增強(qiáng)UV-B輻射對(duì)芒果葉片光合組織結(jié)構(gòu)的損傷

岳 堃，王 紅，郭鈺柬，周開兵

(海南大學(xué) 熱帶作物新品種選育教育部工程研究中心，?？?570228)

紫外輻射(UV)劃分為A區(qū)(320～400 nm)、B區(qū)(280～320 nm)和C區(qū)(200～280 nm)，太陽輻射中的UV-B常少量穿透臭氧層而絕大部分被吸收。隨著工業(yè)廢氣和汽車尾氣等大氣污染物排放量日益增加，使大氣臭氧層衰減，引起到達(dá)地球表面太陽輻射中的UV-B輻射增加，此時(shí)的UV-B輻射稱為“增強(qiáng)UV-B輻射”(或稱UV-B輻射增強(qiáng)，enhanced UV-B radiation)[1-2]。增強(qiáng)UV-B輻射是環(huán)境保護(hù)的熱點(diǎn)問題，其對(duì)植物生長發(fā)育的生物效應(yīng)和對(duì)光合作用的影響問題也倍受關(guān)注[3-4]。近年來，本課題組就增強(qiáng)UV-B輻射對(duì)芒果葉片的損傷和光合作用的影響等問題開展了研究。結(jié)果表明，高劑量增強(qiáng)UV-B輻射處理會(huì)使成年芒果樹受到損傷，葉片光合作用受到抑制，誘導(dǎo)激活抗氧化生理生化機(jī)制和啟動(dòng)耗散UV-B輻射脅迫機(jī)制，從而減輕活性氧損傷，引起株產(chǎn)和果實(shí)品質(zhì)下降，并且對(duì)樹體的損傷和光合作用的抑制具有增強(qiáng)UV-B輻射處理的劑量效應(yīng)和積累效應(yīng)[5-10]。然而，關(guān)于增強(qiáng)UV-B輻射抑制芒果(MangiferaindicaL.)葉片光合作用的組織形態(tài)學(xué)機(jī)制目前尚未見報(bào)道，筆者就此問題進(jìn)行研究，旨在補(bǔ)充芒果葉片對(duì)增強(qiáng)UV-B輻射脅迫效應(yīng)的微觀變化，為制定芒果樹抗增強(qiáng)UV-B輻射栽培技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與材料試驗(yàn)芒果園位于海南省陵水縣英州鎮(zhèn)軍田村(東經(jīng) 109°86′， 北緯18°43′)，屬熱帶海洋性季風(fēng)氣候，全年高溫多雨，年均氣溫超過 20 ℃， 因位于信風(fēng)帶的迎風(fēng)坡，雨量充沛，年均降水量

1 500～2 000 mm，平均相對(duì)濕度為80%；土壤為砂壤土，建園時(shí)經(jīng)增施有機(jī)肥改良土壤而達(dá)到壤土質(zhì)地。常規(guī)管理。在園區(qū)內(nèi)選擇樹齡為10 a，生長健壯、長勢(shì)均勻、無任何不良表現(xiàn)的盛果期‘臺(tái)農(nóng)一號(hào)’芒果(MangiferaindicaL.‘Tainong No.1’)嫁接樹(昌江土芒作砧木)集中的園片作為試驗(yàn)樣地。12月份為抽蕾期，1～2月份為開花坐果期，3～4月份為果實(shí)迅速膨大期，5月份為果實(shí)成熟期。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用24 kJ·m-2·d-1(40 W×1盞)和96 kJ·m-2·d-1(40 W×4盞)UV-B燈管分別為低、高劑量人工模擬增強(qiáng)UV-B輻射處理的光源，以自然光照射為對(duì)照，單株小區(qū)，3次重復(fù)。在試驗(yàn)園區(qū)增強(qiáng)UV-B輻射處理樣樹和對(duì)照樣樹搭設(shè)鋁合金棚架并懸掛燈架，燈架位于芒果樹正上方。處理樣樹燈架內(nèi)裝40 W UV-B燈管(購于北京電光源研究所，波長峰值為308 nm)作為輻射光源，燈管外包裹醋酸纖維素膜過濾280 nm以下波段；對(duì)照樣樹燈架內(nèi)不裝燈管，使每棵試驗(yàn)樣樹都具有相同的燈管陰影。從2017-08-30開始進(jìn)行人工模擬增強(qiáng)UV-B輻射處理，至2018-05-08結(jié)束，每日均按日出和日落的時(shí)間分別開燈和關(guān)燈，如白天遇陰雨天則關(guān)燈停止處理。

1.3 采樣及樣品處理從2017-09-16增強(qiáng)UV-B輻射處理開始至2017-12-31，每隔30 d采樣1次。從2018-01-15進(jìn)入開花期至2018-05-08果實(shí)采收為止，每隔15 d采樣1次。選取UV-B燈管下第2蓬梢中部葉片為樣品，每次采樣前，于上午9：00～10：00在樹上完成其光合指標(biāo)的測(cè)定，摘下葉片樣品后立即用剪刀剪成小塊，然后用卡洛氏固定液固定，帶回實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移保存于永久固定液用于葉片組織結(jié)構(gòu)的顯微觀察[20]。2018-05-08采收果實(shí)并帶回實(shí)驗(yàn)室，在常溫下后熟，7 d后做果實(shí)品質(zhì)的測(cè)定。

1.4 測(cè)定指標(biāo)與方法葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率采用 Yaxin-1101 光合作用測(cè)定儀測(cè)定。對(duì)經(jīng)永久固定液處理的測(cè)樣采用徒手切片法制備臨時(shí)切片，置于光學(xué)顯微鏡下放大400倍觀察葉片葉肉組織形態(tài)結(jié)構(gòu)變化；從不同處理組內(nèi)抽取切片樣品，每個(gè)樣品同一視野內(nèi)隨機(jī)選取5個(gè)不同位置測(cè)量葉表面角質(zhì)層厚度。另取處理后葉片，采用印跡法[11]，在每個(gè)處理和對(duì)照隨機(jī)抽取5個(gè)不同位置，統(tǒng)計(jì)視野內(nèi)氣孔數(shù)量并測(cè)量氣孔的長度和寬度。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SAS 9.1.3進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用ANOVA過程進(jìn)行方差分析，采用DUNCAN法作多重比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 增強(qiáng)UV-B輻射處理對(duì)樹體產(chǎn)量和果實(shí)品質(zhì)的影響從表1可知，高劑量處理的果實(shí)可滴定酸含量顯著高于對(duì)照和低劑量處理，高劑量處理的株產(chǎn)、可溶性糖含量、糖酸比和維生素C含量等均顯著低于對(duì)照和低劑量處理，低劑量處理的株產(chǎn)和果實(shí)品質(zhì)各指標(biāo)均與對(duì)照差異不顯著。說明高劑量增強(qiáng)UV-B輻射引起芒果減產(chǎn)和果實(shí)品質(zhì)變劣，導(dǎo)致芒果樹栽培經(jīng)濟(jì)表現(xiàn)不良，并且對(duì)芒果株產(chǎn)和果實(shí)品質(zhì)的影響表現(xiàn)出劑量效應(yīng)。

表1 增強(qiáng)UV-B輻射對(duì)芒果樹株產(chǎn)和果實(shí)品質(zhì)的影響

注：表中數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，同列數(shù)據(jù)后不同字母表示達(dá)顯著差異(P<0. 05) ，下同

Note: The data in the table is the mean±standard deviation of 3 replicates, and different letters after the data in the same column indicate a significant difference (P< 0.05)，Similarily hereinafter

2.2 增強(qiáng)UV-B輻射處理對(duì)葉片光合作用的影響

2.2.1 對(duì)葉片凈光合速率(Pn)的影響由圖1可見，不同劑量的增強(qiáng)UV-B輻射處理改變了Pn的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，并在同期對(duì)葉片Pn具有顯著影響。高劑量處理自2017-09-16—2017-12-09與對(duì)照差異不顯著，自2017-12-31—2018-05-08顯著低于對(duì)照；低劑量處理自2017-10-14—2017-11-10顯著低于對(duì)照，自2018-01-29—2018-02-12顯著高于對(duì)照，在其余時(shí)間則與對(duì)照無顯著差異。說明高劑量處理呈現(xiàn)使葉片Pn顯著降低的趨勢(shì)，而低劑量處理除初期短暫引起葉片Pn顯著下降外，在其余時(shí)間影響不明顯，Pn甚至上升?？梢姡邉┝刻幚砻黠@抑制了葉片光合作用，并具有處理時(shí)間的累積效應(yīng)；而低劑量處理則無明顯影響，甚至在中期促進(jìn)了葉片光合作用；同時(shí)也說明，高劑量增強(qiáng)UV-B輻射可能通過降低Pn而引起減產(chǎn)和果實(shí)綜合品質(zhì)變劣。

2.2.2 對(duì)葉片蒸騰速率(Tr)的影響由圖2可見，不同劑量的增強(qiáng)UV-B輻射處理改變了葉片Tr的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，并在同期對(duì)葉片Tr具有顯著影響。高劑量處理在2017-09-16—2017-12-09使Tr高于對(duì)照，自2017-12-31—2018-05-08使葉片Tr顯著低于對(duì)照；低劑量處理自2017-09-16—2017-11-10和在2018-01-15顯著低于對(duì)照，在2017-12-09和2018-01-29顯著高于對(duì)照，在其余時(shí)間均與對(duì)照差異不顯著?？梢?，高劑量增強(qiáng)UV-B輻射處理明顯抑制葉片的蒸騰作用，并具有處理時(shí)間的累積效應(yīng)；低劑量處理前期表現(xiàn)出對(duì)葉片蒸騰的促進(jìn)作用，而后期無顯著影響。說明高劑量增強(qiáng)UV-B輻射成為脅迫因子，可能誘導(dǎo)葉片通過減弱蒸騰作用而盡可能減少水分散失，進(jìn)而度過增強(qiáng)UV-B輻射脅迫逆境；同時(shí)也說明，高劑量增強(qiáng)UV-B輻射可能通過影響樹體對(duì)水分的利用而減弱光合作用。

2.2.3 對(duì)葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)的影響由圖3可見，不同劑量的增強(qiáng)UV-B輻射處理改變了葉片Gs的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，并在同期對(duì)葉片Gs具有顯著影響。高劑量處理在2017-09-16—2017-11-10顯著高于對(duì)照，2018-01-15—2018-05-08顯著低于對(duì)照，其余時(shí)間與對(duì)照差異不顯著；低劑量處理在2017-11-10低于對(duì)照，2017-12-09顯著高于對(duì)照，其余時(shí)間與對(duì)照差異不顯著。說明高劑量處理在試驗(yàn)初期促進(jìn)氣孔開放，到開花期明顯抑制氣孔開放，表現(xiàn)出先揚(yáng)后抑的變化趨勢(shì)，而低劑量處理則基本對(duì)葉片Gs無明顯影響?？梢?，在實(shí)驗(yàn)前期，高劑量增強(qiáng)UV-B輻射可能尚未引起葉片損傷，反而刺激葉片氣孔導(dǎo)度升高，與上述前期Tr高于對(duì)照的結(jié)果一致；開花期則使氣孔導(dǎo)度顯著降低，進(jìn)而如上述結(jié)果抑制了葉片光合作用，這有可能對(duì)坐果產(chǎn)生不良影響，從而引起減產(chǎn)。

圖4 2017年12月不同處理組葉片的顯微結(jié)構(gòu)(×400)

(1)pt-柵欄組織，st-海綿組織；(2)圖a為對(duì)照組芒果葉片，圖b為24 kJ·m-2·d-1處理組芒果葉片，圖c為96 kJ·m-2·d-1處理組芒果葉片，下同

Fig. 4 The microstructures of mango leaves in different treatment groups in December 2017(×400)

(1) pt-palisade tissue; st-spongy tissue；(2) Figure a is a mango leaf in the control group; Figure b is a mango leaf in the 24 kJ·m-2·d-1treatment group, and figure c is a mango leaf in the 96 kJ·m-2·d-1treatment group. Similarly hereinafter

2.3 增強(qiáng)UV-B輻射處理對(duì)葉片光學(xué)顯微結(jié)構(gòu)的影響

2.3.1 對(duì)葉肉海綿組織和柵欄組織的影響由圖4可見，不同劑量的增強(qiáng)UV-B輻射處理對(duì)葉肉光學(xué)顯微形態(tài)結(jié)構(gòu)具有顯著影響。在初期，盡管高劑量處理的葉片柵欄組織出現(xiàn)輕微的損傷，部分位置細(xì)胞出現(xiàn)斷裂，但2個(gè)處理和對(duì)照的葉片結(jié)構(gòu)均清晰完整，葉片表皮由單層?xùn)艡诮M織細(xì)胞和海綿組織細(xì)胞構(gòu)成，海綿組織和柵欄組織分界明顯，海綿組織無明顯損傷。

由圖5可見，低劑量處理的葉片柵欄組織出現(xiàn)輕微損傷，長條狀的柵欄組織細(xì)胞變短，但未出現(xiàn)斷裂的情況，海綿組織細(xì)胞變大，整體仍保持葉片結(jié)構(gòu)完整；高劑量處理的葉片柵欄組織細(xì)胞斷裂略微加重，斷裂的細(xì)胞穿插進(jìn)入海綿組織細(xì)胞，海綿組織細(xì)胞變大，葉片結(jié)構(gòu)與圖4相比受損加重，完整性受到輕微破壞，但海綿組織和柵欄組織分界較明顯。

圖5 2018年2月不同處理組葉片的顯微結(jié)構(gòu)(×400)Fig.5 The leaf microstructure in different treatment groups in February 2018(×400)

圖6 2018年2月不同處理組葉片的顯微結(jié)構(gòu)(×400)Fig.6 The leaf microstructure of mango in different treatment groups in February 2018(×400)

由圖6可見，對(duì)照的葉片結(jié)構(gòu)清晰完整；低劑量處理的葉片柵欄組織細(xì)胞進(jìn)一步縮短，但仍未出現(xiàn)明顯的細(xì)胞斷裂現(xiàn)象，海綿組織也未受到進(jìn)一步的破壞；高劑量處理的葉片結(jié)構(gòu)受損嚴(yán)重，柵欄組織細(xì)胞出現(xiàn)明顯斷裂，僅有少數(shù)能保持完整細(xì)胞形態(tài)，海綿組織細(xì)胞膨大，結(jié)構(gòu)松散，斷裂的柵欄組織細(xì)胞與海綿組織細(xì)胞互相交錯(cuò)，使海綿組織和柵欄組織無明顯分界。

綜合分析可知，對(duì)照的葉片在成熟衰老時(shí)海綿組織細(xì)胞變大，但仍保持清晰完整的葉片結(jié)構(gòu)，而不同劑量的增強(qiáng)UV-B輻射處理的葉片在經(jīng)過一段時(shí)間處理后結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不同程度的損傷。低劑量處理的葉片出現(xiàn)損傷較晚，損傷程度也比較輕微；對(duì)葉片結(jié)構(gòu)的影響更多體現(xiàn)在柵欄組織上，使柵欄組織細(xì)胞變短變粗；海綿組織與對(duì)照組相比，未出現(xiàn)明顯損傷，能清晰分辨出海綿組織和柵欄組織。高劑量處理的葉片在初期便表現(xiàn)出損傷狀態(tài)，但僅表現(xiàn)在使部分柵欄組織細(xì)胞斷裂，海綿組織無明顯損傷，兩者分界明顯；后期則使柵欄組織大部分細(xì)胞出現(xiàn)斷裂，與海綿組織的細(xì)胞穿插，沒有清晰的分界，海綿組織細(xì)胞變大，間隙變寬。說明增強(qiáng)UV-B輻射通過破壞葉片組織結(jié)構(gòu)從而抑制光合作用，并表現(xiàn)出增強(qiáng)UV-B輻射處理的劑量效應(yīng)和積累效應(yīng)。

2.3.2 對(duì)葉片表面角質(zhì)層的影響增強(qiáng)UV-B輻射處理對(duì)角質(zhì)層形態(tài)的影響因其劑量不同而異(圖7， 8)。不同處理和對(duì)照在同期間比較，對(duì)照、低劑量處理和高劑量處理等的葉片表面角質(zhì)層依次明顯變厚；各處理和對(duì)照分別在不同時(shí)期間比較，對(duì)照和低劑量處理具有隨處理時(shí)間延續(xù)的積累效應(yīng)，而高劑量處理則變化不大?？梢姡煌幚砜赏ㄟ^誘導(dǎo)葉片表面角質(zhì)層厚度增加而弱化穿透進(jìn)果肉的UV-B輻射強(qiáng)度，進(jìn)而增強(qiáng)葉片對(duì)UV-B的抗逆性；高劑量處理又因誘導(dǎo)葉片角質(zhì)層厚度過度增加，而降低了葉片氣孔導(dǎo)度和減弱葉片蒸騰作用，進(jìn)而引起光合速率降低。

a：對(duì)照組葉片(2017年12月)；b：24 kJ·m-2·d-1處理組葉片(2017年12月)；c：96 kJ·m-2·d-1處理組葉片(2017年12月)，d：96 kJ·m-2·d-1處理組葉片(2018年4月)

Fig.8 The leaf surface cuticles in different treatment groups (×400)

a is the leaf of the control group in December 2017；b is the leaf of mango treated with 24 kJ·m-2·d-1in December 2017；c is a mango leaf in the 96 kJ·m-2·d-1treatment group in December 2017,d is a mango leaf treated with 96 kJ·m-2·d-1in April 2018

2.4 增強(qiáng)UV-B輻射處理對(duì)葉片氣孔的影響由表2可見，與對(duì)照相比，低劑量處理使葉片單位面積內(nèi)氣孔數(shù)量上升、氣孔大小減小和氣孔開度降低；高劑量處理使葉片氣孔大小變化不顯著，但數(shù)量明顯增多和開度更加降低；高劑量處理的氣孔開度比低劑量處理顯著降低。說明增強(qiáng)UV-B輻射會(huì)抑制氣孔開度，高劑量處理通過極顯著抑制氣孔開度而導(dǎo)致Gs下降，進(jìn)而導(dǎo)致Pn和Tr降低；同時(shí)可能誘導(dǎo)葉片通過增加單位面積內(nèi)氣孔數(shù)量而盡可能減輕其光合作用損傷。

表2 增強(qiáng)UV-B輻射對(duì)芒果葉片表面氣孔的影響

3 討 論

葉片是對(duì)環(huán)境脅迫最敏感的植物器官，因此，葉片往往能直接反映外界環(huán)境對(duì)植物產(chǎn)生的影響[4]。有研究證明，增強(qiáng)UV-B輻射對(duì)植物葉片有影響，低強(qiáng)度的UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)植物葉面積的生長有一定促進(jìn)作用[15]，并使其形態(tài)特征表現(xiàn)為可能傾向于減少輻射的影響，當(dāng)輻射超過一定的閾值會(huì)使葉片厚度減小，損傷增加[12-13]；高強(qiáng)度UV-B輻射可使植物葉面積減小，減小光接受面積，降低有害的 UV-B 輻射進(jìn)入葉片組織，葉片柵欄組織厚度變薄和葉片收縮卷曲[4,14-19]。前人的這些研究結(jié)果均是以草本植物為試材取得的，本研究在木本的成年芒果樹葉片表面角質(zhì)層變化上取得了與此不一致的結(jié)果，說明木本植物可能與草本植具有不一樣的保護(hù)機(jī)制。也或許可以證實(shí)增強(qiáng)UV-B輻射通過誘導(dǎo)木本植物葉片表面角質(zhì)層厚度增加而減弱進(jìn)入到葉肉組織中的增強(qiáng)UV-B輻射強(qiáng)度，進(jìn)而盡可能減輕增強(qiáng)UV-B輻射對(duì)木本植物葉肉組織的損傷，并最終通過對(duì)葉片光合作用產(chǎn)生盡可能輕的損傷而換取植株的生存。

本研究的光學(xué)顯微形態(tài)觀察結(jié)果表明，高劑量增強(qiáng)UV-B輻射通過減小氣孔寬度和破壞葉肉組織而抑制光合作用和蒸騰作用，同時(shí)，通過增加氣孔數(shù)量而盡可能對(duì)光合作用和蒸騰作用提供保護(hù)，因而，當(dāng)高劑量增強(qiáng)UV-B輻射前者的破壞超出后者的保護(hù)時(shí)，引起光合作用的損傷，并表現(xiàn)出時(shí)間上的積累效應(yīng)。這與前人在草本植物蠶豆[21-22]上的研究結(jié)果基本一致，說明增強(qiáng)UV-B輻射抑制木本植物芒果葉片光合作用的葉肉組織形態(tài)學(xué)變化機(jī)制也是相似的。