UV-B輻射增強對紅松幼苗蠟質的影響

魏曉雪，楊 臣，李德文

（1.黑龍江省科學院火山與礦泉研究所，黑龍江五大連池164155；2.東北林業(yè)大學森林植物生態(tài)學教育部重點實驗室，哈爾濱150040）

UV-B輻射增強對紅松幼苗蠟質的影響

魏曉雪1，楊 臣1，李德文2

（1.黑龍江省科學院火山與礦泉研究所，黑龍江五大連池164155；2.東北林業(yè)大學森林植物生態(tài)學教育部重點實驗室，哈爾濱150040）

本文以3年生紅松幼苗為試驗材料，分為CK（對照）、T1、T2、T3（分別增加1.40kJ·m-2·d-1UV-B、2.81kJ·m-2·d-1UV-B、4.22 kJ·m-·2d-1UV-B輻射）4個處理。研究UV-B輻射增強對紅松針葉表皮蠟質形態(tài)、含量、成分變化的影響。結果表明，紅松幼苗針葉表皮細胞覆蓋厚厚的蠟質層，蠟質主要由烷類、酯類、烯萜類、酚類、伯醇、醛類及其他少量未知物質組成。經過40d UV-B輻射后，紅松幼苗針葉蠟質晶體結構發(fā)生改變，蠟質含量和主要化學成分烷類的比重隨著UV-B輻射處理的加強而降低。紅松針葉表皮蠟質對紫外線輻射有直接防御作用，但其防御機制并不能有效地緩解這個傷害。

紅松；UV-B輻射；蠟質；光合參數(shù)

人類活動所產生的氯氟烷烴類（chlorofluorcabons）物質降低了大氣平流層臭氧（O3）濃度，導致到達地球表面紫外線輻射增強，嚴重影響植物的生長發(fā)育［1］。植物采取一系列防御反應以適應環(huán)境條件的改變，對策之一是植物葉片的表皮細胞能使入射的UV-B輻射減少95%，特別是表皮毛、蠟質層對UV-B輻射的阻擋、吸收和反射［2,3］。Caldwell等報道說，就是光滑的植物葉表皮也至少能吸收、反射或散射掉98%的UV-B輻射［4］。蠟質是覆蓋在植物表皮最外層不溶于水而溶解于有機溶劑的一層有機化合物的總稱，是植物抵抗外界環(huán)境刺激的第一道屏障［5］。各種環(huán)境因子只有透過這道屏障后才能影響植物內部組織的結構和生理機能。針葉樹的針葉表皮能有效地減少UV-B輻射進入葉內細胞的量，因而，針葉樹被認為是對補增UV-B輻射的忍受力較強的植物［6］。近年來，隨著植物化學、分子遺傳學等相關學科的發(fā)展和滲透，很多學者開展了關于植物葉片蠟質成分、晶體結構、合成及運輸途徑，以及與蠟質相關的分子生物學方面的研究。然而，迄今尚未見到有關逆境處理對紅松針葉表皮蠟質形態(tài)、含量、成分變化影響的研究報道。

紅松（Pinus koraiensis）是整個北半球中高緯度地區(qū)分布面積最大的三大五針松之一。也是目前世界上珍貴而稀有的多用途樹種。本試驗選擇3年生人工種植的紅松幼苗為材料，應用掃描電鏡觀察了UV-B輻射增強條件下紅松針葉表皮蠟質含量及結構變化規(guī)律，利用氣相色譜技術分析UV-B輻射增強對葉表皮蠟質的含量、組分的影響，綜合分析紅松幼苗針葉蠟質對UV-B輻射增強情況的響應。

1　材料與方法

1.1試驗材料與試驗處理

試驗于2010年9月3日至10月13日進行，試驗地點在東北林業(yè)大學森林植物生態(tài)學重點實驗室溫室。試驗材料為3年齡紅松幼苗，隨機分為4組，每組60株。分為CK（對照）、T1、T2、T3（分別增加1.40kJ·m-2·d-1UV-B、2.81kJ·m-2·d-1UV-B、4.22 kJ· m-2·d-1UV-B輻射）4個處理。UV-B輻射通過懸掛在紅松幼苗上方的UV-B輻射燈管（波峰為308 nm，北京光電所）產生。每日6：00-18：00進行紫外線照射，處理時間為12h。輻射強度用光譜儀AvaSpec 2048-2進行測定。處理40 d后測定各項生理指標。

1.2掃描電鏡樣品的制備與觀察

將未經任何處理的新鮮紅松幼苗針葉用導電銀膠粘在樣品臺上，用XL-30型環(huán)境掃描電鏡進行蠟質觀察與能譜分析。樣品室的環(huán)境條件為：冷臺溫度為5℃，樣品室氣壓為4 Torr，加速電壓為15 kV。

1.3蠟質含量及化學成分的測定

蠟質含量參照周小云［7］常溫法進行測定：取新鮮紅松針葉2 g，洗凈，擦干，計算葉面積后，置于30 mL氯仿中浸提1 min。用氮吹儀蒸發(fā)干浸提液后稱取蠟質質量，用單位葉面積上的毫克數(shù)來表示（mg·cm-2）蠟質含量。重復3次，取其平均值。將提取的蠟質復溶在1 mL BSTFA中，在100℃下衍生15 min，并將多余的BSTFA在氮吹儀下蒸發(fā)。將產物溶于1 mL氯仿中，進行蠟質成分分析。利用氣譜——質譜聯(lián)用儀（GC-MS）鑒定未知蠟質組分［8，9］。

1.4數(shù)據處理及分析

數(shù)據處理運用Excel 2007軟件進行，用SPSS 11.0軟件進行方差分析及顯著性檢驗，顯著水平為P＜0.05。

2　結果與分析

2.1不同UV-B處理對紅松針葉表皮蠟質晶體結構的影響

對不同UV-B處理40 d后紅松幼苗針葉表面蠟質掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)（圖1），紅松針葉表皮細胞外覆蓋厚厚的蠟質層，并且蠟質層表面有不規(guī)則的條紋狀隆起，在隆起的溝槽之間分布著不均勻的蠟質顆?；蚪Y晶。經過40 d UV-B輻射處理后條紋狀隆起斷裂，破碎，條紋狀隆起數(shù)量減少，蠟質顆粒增多。

圖1　增強UV-B輻射40 d后紅松針葉表皮蠟質晶體結構圖Fig.1 The wax surface ofPinus koraiensisneedles after 40 days exposed to UV-B treatments

2.2不同UV-B處理對紅松針葉蠟質含量及化學成分的影響

表1　增強UV-B輻射40 d后對紅松針葉蠟質含量和化學成分的影響Tab.1 Effects of enhanced UV-B radiation on amount and chemical composition of epicuticular waxes in needles ofPinus koraiensis

對不同UV-B處理40d后紅松針葉蠟質的含量進行測定表明（表1），4個UV-B處理紅松針葉蠟質含量達到顯著性差異（P＜0.05）。T1、T2、T3處理組紅松針葉蠟質含量均低于CK組，且隨UV-B輻射的加強而降低，表現(xiàn)為CK＞T1＞T2＞T3。紅松針葉表皮蠟質主要由烷類、酯類、烯萜類、酚類、伯醇、醛類及其他少量未知物質組成（表1）。紅松針葉表皮蠟質主要成分為烷類，占50%以上，其次為酯類和烯萜類，各占10%左右。烷類和酚類隨UV-B輻射的加強而降低，酯類的比重隨UV-B輻射的加強而增加。

3　結論與討論

作為植物葉片與外界環(huán)境的第一接觸面，蠟質對外界環(huán)境因子的響應較為敏感，為更好地適應周圍的環(huán)境，它會通過增加蠟質含量、改變蠟質自身化學組分來構建防御機制［10］。本試驗中，紅松幼苗針葉表皮覆蓋致密蠟質層，和其余松屬植物一致，能有效反射UV-B輻射，可使進入葉肉細胞的UV-B輻射量大大減少。增強UV-B輻射處理40d后，紅松針葉表皮蠟質晶體結構和含量發(fā)生顯著變化，以適應強紫外線輻射。Fukuda等研究發(fā)現(xiàn)不同強度的紫外線輻射對黃瓜（Cucumis sativus）子葉表皮蠟質形態(tài)影響不同，低等和中等強度紫外線輻射使黃瓜子葉表面變得粗糙，但高強度紫外線輻射導致黃瓜子葉表面油狀物增加［11］。蔣磊研究表明，增強UV-B輻射可使棉花葉片上表皮的蠟質含量提高200%，增強UV-B輻射也可顯著增加大麥、蠶豆和蕓苔葉片的蠟質含量［12］。但Qaderi等研究表明增強UV-B輻射可顯著降低加拿大莓系（P. compressa）葉片的蠟質含量［13］。Barnes等報道說UV-B輻射可使對UV-B敏感基因型煙草葉片近軸面蠟質含量顯著降低［14］。這與本試驗結果一致，這說明UV-B輻射增強并不總是提高蠟質含量的累積，不同種植物之間的防御機制是不同的，具有明顯的種間差異性。

不同物種的蠟質含量、化學成分和形態(tài)結構差別很大，同一植株不同組織器官、不同生長時期的蠟質分布和表達也會有所不同。另外，環(huán)境因素也是植物蠟質含量和成分發(fā)生改變的重要因素［15］。我們的研究結果表明，高劑量UV-B長期脅迫紅松針葉導致蠟質含量降低，并且蠟質成分中烷類和酚類的比重也降低?？赡苁且驗橄炠|中的烷類和酚類化合物含量的降低和分解從而導致蠟質含量的降低。這說明蠟質結構很大程度上取決于其化學成分的改變。紅松針葉蠟質條紋隆起斷裂，蠟質晶體破碎可能是因為高強度、大劑量的UV-B輻射電磁波破壞了蠟質分子間的化學鍵導致的，還可能是蠟質吸收了大量的UV-B輻射，超過了所能負荷的極限，破壞了蠟質分子結構，從而導致蠟質結構中的烷類和酚類的分解。這說明紅松針葉表皮蠟質對紫外線輻射有直接防御作用，但其防御機制并不能有效地緩解這個傷害。

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Effects of Enhanced UV-B Radiation on Epicuticular Wax in Needles of Pinus koraiensis Seeding

WEI Xiao-xue1,YANGChen1,LI De-wen2
（1.Institute of volcanoes and mineral springs,Heilongjiang Academyofscience,Wudalianchi,164155,China；2.Key Laboratory of Forest Plant Ecology,Ministry of Education,Northeast Forestry University,Harbin 150040, China）

The investigated using 3-year-old pot-culturedpinus koraiensisseedlings.Compared with the control, the T1，T2，and T3 UV-B treatments increased by 1.40kJ·m-2·d-1UV-B,2.81kJ·m-2·d-1UV-B,4.22 kJ·m-2· d-1UV-B，respectively.Comprehensive analysis response condition ofpinus koraiensisneedles cuticular wax pattern,content,composition change toenhanced UV-B radiation.The results showthat,Pinus koraiensisseedlings needles epidermal cells covering the thick layer of wax which was composed of alkanes,esters,terpenes,phenols, primary alcohols，aldehydes and other little unknown substance.After 40 days of UV-B radiation，the needles of pinus koraiensisseedlings of waxy crystal structure changes.The wax content and main chemical components of alkane proportion decreases with the enhanced UV-B radiation treatment.Pinus koraiensisneedle epicuticular wax has a direct role in defense against ultraviolet radiation，but the defense mechanisms can not effectively alleviate the damage.

Pinus koraiensis；UV-Bradiation；Epicuticular wax；Gas-exchange parameters

S791.247

A

1674-8646（2015）06-0010-03

2015-04-11

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項（2572014EA01-02）；黑龍江省科學院青年創(chuàng)新基金

魏曉雪（1982-），女，黑龍江蘭西人，博士，助理研究員，從事植物生態(tài)學研究。

李德文，博士，副教授，從事生理生態(tài)學研究，e-mail：32121097@qq.com。