4)

(5)

式中，n0為激發(fā)光照停止(t=0)時，處于激發(fā)態(tài)的功能分子數(shù)。

考慮到時間趨于無窮大時延遲光子輻射趨近于自發(fā)光子輻射，將式(2)修改為：

(6)

式中，I0為初始光子數(shù)(counts/s)，τ為相干時間(s)，β為衰減參數(shù)(無量綱的純數(shù))，ISL為單位時間的自發(fā)光子輻射，I0、τ、β為擬合參數(shù)。

將圖3中各曲線按照式(6)擬合，結果列入表1和表2。由表1和表2可見，各曲線的擬合優(yōu)度R2均大于0.99，說明表1和表2中參數(shù)I0、τ和β決定的式(1)準確刻畫了圖3中各延遲光子輻射的動力學特征。

2.5 玉米幼苗根系延遲光子輻射動力學參數(shù)的變化

表1和表2表示了玉米幼苗根系延遲光子輻射的變化，其中延遲光子輻射動力學參數(shù)初始光子數(shù)I0、衰減參數(shù)β和相干時間τ的變化分別用圖4、圖5和圖6表示。

由圖4可見，隨著玉米幼苗的生長，對照組玉米幼苗根系延遲光子輻射的初始光子數(shù)I0呈現(xiàn)出整體上平穩(wěn)的波動狀態(tài)，處理組在脅迫1 d后幾乎呈現(xiàn)單調的下降狀態(tài)，在脅迫3 d、4 d和5 d時，對照組的I0比處理組分別高出了22.8%、26.2%和27.8%。

圖5為滲透脅迫對玉米幼苗根系延遲光子輻射衰減參數(shù)β的影響。圖5顯示，在整個脅迫過程中，對照組與處理組的衰減參數(shù)β均呈現(xiàn)出波動變化，但是，對照組的β值一直大于處理組。在脅迫2 d、3 d、4 d和5 d時，對照組的β值分別比處理組高出了13.3%、22.3%、16.0%和17.9%。

圖6為在脅迫過程中對照組與處理組延遲光子輻射相干時間τ的變化趨勢。由圖6可見，在脅迫過程中，對照組與處理組延遲光子輻射相干時間τ也呈現(xiàn)出波動的變化趨勢，但是，對照組的τ值一直大于處理組，在脅迫2 d、3 d、4 d和5 d時，對照組的τ值比處理組分別增大了11.6%、9.4%、17.4%和16.5%。

3 討 論

有證據(jù)表明，根系自發(fā)光子輻射主要與根系細胞的呼吸代謝有關[13]。線粒體呼吸鏈的電子漏程度以及由呼吸代謝控制的能量轉換和代謝活性都會直接影響自發(fā)光子輻射強度的變化[14]。因此，根系自發(fā)光子輻射可以作為根系細胞呼吸代謝強度的信號。在本研究中發(fā)現(xiàn)，隨著玉米幼苗的生長，對照組玉米幼苗根系的自發(fā)光子輻射呈現(xiàn)出逐漸增高的波動性變化趨勢(見圖2)，表明根系細胞的呼吸代謝強度是波動性增長的。由于呼吸代謝直接影響植物體內各種物質的合成與轉化[15]，所以呼吸的增強會帶來鮮質量的增加，而滲透脅迫時間的延長會導致根系細胞氧化磷酸化解偶聯(lián)和呼吸速率的下降[16]，造成物質合成的減少，這就解釋了圖1和圖2中根系鮮質量和自發(fā)光子輻射呈現(xiàn)正相關的原因。

在延遲光子輻射中，初始光子數(shù)I0是激發(fā)光停止時的輻射強度，其與激發(fā)光強度、樣品性質和樣品量有關。由式(3)可見，在特定的非飽和光照射下，I0只與細胞中處于激發(fā)態(tài)的功能分子數(shù)量有關，I0越大，表明系統(tǒng)中處于活性狀態(tài)的功能分子數(shù)越多，系統(tǒng)潛在的能態(tài)水平越高。圖4表明，隨著玉米幼苗的生長，根系的初始光子數(shù)I0呈現(xiàn)出波動性的變化，由此推測根系細胞系統(tǒng)的能態(tài)水平發(fā)生了波動性變化。滲透脅迫2 d以后根系初始光子數(shù)I0迅速下降的現(xiàn)象可能與2 d以后根系鮮質量的下降和根系細胞中處于激發(fā)態(tài)的功能分子數(shù)的減小有關。脅迫3 d以后，對照組和處理組根系鮮質量的差異逐漸減小(見圖1)，但是初始光子數(shù)的差異加大(見圖4)，說明I0的迅速下降是根系細胞中處于激發(fā)態(tài)的功能分子數(shù)減少的緣故。由此看來，持續(xù)的滲透脅迫會使根系細胞中處于激發(fā)態(tài)的功能分子數(shù)減少，細胞能態(tài)水平降低。

由式(5)可見，相干時間τ既受到β的影響，還受到處于激發(fā)態(tài)的初始功能分子數(shù)n0的調制。式(6)中的指數(shù)項衰減參數(shù)β決定著延遲光子輻射衰減的快慢，由式(4)可知，其只與樣品的性質有關，當處于激發(fā)態(tài)的功能分子之間的相互作用越大時，β值越大，延遲光子輻射衰減的愈慢，因此，β可以表征功能分子之間相互作用的大小[17]。在圖5中，對照組玉米幼苗根系衰減參數(shù)β隨著玉米幼苗的生長呈現(xiàn)出波動的變化，在2 d和4 d附近出現(xiàn)了兩個峰，表明此時細胞功能分子之間的相互作用較大。在滲透脅迫下，處理組β值波動的幅度比對照組大，其值比對照組要小，說明滲透脅迫下細胞自組織調節(jié)能力發(fā)生了較大的變化，功能分子之間的相互作用減小了。

至于根系延遲光子輻射來源的詳細機理，目前未見研究報道。但是，由于葉片的延遲光子輻射來自于葉片光合細胞中發(fā)生的光合電子傳遞過程[18]，當光照停止時，處于光合電子傳遞鏈不同部位的電子回流到光合反應中心PSⅡ，產生激發(fā)態(tài)PSⅡ，后者退激時產生延遲發(fā)光[19]。電子傳遞鏈上的各組分性質不同，貯存和釋放電子的能力有所不同，從而電子傳遞鏈不同組分回流到PSⅡ的時間不同，造成了延遲發(fā)光的長時間衰減現(xiàn)象。在根系細胞線粒體中存在著與光合電子傳遞鏈類似的呼吸電子傳遞系統(tǒng)，由此推測根系延遲光子輻射有可能來自于根系細胞呼吸電子傳遞鏈上的電子回流，當然，這一推測還有待證實。

4 結 論

1) 隨著玉米幼苗的生長，根系自發(fā)光子輻射呈現(xiàn)出波動的變化趨勢；在-0.1 MPa的PEG-6000溶液形成的滲透脅迫下，玉米幼苗根系的自發(fā)光子輻射的變化趨勢與對照組相似，但是，強度比對照組要低；根系鮮質量和自發(fā)光子輻射的變化呈現(xiàn)出明顯的正相關。機理分析表明，根系自發(fā)光子輻射可以作為根系細胞呼吸代謝強度的信號。

2) 玉米幼苗根系延遲光子輻射的初始光子數(shù)I0、衰減參數(shù)β和相干時間τ都隨著根系的生長呈現(xiàn)出波動的變化；在-0.1 MPa的滲透脅迫1 d后，初始光子數(shù)I0單調下降，衰減參數(shù)β和相干時間τ仍然呈現(xiàn)波動的狀態(tài)，但是數(shù)值明顯降低。根據(jù)I0和β的生物學意義推測，持續(xù)的滲透脅迫使得根系細胞中處于激發(fā)態(tài)的功能分子數(shù)減少，細胞能態(tài)水平降低，功能分子之間的相互作用減小。

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(責任編輯 周蓓)

The change and analysis of ultra-weak photon emission in maize seedling root system under osmotic stress

HE Ruirui, XI Gang, LIU Kai, ZHAO Yanyan

(Faculty of Science，Xi’an University of Technology，Xi’an 710054，China)

In order to reveal the biological significance of ultra-weak photon emission of maize seedling system under osmotic stress, the maize seedling system spontaneous photon emission formed under osmotic stress with -0.1MPa PEG-6000 solution and the delayed photon emission by the outside light exciting are studied. The results indicate that with the maize seedling growth, the root system spontaneous photon emission appears to be fluctuating trend, and osmotic stress can make the fluctuation amplitude reduced, and that the root system fresh weight appears to be in apparent positive correlation with the changes in spontaneous photon emission. It is found via researches that the initial photon numberI0, decay factorβ, and coherence timeτof the maize seedling system and several delayed biophoton emission dynamic parameters appear to have fluctuating change trend with the growth of maize seedling root system.The mechanism analysis indicates that spontaneous photon emission of seedling root can be a signal of cell respiration intensity, and the initial photon numberI0might represent the cellular energy state level of root, the decay factorβcould reflect the change of interactions between functional molecules of root cells.

maize; seedling root system; osmotic stress; biophoton emission; cellular metabolism

1006-4710(2015)04-0454-06

2015-04-18

國家自然科學基金資助項目(31471412，51277151)；西安理工大學科技創(chuàng)新計劃資助項目(2013CX019)。

賀瑞瑞，女，碩士生，研究方向為生物光學與生物電磁學。E-mail:heruiruijy@163.com。

習崗，男，教授，研究方向為生物光學與生物電磁學。E-mail: xig@xaut.edu.cn。

Q632

A