UV-B輻射增強(qiáng)對滇楊和川楊生長及生理特性的影響*

楊春勐，代微然，任健，馬向麗

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)科學(xué)系，云南 昆明650201)

UV-B輻射增強(qiáng)對滇楊和川楊生長及生理特性的影響*

楊春勐，代微然，任健，馬向麗

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)科學(xué)系，云南 昆明650201)

在田間利用紫外燈補(bǔ)充紫外線B輻射(UV-B)2.5KJ/(m2·d)和5.0KJ/(m2·d)，模擬云貴高原臭氧層被破壞10%、20%后UV-B增加的情況，從形態(tài)和生理方面研究不同海拔的滇楊(2 430m)和川楊(3 300m)扦插苗對UV-B增強(qiáng)的響應(yīng)。結(jié)果表明,UV-B增強(qiáng)對滇楊和川楊的芽數(shù)量、葉綠素b含量及植株上部的吲哚乙酸(IAA)、玉米核苷(ZR)及脫落酸(ABA)的含量均沒有明顯影響，顯著降低了川楊赤酶素(GA)含量(P<0.05)。2.5KJ/(m2·d)和5.0KJ/(m2·d)UV-B輻射均顯著降低了滇楊的植株高度、節(jié)間長度、葉綠素a及總?cè)~綠素含量，對過氧化物酶(POD)的活性沒有影響；而川楊只在5.0KJ/(m2·d)UV-B輻射下才顯著降低了株高和節(jié)間長度?？梢姡瑢τ赨V-B輻射增加，來自高海拔的川楊比低海拔的滇楊受的影響小，且通過提高POD活性的方式降低脅迫帶來的不利影響，因而表現(xiàn)出了更強(qiáng)的耐性。

滇楊;川楊；UV-B輻射；赤酶素；過氧化物酶;葉綠素含量

20世紀(jì)以來，人類活動(dòng)排放的大量氮氧化合物和氟氯烴類化合物(CFC’s)進(jìn)入臭氧層后，使得臭氧層減薄，導(dǎo)致到達(dá)地球表面的UV-B輻射(280～320nm)增加[1]。盡管UV-B輻射在太陽光中的比例不到5%，但其能量高，能夠被核酸、蛋白質(zhì)及脂類等大分子物質(zhì)吸收[2]，它的增加將對植物的光合作用、生物量及其生態(tài)系統(tǒng)的功能等產(chǎn)生潛在的影響[3～4]。植物在生長過程中，光合器官不可避免地暴露在UV-B輻射的照射下，研究發(fā)現(xiàn)UV-B增強(qiáng)不僅降低了葉綠素的含量[5]，而且損傷了葉綠體結(jié)構(gòu)[6]，從而對葉片凈光合作用產(chǎn)生不利的影響[7]。Langebartels等[8]指出，UV-B輻射增加誘導(dǎo)了反應(yīng)性活性氧(Reactive oxygen species,ROS)的形成，造成脂類及蛋白質(zhì)的氧化。UV-B增強(qiáng)還降低了黃松(Pinusponderosa)、紅櫟樹(Quercusrubra)、毛果楊(Populustrichocarpa)的莖直徑和生物量積累，不過受影響的程度與植物種類有關(guān)[9]。面對UV-B輻射增強(qiáng)，一些植物可以通過增加單位葉面積重量、提高黃酮類化合物含量[10]或提高抗氧酶活性[11]等方式降低脅迫的影響。

目前，關(guān)于UV-B輻射對植物的影響多集中于草本植物，對樹木的影響研究相對較少，對楊樹的研究更有限。楊樹屬于楊柳科(Salicaceae)楊屬(Populus)，是世界上分布最廣、適應(yīng)性最強(qiáng)的樹種之一。有研究表明，UV-B輻射增強(qiáng)降低了美洲黑楊(P.deltoidesBartr.ex Marsh)、青楊(P.cathayanaRehder)、康定楊(P.kangdingensisC.Wang et Tung)的植株高度和生物量[12～13]。UV-B輻射強(qiáng)度通常隨著海拔的增高而增加[14]。關(guān)于高海拔地區(qū)生長的楊樹和低海拔地區(qū)生長的楊樹對于UV-B增強(qiáng)的適應(yīng)性的研究尚較少，而且UV-B輻射對植物的影響研究大多是在溫室中進(jìn)行。由于室內(nèi)外的光譜成分存在差別，人工補(bǔ)充的UV-A和PAR往往超過自然光，相比而言，田間UV-B輻射與可見光的比例更能反映光譜組成的實(shí)際情況[15]。為此，以不同海拔生長的川楊和滇楊的枝條為材料，經(jīng)UV-B輻射增加后，在田間自然環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，了解UV-B增強(qiáng)對植物形態(tài)和生理指標(biāo)的影響，以認(rèn)識(shí)不同海拔生長的楊樹對UV-B增強(qiáng)的響應(yīng)差異。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于云南農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)實(shí)習(xí)基地(25°22′N，102°02′E)，海拔為1 913m，屬北亞熱帶高原季風(fēng)氣候，干濕季分明，年均溫14.7℃，年均降水量960～1 100mm，最低降水量702.7mm，最高降水量1 274mm，降水量主要集中于7-9月。試驗(yàn)用土為山地紅壤，pH6.7，有機(jī)質(zhì)含量1.74%，有效氮含量116.67mg/kg，速效磷33.11mg/kg，速效鉀65.2mg/kg。

1.1.2 材料

供試滇楊采自云南省麗江市拉市海鄉(xiāng)(2 430m)，川楊采自云南省香格里拉縣小中甸鎮(zhèn)(3 300m)。2014年2月下旬，將野外采集到的2年生休眠枝條剪成含有2～3個(gè)休眠芽的枝條(長度為20cm左右)，然后扦插到試驗(yàn)地里。4月初選擇健壯、無病蟲害、大小、高度及生長勢基本一致的扦插苗，移栽到塑料花盆(5L)中，3周后開始UV-B增強(qiáng)試驗(yàn)。

1.1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)因素包括樹種和UV-B，其中樹種有滇楊和川楊兩個(gè)水平；UV-B有3個(gè)水平：對照(不補(bǔ)充UV-B)、2.5KJ/(m2·d)(模擬云貴高原臭氧層衰減10%)、5KJ/(m2·d)(模擬云貴高原臭氧層衰減20%)，共有6個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)4次。試驗(yàn)中將40W紫外燈(北京電光源所提供)懸于植株上方補(bǔ)充UV-B輻射，根據(jù)手持式紫外輻照計(jì)測定UV-B的強(qiáng)度來調(diào)節(jié)燈管與植株頂端之間的高度，在2.5、5KJ/(m2·d)處理中，苗木與燈管之間的距離分別是60cm和40cm。對照處理中，在紫外燈外面包裹聚酯膜將UV-B過濾。試驗(yàn)中除雨天外，每天從9：00到17：00開紫外燈8h。試驗(yàn)中每個(gè)扦插苗保留1個(gè)頂芽，且定期旋轉(zhuǎn)盆的方向，以縮小微環(huán)境的影響。UV-B輻射處理的時(shí)間是4月到10月，從10月初開始相關(guān)指標(biāo)的測定。

1.2 形態(tài)和生理指標(biāo)測定方法

1.2.1 形態(tài)指標(biāo)

包括株高、節(jié)間長度、芽的數(shù)量等，其中株高(cm)是指插條新生主枝的長度。

1.2.2 常規(guī)生理指標(biāo)

葉綠素含量 在植株上部第4片葉位置取樣(以下相同)。稱取0.1g碎葉片，然后加入25mL的N,N-二甲基甲酰胺，放置暗處，浸提24h。在波長647、664.5、674nm下比色，方法參照Inskeep等(1985)[16]。

過氧化物酶(POD) 稱取0.2g葉片在6mL提取液〔50mmol/L Na2HPO4-NaH2PO4緩沖溶液pH7.0，1mmol/L EDTA，1%(W/V)不溶性聚乙烯吡咯烷酮〕中研磨成勻漿，在4℃，15 000r/min離心20min，取上清液利用愈創(chuàng)木酚法進(jìn)行酶活性測定[17]。

激素含量 稱取植株頂端的幼嫩組織0.2～1.0g，加2mL樣品提取液(80%甲醇，內(nèi)含1mmol/L二叔丁基對甲苯酚)研磨成勻漿，離心、過柱，在96孔酶標(biāo)板，加入樣品及抗體，與標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行比較，采用酶聯(lián)免疫法進(jìn)行IAA、GA、ZR、ABA的測定[18]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)方法

利用SPSS 19.0軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行兩因素和單因素的方差分析(ANOVA)，其中兩因素分析用于比較UV-B增強(qiáng)的效應(yīng)(U)、樹種的效應(yīng)(S)；在滇楊和川楊處理中分別進(jìn)行單因素方差分析，若處理間差異顯著，則利用S-N-K檢驗(yàn)(Student-Newman-Keuls multiple range test)進(jìn)行處理和對照之間的比較。圖表中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。利用Excel 軟件進(jìn)行圖的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 UV-B輻射增強(qiáng)對滇楊的影響

從圖1可以看出，經(jīng)過2.5和5KJ/(m2·d)的UV-B處理，滇楊的平均植株高度、平均節(jié)間長度較對照明顯降低，其中株高下降了29%和51%。但芽的數(shù)量沒有受到明顯影響。

圖1 UV-B增強(qiáng)對滇楊和川楊植株平均高度、芽的數(shù)量和節(jié)間長度的影響

項(xiàng)目UV-B輻射強(qiáng)度/KJ·m-2·d-1葉綠素a/mg·gDW-1葉綠素b/mg·gDW-1總?cè)~綠素/mg·gDW-1過氧化物酶/μg·gFW-1·min-1滇楊P.yunnanensis06.76±0.40a2.75±0.40a8.61±0.74a127.10±6.00a2.55.32±0.30b2.31±0.20a7.03±0.27ab144.80±5.00a5.03.63±0.50c1.70±0.30a5.15±0.86b162.90±15a 川楊P.szechuanica04.14±0.31a1.82±0.13a5.42±0.40a153.10±7.10b2.54.94±0.58a2.24±0.25a6.53±0.75a162.70±12.10a5.04.11±0.49a1.81±0.13a5.43±0.64a326.10±17.10aP>FUV-B0.0080.0760.0420.001P>Species0.0370.1510.0530.002P>FUV-B×Species0.0110.1040.0480.001

注：表中數(shù)值系平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤，以下相同。

由表1可知，UV-B增強(qiáng)明顯降低了滇楊葉片中葉綠素a的含量(P<0.05)，且降低程度與UV-B輻射強(qiáng)度大小有關(guān)。例如5.0KJ/(m2·d)、2.5KJ/(m2·d)的UV-B處理下，葉綠素a分別降低了46%。與葉綠素a相比，UV-B增強(qiáng)對葉綠素b的影響不顯著P>0.05)。另外，UV-B輻射增強(qiáng)后葉片的過氧化物酶活性沒有發(fā)生顯著變化(P>0.05)。

2.2 UV-B輻射增強(qiáng)對川楊的影響

從圖1可知，UV-B增強(qiáng)對川楊植株芽的數(shù)量并沒有顯著影響，不過對植株高度、節(jié)間長度產(chǎn)生了一定的影響，且影響程度與UV-B強(qiáng)度有一定關(guān)系。5KJ/(m2·d)的UV-B處理使川楊植株高度、節(jié)間長度明顯下降(P<0.05)，較對照分別下降了48%和49%；而2.5KJ/(m2·d)處理與對照二者的之間差異并不顯著(P>0.05)。

表2 不同UV-B處理下滇楊和川楊吲哚乙酸、赤酶素、玉米核苷、脫落酸含量

從表1來看，與對照相比，無論是2.5KJ/(m2·d)的UV-B處理，還是5KJ/(m2·d)處理對川楊葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量的影響并不顯著(P>0.05)，但顯著地提高了過氧化物酶的活性(P<0.05)。從表2可以看出，在增強(qiáng)UV-B的作用下，激素的變化與其種類有一定的關(guān)系。在兩種UV-B輻射處理下，川楊GA的含量顯著降低，相比而言，IAA、ZR、ABA含量的變化不明顯。

3 結(jié)論與討論

從試驗(yàn)結(jié)果來看，臭氧層衰減20%后增加的UV-B輻射〔5KJ/(m2·d)〕對楊樹的生長、生理生化的影響更為明顯。在5KJ/(m2·d)UV-B輻射處理下，滇楊和川楊的株高和節(jié)間長度均顯著降低，由于芽的數(shù)量沒有發(fā)生明顯變化，因而株高的降低可以歸結(jié)于節(jié)間長度的縮短。有研究表明植物節(jié)間長度的變化受到赤霉素(GA)的調(diào)控[19]，GA含量降低將抑制枝條的伸長[20]。本文中，UV-B增強(qiáng)顯著降低了川楊GA的含量(P<0.05)，進(jìn)一步驗(yàn)證了UV-B增強(qiáng)對株高的抑制作用與GA含量有較大的相關(guān)性；考慮到樹木生長受多種因素的影響，其變化規(guī)律還有待進(jìn)一步研究。脫落酸(ABA)可以增強(qiáng)植物抵御逆境的能力，不過UV-B增強(qiáng)下并沒有觀察到滇楊和川楊中ABA的顯著變化，這一點(diǎn)與青楊、康定楊中的研究結(jié)果相一致[21]。

UV-B輻射增強(qiáng)，滇楊與川楊的響應(yīng)有一定的差異。例如，無論是5.0KJ/(m2·d)UV-B，還是2.5KJ/(m2·d)UV-B都顯著地降低了滇楊的株高和節(jié)間長度，而川楊只受到5.0KJ/(m2·d)UV-B的影響。同樣，UV-B輻射增強(qiáng)顯著地降低了滇楊的葉綠素a含量，而川楊的變化不明顯。葉綠素是光能吸收、傳遞、轉(zhuǎn)換的重要色素，UV-B輻射導(dǎo)致葉綠素含量的降低，原因可能是葉綠素合成受阻或類囊體膜受損[22]。據(jù)師生波等研究[23]，在UV-B輻射增強(qiáng)的情況下高山植物麻花艽(Gentianastraminea)葉綠素受到的影響較小，說明葉綠素的變化趨勢與植物對UV-B輻射的耐性有一定的相關(guān)性。另外，觀察到UV-B增強(qiáng)顯著地提高了過氧化酶(POD)在川楊中的活性，且明顯高于滇楊(P<0.001)；相反，POD在滇楊中的變化不明顯。POD是植物抗氧化系統(tǒng)中重要的酶類，在一定程度上阻止功能膜及酶系統(tǒng)的破壞，與過氧化氫酶(CAT)共同作用將H2O2維護(hù)在一個(gè)較低的水平[24]。據(jù)Mackerness[25]研究，抗氧化酶活性增強(qiáng)有助于清除UV-B增強(qiáng)產(chǎn)生的活性氧，從而減少對蛋白質(zhì)、脂類的氧化作用。因此，與滇楊相比，川楊葉片中POD活性的增加有利于減輕活性氧帶來的氧化作用，維護(hù)細(xì)胞正常的功能。

對于UV-B增強(qiáng)，滇楊和川楊在響應(yīng)上的差別，可能與二者原產(chǎn)地的UV-B環(huán)境有關(guān)。UV-B輻射強(qiáng)度隨緯度、海拔等的變化而變化，高海拔的植物長期適應(yīng)于高的UV-B環(huán)境[14]。試驗(yàn)中，川楊來自于高海拔地區(qū)(3 300m)，適應(yīng)于當(dāng)?shù)氐母叩腢V-B輻射環(huán)境之中，因而對于UV-B輻射增強(qiáng)表現(xiàn)出了較強(qiáng)的耐性。不過，當(dāng)UV-B強(qiáng)度增加到一定程度時(shí)，例如臭氧層衰減20%時(shí)，川楊的株高、節(jié)間長度同樣受到抑制，說明這個(gè)強(qiáng)度超過了川楊所能忍耐的范圍。

總之，在田間環(huán)境下，UV-B輻射增強(qiáng)對滇楊和川楊芽的數(shù)量、葉綠素b含量及植株頂部的IAA、ZR及ABA的含量均沒有產(chǎn)生顯著影響，不過顯著地降低了川楊GA的含量。對于UV-B輻射增強(qiáng)，來自低海拔的滇楊受到影響較大，相比之下，高海拔的川楊可以通過調(diào)節(jié)抗氧化酶的活性等方式來減少UV-B脅迫的不利影響，維持光合色素的穩(wěn)定性，表現(xiàn)出了較強(qiáng)的耐性。

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Effects of Enhanced Ultraviolet-B Radiation on Growth and Physiological Characteristics ofPopulusyunnanensisandPopulusszechuanica

YANG Chun-meng,DAI Wei-ran,REN Jian,MA Xiang-li

(Department of Grassland Science,Yunnan Agricultural University,Kunming Yunnan 650201,P.R.China)

In order to understand the effects of enhanced UV-B radiation on the growth and physiological responses ofPopulusyunnanensisandP.szechuanicaat different altitudes of 2 430 m～3 300 m,the 10% and 20% ozone depletion in Yunnan-Guizhou Plateau were simulated by using the UV-B radiation with ultraviolet lamp supplement of 2.5 KJm-2day-1and 5 KJ m-2day-1in the field.The results showed that enhanced UV-B radiation had little effect on bud number,chlorophyll b concentration,and IAA,ZR and ABA concentration in upper plants of two tested species whereas GA concentration was significantly reduced(P<0.05).Plant height,internode length,and chlorophyll a and total chlorophyll concentration ofP.yunnanensiswere significantly reduced by both 2.5 KJ m-2day-1and 5 KJ m-2day-1treatments,whereas little effect was observed in the Peroxidase activity(POD).In contrast,forP.szechuanica,plant height and internodes length were only significantly decreased by 5 KJ m-2day-1UV-B radiations.This study indicated thatP.szechuanicaoriginating from high altitude was less affected by enhanced UV-B radiation thanP.yunnanensisfrom low altitude;moreover,stress could be reduced through increase of POD activity inP.szechuanica.Therefore,P.szechuanicashowed a greater tolerance to enhanced UV-B radiation.

Populusyunnanensis;P.szechuanica；UV-B radiation;GA;POD;chlorophyll content

10.16473/j.cnki.xblykx1972.2016.06.014

2015-12-28

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“不同海拔梯度的滇楊對模擬增溫和UV-B輻射增強(qiáng)的響應(yīng)”(31260167)資助。

楊春勐(1989-)，男，碩士生，主要從事樹木生理生態(tài)研究。E-mail：yangchunmeng1989@163.com

簡介：任健(1971-)，男，副教授，博士，主要從事氣候變化對植物生理生態(tài)的影響研究。E-mail：renjian172@126.com

S 792.11

A

1672-8246(2016)06-0079-06