UV-B對大麥幼苗葉片部分生理和光合特性的影響

李曉科，武玉珍，張義賢

（1.晉中學(xué)院生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山西晉中030619；2.山西大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山西太原030006）

近年來，隨著工業(yè)化進程的加速，人類生產(chǎn)生活中排放的氟化物分解了大量臭氧，使地球臭氧層破壞，南極出現(xiàn)“臭氧空洞”現(xiàn)象，致使地面紫外線輻射（UV-B）增多，已引起當(dāng)前各國學(xué)者的高度關(guān)注[1-2]。關(guān)于紫外線輻射（UV-B）增加對植物產(chǎn)生的影響，不少學(xué)者已通過模擬UV-B輻射進行了許多方面的研究，并發(fā)現(xiàn)UV-B輻射可以影響植物的形態(tài)、生物量、光合作用和呼吸作用等[3-8]。

大麥在世界上種植廣泛，其蛋白含量高、脂肪和糖類含量低，是開發(fā)保健食品的作物來源，也是制造啤酒的重要原材料[9]。大麥還容易培養(yǎng)、生長速度快、對環(huán)境脅迫因子較為敏感，是研究環(huán)境脅迫因子對作物影響的理想試驗材料。目前，紫外線輻射（UV-B）增加對大麥脅迫效應(yīng)的研究已有較多報道[10-11]，但有關(guān)UV-B輻射對大麥幼苗生理和光合特性影響的研究報道較少。

本試驗以大麥為試驗材料，從生理和光合特性角度研究UV-B輻射對大麥幼苗葉片生理和光合特性的影響，旨在揭示UV-B輻射對大麥幼苗的脅迫效應(yīng)規(guī)律，并進一步闡明UV-B輻射對大麥的危害機制。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗所用材料為大麥（晉科571）種子，購于山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)作物品種資源研究所。

1.2 試驗方法

1.2.1 材料培養(yǎng) 參考張義賢等[12]大麥種子培養(yǎng)方法，種子露白后整齊放入鋪有數(shù)層濾紙的培養(yǎng)皿中，加入Hoagland營養(yǎng)液，置于恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)生長，條件控制為：白天25℃，黑夜20℃，自然光照。

1.2.2 試驗設(shè)計 UV-B輻射由植株上方包有0.13 mm醋酸纖維素薄膜的紫外燈管產(chǎn)生，處理時間為每天 8 h（9：00—17：00），對照采用自然光照。試驗共設(shè)4個處理，分別為CK（0kJ/m2），T1（2kJ/m2），T2（4 kJ/m2）和 T3（6 kJ/m2），每個處理設(shè) 3 次重復(fù)。

1.2.3 測定指標及方法 UV-B輻射處理3，6 d后，分別于當(dāng)日9：00—11：00隨機選取不同輻射處理條件下的大麥幼苗葉片，用Li-6400XT便攜式光合測定儀測定凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間 CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr），葉綠素含量、細胞膜透性（CMP）和丙二醛（MDA）含量采用李合生[12]的方法進行測定。細胞膜透性（CMP）用相對電導(dǎo)率（%）表示，采用文獻[13]的方法進行測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS21.0和Excel 2003進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 UV-B輻射對大麥幼苗葉片細胞膜透性（CMP）和丙二醛（MDA）含量的影響

由圖1，2可知，大麥幼苗葉片CMP和MDA含量均隨UV-B輻射增強而上升，并且二者在T2，T3處理組與對照間差異達極顯著。隨著處理時間的延長，葉片相對電導(dǎo)率上升較快，在T1處理組就與對照差異達極顯著水平，說明此時UV-B輻射對細胞膜透性破壞比較嚴重。而UV-B輻射處理6 d的大麥幼苗葉片丙二醛（MDA）含量只有在輻射強度較高的T2，T3處理組才快速增加，說明此時細胞膜透性的增加使細胞膜脂過氧化程度加大，大麥幼苗葉片已經(jīng)受到UV-B輻射的傷害。

2.2 UV-B輻射對大麥幼苗葉片葉綠素含量的影響

綠色植物中葉綠素含量的穩(wěn)定對于植物光能的收集、傳遞和轉(zhuǎn)換起著重要的作用[14]。從圖3，4可以看出，大麥幼苗葉片中的葉綠素含量隨著UV-B輻射處理強度的增加而下降，其中，UV-B輻射處理3 d的葉片葉綠素a含量和葉綠素b含量在T1，T2，T3處理組分別下降為對照的97.87%，95.20%，69.90%和96.09%，94.72%，56.95%。說明葉綠素b含量下降的幅度大于葉綠素a含量。統(tǒng)計學(xué)分析表明，在輻射處理3 d的T3處理組和輻射處理6 d的T2和T3處理組中，大麥幼苗葉片Chla，Chlb和Chl（a＋b）的含量與對照間均達極顯著差異（P＜0.01），且大麥幼苗葉片葉綠素含量隨著輻射處理時間的延長而下降。因此，UV-B輻射強度越大，輻射時間越長，對大麥幼苗葉片葉綠素含量抑制作用就越強。

2.3 UV-B輻射對大麥幼苗葉片凈光合速率（Pn）和氣孔導(dǎo)度（Gs）的影響

從圖5，6可以看出，與CK相比，大麥幼苗葉片凈光合速率（Pn）及氣孔導(dǎo)度（Gs）隨各處理強度的升高呈下降趨勢。統(tǒng)計學(xué)分析表明，葉片氣孔導(dǎo)度（Gs）與對照相比，UV-B輻射3 d的T1處理組表現(xiàn)為差異顯著（P＜0.05），T2，T3處理組表現(xiàn)為差異極顯著（P＜0.01），UV-B輻射6 d時3個處理組均表現(xiàn)為差異極顯著（P＜0.01）。而UV-B輻射3，6 d的凈光合速率（Pn）與對照相比，均表現(xiàn)差異極顯著（P＜0.01）。此外，處理3 d時葉片Pn和Gs在T1，T2，T3處理組分別下降為CK的96.42%，78.85%，49.42%和96.55%，88.79%，78.45%。因此，凈光合速率（Pn）下降的幅度大于氣孔導(dǎo)度（Gs）下降的幅度，說明UV-B輻射對大麥幼苗葉片凈光合速率（Pn）影響較大。從處理時間上看，圖5，6表明，經(jīng)UV-B輻射處理6 d后的大麥幼苗葉片凈光合速率（Pn）和氣孔導(dǎo)度（Gs）下降的幅度都大于經(jīng)UV-B輻射處理3 d后的大麥幼苗葉片，說明UV-B輻射處理時間越長，對大麥幼苗葉片的傷害越嚴重。

2.4 UV-B輻射對大麥幼苗葉片胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）的影響

從圖7可以看出，處理3，6 d的大麥幼苗葉片隨UV-B輻射強度增加胞間CO2濃度（Ci）呈上升趨勢。統(tǒng)計學(xué)分析表明，在UV-B輻射處理3 d時，大麥幼苗葉片胞間CO2濃度（Ci）在T1處理組與對照間無顯著性差異，T2處理的幼苗葉片胞間CO2濃度（Ci）顯著高于對照幼苗（P＜0.05），而 T3處理的幼苗葉片胞間CO2濃度（Ci）與對照達極顯著差異（P＜0.01）。此外，從處理時間上看，經(jīng)UV-B輻射處理6 d后的大麥幼苗葉片胞間CO2濃度（Ci）上升的幅度都大于經(jīng)UV-B輻射處理3 d后的大麥幼苗葉片，其原因可能是UV-B輻射處理時間越長，光合作用利用的CO2濃度在減少所導(dǎo)致。

從圖8可以看出，處理3，6 d的大麥幼苗葉片蒸騰速率（Tr）隨UV-B輻射強度增加呈下降趨勢。統(tǒng)計學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，在UV-B輻射處理3 d時，大麥幼苗葉片蒸騰速率（Tr）在T1處理組與對照間無顯著性差異，而在T2，T3處理組幼苗葉片蒸騰速率（Tr）與對照間差異均達極顯著水平（P＜0.01）。從處理時間上看，經(jīng)UV-B輻射處理6 d后的大麥幼苗葉片蒸騰速率（Tr）下降的幅度都大于經(jīng)UV-B輻射處理3 d后的大麥幼苗葉片，說明UV-B輻射處理時間越長，大麥幼苗蒸騰速率（Tr）越慢。

3 結(jié)論與討論

照射到地面的太陽光中的紫外線包含UV-A（波長 320～400 nm），UV-B（波長 280～320 nm）和UV-C（波長200～280 nm）。在這3種紫外輻射中，UV-C輻射對植物的傷害最為嚴重，能使多數(shù)被輻射的植物死亡，UV-A輻射基本沒有傷害，而大多數(shù)植物在UV-B輻射下會產(chǎn)生一些傷害癥狀[15-16]。

細胞在正常情況下自由基含量很低，對細胞無傷害。可當(dāng)植物處于逆境時，自由基含量增加，膜結(jié)構(gòu)和保護酶系統(tǒng)受到破壞，積累丙二醛（MDA）[17]。MDA可與蛋白質(zhì)、核酸等活性物質(zhì)結(jié)合，從而影響細胞正常新陳代謝，其含量能間接反映細胞損傷程度[18]。本試驗研究發(fā)現(xiàn)，強度不斷增加的UV-B輻射使大麥幼苗葉片膜結(jié)構(gòu)受到損傷，細胞膜透性（CMP）增加，積累大量自由基，產(chǎn)生大量過氧化產(chǎn)物丙二醛（MDA），此結(jié)果與晏斌等[19]在水稻試驗和張新永等[20]在馬鈴薯試驗中所得結(jié)果一致。

植物與大氣環(huán)境進行氣體交換的氣孔會依據(jù)環(huán)境條件調(diào)節(jié)其開度大小，以便獲得CO2最大進入量[21-22]。而胞間CO2濃度的變化可作為判斷光合速率是否受氣孔因素影響的一個依據(jù)[23]。本試驗發(fā)現(xiàn)，隨UV-B輻射增強，大麥幼苗葉片胞間二氧化碳濃度（Ci）升高了，但氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）和葉片凈光合速率（Pn）卻在降低，這表明，能用于光合作用的二氧化碳量是充足的，光合速率和氣孔導(dǎo)度卻下降了，這主要是由非氣孔因素引起的[24]。這與董杰等[25]在小麥試驗和時麗冉等[26]在小黑麥試驗中所得結(jié)果相似。本試驗還表明，影響植物光合作用的葉綠素含量隨UV-B輻射強度增加和輻射時間延長而大幅下降，說明光合速率下降的原因可能是高強度的UV-B輻射導(dǎo)致大麥幼苗葉片葉綠素遭到破壞，致使含量降低，并且使光合酶如PEP羧化酶、RuBP羧化酶活性下降，光系統(tǒng)受到影響，特別是捕光色素，結(jié)果使葉綠體能吸收的光能降低[27-29]。