UV-B輻射增強(qiáng)對3種濕地植物葉片紫外吸收物質(zhì)含量的影響

李發(fā)奎，褚 潤，陳年來

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，蘭州730070）

由于大氣同溫層臭氧層逐漸被破壞，照射到地球表面的太陽UV-B輻射強(qiáng)度逐漸增加，對全球生態(tài)系統(tǒng)及植被產(chǎn)生不同程度的影響［1］。增強(qiáng)的UV-B輻射可強(qiáng)烈影響植物次生代謝過程或誘導(dǎo)次生物質(zhì)關(guān)鍵酶的表達(dá)［2］，導(dǎo)致植物組織紫外吸收物質(zhì)含量增加，植物表皮細(xì)胞的紫外線穿透性變?nèi)?，植物對UV-B輻射的防御能力得到強(qiáng)化［3］。紫外吸收物質(zhì)是植物次生代謝的產(chǎn)物，主要包括酚類化合物（如類黃酮、黃酮醇、花色素苷）及烯萜類化合物（如類胡蘿卜素、樹脂等）［4］，具有降低植物UV-B輻射損傷的保護(hù)作用。UV-B輻射增強(qiáng)能夠提高植物葉片中類黃酮和類胡蘿卜素等紫外吸收物質(zhì)含量［5～7］。類黃酮物質(zhì)可以吸收 UV-B輻射，減少UV-B對核酸、蛋白質(zhì)等大分子的破壞作用［8］。UV-B輻射增強(qiáng)后，植物體內(nèi)的4-羥基黃酮等可轉(zhuǎn)變成能夠清除氧化自由基的保護(hù)性黃酮，從而使UV-B輻射增強(qiáng)誘導(dǎo)的氧化脅迫降低［9］。UV-B輻射增強(qiáng)能夠使山毛櫸（Fagus longipetiolata）葉片中類黃酮糖苷和槲皮素等黃酮類物質(zhì)的含量升高［6］。3 kJ/m2·d UV-B輻射條件下，美麗胡枝子（Lespedeza bicolor Turcz）葉片類黃酮含量高于對照23.49%［7］。類胡蘿卜素分子中共軛雙鍵的存在是決定吸收在光譜紫外區(qū)域的主要因素，一方面可吸收過多的光能以避免葉綠素的光氧化；另一方面，可通過直接吸收紫外線輻射從而減少紫外線對植物的傷害［10］。夏枯草 （Prunella vulgaris L.）幼苗在不同強(qiáng)度UV-B輻射下類胡蘿卜素含量顯著高于對照［11］。鐵皮石斛 （Dendrobium officinale Kimura et Migo.）葉片類胡蘿卜素含量在UV-B照射初期會有所提高，但隨著高強(qiáng)度的UV-B輻射時間延長會使葉片細(xì)胞遭到破壞，類胡蘿卜素含量急劇降低［12］。印度參（Withania somnifera Dunal.）在 UV-B輻射增強(qiáng)（3.6 kJ/m2·d）條件下，葉片中的類胡蘿卜素含量呈先增加后降低的趨勢［13］。增強(qiáng)UV-B輻射降低了景天三七（Sedum aizoon L.）中葉綠體接觸、吸收和傳遞光能的能力，葉片中類胡蘿卜素含量低于對照［14］。

目前關(guān)于濕地植物對增強(qiáng)UV-B輻射響應(yīng)的研究較少，且多數(shù)試驗是在實(shí)驗室進(jìn)行，缺少野外觀測數(shù)據(jù)［15］。本試驗通過室外模擬濕地系統(tǒng)研究UV-B輻射增強(qiáng)條件下香蒲（Typha orientalis Presl.）、蘆葦（Phragmites australis Cav.）和鳶尾（Iris tectorum Maxim.）葉片紫外吸收物質(zhì)含量的變化，以為研究植物對增強(qiáng)UV-B輻射的防御機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2017年5～6月在甘肅蘭州進(jìn)行，該地區(qū)夏季晴天UV-B輻射均值為20.0μw/cm2。

1.2 模擬濕地系統(tǒng)

建造尺寸為3 m（長）×1 m（寬）×1 m（高）垂直潛流型濕地9個（圖1）。為防止?jié)B透，用磚將濕地底部和四周砌筑。濕地內(nèi)部填充不同級配基質(zhì)?；|(zhì)層總高95 cm，基質(zhì)選用表層土壤、粗砂、卵石，從上至下依次為表層土壤30 cm，粗砂25 cm，小粒徑（1～2 cm）卵石20 cm，大粒徑（3～5 cm）卵石20 cm。

圖1 模擬濕地系統(tǒng)Fig.1 W etland simulation system

1.3 植物材料

試驗所用植物材料為3種濕生植物：香蒲、蘆葦和鳶尾，每塊濕地均勻栽種各1 m2、30株。

香蒲（Typha orientalis Presl.），多年生水生或沼生草本植物。根狀莖乳白色，地上莖粗壯，葉片條形，光滑無毛。較耐寒，為濕地常見植物［16］。

蘆葦（Phragmites australis Cav.），多年水生或濕生的高大禾草，根莖粗壯，稈細(xì)長木質(zhì)化，葉帶狀扁平。喜光，耐鹽堿性較強(qiáng)，是濕地主要植物之一［17］。

鳶尾（Iris tectorum Maxim.），多年生草本植物，根狀莖粗壯，葉基生，稍彎曲，中部略寬，寬劍形。喜陽光充足，耐寒性強(qiáng)，是寒區(qū)濕地常見植物［18］。

1.4 UV-B輻射處理

將紫外燈平行懸掛于植株上方用以模擬UVB輻射處理，波長小于290 nm的UV-C輻射波長用乙酸纖維素膜包裹燈管濾去。試驗期間，為保持輻射強(qiáng)度的穩(wěn)定，以植物生長情況為準(zhǔn)及時調(diào)節(jié)植株與燈管間的距離，用UV-B輻射計（北京師范大學(xué)光電儀器廠生產(chǎn)）測定紫外輻射強(qiáng)度，間隔時間1周。UV-B輻射連續(xù)處理30 d（除陰雨及多云天氣），處理時間每天8 h（9：00～17：00）。

試驗設(shè)置CK（蘭州地區(qū)自然光照的UV-B水平，平均為20.0μw/cm2）、低UV-B輻射處理R1（平均為25.0μw/cm2）、高 UV-B輻射處理 R2（UV-B強(qiáng)度為30.0μw/cm2）。每個處理3次重復(fù)，共9個小區(qū)。小區(qū)面積3 m2，每個小區(qū)10株植物。

1.5 測定指標(biāo)與方法

1.5.1 類黃酮

類黃酮含量測定參照 Lois［19］的方法，并作適當(dāng)改進(jìn)。將葉片剪碎混勻，稱取0.1 g放入試管中再加入10 mL 80%乙醇溶液，水浴30 min（在55℃條件下）后取出，立即在冰水中冷卻。用80%乙醇調(diào)零，室溫下在334 nm處測定提取液的吸光值。類黃酮物質(zhì)的含量以每克葉片鮮重的吸光值來表示。

1.5.2 類胡蘿卜素

準(zhǔn)確稱取各植物葉片0.1 g，剪成碎片混勻，放入25 mL具塞試管中，加入0.5 mL純丙酮和10 mL 80%丙酮，室溫避光萃取24 h，12 h振蕩1次，直至葉片完全變白。以80%丙酮為對照調(diào)零，用紫外分光光度計在470、645、663 nm波長下測定 OD值。根據(jù)高俊鳳［20］的方法計算類胡蘿卜素含量。

類胡蘿卜素濃度Ccar=（1000×OD470-3.27×Ca-104×Cb）/229

色素含量（mg/g）=色素濃度×提取液體積×稀釋倍數(shù)/（1000×樣品鮮重）

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析

運(yùn)用SPSS34.0軟件中的單因素ANONA檢驗對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，采用新復(fù)極差法（Duncan）比較不同處理間的差異顯著性（α=0.05），采用Excel 2016軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉片類黃酮含量變化

試驗期間，3種濕地植物葉片的類黃酮含量總體變化趨勢為：高輻射處理下先增加后降低，低輻射和對照條件下持續(xù)增加（圖2～4）。高輻射處理下，蘆葦和鳶尾葉片類黃酮含量于第7天、香蒲葉片類黃酮含量于第14天達(dá)到最高，分別比對照升高49.56%、34.93%和37.89%；試驗期間3種植物葉片平均類黃酮含量分別比對照提高33.85%、31.77%和20.18%。低輻射條件下，3種濕地植物葉片類黃酮含量在第28天峰值時分別比對照高出21.95%（蘆葦）、26.41%（鳶尾）和8.73%（香蒲），試驗期間葉片類黃酮含量平均比對照升高14.23%、21.88%和6.16%。

圖2 香蒲葉片類黃酮含量隨UV-B輻射增強(qiáng)的變化Fig.2 Changes of flavonoid content in Typha orientalis Presl leaves w ith enhanced UV-B radiation

圖3 蘆葦葉片類黃酮含量隨UV-B輻射增強(qiáng)的變化Fig.3 Changes of flavonoid content in leaves of Phragmites australis Cav.w ith enhanced UV-B radiation

圖4 鳶尾葉片類黃酮含量隨UV-B輻射增強(qiáng)的變化Fig.4 Changes of flavonoid content in Iris tectorum Maxim leaves w ith enhanced UV-B radiation

3種植物葉片類黃酮含量在自然輻射條件下差異顯著（p＜0.05），為鳶尾（19.95 OD334/g）＞香蒲（16.12 OD334/g）＞蘆葦（15.38 OD334/g）。增強(qiáng) UV-B輻射下，鳶尾葉片類黃酮含量平均升高31.77%（高輻射）和21.88%（低輻射），蘆葦升高33.85%（高輻射）和14.23%（低輻射），香蒲升高20.18%（高輻射）和6.16%（低輻射），表明3種濕地植物葉片類黃酮含量對UV-B輻射增強(qiáng)的敏感性為鳶尾＞蘆葦＞香蒲。

2.2 類胡蘿卜素（Car）含量變化

試驗期間，3種濕地植物葉片Car含量之間差異顯著（p＜0.05），蘆葦與鳶尾的葉片Car含量之間無顯著差異（p＞0.05），總體變化趨勢為先增加后降低再增加（圖5～7）。高輻射處理下，香蒲、蘆葦、鳶尾三者之間差異顯著（p＜0.05）；蘆葦和鳶尾葉片Car含量于第7天、香蒲葉片Car含量于第28天達(dá)到最高，分別比對照降低30.60%、13.09%和51.89%；試驗期間3種植物葉片平均Car含量分別比對照降低26.63%、17.95%和51.00%。低輻射條件下，香蒲與蘆葦、鳶尾的葉片Car含量之間差異顯著（p＜0.05），但蘆葦與鳶尾的葉片Car含量之間無顯著差異（p＞0.05）；蘆葦和鳶尾葉片Car含量于第28天、香蒲葉片Car含量于第3天達(dá)到最高，分別比對照高出16.21%、4.81%和12.67%；試驗期間蘆葦葉片Car含量平均比對照升高9.13%，鳶尾和香蒲葉片Car含量平均比對照降低5.46%、27.48%。

圖5 香蒲葉片類胡蘿卜素含量隨UV-B輻射增強(qiáng)的變化Fig.5 Changes of carotenoid content in Typha orientalis Presl leaves w ith enhanced UV-B radiation

圖6 蘆葦葉片類胡蘿卜素含量隨UV-B輻射增強(qiáng)的變化Fig.6 Changes of carotenoid content in Phragmites australis leaves w ith enhanced UV-B radiation

圖7 鳶尾葉片類胡蘿卜素含量隨UV-B輻射增強(qiáng)的變化Fig.7 Changes of carotenoid content in Iris tectorum M axim leaves w ith enhanced UV-B radiation

3種植物葉片Car含量在自然輻射條件下差異顯著（p＜0.05），為鳶尾（0.30 mg/g）＞香蒲（0.24 mg/g）＞蘆葦（0.23 mg/g）。增強(qiáng)UV-B輻射下，鳶尾葉片Car含量平均降低17.95%（高輻射）和5.46%（低輻射），蘆葦降低26.63%（高輻射）和升高9.13%（低輻射），香蒲降低51.00%（高輻射）和27.48%（低輻射），表明3種濕地植物葉片Car含量對UV-B輻射增強(qiáng)的敏感性為香蒲＞蘆葦＞鳶尾。

3 討論

植物必須及時調(diào)整自身的防御策略來應(yīng)對各種脅迫以適應(yīng)生存環(huán)境。增強(qiáng)UV-B輻射能使葉片表皮細(xì)胞中類黃酮含量增加以吸收屏蔽輻射來減少進(jìn)入植物細(xì)胞內(nèi)的UV-B輻射凈通量［21］。類黃酮是植物防御UV-B輻射傷害的一種有效物質(zhì)，也是植物的重要次生代謝產(chǎn)物之一，在植物生長發(fā)育和生理生化代謝以及物種鑒別等方面有著至關(guān)重要的作用，具有清除多種生物活性（如自由基、抗氧化等）的作用［22］。類黃酮主要集中在植物葉片表皮細(xì)胞中，它能吸收或過濾進(jìn)入葉片內(nèi)的部分紫外光子使進(jìn)入細(xì)胞的UV-B輻射減少［23］。環(huán)狀結(jié)構(gòu)上的不飽和雙鍵是類黃酮具有降低紫外輻射傷害、清除自由基功能的主要原因，并且參與氧化還原反應(yīng)羥基（作為質(zhì)子供體）可以調(diào)節(jié)活性氧的代謝，使植物不受UV-B輻射的傷害［24］。UV-B輻射能促使類黃酮合成基因表達(dá)以及積累是植物對UV-B輻射的適應(yīng)和保護(hù)措施［25，26］。本試驗中，在增強(qiáng) UV-B輻射處理下，3種濕地植物葉片類黃酮的含量均有所增加，與彭祺等［2］和何永美等［27］的研究結(jié)果相似，且相比于鳶尾和蘆葦葉片中類黃酮的含量增加，香蒲葉片中類黃酮的含量比較少，說明UV-B輻射增強(qiáng)處理下鳶尾和蘆葦能更好地通過誘導(dǎo)紫外吸收物質(zhì)的合成來保護(hù)自身不受增強(qiáng) UV-B輻射的傷害。隨輻射梯度增大，3種濕地植物葉片中類黃酮的含量增加，與朱媛［28］研究結(jié)果一致，說明UV-B輻射會使?jié)竦刂参矬w內(nèi)產(chǎn)生氧化損傷，類黃酮會參與UV-B輻射對濕地植物影響的抗逆調(diào)控，從而發(fā)揮其抗氧化功能以保護(hù)遭受脅迫的植物不受傷害。隨輻射時間的延長，在第14天高輻射處理下香蒲類黃酮含量迅速下降；第7天，蘆葦和鳶尾葉片類黃酮含量下降，甚至低于低輻射處理，這與董新純等［29］的研究結(jié)果一致。這是因為植物在高輻射累計照射下對植物細(xì)胞造成的不可逆的傷害引起的，這種傷害可以導(dǎo)致植物細(xì)胞類黃酮合成困難，降解加速。

植物葉片中類胡蘿卜素具有的共軛雙鍵，是一種重要的抗氧化劑，能夠吸收紫外光［27］，結(jié)合在生物膜上可以吸收多余的光能來降低UV-B輻射對植物體造成的傷害。類胡蘿卜素在電子的吸收和傳遞過程中也起重要作用，可以保護(hù)細(xì)胞和葉綠體免受 UV-B輻射的傷害［30，31］。本試驗中，增強(qiáng) UVB輻射，香蒲、鳶尾以及高輻射處理下的蘆葦，其葉片類胡蘿卜素含量顯著低于對照組，這與在顛茄（Atropa belladonna）［32］上的研究結(jié)果相反，可能是由于本試驗所設(shè)置的輻射強(qiáng)度超出了植物自身的調(diào)節(jié)極限，導(dǎo)致類胡蘿卜素被破壞；而隨處理時間的延長，類胡蘿卜素含量降低，這與在馬鈴薯［33］上的研究的結(jié)果一樣，說明長時間較大劑量的UV-B輻射對葉片中的類胡蘿卜素合成代謝具有一定的抑制作用。低輻射處理下，在輻射第14天后蘆葦葉片類胡蘿卜素含量較對照顯著升高，這與李惠梅等［34］和王海霞［35］的研究結(jié)果相同，說明低輻射強(qiáng)度會誘導(dǎo)類胡蘿卜素基因的表達(dá)，隨著輻射強(qiáng)度的增加，蘆葦類胡蘿卜素含量增加以達(dá)到對葉片的保護(hù)作用。

本試驗結(jié)果表明，增強(qiáng)UV-B輻射能促進(jìn)3種濕地植物類黃酮含量的增加，但會抑制類胡蘿卜素含量的提高。3種濕地植物葉片類黃酮含量對UV-B輻射的敏感性為鳶尾＞蘆葦＞香蒲，類胡蘿卜素含量對UV-B輻射的敏感性為香蒲＞蘆葦＞鳶尾。所以，3種供試濕地植物對增強(qiáng)UV-B輻射逆境的適應(yīng)能力為鳶尾最強(qiáng)，蘆葦次之，香蒲最弱。