紫外輻射對菹草成株生理特性的影響

王錦旗, 鄭有飛, 薛 艷

1 南京信息工程大學應用氣象學院, 南京 210044 2 江蘇省環境演變與生態建設重點實驗室, 南京 210023 3 南京信息工程大學大氣物理學院, 南京 210044 4 南京信息工程大學環境科學與工程學院, 南京 210044

紫外輻射對菹草成株生理特性的影響

王錦旗1,2,*, 鄭有飛3, 薛 艷4

1 南京信息工程大學應用氣象學院, 南京 210044 2 江蘇省環境演變與生態建設重點實驗室, 南京 210023 3 南京信息工程大學大氣物理學院, 南京 210044 4 南京信息工程大學環境科學與工程學院, 南京 210044

研究不同劑量UV-B輻射下菹草生理特征變化，在光合有效輻射、UV-A輻射一致的條件下，對菹草進行不同劑量UV-B輻射，測定菹草葉片光合色素含量及生理生化指標。結果表明：≤10.8 kJ/m2劑量輻射可促進葉綠素及類胡蘿卜素含量增加，衰亡階段起抑制作用，>10.8 kJ/m2一直起到抑制作用，且隨劑量的增加，抑制作用增強；UV-B輻射初期可促進過氧化氫酶(CAT)、過氧化物(POD)酶活性及丙二醛(MDA)含量升高，且隨輻射劑量增加而逐漸升高，但隨輻射時間延長，CAT、POD酶活性、MDA含量均有所降低，超氧化物歧化酶活性隨輻射時間延長逐漸升高，且隨輻射劑量增加而增加；短期輻射可促進葉片可溶性蛋白質和可溶性糖的合成，其含量隨輻射劑量增加而升高，長期輻射起抑制作用，且隨輻射劑量增加，抑制作用增強。因此，春末夏初野外強UV-B輻射可能是促進菹草大批衰亡的重要原因。

UV-B輻射; 光合色素; 抗氧化酶系統; 膜脂過氧化產物; 光合產物

菹草(Potamogetoncrispus)是眼子菜科多年生沉水草本植物，世界廣布[1]，是一種典型的秋季萌發、越冬生長的沉水植物，主要分布在淡水湖泊、池塘、稻田、河流等水域[2]。菹草作為冬春季沉水植物的優勢種，對水體中的氮、磷等營養鹽有吸收作用，在凈化水質、改善水環境質量、提高水體透明度、抑制藻類生長等方面均有顯著作用[3]，在維持水生生態系統的平衡與健康有重要意義[4]。野外菹草生長特性表現為春季生長迅速、夏初死亡，其衰亡的原因一直是很多學者研究的重點。研究認為強光照是造成菹草春末夏初大量衰亡的原因，在生長早期，光照一般不會對水下菹草生長產生抑制；而到后期，強日照日數增多，菹草經春季快速生長已到達水表，水表強烈光照將對菹草生長、生存產生劇烈抑制作用，進而促進菹草衰亡[5]。那么強光照中到底是什么波段真正起作用的呢？對比江蘇省水環境中試平臺溫室內外光照差異不難發現，溫室內外光照差異不大，但紫外輻射明顯減弱，尤其以UV-B減少明顯(僅為室外2%—5%)，而PAR(光合有效輻射)、UV-A差異較小。UV-B輻射不僅能抑制陸生植物的生長，而且對水生生物有較大的危害，研究發現，對生物有危害的UV-B輻射在一些海域可深入水下幾米，甚至幾十米[6-7]。在長江中下游湖泊中對生物有害的紫外輻射基本上能到達湖底[8-9]。在一些UV-B對水生生物傷害研究中，UV-B可引起葉片氮含量、可溶性蛋白及1，5-二磷酸核酮糖酶含量的下降[10]。

因此，研究UV-B對菹草生理特性的影響，對研究春末夏初陽光中UV-B增強對菹草衰亡的影響，探索菹草衰亡機制，對控制湖泊水華爆發具有一定意義。

1 材料與方法

1.1 實驗地點選擇

實驗地點選擇在江蘇省環境工程重點實驗室水環境生態修復中試平臺(32.11°N, 118.91°E)玻璃溫室內。經幾多次隨機測量，玻璃溫室內PAR為室外的80%—85%，UV-B透過率僅為2%—5%(室外最低10 μW/cm2，室內最低2.8 μW/cm2；室外最高103.0 μW/cm2，室內最高4.8 μW/cm2)，UV-A透過率60%—70%(室外最低139.5 μW/cm2，室內最低95.7 μW/cm2；室外最高1049.0 μW/cm2，室內最高634.7 μW/cm2)。

1.2 實驗設計

將采集的菹草成株種植于上口直徑18 cm、下口直徑12.5 cm、高15 cm的花盆中，每個花盆種植約15—20株(分枝)。為減少底泥帶來的營養鹽差異，在花盆底部鋪設少量泥土加碎石細沙以固著菹草植株根部。將上述花盆置于上口直徑64 cm，高72 cm，下底直徑52 cm的白色塑料水桶中，桶容量為200 L。

將培育好的菹草植株種植于水桶中，分別設3組平行，桶上方用120 cm不銹鋼支架懸掛UV-B燈管。UV-B燈管采用南京華強特種光源廠生產的純UV-B燈管(40 W，主峰313 nm)。

1.3 UV-B劑量設定

以南京信息工程大學農業氣象站2004年及2008年4—8月實際測量的全天UV-B劑量的平均值為參照(采用監測的儀器及傳感器與本實驗一致)，通過SpectroSense2 (英國SKYE公司)連接SKU 430UV-B傳感器(280—315 nm)測定UV-B劑量，設定4個UV-B劑量梯度，最高劑量不超出南京地區4—7月實際UV-B劑量日均值。其中，對照組水桶上方用125 μm聚酯薄膜以過濾溫室中少量的UV-B輻射，使其接受到的UV-B輻射為0，僅接受UV-A及PAR，記作R0，其余組通過調節懸掛燈管粗細及微調懸掛高度，使水面處劑量分別為50、100、150、200 μW/cm2，分別記作R50、R100、R150、R200，每日UV-B燈管照射時間為6h(9:00—15:00)，其累積UV-B輻射量分別為10.8、21.6、32.4、43.2 kJ/m2。對照組通過調節濾膜厚度及傾斜角度，使其與各處理組接受可見光基本一致。由于實驗水體為自來水加人工配置營養液，故UV-B透過性較高，各處理組UV-B輻射均可透射至水底。為防止輻射對植株造成急性傷害，以50 μW/cm2為基準輻射劑量，采取每兩日增加50 μW/cm2方式緩慢遞增，最終調整到設定劑量為止。

1.4 光合色素及生理指標測定

光合色素采用丙酮法，用80%丙酮溶液提取葉片光合色素，用分光光度計分別測定645、663和440 nm處的吸光度；過氧化氫酶(CAT)活性利用紫外吸收法測定，將提取的葉片酶液加入CAT反應體系，測定240 nm波長吸光度降低速度；過氧化物酶(POD)活性采用愈創木酚法測定，將提取的葉片酶液加入POD反應體系，記錄470 nm處吸光度增加速度；超氧物歧化酶(SOD)活性采用氮藍四唑(NBT)法測定，取適量葉片提取液，加入反應液，于光照培養箱下(4000 lx)反應，測定560 nm處吸光值；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸比色法：用5%三氯乙酸提取葉片，離心取上清液，加硫代巴比妥酸在沸水浴中反應30 min，冷卻后再離心，取上清液測定532、600 nm和450 nm處吸光度值；可溶性蛋白質(Pr)采用紫外吸收法，取適當的樣品提取液，用磷酸緩沖液適當稀釋后，讀取280 nm和260 nm波長吸光度；可溶性糖(SC)采用苯酚法測定：取適量植株樣品，加蒸餾水于沸水中提取30 min，提取液分別加入9%苯酚、濃硫酸溶液，顯色并測定吸光度[11]。測定的分光光度計為島津UV3600紫外可見近紅外分光光度計。

1.5 測定頻率

分別于實驗開始、第16天、第24天、第31天的9:00—10:00分別在各平行組采集1、2株植株，取植株頂端完全伸展葉片進行色素及生理指標測定。

1.6 數據分析

試驗數據用Excel 軟件進行統計分析及圖表制作。

2 結果與分析

2.1 UV-B對菹草光合色素的影響

葉綠素含量變化見圖1，第16天，各組葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)及總葉綠素(Chlt)含量較開始差異顯著(P<0.05)，R0及R50組較實驗開始Chla、Chlb及Chlt含量有所增加，其中R50組3個指標較實驗開始分別升高67.3%、89.1%、73.1%，而R50—R200組隨劑量增高而降低；第23天，各組較實驗開始差異顯著(P<0.05)，R0組Chla、Chlb及Chlt含量繼續增加，而R50組略有降低，R100—R200組Chla、Chlb及Chlt含量較第16天有所提高，但仍隨輻射劑量增加而遞減；第31天，R150及R200因輻射死亡，R0—R100組較實驗開始時差異不顯著(P>0.05)，較第23天均有增加，但仍隨輻射劑量增加而遞減。

圖1 UV-B對菹草成株光合色素含量的影響Fig.1 Photosynthetic pigments content of Potamogeton crispus affected by UV-B radiation* R0、R50、R100、R150、R200代表處理組水面處接受到UV-B劑量分別為0、50、100、150、200 μW/cm2

類胡蘿卜素(Car)含量變化見圖1，Car變化趨勢與葉綠素含量變化基本一致，第16天，各組較開始差異不顯著(P>0.05)，R50較實驗開始有所提高，R0組基本未變，R100—R200大幅下降；第23天，各組較開始差異仍不顯著(P>0.05)，R0—R200含量隨輻射劑量增加而遞減，其中R100—R200組差異不大，第31天，R0—R100組較第23天略有增加，但較實驗開始差異仍不顯著(P>0.05)，但仍隨輻射劑量增加而遞減。

2.2 UV-B對菹草抗氧化系統酶的影響

圖2 UV-B對菹草成株過氧化氫酶活性的影響 Fig.2 Catalase activity of Potamogeton crispus affected by UV-B radiation

CAT活性變化見圖2，實驗開始時R0與R50組活性較高，R100—R200依次降低，經過16d輻射后，R50—R200組隨輻射劑量增加而遞增，且較開始差異顯著(P<0.05)，R200較R50組高2172.3%，其中R0—R100 組低于實驗開始，R150及R200組高于實驗開始，分別較開始增加34.3%、383.3%；第23天，R0—R100組較第16天有所升高，但較開始差異不顯著(P>0.05)，R150及R200組有所降低；第31天，僅余3組CAT活性隨輻射劑量增加而增加。

POD活性變化見圖3，開始時各組間無顯著規律性，經16天輻射后，R0組較開始有所降低，4個輻射組隨輻射劑量增大而遞增，且較開始差異顯著(P<0.05)，其中R200較R0組高351.3%，較實驗開始高190.5%；第23天，各組較開始差異不顯著(P>0.05)，其中R0—R150組逐漸升高，而R200組較第16天急劇下降，較第16天降低64.4%；第31天，R0—R100組呈逐漸降低趨勢，且較開始差異不顯著(P>0.05)，R0組升至實驗期間最高，R50及R100組則降至實驗期間最低。

SOD活性變化見圖4，開始各組活性基本相當，經16天輻射后，各組較開始差異極顯著(P<0.01)，R50—R150組呈逐漸增高趨勢，均高于R0，R0、R50及R200組較開始略有降低；第23天，各組SOD活性均顯著提高(P<0.01)，其中R150組仍保持最高值，R200組較第16天增加281.7%，略低于R150組，R0—R150組仍然呈持續遞增的趨勢；第31天，R0—R100組較第23天均顯著增加(P<0.05)，但呈逐漸降低趨勢，其中R0組達實驗期間最高，較實驗開始增加298.5%。

圖3 UV-B對菹草成株過氧化物酶活性的影響 Fig.3 Peroxidase activity of Potamogeton crispus affected by UV-B radiation

圖4 UV-B對菹草成株超氧化物歧化酶活性的影響 Fig.4 Superoxide dismutase activity of Potamogeton crispus affected by UV-B radiation

2.3 UV-B對菹草膜脂過氧化的影響

圖5 UV-B對菹草成株丙二醛含量的影響 Fig.5 Malonaldehyde content of Potamogeton crispus affected by UV-B radiation

MDA含量變化見圖5，開始時R50與R100組含量較低，R150與R200組較高，R0組介于中間；第16天，R0與R50組基本未變，R100—R200組略有升高，但較開始差異不顯著(P>0.05)；第23天，因植株逐步衰亡，各組含量均有降低，但較開始差異不顯著(P>0.05)，其中R100—R200組降低較多，分別較第16天降低顯著(P<0.05)，分別低45.6%、57.0%、52.4%，其含量低于R0與R50組，R0組較第16天低29.2%，R50組略有降低；第31天，隨植株逐漸衰亡，R0—R100組呈逐漸遞減的趨勢，較開始及第23天差異均不顯著(P>0.05)。

2.4 UV-B對菹草葉片光合產物含量的影響

Pr含量變化見圖6，實驗開始時，各組間Pr含量差異較大，且無規律性；經輻射處理后，R0組含量較實驗開始略低，而R50—R150組隨輻射劑量增加而遞增，與實驗開始比較，各組差異不顯著(P>0.05)，其中R100、R150組有所增加，而R50組略有降低，R200組降低28.0%；第23天，各組較開始差異仍不顯著(P>0.05)，R0含量繼續降低，R50—R150組含量基本一致，而R200組持續降低，其含量僅為實驗開始的55.1%；第31天，R0—R100組隨輻射劑量增加而遞減，與第23天相比，R0組略有增加，R50組略有降低，R100組降低33.0%。

SC含量變化見圖7，SC含量變化趨勢與Pr變化基本一致，實驗開始時各組SC含量差異較小，第16天，R0組較實驗開始有所增加，4個輻射處理中，R50與R100組較開始略有降低，R150組增加43.1%，而R200組則較開始降低26.7%，R50—R150組隨輻射劑量增加而遞增；第23天各組含量均有所降低，但較開始差異不顯著(P>0.05)，R0與R50組高于其他3個處理組；第31天，R150與R200組因輻射較強死亡，R0與R50組基本相當，高于R100組，R100組較實驗開始降低56.2%，為實驗期間最低，但較開始差異不顯著(P>0.05)。

圖6 UV-B對菹草成株可溶性蛋白含量的影響 Fig.6 Soluble protein content of Potamogeton crispus affected by UV-B radiation

圖7 UV-B對菹草成株可溶性糖含量的影響 Fig.7 Soluble sugar content of Potamogeton crispus affected by UV-B radiation

3 討論

3.1 UV-B輻射對菹草葉片光合色素的影響

葉綠素是光合作用的主要色素，是光能捕捉(吸收)、傳遞和轉換重要結構，葉綠素含量與光合作用緊密相關，其含量高低可反應葉綠體的光能利用率[12]。在植物體內葉綠素含量的多少，在很大程度上決定著光合作用的強弱，并與植物生長和生理狀況緊密相關[12]。許多研究證實增強UV-B輻射能降低植株葉綠素含量(包括葉綠素，總葉綠素和類胡蘿卜素)[13-14]。但不同植物葉綠素對UV-B輻射的敏感性存在較大差異，而葉綠素含量降低是葉綠素合成受阻，或降解增加，或是二者共同作用的結果[15]。

菹草作為一種沉水植物，在水下主要依靠水體的屏蔽作用抵御陽光中紫外輻射，一旦接近水面，紫外輻射對其傷害立即體現，有研究表明，低劑量UV-B輻射能使LHCII(捕光色素蛋白復合體Ⅱ)中色素分子對能量的吸收明顯增強，傳遞到PS II核心的能量也明顯增多，即UV-B輻射作為一種弱脅迫，刺激了光合結構的功能發揮[16]，故對菹草成株而言，50 μW/cm2處理在短期輻射下促進光合色素的提高。但高劑量UV-B對植株葉片色素細胞有強烈的漂白效應[17]，可能因某些色素蛋白吸收UV-B能量，導致光化學反應使光合色素含量降低[18]；或色素被輻射高能量激活，產生活性氧損壞細胞[19]；細胞在UV-B作用下產生一些活性氧(ROS)對光合色素進行光化學降解[17]。但類胡蘿卜素能與活性氧反應后能夠再生，所以類胡蘿卜素是在保護UV-B輻射的起重要作用[17]，相對而言類胡蘿卜素通常比葉綠素的影響要小[20]。基于上述原因，R100至R200組植株接近水面的葉片在高劑量UV-B輻射下，葉片受到傷害，其葉綠素含量顯著下降，尤其高于100 μW/cm2處理組出現明顯的急性傷害作用，頂端葉片出現明顯漂白現象，光合色素含量隨輻射劑量增加而逐漸遞減。第23天，高于100 μW/cm2組植株頂端受輻射衰亡，植株高度隨輻射劑量增加依次降低，故測定的均為新生長出葉片，各項光合色素含量較第16天有所增加，而R50組，植株葉片與其余組一起逐漸進入衰亡期，故光合色素含量較前有所降低，但因輻射傷害較小，光合色素含量僅次于對照組，而其余組抵御輻射能力均降低，隨輻射劑量增加光合色素含量下降；第31天，僅余3組植株高度隨輻射劑量增加降低，葉片逐漸遠離輻射源，實際收到輻射程度減弱，故光合色素含量仍在增加。

3.2 UV-B輻射對菹草葉片抗氧化酶系統的影響

植株體內活性氧產生與清除的代謝系統發生變化，嚴重時會失調，導致活性氧在體內的過量積累，從而對植物造成傷害[21-22]。但植物在遭遇UV-B暴露后，其抗氧化酶系統響應存在一定的差異性[23]。CAT和POD是清除H2O2的重要保護酶，能將H2O2分解為O2和H2O，從而使機體免受H2O2的毒害作用，其活性與植物的抗逆性密切相關。POD是植物體內普遍存在的、活性較高的一種酶，它與呼吸作用、光合作用及生長素的氧化等都有密切關系，在植物生長發育過程中，它的活性不斷發生變化；SOD普遍存在于動、植物體內，是一種清除超氧陰離子自由基的酶，能將超氧陰離子自由基歧化為過氧化氫和氧氣[24]。菹草在逆境條件下，如重金屬脅迫[25]、水體污染[26]、營養鹽急性傷害[27]，植株體內CAT、POD、SOD活性會出現不同程度升高，但超過一定閾值后，這些酶活性呈下降趨勢，UV-B輻射作為一種逆境同樣會對菹草葉片抗氧化酶系統產生影響，在UV-B輻射初期，隨輻射劑量增加，活性氧增多，為清除活性氧，葉片抗氧化酶系統開始增強，因SOD功能是將產生超氧陰離子自由基歧化為過氧化氫和氧氣，故SOD含量也隨輻射劑量增加而增加，但其歧化產物加劇葉片中H2O2的含量；CAT與POD均為清除H2O2的重要保護酶，則葉片中CAT、POD增加幅度要超過SOD增幅。在UV-B輻射初期，植株CAT、POD含量達最高，而隨輻射進行有所降低，SOD活性隨輻射進行能持續升高，各種抗氧化酶隨輻射劑量增加而增加，由此說明菹草抗氧化酶系統在UV-B持續輻射條件下受到一定的損傷，植株在劑量較高情況下酶活性出現不可逆轉的傷害，最終可導致植株死亡。第16天，由于輻射時間較短，植株出現應急抗逆反應，其CAT、POD均達到監測時期中最高，且隨輻射劑量傷害越大，植株抗逆境反應越明顯，CAT、POD含量越高，且隨輻射劑量迅速升高，SOD隨輻射時間延長含量逐漸增高，且隨輻射劑量增加而增加，但R200組因輻射劑量過大，超過其承受閾值，傷害最明顯，故SOD出現明顯降低趨勢。隨輻射時間延長，植株各項機能下降，產生的活性氧增多，故第23天，CAT、POD較前明顯下降，第31天，R150、R200組植株由于輻射劑量過大植株死亡，而其余3組POD、SOD活性均呈逐漸降低趨勢，說明由于UV-B傷害植株產生的活性氧增多，植株清除能力下降，而CAT活性雖呈逐漸升高趨勢，但與R0組也相差不大。另一重要原因可能為隨輻射進行植株頂部葉片逐漸漂白死亡，植株矮化，接受到UV-B輻射減弱，測定的抗氧化酶活性多為植株新頂部的葉片，其活性低于輻射初期活性。

3.3 UV-B輻射對菹草葉片膜脂過氧化產物的影響

脂質分子是相當穩定的，在空氣中不易發生氧化作用，可是一旦有活潑自由基存在，就可導致脂質過氧化的發生，在光、某種射線或自由基的作用下，可使脂質分子LH脫去1個氫原了形成脂質自由基L·，此脂質自由基再與氧反應形成脂質過氧自由基LOO·，此過氧自由基再進攻其它脂質分子，奪取其氫原子，再生成新的自由基和脂質氫過氧化物LOOH，此反應叫反復進行，從而導致脂質分子的不斷消耗和脂質過氧化物的大量生成[28]。MDA是膜脂過氧化產物之一，其濃度表示脂質過氧化強度和膜系統傷害程度，植物在逆境或衰老條件下，會發生膜脂的過氧化作用，通常利用它作為膜質過氧化指標，表示細胞膜脂過氧化程度和植物對逆境條件反應的強弱[11]。在陸生植物的研究中，UV-B輻射增強可導致膜脂過氧化產物——MDA含量明顯升高，同時膜脂脂肪酸組成配比改變，不飽和度指數有所下降，最終仍導致植物體受到傷害[29]。在UV-B輻射下，菹草植株會產生大量過氧化物，促使葉片MDA含量升高，在輻射初期，由于強輻射使葉片在短期內釋放大量過氧化物，使葉片MDA含量達最高，故在實驗第16天達最高，在長期輻射過程中，脂質不斷消耗，產生的過氧化物量可能有所降低，膜通透性增加，故從頂部葉片外觀也觀測到植株頂部葉片逐漸受到輻射白化死亡，造成株高變矮，植株中部葉片代替白化死亡葉片成為新頂部葉片，受輻射劑量減小，則MDA含量降低，而新成為頂部的葉片也持續遭受輻射，脂質分子也在遭受持續氧化，其過氧化物也釋放量會有所降低，隨輻射進行，成為MDA含量持續降低的重要原因，第23天，R50—R200組持續降低，第31天，R0—R150呈遞減趨勢，均能明顯反應出脂質分子持續氧化后其產物逐漸減少的趨勢。

3.4 UV-B輻射對菹草葉片光合產物含量的影響

根據上述分析，在較高劑量UV-B輻射下植株葉綠素含量降低，葉綠素含量降低，必將影響色素蛋白復合體的功能，從而降低葉綠體對光能的吸收，使葉片光合速率下降，影響光合產物含量[30]。由于植物體內的可溶性蛋白質大多數是參與各種代謝的酶類，它的含量是了解植物體總代謝的一個重要指標[31]。關于UV-B輻射對植株可溶性蛋白含量的影響，大量的研究認為，UV-B輻射會抑制蛋白質的合成，使植物的蛋白質含量減少，其中包括對水稻、大豆、冬小麥的研究[32]，但也有研究表明UV-B輻射促進蛋白質的合成，引起植物蛋白質含量增加[33]，在一些海洋生物實驗中也發現，UV-B 輻射使大型海藻孔石莼可溶性蛋白在初始階段有所增加, 而后卻出現極顯著下降[34]。由于蛋白質最大吸收波長正好處在UV-B輻射波長范圍內，因此蛋白質會受到UV-B輻射的影響[35]。植株蛋白質含量增加可能是芳香族氨基酸合成加強的結果，芳香族氨基酸是合成黃酮的前體，而類黃酮物質有利于保護植物免遭UV-B輻射的傷害[36]。植株葉片可溶性蛋白含量降低還可能與UV-B降低蛋白水解酶的活性，促進蛋白質含量升高[37]。UV-B輻射下蛋白質含量的增減，決定于輻射強度和不同植物對UV-B輻射的敏感程度，可溶性蛋白質中約有50%為RUBP羧化酶，因此，可溶性蛋白質下降會導致植物光合作用能力下降、葉片可溶性蛋白含量降低，還可能與UV-B輻射增強所導致的植物RUBP羧化酶活性下降有關[36]。因可溶性蛋白測定主要參與各種代謝的酶類，在前面分析中，參與代謝CAT、POD、SOD等各種的酶蛋白含量均隨輻射增加而升高，且均于輻射第16天達最高，故測定的可溶性蛋白含量隨輻射劑量的增加而增加，而UV-B又能抑制植株可溶性蛋白合成，故第16天R200組有所體現，其Pr含量急劇降低，且長期輻射后，傷害增加，UV-B抑制植株可溶性蛋白合成得到體現，Pr含量開始隨輻射劑量增加而降低，當植株進入繁殖期后，劑量高于200 μW/cm2則又抑制蛋白質合成，造成植株死亡。

SC不僅是植物的主要光合產物，而且是碳水化合物代謝和暫時貯藏的主要形式[38]。UV-B輻射可促使植株葉片SC含量的降低，在小麥[39]、菠菜[40]等研究中均有體現，而對水稻的研究結果是先增加后降低[41]，因菹草成株在野外經歷過短暫弱輻射，故實驗開始階段表現明顯，但隨輻射持續，葉片SC含量逐漸呈下降趨勢，且隨輻射劑量增加而逐漸遞減，這可能因UV-B輻射降低了植株葉片中光合作用的關鍵酶—1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(Rubisco)的含量和酶活性，使CO2羧化效率降低，增加葉片氣孔阻力增大，CO2的傳導率降低，引起胞間CO2濃度下降，影響CO2的同化效率[42]。

4 結論

(1)在PAR、UV-A一致的條件下，≤10.8 kJ/m2劑量UV-B輻射可促進菹草葉片葉綠素及類胡蘿卜素含量的增加，衰亡階段起抑制作用；>10.8 kJ/m2起抑制作用，并隨輻射劑量增加抑制作用增強。

(2)UV-B輻射在輻射初期可促進抗氧化酶系統中CAT、POD酶活性以及MDA含量的升高，且隨輻射劑量增加而逐漸升高，但隨輻射時間延長，CAT、POD酶活性受到抑制， MDA含量降低；而SOD活性隨輻射時間延長逐漸升高，且隨輻射劑量增加而增加。

(3)短期輻射可促進菹草葉片可溶性蛋白質和可溶性糖含量升高，且隨輻射劑量增加而升高，長期輻射起抑制作用，且隨輻射劑量增加而同化物含量遞減。

致謝：感謝南京師范大學地理科學學院王國祥教授提供實驗場地。

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Influence of ultraviolet radiation on physiological characteristics ofPotamogetoncrispus

WANG Jinqi1,2,*, ZHENG Youfei3, XUE Yan4

1SchoolofAppliedMeteorology,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China2JiangsuKeyLaboratoryofEnvironmentalChange&EcologicalConstruction,Nanjing210023,China3SchoolofAtmosphericPhysics,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China

4SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China

Potamogetoncrispusplays an important role in purifying water and maintaining a healthy aquatic ecosystem in some shallow lakes; however, mass mortality occurs toP.crispuspopulations in the late spring and early summer, which possibly results in secondary pollution. Therefore, the causes ofP.crispusmass mortality have been a hot research topic in the field of aquatic ecological restoration. Some researchers have reported that intense light is the key factor in the decline ofP.crispus. The UV-B band in strong light is generally recognized to damage plants and animals, and can even penetrate into the water column and cause harm to aquatic organisms. Therefore experiments were conducted to determine the effect of the UV-B radiation in strong light onP.crispusdecline. In this study, mature plants ofP.crispuswere daily exposed to different doses of UV-B radiation (50, 100, 150, and 200 μW/cm2) for 6 hours (09:00—15:00). The cumulative effective doses of UV-B radiation were, respectively, 10.8 kJ/m2, 21.6 kJ/m2, 32.4 kJ/m2and 43.2 kJ/m2. The control group was only exposed to UV-A radiation and photosynthetically active radiation (PAR). PAR and UV-A radiation were set to the same levels in all treatment groups. The physiological characteristics of the experimental plants were monitored regularly under UV-B radiation, and physiological and biochemical indices and photosynthetic pigment contents were determined. The results show that the chlorophyll a (Chla), chlorophyll b (Chlb), total chlorophyll (Chlt), and carotenoid (CAR) contents can be improved by UV-B radiation at doses below 10.8 kJ/m2, and can be inhibited in the decline stage. The Chla, Chlb, Chlt, and CAR contents were all decreased by UV-B radiation when the UV-B radiation dose was greater than 10.8 kJ/m2, and the inhibition effects increased with increasing radiation dose. Catalase (CAT) and peroxidase (POD) activities were increased under short-term radiation and gradually increased with increasing radiation dose; however, these activities were inhabited with continuing exposure to radiation. The activity of superoxide dismutase (SOD) increased gradually with prolonged irradiation time, and the activity of SOD increased with increasing radiation dose. The malondialdehyde (MDA) content was increased at the beginning of the UV-B radiation and gradually increased with increasing radiation dose; however, the MDA content decreased with continuing radiation. The soluble protein (Pr) and soluble sugar (SC) contents were improved at the beginning of the UV-B radiation, and gradually increased with increasing radiation dose, but these contents decreased after long-term UV-B radiation, and the contents decreased gradually with increasing radiation dose. The results indicate that UV-B radiation may be an important factor leading to the mass mortality ofP.crispusin late spring and early summer. Accordingly, we deduce that the sharp increases in ultraviolet radiation on the land surface in the late spring and early summer leads to mass mortality of wildP.crispuspopulations. However, further research is necessary to study whether UV-B radiation acts synergistically with other environmental factors to affect physiological activity in the decline ofP.crispus.

UV-B radiation; photosynthetic pigment; antioxidant enzyme system; malondialdehyde; photosynthate

國家自然科學基金(41105113, 51109109); 江蘇省環境演變與生態建設重點實驗室開放基金資助項目

2014-01-16;

日期:2014-11-19

10.5846/stxb201401160121

*通訊作者Corresponding author.E-mail: w_j_q@sina.com

王錦旗, 鄭有飛, 薛艷.紫外輻射對菹草成株生理特性的影響.生態學報,2015,35(18):5975-5983.

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