紫外輻射增加對 10個割手密無性系株高的影響

段 彪

(昆明市五華區環境監測站,云南 昆明 650031)

1 前言

紫外輻射增強發軔于現代工業勃興及相伴的環境污染對大氣同溫層臭氧層的破壞,臭氧層厚度遞減乃至臭氧空洞的形成,使得到達地球表面的紫外輻射量迅速增加。臭氧層減薄是全球三大大氣環境問題之一,據估計,平流層臭氧每減少 1%,到達地表的UV-B輻射增加約 2%。地球上空臭氧層衰減、紫外輻射增強給陸地生態系統乃至人類帶來極大影響,其中以對植物生存脅迫的影響尤為嚴重。近 20a來,全球科學家從生態、生理學的不同角度廣泛開展了紫外輻射增強對植物生存脅迫影響的研究,其研究內容大多集中在紫外輻射對植物形態結構、生長發育、生理機能和 DNA損傷的影響方面[1]。眾多實驗結果顯示,植物在紫外輻射增強脅迫下,生長、產量、品質、植物環境、光合作用、水分代謝、細胞生物膜結構完整性等生態特征與生理機能均發生明顯改變[1]。

近年來的研究發現,UV-B輻射能使植物矮化,使得植物的葉面積減小,UV-B輻射還能顯著推遲作物的生長發育進程,且 UV-B輻射強度越大,生長期滯后效應越明顯[2]。UV-B輻射使得植物的總干重減少,同時使干物質在植物各器官中的分配發生改變,UV-B輻射顯著抑制大豆和小麥葉片凈光合速率和蒸騰速率[3],UV-B輻射使得植物體內抗氧化系統發生變化[4]。UV-B輻射誘導類黃酮含量增加[5]等。

甘蔗是人類食用糖的主要生產原料,糖是人類生產生活的重要物質,如果糖的產量減少,則在一定程度上將影響人類的生活和經濟發展 。割手密(Saccharum spontaneum L.)又名甜根子草,也稱小莖野生無性系,屬于多年生的無性系野生種質資源,目前世界上栽培的甘蔗雜交品種中都含有它的血緣。該無性系適應性強,分布甚廣,無性系類繁多 , 在我國北緯 18°15′～33°20′, 東經 97°～122°,海拔 1～2460m的地區都有分布。割手密的特點是纖維多,蔗汁少,空心,糖分低,早熟、早花、易花。它的生勢好,宿根性好,早生快發,根群發達,有地下莖,耐旱、耐瘠,抗逆性強。蔗莖組織木質化,皮甚硬,抗病蟲害的能力強。它是甘蔗育無性系中最有利用價值的甘蔗屬內的一個野生無性系,它對甘蔗的改良和培育無性系有著重要作用,甘蔗野生無性系質資源是甘蔗育種的物質基礎[6]。紫外輻射的增強使很多農作物的產量和生物量下降已經有許多報道。因此紫外輻射增強也同樣將對甘蔗品種產量和品質構成威脅。因此研究不同割手密無性系原產地及其背景特征對于 UV-B輻射下株高的響應,對于培育抗紫外輻射新品種具有很高的價值和重要的研究意義。

2 材料和方法

2.1 田間試驗設計與紫外輻射處理

試驗在云南農業大學甘蔗研究所實驗地進行,10個割手密無性系來源于云南農業大學甘蔗研究所割手密苗圃。各無性系基本特征見表 1。試驗每個小區面積為 150cm ×140cm。從 4月 7日 (分蘗期)開始用 UV-B燈管加強輻射,每天光照 7h(10∶00～17∶00,雨天和陰天除外)。田間土壤背景值:堿解氮 (N)150mg/kg,全氮 1.36g/kg,速效磷 (P)36.58 mg/kg,全磷 8.3 g/kg,速效鉀 185.89 mg/kg,全鉀 5.43 g/kg,有機質 4.56%,pH7.28。

模擬UV-B輻射使用上海顧村電光儀器廠生產的 40WUV-B燈管 (光譜為 280～310nm),燈管懸于植株的上方,用紫外輻射儀 (北京師范大學儀器廠生產)測 297nm處輻射強度 (以植株上部計),使得輻射強度為 5.0KJ/m2,設 0(自然光對照)和 5.0KJ/m2(處理)兩個輻射水平,相當于昆明地區 (北緯 25°、海拔 1950m)0%和 20%臭氧衰減。相當于昆明地區 20%的臭氧衰減 (燈管的高度每周調 1次)。

2.2 供試材料

用篩選出來的沿不同海拔和緯度 (UV-B背景)分布較廣的重要的野生甘蔗資源植物割手密抗性無性系、敏感無性系各 4個以及介于兩者之間的無性系 2個,篩選根據 2003年、2004年所得到的響應指數進行 (表 1)。

表 1 10個割手密無性系原產地及其背景特征

表 2 紫外輻射對 10個割手密無性系株高 (cm)的影響

2.3 測定方法

株高:用鋼卷尺測株高 (cm,地表與植株頂端的距離),每個小區測 10株,取平均值。

2.4 統計方法

UV-B輻射和對照處理的參數的差異顯著性用方差分析,相關分析用 SPSS軟件,p<0.05或 p<0.01水平。采用統計 Excel5.0軟件進行分析。

3 結果與分析

3.1 不同無性系對照組生長速率與處理組的差異分析

3.2 敏感性分析

從圖 1中可以看出:耐性無性系的生長速率是處理組 >對照組,說明耐性無性系對于增強的 UV-B輻射具有較強的耐性,紫外輻射反而促進了割手密的生長。中間型、敏感性無性系的生長速率為處理組 <對照組,尤其是敏感性無性系 (II91-5、I91-37、II91-81),在 UV-B處理下的生長速率明顯低于自然光下的。這說明中間型、敏感性無性系已經受到紫外輻射傷害,其對紫外輻射響應十分敏感。此結果正好與我們 2003年、2004年得到的響應指數相一致。隨著不同無性系響應指數的降低,其生長速率受UV-B輻射的影響逐漸增大。

3.3 海拔與紫外輻射傷害之間的關系

將對照組生長速率與其原產地海拔進行相關性分析,其相關性 R值為 0.158。將處理組生長速率與其原產地海拔進行相關性分析,其相關性 R值為 0.365。從相關性來看,當紫外輻射增強時,其原產地海拔與生長速率的相關性越好,原產地海拔越高割手密受到的傷害越小。說明割手密原產地海拔越高其對紫外輻射的耐性越強,其生長速率也相對較高。Ziska[7]等發現不同海拔高度起源的植物總生物量對 UV-B的反應存在差異,低海拔物無性系的生物量因 UV-B輻射而明顯降低,但高海拔物無性系卻不受 UV-B輻射的影響,另外,低海拔物無性系的根冠比也被 UV-B輻射降低。他們認為 ,生長于高UV-B輻射環境中的植物可能產生了一無性系對 UV-B的適應機制,從而表現出更具抗性[8]。

4 結論

(1)UV-B處理下,割手密無性系的生長速率和自然光下的存在差異。呈現出不同割手密無性系的響應指數的逐漸降低,其生長速率也逐漸呈降低趨勢。

(2)UV-B處理下,不同割手密無性系的株高存在無性系差異。敏感性無性系,在 UV-B處理下的生長速率明顯低于自然光下的。耐性無性系對于增強的 UV-B輻射具有較強的耐性,紫外輻射反而促進了割手密的生長。

(3)割手密無性系對于 UV-B輻射的響應與其原產地海拔有關:原產地海拔越高,紫外輻射的影響越小。

5 展望

UV-B輻射增加對植物形態結構的改變可能是比葉片光合能力以及植物生物量更為敏感的指標,植物的光形態建成與植物的競爭性平衡有密切的聯系,將最終影響到作物群體結構、產量、生物量等,在生態系統水平上可能具有重要的意義[9]。UV-B輻射增強下對植物形態結構的響應及其相應的機理及其調控措施、品種選育等許多方面的工作都還有待深入研究。從生態學角度研究,UV-B輻射對植物的影響將倍受生態學家的關注。

在本試驗中可以看出不同的割手密品無性系對紫外輻射的效應不同,其表現出較強的耐性和敏感性。在臭氧層不斷減薄,紫外輻射不斷增強的環境下,培育出一無性系對紫外輻射具有較強耐性的新甘蔗品無性系,可減少紫外輻射對甘蔗產量的影響,可以保證糖的正常供產,保障人民生活需要和經濟發展需要。

[1]周青,黃曉華.生存脅迫—紫外輻射增強對植物生態生理效應 [J].自然雜志,2001,23(4).

[2]鄭有飛,顏景義.大豆植物經紫外輻射后生長分析的數學模型[J].南京氣象學院學報,1996,19(1).

[3]鄭有飛,楊志敏,顏景義,等.作物對太陽紫外線照射增加的生物效應極其評估 [J].應用生態學報,1996,7(1).

[4]陳拓,王勛陵.UV-B輻射對小麥葉片 H2O2代謝的影響[J].西北植物學報,1999,(2).

[5]李元,王勛陵.紫外輻射增加對春小麥生理、產量和品質的影響 [J].環境科學報,1998,18(5).

[7]蘇廣達,葉振邦.甘蔗栽培生物學 [M].北京:輕工業出版社,1983.

[6]Zisk,L.H.,Teramura,A.H..CO2enhancement of growth and photosynthesis in rice(oryza sativa).Modification by increased ultraviolet radiation[J].Plant Physiol,1992,(99).

[7]李元,岳明.紫外輻射生態學 [M].北京:中國環境科學出版社,2000.

[8]李富生,何麗蓮.植物對非生物脅迫的生理響應及甘蔗抗旱抗寒性研究進展 [J].甘蔗 (福建),2004,11(1).