UV-B輻射對(duì)神農(nóng)香菊光合作用的影響1)

楊揚(yáng)

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

焦宏彬

(北京星河園林)

劉洋 王歡 何淼

(東北林業(yè)大學(xué))

UV-B輻射對(duì)神農(nóng)香菊光合作用的影響1)

楊揚(yáng)

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

焦宏彬

(北京星河園林)

劉洋 王歡 何淼

(東北林業(yè)大學(xué))

以神農(nóng)香菊無(wú)性系‘S1401’、‘S1407’為研究材料，研究了UV-B處理對(duì)神農(nóng)香菊凈光合速率、葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、二磷酸核酮糖羧化酶(RuBPCase)活性的影響。結(jié)果表明：隨著UV-B處理時(shí)間的增加，神農(nóng)香菊的凈光合速率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)；神農(nóng)香菊葉片內(nèi)的葉綠素a、葉綠素b質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著下降，對(duì)類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響較小，且規(guī)律性不強(qiáng)；在UV-B脅迫條件下，神農(nóng)香菊RuBPCase羧化酶的活性降低，且隨著輻射時(shí)間延長(zhǎng)表現(xiàn)出先升后降的變化趨勢(shì)。

神農(nóng)香菊；UV-B；光合作用；凈光合速率；葉綠素；RuBPCase酶

We studied the effect of UV-B on photosynthesis on net photosynthetic rate, chlorophyll content and RuBPCase activity inDendranthemaindicumvar.aromaticum. With the increase of UV-B treatment time, the net photosynthetic rate ofD.indicumvar.aromaticumfirstly increased and then decreased. Under UV-B radiation, the content of chlorophyll a and chlorophyll b ofD.indicumvar.aromaticumpresented the reducing trend, and the carotenoid content varied subtly. Under UV-B stress, RuBPCase carboxylase activity decreased, and showed a trend of lift and down with the prolonged radiation time.

近年來(lái)，現(xiàn)代城市工業(yè)快速發(fā)展，大量的氯氟烴、有機(jī)鹵素和氧化氮等物質(zhì)不加節(jié)制的排放到大氣中，造成平流層臭氧(O3)的破壞，這己經(jīng)成為人類面臨的嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題。全球臭氧觀測(cè)表明，近10 a全球臭氧層平均減少了2%～3%，而且這一過(guò)程仍在不斷加劇[1]。據(jù)估計(jì)，按照目前的發(fā)展速度，到2075年臭氧層將會(huì)減少40%[2]，到達(dá)地球表面的UV-B輻射強(qiáng)度也逐漸加大。

神農(nóng)香菊(Dendranthemaindicumvar.aromaticum)是野菊(Dendranthemaindicum)的一個(gè)新變種，分布于高海拔的陽(yáng)光充足地，由于當(dāng)?shù)鬲?dú)特的氣候使其具有罕見(jiàn)的香氣，具有平肝明目、清熱解毒、散風(fēng)降壓的功效。但神農(nóng)香菊在引種栽培后其香氣減弱，甚至喪失，猜測(cè)可能與高海拔的高紫外輻射有關(guān)，本研究擬通過(guò)對(duì)神農(nóng)香菊進(jìn)行不同時(shí)間的UV-B輻射處理，分析UV-B處理對(duì)神農(nóng)香菊的光合作用的影響，以期為神農(nóng)香菊致香機(jī)理和UV-B輻射對(duì)植物影響的研究做出理論支持，為其進(jìn)一步深入研究打下基礎(chǔ)。

1 材料與方法

在苗圃中培育的神農(nóng)香菊無(wú)性系‘S1401’、‘S1407’，到2個(gè)月時(shí)植株生長(zhǎng)健壯，分別取長(zhǎng)度、粗細(xì)一致的莖尖以細(xì)沙進(jìn)行扦插，培養(yǎng)兩周待生根后換土上盆，置于溫室中備用。

扦插的神農(nóng)香菊‘S1401’、‘S1407’在溫室培養(yǎng)，待植株長(zhǎng)到成熟一致，采用UV-B紫外燈(南京華強(qiáng)電子有限公司生產(chǎn)，40 W，峰值為310 nm)進(jìn)行輻照處理。試驗(yàn)設(shè)定輻射時(shí)間分別為0、1、3、5、7 d，每組處理幼苗40株。UV-B輻射強(qiáng)度通過(guò)調(diào)整紫外燈距幼苗冠層的高度，以UV340B型紫外線輻照計(jì)(由深圳欣寶瑞儀器有限公司生產(chǎn)的)測(cè)定并維持輻射強(qiáng)度為600 μW·cm-2，使植株頂端第3片葉UV-B輻射強(qiáng)度維持在設(shè)定劑量，輻射時(shí)間為06:00—18:00，其他管理均按常規(guī)方法進(jìn)行。

隨機(jī)選取健壯植株第3片成熟葉測(cè)定光合參數(shù)、葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)和RuBPCase酶活性。

植株凈光合速率測(cè)定方法：使用美國(guó)生產(chǎn)的Li-6400光合測(cè)定儀，在育苗室內(nèi)采用專用內(nèi)置紅藍(lán)光源控制葉室內(nèi)部光強(qiáng)為1 000 μmol·m-2·s-1，溫度控制為30 ℃，設(shè)定系統(tǒng)內(nèi)氣流速度為500 μmol·s-1，CO2摩爾分?jǐn)?shù)為400 μmol·mol-1。選擇生長(zhǎng)健壯的植株，隨機(jī)選取該植物向陽(yáng)面的第3片完全功能葉進(jìn)行測(cè)量，每次3個(gè)重復(fù)，重復(fù)記錄5個(gè)觀測(cè)值，取其平均值作為該時(shí)刻的測(cè)定值。讀取葉片瞬時(shí)凈光合速率(Pn)值。

植株葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定方法：稱取剪碎的新鮮樣品0.2 g，共3份，分別放入研缽中，加少量石英砂和碳酸鈣粉及2～3 mL 95%乙醇，研成均漿，再加乙醇10 mL，繼續(xù)研磨至組織變白。靜置3～5 min。取濾紙1張，置漏斗中，用乙醇濕潤(rùn)，沿玻棒把提取液倒入漏斗中，過(guò)濾到25 mL棕色容量瓶中，用少量乙醇沖洗研缽、研棒及殘?jiān)鼣?shù)次，最后連同殘?jiān)黄鸬谷肼┒分?。用滴管吸取乙醇，將濾紙上的葉綠體色素全部洗入容量瓶中。直至濾紙和殘?jiān)袩o(wú)綠色為止。最后用乙醇定容至25 mL，搖勻。把葉綠體色素提取液倒入光徑1 cm的比色杯內(nèi)。以95%乙醇為空白，在波長(zhǎng)665、649 nm下測(cè)定吸光度。

植株RuBPCase酶活性測(cè)定方法：粗酶液提取和活性測(cè)定方法參照李合生[3]的分光光度法，根據(jù)公式計(jì)算RuBPCase酶活力。

數(shù)據(jù)處理方法：用Excel2007軟件對(duì)所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 UV-B處理對(duì)凈光合速率的影響

神農(nóng)香菊‘S1401’和‘S1407’分別以600 μW·cm-2的UV-B強(qiáng)度輻射0、1、3、5、7 d，然后每天09:00—11:00進(jìn)行凈光合速率的測(cè)定。由表1可見(jiàn)，UV-B處理后神農(nóng)香菊的凈光合速率均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，神農(nóng)香菊‘S1401’和‘S1407’的對(duì)照組凈光合速率分別為11.97、13.18 μmol·m-2·s-1，處理1 d后‘S1401’和‘S1407’的凈光合速率分別上升1.84、2.89 μmol·m-2·s-1，第3天開(kāi)始下降并低于對(duì)照，‘S1407’到第5天降為最低為7.93 μmol·m-2·s-1，‘S1401’到第7天降到最低,為7.85 μmol·m-2·s-1，均顯著低于對(duì)照。

表1 UV-B處理對(duì)神農(nóng)香菊色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、凈光合速率和RuBPCase酶活性的影響

注：表中數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤；同列不同大寫(xiě)字母表示‘S1401’各處理間差異顯著(P<0.05)，同列不同小寫(xiě)字母表示‘S1407’各處理間差異顯著(P<0.05)。

2.2 UV-B處理對(duì)葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

葉綠素是光合生物的生命線，沒(méi)有它們，植物便無(wú)法實(shí)現(xiàn)光能的吸收和轉(zhuǎn)化，因此，綠色植物葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)已經(jīng)被看做是衡量增強(qiáng)UV-B輻射對(duì)植物造成的傷害的一個(gè)重要指標(biāo)[4]。由表1可看出，長(zhǎng)時(shí)間UV-B輻射會(huì)導(dǎo)致神農(nóng)香菊葉片內(nèi)的葉綠素a和葉綠素b質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著下降。除了處理第1天的葉綠素a質(zhì)量分?jǐn)?shù)出現(xiàn)了小幅的上升，其余處理組的葉綠素a質(zhì)量分?jǐn)?shù)都隨著UV-B輻射時(shí)間的延長(zhǎng)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸下降。此外，兩個(gè)株系神農(nóng)香菊葉片內(nèi)的葉綠素a質(zhì)量分?jǐn)?shù)在脅迫初期雖然有不同程度的增加，但是與對(duì)照組相比較，‘S1401’、‘S1407’與對(duì)照組相比并無(wú)顯著性差異；隨著UV-B脅迫時(shí)間延長(zhǎng)，‘S1401’、‘S1407’處理第3天，脅迫組的葉綠素a質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于對(duì)照組，到第7天降至最低，‘S1401’為7.62 mg·g-1，‘S1407’為6.79 mg·g-1。

在脅迫第7天，神農(nóng)香菊‘S1401’、‘S1407’葉綠素b質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降到最低值，分別為2.51、2.36 mg·g-1，顯著低于對(duì)照組，但是并不像葉綠素a變化規(guī)律那么明顯。兩個(gè)株系相比較可發(fā)現(xiàn)，UV-B處理對(duì)‘S1401’葉綠素造成的影響要強(qiáng)于對(duì)‘S1407’的影響，葉綠素a神農(nóng)香菊‘S1401’相比對(duì)照下降2.67 mg·g-1，‘S1407’下降1.88 mg·g-1；葉綠素b神農(nóng)香菊‘S1401’相比對(duì)照下降0.75 mg·g-1，‘S1407’下降0.52 mg·g-1，相比之下，‘S1407’降幅更大。

UV-B脅迫對(duì)神農(nóng)香菊葉綠素a/葉綠素b的影響規(guī)律并不明顯，對(duì)葉綠素(a+b)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響規(guī)律明顯，‘S1401’、‘S1407’葉綠素(a+b)質(zhì)量分?jǐn)?shù)都隨著輻射時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著降低，‘S1401’由對(duì)照的13.55 mg·g-1降至第7天的10.13 mg·g-1，降幅較大；‘S1407’由對(duì)照的11.55 mg·g-1降至第7天的9.15 mg·g-1，降幅較小。UV-B輻射對(duì)神農(nóng)香菊葉片類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響較小，且規(guī)律性不強(qiáng)。

2.3 UV-B處理對(duì)RuBPCase酶活性的影響

核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(RuBPCase)是光合作用暗反應(yīng)中同化作用的關(guān)鍵酶，它對(duì)凈光合速率的大小起著決定性作用，植物羧化酶活性受到多種環(huán)境因子的影響，如溫度、光照、逆境脅迫等對(duì)RuBP羧化酶活性均有影響[4]。由表1可知，在UV-B脅迫條件下，RuBP羧化酶的活性降低，且隨著UV-B輻射時(shí)間延長(zhǎng)表現(xiàn)出先升后降的變化趨勢(shì)。在正常條件下,‘S1401’羧化酶活性為0.66 μmol·mL-1·min-1，明顯高于‘S1407’的0.31 μmol·mL-1·min-1，處理第1天‘S1401’的羧化酶活性升高不顯著，增幅0.06 μmol·mL-1·min-1，‘S1407’顯著高于對(duì)照，增幅高達(dá)0.44 μmol·mL-1·min-1；處理第3天‘S1401’的羧化酶活性顯著降低，降至0.07 μmol·mL-1·min-1，‘S1407’基本保持恒定，說(shuō)明‘S1401’對(duì)UV-B脅迫表現(xiàn)更敏感，耐受能力較弱；處理第5天、第7天，‘S1401’的羧化酶活性有小幅度上升，但仍顯著低于對(duì)照，‘S1407’則在第5天顯著降低，至第7天降至最低，為0.02 μmol·mL-1·min-1，羧化酶基本失活。

3 結(jié)論與討論

增強(qiáng)UV-B輻射可顯著影響神農(nóng)香菊的凈光合速率，抑制植物生長(zhǎng)，降低光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)和RuBPCase酶活性。正常情況下，葉綠素吸收的光能主要通過(guò)光合電子傳遞、葉綠素?zé)晒獍l(fā)射和熱耗散3種途徑來(lái)消耗[5]。這3種途徑之間關(guān)系密切，電子傳遞和熱耗散的變化會(huì)引起熒光發(fā)射發(fā)生相應(yīng)的變化，因此，可通過(guò)對(duì)熒光的檢測(cè)來(lái)研究光合作用和熱耗散的變化情況。

UV-B輻射導(dǎo)致神農(nóng)香菊凈光合速率降低，這與王龍飛[6]的研究一致。根據(jù)Farquhar et al.[7]提出的判斷依據(jù)，只有凈光合速率和氣孔導(dǎo)度的降低伴隨了胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)(Ci)的降低，可以推測(cè)氣孔導(dǎo)度降低是光合速率降低的主要原因；相反，如果Pn的降低伴隨Ci的增高，則可以推測(cè)光合速率降低的主要因素是非氣孔因素，即葉肉細(xì)胞光合活性的降低。這一點(diǎn)還需要進(jìn)一步的研究。

衡量UV-B輻射對(duì)植物傷害的另一個(gè)重要指標(biāo)是植物色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，主要包括葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素。UV-B輻射會(huì)導(dǎo)致神農(nóng)香菊葉片內(nèi)的葉綠素a和葉綠素b質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著下降，這與前人研究結(jié)果一致[8-10]，但文中未發(fā)現(xiàn)對(duì)類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的顯著變化。此外，UV-B輻射還通過(guò)限制核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶(RuBPCase)活性而影響光合速率，文中研究發(fā)現(xiàn)，UV-B輻射導(dǎo)致RuBPCase羧化酶的活性降低，這與前人研究結(jié)果相同[11-13]。

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Effects of UV-B on Photosynthesis inDendranthemaindicumvar.aromaticum//

Yang Yang

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China);

Jiao Hongbin

(Beijing Star-river Landscape Engineering Corporation);

Liu Yang, Wang Huan, He Miao

(Northeast Forestry University)//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(1)：30-32.

Dendranthemaindicumvar.aromaticum; UV-B; Photosynthesis; Net photosynthetic rate; Chlorophyll; RuBPCase enzyme

楊揚(yáng)，女，1982年7月生，東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，講師。E-mail：55965296@qq.com。

何淼，東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，副教授。E-mail：hemiao_xu@126.com。

2016年9月29日。

S682.1+1;Q945.1

1)黑龍江省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(C2015058)。

責(zé)任編輯：任 俐。