增強UV-B輻射對芒果葉片光合組織結構的損傷

岳 堃，王 紅，郭鈺柬，周開兵

(海南大學 熱帶作物新品種選育教育部工程研究中心，海口 570228)

紫外輻射(UV)劃分為A區(320～400 nm)、B區(280～320 nm)和C區(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，引起到達地球表面太陽輻射中的UV-B輻射增加，此時的UV-B輻射稱為“增強UV-B輻射”(或稱UV-B輻射增強，enhanced UV-B radiation)[1-2]。增強UV-B輻射是環境保護的熱點問題，其對植物生長發育的生物效應和對光合作用的影響問題也倍受關注[3-4]。近年來，本課題組就增強UV-B輻射對芒果葉片的損傷和光合作用的影響等問題開展了研究。結果表明，高劑量增強UV-B輻射處理會使成年芒果樹受到損傷，葉片光合作用受到抑制，誘導激活抗氧化生理生化機制和啟動耗散UV-B輻射脅迫機制，從而減輕活性氧損傷，引起株產和果實品質下降，并且對樹體的損傷和光合作用的抑制具有增強UV-B輻射處理的劑量效應和積累效應[5-10]。然而，關于增強UV-B輻射抑制芒果(MangiferaindicaL.)葉片光合作用的組織形態學機制目前尚未見報道，筆者就此問題進行研究，旨在補充芒果葉片對增強UV-B輻射脅迫效應的微觀變化，為制定芒果樹抗增強UV-B輻射栽培技術提供理論依據。

1 材料與方法

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

1 500～2 000 mm，平均相對濕度為80%；土壤為砂壤土，建園時經增施有機肥改良土壤而達到壤土質地。常規管理。在園區內選擇樹齡為10 a，生長健壯、長勢均勻、無任何不良表現的盛果期‘臺農一號’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月份為果實迅速膨大期，5月份為果實成熟期。

1.2 試驗設計采用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UV-B輻射處理的光源，以自然光照射為對照，單株小區，3次重復。在試驗園區增強UV-B輻射處理樣樹和對照樣樹搭設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；對照樣樹燈架內不裝燈管，使每棵試驗樣樹都具有相同的燈管陰影。從2017-08-30開始進行人工模擬增強UV-B輻射處理，至2018-05-08結束，每日均按日出和日落的時間分別開燈和關燈，如白天遇陰雨天則關燈停止處理。

1.3 采樣及樣品處理從2017-09-16增強UV-B輻射處理開始至2017-12-31，每隔30 d采樣1次。從2018-01-15進入開花期至2018-05-08果實采收為止，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的測定，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，帶回實驗室轉移保存于永久固定液用于葉片組織結構的顯微觀察[20]。2018-05-08采收果實并帶回實驗室，在常溫下后熟，7 d后做果實品質的測定。

1.4 測定指標與方法葉片凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率采用 Yaxin-1101 光合作用測定儀測定。對經永久固定液處理的測樣采用徒手切片法制備臨時切片，置于光學顯微鏡下放大400倍觀察葉片葉肉組織形態結構變化；從不同處理組內抽取切片樣品，每個樣品同一視野內隨機選取5個不同位置測量葉表面角質層厚度。另取處理后葉片，采用印跡法[11]，在每個處理和對照隨機抽取5個不同位置，統計視野內氣孔數量并測量氣孔的長度和寬度。

1.5 數據統計分析試驗數據采用SAS 9.1.3進行統計，采用ANOVA過程進行方差分析，采用DUNCAN法作多重比較分析。

2 結果與分析

2.1 增強UV-B輻射處理對樹體產量和果實品質的影響從表1可知，高劑量處理的果實可滴定酸含量顯著高于對照和低劑量處理，高劑量處理的株產、可溶性糖含量、糖酸比和維生素C含量等均顯著低于對照和低劑量處理，低劑量處理的株產和果實品質各指標均與對照差異不顯著。說明高劑量增強UV-B輻射引起芒果減產和果實品質變劣，導致芒果樹栽培經濟表現不良，并且對芒果株產和果實品質的影響表現出劑量效應。

表1 增強UV-B輻射對芒果樹株產和果實品質的影響

注：表中數據為3次重復的平均值±標準差，同列數據后不同字母表示達顯著差異(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UV-B輻射處理對葉片光合作用的影響

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

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

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

圖4 2017年12月不同處理組葉片的顯微結構(×400)

(1)pt-柵欄組織，st-海綿組織；(2)圖a為對照組芒果葉片，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UV-B輻射處理對葉片光學顯微結構的影響

2.3.1 對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UV-B輻射處理對葉肉光學顯微形態結構具有顯著影響。在初期，盡管高劑量處理的葉片柵欄組織出現輕微的損傷，部分位置細胞出現斷裂，但2個處理和對照的葉片結構均清晰完整，葉片表皮由單層柵欄組織細胞和海綿組織細胞構成，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輕微損傷，長條狀的柵欄組織細胞變短，但未出現斷裂的情況，海綿組織細胞變大，整體仍保持葉片結構完整；高劑量處理的葉片柵欄組織細胞斷裂略微加重，斷裂的細胞穿插進入海綿組織細胞，海綿組織細胞變大，葉片結構與圖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構(×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構(×400)Fig.6 The leaf microstructure of mango in different treatment groups in February 2018(×400)

由圖6可見，對照的葉片結構清晰完整；低劑量處理的葉片柵欄組織細胞進一步縮短，但仍未出現明顯的細胞斷裂現象，海綿組織也未受到進一步的破壞；高劑量處理的葉片結構受損嚴重，柵欄組織細胞出現明顯斷裂，僅有少數能保持完整細胞形態，海綿組織細胞膨大，結構松散，斷裂的柵欄組織細胞與海綿組織細胞互相交錯，使海綿組織和柵欄組織無明顯分界。

綜合分析可知，對照的葉片在成熟衰老時海綿組織細胞變大，但仍保持清晰完整的葉片結構，而不同劑量的增強UV-B輻射處理的葉片在經過一段時間處理后結構出現了不同程度的損傷。低劑量處理的葉片出現損傷較晚，損傷程度也比較輕微；對葉片結構的影響更多體現在柵欄組織上，使柵欄組織細胞變短變粗；海綿組織與對照組相比，未出現明顯損傷，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出損傷狀態，但僅表現在使部分柵欄組織細胞斷裂，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胞出現斷裂，與海綿組織的細胞穿插，沒有清晰的分界，海綿組織細胞變大，間隙變寬。說明增強UV-B輻射通過破壞葉片組織結構從而抑制光合作用，并表現出增強UV-B輻射處理的劑量效應和積累效應。

2.3.2 對葉片表面角質層的影響增強UV-B輻射處理對角質層形態的影響因其劑量不同而異(圖7， 8)。不同處理和對照在同期間比較，對照、低劑量處理和高劑量處理等的葉片表面角質層依次明顯變厚；各處理和對照分別在不同時期間比較，對照和低劑量處理具有隨處理時間延續的積累效應，而高劑量處理則變化不大。可見，不同處理可通過誘導葉片表面角質層厚度增加而弱化穿透進果肉的UV-B輻射強度，進而增強葉片對UV-B的抗逆性；高劑量處理又因誘導葉片角質層厚度過度增加，而降低了葉片氣孔導度和減弱葉片蒸騰作用，進而引起光合速率降低。

a：對照組葉片(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UV-B輻射處理對葉片氣孔的影響由表2可見，與對照相比，低劑量處理使葉片單位面積內氣孔數量上升、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UV-B輻射會抑制氣孔開度，高劑量處理通過極顯著抑制氣孔開度而導致Gs下降，進而導致Pn和Tr降低；同時可能誘導葉片通過增加單位面積內氣孔數量而盡可能減輕其光合作用損傷。

表2 增強UV-B輻射對芒果葉片表面氣孔的影響

3 討 論

葉片是對環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境對植物產生的影響[4]。有研究證明，增強UV-B輻射對植物葉片有影響，低強度的UV-B輻射增強對植物葉面積的生長有一定促進作用[15]，并使其形態特征表現為可能傾向于減少輻射的影響，當輻射超過一定的閾值會使葉片厚度減小，損傷增加[12-13]；高強度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層變化上取得了與此不一致的結果，說明木本植物可能與草本植具有不一樣的保護機制。也或許可以證實增強UV-B輻射通過誘導木本植物葉片表面角質層厚度增加而減弱進入到葉肉組織中的增強UV-B輻射強度，進而盡可能減輕增強UV-B輻射對木本植物葉肉組織的損傷，并最終通過對葉片光合作用產生盡可能輕的損傷而換取植株的生存。

本研究的光學顯微形態觀察結果表明，高劑量增強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，通過增加氣孔數量而盡可能對光合作用和蒸騰作用提供保護，因而，當高劑量增強UV-B輻射前者的破壞超出后者的保護時，引起光合作用的損傷，并表現出時間上的積累效應。這與前人在草本植物蠶豆[21-22]上的研究結果基本一致，說明增強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學變化機制也是相似的。