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生物超弱发光及其应用研究概述

来源:激光生物学报 作者:聂继云 彭运生 2004-9-23
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摘要: 摘要生物超弱发光是生物物理中光生物学的重要内容之一,自1923年以来,人们已进行了大量研究。本文评述了生物超弱发光的机理、测量和理化影响因素,总结了生物超弱发光在我国农业和医学中的应用研究,并对初步展望了生物超弱发光的未来研究方向。Key words Superweak bioluminescence Mechanism applied research生物超弱......


  摘要生物超弱发光是生物物理中光生物学的重要内容之一,自1923年以来,人们已进行了大量研究。本文评述了生物超弱发光的机理、测量和理化影响因素,总结了生物超弱发光在我国农业和医学中的应用研究,并对初步展望了生物超弱发光的未来研究方向。

Superweak Bioluminescence and its Applied Research

Nie Jiyun Peng Yunsheng

(China Agricultrual University,Beijing 100094)

  Abstract Superweak bioluminescence is the important content of optic-biology in biophysics.Scince 1923,a lot of research has been carried out,This paper generalized the mechansim,measurement ,factors of physical and chemical influence,and the applied research in agriculture and medical science in china,Moreover,the initial prospect of the future orientation of superweak bioluminescence research has also been presented.

  Key words Superweak bioluminescence Mechanism applied research

  生物超弱发光(Ultraweak or Superweak bioluminescence),简称超弱发光,又叫超弱光子辐射(Ultraweak Photon emission)、自发光(Spontaneous Luminescence)、超弱化学发光(Ultraweak or superweak Chemiluminescence)[1]。超弱发光是一种低水平的化学发光,发光强度极其微弱,仅为100-103hv/(s.cm2),量子效率也很低,约为10-14-10-9,波长范围为200-800nm[2-6]。实际上超弱发光早已为人所知,早在1923年,前苏联科学家G.Gurwitsh在有名的“洋葱试验”中就已发现了超弱发光现象[7]。但是,由于仪器条件的限制,直到1954年意大利人Colli等利用装有光电倍增管的仪器才首次科学地证明了超弱发光现象[8]。到了六十年代,前苏联科学家对超弱发光进行了大量研究,Mamedov[9]对90余种生物的测定发现,除蓝藻和原生动物外,所有生物都有不同程度的发光,证明了超弱发光的普遍性。Slawinska等更进一步,提出任何生命物质都存在着超弱发光现象[10]。到目前为止,人们已对于超弱发光的机理及应用开展了大量研究工作,取得了可喜成绩,但都还有待进一步深入[3]。

  我国超弱发光研究起步较晚,主要在应用研究上开展了一些工作。中国科学院生物物理研究所等单位在人和动物上进行了大量有益的研究[11-23]。七十年代末以来,甘肃农业大学等单位在农作物、豆科牧草、沙生植物和水果的抗生(尤其是抗旱性)鉴定上[24-43]进行了大量探讨,农作物已涉及小麦、玉米、大豆等8种,其中对小麦、玉米研究最多。理化因子如稀土、特定电磁辐射、电离辐射、氧化剂及代谢抑制剂等对超弱发光的影响也已涉及[28、40、44、49]。纵观这些年来我国超弱发光研究的历程,总的来说取得了一定的进展和成绩,但也存在着一些不足。这里仅就超弱发光的机理、测量、理化影响因素,及其在我国农业和医学中的应用研究加以概括和总结,以便对过去的工作有一个总的了解和回顾,并为今后进一步研究提供有益参考。

  1 超弱发光的机理

  代谢和核酸合成是生物超弱发光的两主要来源,萌发绿豆中这两者和约为96%[44]。代谢发光又主要来源于氧化还原等代谢过程,如脂肪酸氧化[50、51]、酚的醛的氧化、H2O2的酶解、花生四烯酸的氧化、儿茶酚胺和单宁的过氧化,醌的氧化裂解[4]、蛋白质和氨基酸的氧化[52]等。氧化剂D2O明显增强血红素蛋白的发光强度[49]、呼吸抑制剂NaN3对萌发绿豆超弱发光的抑制达72%[44]等都是极好的例证。关于代谢发光的机理,Valadimirov曾提出过酶反应机制学说,认为它来源于代谢产生的过氧化物的酶解;但现在一般认为代谢发光是不饱和脂肪酸氧化产生的过氧化自由基复合后形成的三重态过氧化物退激所致[4]Wright.J.R等研究发现,脂肪酸的最大发光值提取物对超弱发光和脂肪酸氧化酶相似的抑制作用;脂肪酸氧化酶抑制剂Co2+、Mn2+、Hg2+和EDTA同样也抑制超弱发光[53],证明脂肪酸氧化是超弱发光的主要来源之一。核酸DNA和RNA的合成反应是超弱发光的另一个来源,它在绿豆种胚超弱发光中约占24%[44]。关于核酸的超弱发光,Popp等提出过DNA光子贮存假说和分化的物理模型[54,55]。Rattemeyer等根据溴化忆锭对超弱发光的影响,也初步证明了DNA是一个超弱发光源[56]。马文建等还对DNA发光特异性进行了研究[57],结果表明在所有碱基中只有鸟嘌呤能够发光,且发光强度与浓度(亦即DNA浓度)成正相线性关系。该研究还发现,鸟嘌呤衍生物发光强度因取代基不同而不同,鸟嘌呤<鸟嘌呤核苷<脱氧鸟嘌呤核苷<一磷酸鸟苷<三磷酸鸟苷<脱氧一磷酸鸟苷<脱氧三磷酸鸟苷;甲基化对发光有抑制作用,O6甲基化和N7甲基化鸟嘌呤核苷酸的发光强度仅为正常核苷酸的15%,毛大璋等研究了核酸代谢抑制剂对萌发绿豆超弱发光的影响[44]。他们发现,虽然蛋白合成抑制剂环已亚胺通过抑制蛋白质合成中的移位酶迅速阻断了细胞质中的全部蛋白质合成反应,但并没有对超弱发光产生影响。因此,蛋白质合成过程对超弱发光没贡献。并由此推断出,核酸代谢抑制剂放线菌素D之所以抑制超弱发光是因为它抑制了DNA发光和/RDA合成。因此,DNA和/RNA合成是超弱发光的一个来源。关于物理因素引起的超弱发光,Sapezhinskii等认为,是这些环境因素作用下生物体内产生的各种自由基(尤其是过氧自由基)经过一系列反应后生成的单线态氧和激发态羟基退激发光[58]。

  2 我国农业中的超弱发光应用研究

  2.1作物的超弱发光特征

  作物幼苗不同器官间超弱发光强度有差异,根(或胚根)发光最强[28,33,38,39],因为种子萌发后细胞分裂活动主要集中在胚根的分生区[24]。于这一点,国外有类似报道,对小麦、菜豆、扁豆和玉米的研究显示,根的发光强度是茎的的10多倍[8]。但也有例外,在玉米根、芽、胚、种中,芽的发光强度最大[31]。对大豆的研究显示,子叶的发光强度高于真叶[61],究其原因,子叶是苗期养分的主要来源,而真叶才刚开始生长。作物萌发过程中,超弱发光的动脉变化呈现单峰曲线[31,32,35,58],中期发光强度萌发比前期和后期高出2-3倍[32],发光量在总发光量中占绝大部分[35]。但有的研究也显示萌发过程中发光强度呈双峰曲线;并认为第一峰主要与营养物质的分解代谢(主要是不饱和脂肪酸的氧化)有关,第二峰主要与有丝分裂有关,两者同行并存;但峰值出现的早晚因作物种类而不同[28,60]。不同物物间超弱发光强度有所不同,比如苗期发光强度大麦>小麦>玉米,反映了它们在干旱适应性上的差异[37]。种子超弱发光强度与某些物质的含量有关,豆科牧草种子萌动之初,超弱发光强度与干种子中饱和脂肪酸C014-18、棕榈酸、ATP含量呈负相关,和双健不饱和脂肪酸C1-318-24含量成正相关[38,39],这和一些沙生植物是一致的[41]。作物籽粒的发光强度与成熟度及着生部位有关,对玉米的研究表明,成熟度小的籽粒高于成熟度大的籽粒[61]。其原因在于,授粉初期籽粒主要器官分化,细胞分裂和呼吸作用强;进入完熟期后,籽粒新陈代谢和细胞分裂减弱,超弱发光也相应减弱。此外,不同着生部位的籽粒超弱发光强度也有所不同,授粉48天后的玉米果穗,上部籽粒<中粒籽粒<下部籽粒;采后贮存30天的果穗,发光趋势正好相反,前者反映了果穗的发育和成熟过程,后者则反映了玉米是穗收获后穗部营养物质转运和累积的规律。

  2.2缺失体和种子活力

  三种大豆脂肪酸氧化酶同工酶缺失体Lox1、Lox2、Lox3及其组合缺失体的子叶和真叶有相同的发光规律,双缺失体 >单缺失体>正常品种,表明缺失体苗期叶片的超弱发光与脂肪酸氧化酶的基因型有关,这也许可以成为鉴别脂肪酸氧化酶同工酶缺失体的指标[59]。国外对这三种缺失体也有研究,据Jinye wang等报道,三者及组合的组织匀浆中,Lox1+Lox3的发光强度最低[61]。种子超弱发光强度的高低能在一定程度上反映种子活力的大小,马铃薯整种子及其粉碎后的提取液超弱发光强度均与发芽率和发芽指数呈显著或极显著正相关关系[25]。用超弱发光强度鉴定种子活力,样品量少又不破坏种子,对于种子量少的珍贵品种极其有益。

  2.3抗生研究

  2.3.1抗穗发芽能力、抗冷性、抗盐碱 不同抗穗发芽能力小麦品种完熟期贮藏幼苗的超弱发光强度有相同趋势,休眠期短的品种(易带穗发芽)>中抗品种>抗性品种[26]。因此,籽粒超弱发光强度可作为鉴定和筛选抗穗发芽品种的依据。只要把品种按发光值和统计结果排列,即可把抗性品种和抗性差的品种分开,而且条件单一,不需模拟逆境。


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