UV—B輻射增強對紫花苜蓿光合特性及膜脂過氧化的影響

王偉++趙藝欣++郭書嫄++趙天宏++岳姝妤

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.094

摘要：隨著臭氧層變薄，到達地表的紫外輻射不斷增多，對地表生物產生一系列的影響，研究UV-B輻射對紫花苜蓿光合及膜脂過氧化特性的影響，有助于闡明紫花苜蓿生理習性對UV-B輻射增強的響應。以紫花苜蓿（金皇后）為試驗材料，設正常光照（CK）、UV-B輻射增強均5%（T1）和UV-B輻射增強約10%（T2） 3個處理，研究 UV-B輻射增強對紫花苜蓿整個生育期光合特性及膜脂過氧化特性的影響。結果表明：在整個生育期，葉綠素a含量、葉綠素b含量、葉綠素 a+b 含量和葉綠素a/b值均呈先升后降趨勢；光合指標凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）及氣孔導度（Gs）均表現為先升后降，而胞間CO2濃度（Ci）為先降后升；丙二醛含量和相對電導率均呈上升的趨勢；地上生物量在每個時期與對照相比都下降；每個指標在盛花期差異基本達到顯著水平（P<005）。此外，與CK相比，T2處理的變化趨勢比T1處理明顯，說明UV-B輻射對紫花苜蓿的光合作用和膜脂特性有一定的傷害作用，隨著UV-B輻射劑量的增加，傷害作用增強。

關鍵詞：UV-B；紫花苜蓿；葉綠素；光合特性；膜脂過氧化

中圖分類號： S541+.101文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）10-0324-04

收稿日期：2015-10-15

基金項目：國家自然科學基金（編號：30970448）；沈陽農業大學大學生科技創新項目（編號：2015211）。

作者簡介：王偉（1988—），男，山西忻州人，碩士研究生，研究方向為植物生理生態。E-mail：578355833@qq.com。

通信作者：趙天宏，博士，教授，博士生導師，研究方向為全球變化及植物生理生態。E-mail：zth1999@163.com。地球大氣平流層存在著被譽為“地球保護傘”的臭氧層，它能強烈吸收太陽紫外輻射（ultraviolet radiation，簡稱UVR），使地球上的生物免受傷害。近年來由于人類不合理的活動，導致平流層的臭氧層變薄，使得到達地面的紫外輻射量增加，進而對地球上的生物活動產生相應的影響[1]。植物光合作用是植物生長的基礎，是在一定的天氣條件下，各種生理生態因子綜合效應的最終反映，是構成植物生產力的最主要因素，植物的生長發育與光合能力密切相關。丙二醛（MDA）是一種植物體內產生的氧化應激標志物，其濃度的高低可以用來表示植物細胞內部膜系統的過氧化程度和受傷害程度，所以通常被作為研究逆境生理的重要指標。紫花苜蓿（Medicago sativa）作為多年生的優良豆科牧草，在我國西部半干旱地區具有十分重要的價值和地位，素有“牧草之王”之稱。近年來，有關紫花苜蓿光合特性的研究主要集中在鹽堿脅迫[2]、重金屬脅迫[3]、溫度水分脅迫[4-5]、刈割[6]、增施外源[7]、復合作用[8]等方面，且多以日變化研究為主，而關于在整個生育期UV-B輻射增強對紫花苜蓿光合特性影響的研究較少。本研究通過觀測紫花苜蓿在UV-B輻射增強條件下光合特性及膜脂過氧化的變化，揭示紫花苜蓿光合特性及膜脂受傷害程度與UV-B輻射增強的關系，有助于了解增強 UV-B輻射下紫花苜蓿光合響應機制，為紫花苜蓿品種的選育和高產栽培提供相關的理論依據與參考。

1材料與方法

1.1材料與器材

選用紫花苜蓿品種金皇后（Golden Empress），種子購于遼寧東亞富友種業有限公司；紫外燈管，為北京北方利輝試驗儀器設備有限公司生產，峰值為308 nm。

1.2試驗設計

試驗地設在沈陽農業大學農學院實驗基地，2014年4月10日播種，采用樣方法條播的方式進行紫花苜蓿栽種，行距25 cm，播深1 cm左右，每個小區模擬大田出苗后間苗至50株。設3個處理：CK（對照：在自然光照下生長，完全模擬大田栽培），T1[UV-B輻射強度增加9.3 kJ/（m2·d），相當于晴空條件下平均UV-B輻射強度的5.0%～5.2%，其他各項生態因子完全模擬大田栽培]，T2[UV-B輻射強度增加18.6 kJ/（m2·d），相當于晴空條件下平均UV-B輻射強度的10.00%～10.15%，其他各項生態因子完全模擬大田栽培]。共設6個重復，18個小區隨機排列。UV-B強度處理采用高度可調的燈架置于紫花苜蓿植株上方30 cm處，產生的UV-B輻射經0.08 mm乙酸纖維素膜過濾后照射紫花苜蓿植株。從紫花苜蓿分枝期進行紫外照射，每天08：00—16：00 共8 h，陰雨天停止照射，直到成熟。在處理期間，不斷調整燈管與植株頂端的距離以保證植物接受恒定劑量的 UV-B輻射；對照組（CK）上方也懸掛燈架，但不安裝燈管。此外，按正常的田間管理進行紫花苜蓿的水肥和除草除蟲管理。以紫花苜蓿葉片為試驗材料，分別在分枝期、初花期、盛花期及成熟期取樣并測定相關指標。

1.3測定內容與方法

1.3.1葉綠素含量的測定[9]葉綠素含量的測定采用丙酮法，根據以下公式計算葉綠素的濃度，再根據稀釋倍數分別計算葉片中葉綠素的含量。相關公式：

葉綠素a（Chla）含量=12.72×D663 nm-2.59×D645 nm；

葉綠素b（Chlb）含量=22.88×D645 nm-4.67×D663 nm；

葉綠素總量[Chl（a+b）]含量=8.05×D663 nm+20.29×D645 nm；

葉綠素a/b值（Chla/b值）=Chla/Chlb。

1.3.2光合指標的測定利用LI-6400便攜式光合儀（美國），在紫花苜蓿4個生育期陽光充足的晴天從09：00—11：30，隨機選取充分受光、葉位一致、生長健康、代表性強的植株，測其離地面2/3高度處葉片的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）。每個處理每次取3個重復，以平均值作為該測量結果。測定光量子通量密度為 500 μmol/（m2·s），溫度為28 ℃，CO2濃度為 400 μmol/mol。

1.3.3膜脂過氧化指標測定相對電導率的測定采用外滲電導法；丙二醛含量的測定采用硫代巴比妥酸法[9]。

1.3.4地上生物量采用烘干法，刈割后取10株置于烘箱中，105 ℃殺青20 min，然后在85 ℃下烘干至恒質量，測得地上部干質量，以單株質量表示地上生物量。

1.4數據處理與分析

用Excel 2003軟件進行制圖，利用SPSS 22.0分析差異性，P<0.05表示差異顯著。

2結果與分析

2.1UV-B輻射增強對紫花苜蓿光合色素的影響

如圖1所示，在整個生育期，紫花苜蓿Chla含量、Chlb含量、Chl（a+b）含量及Chla/b值均呈先升高后降低的趨勢，且Chlb、Chl（a+b）含量在各處理之間差異均達到顯著水平（P<0.05），以盛花期的變化最為明顯；在各個生育期中，Chla、Chlb及Chl（a+b）含量都表現出CK>T1>T2，而Chla/b值與之相反，為CK

2.2UV-B輻射增強對紫花苜蓿光合特性的影響

從圖2-A可以看出，在整個生育期Pn在初花期達到最高值，之后開始下降，最終低于分枝期；與分枝期相比，在成熟期Pn下降速度最快，降幅達28.53%～37.56%；在各個生育期，各處理Pn排序都為CK>T1>T2，與CK相比，隨著UV-B輻射的增強，T1處理在初花期Pn的降幅最大，為14.73%；T2處理Pn在成熟期降幅最大，為28.93%，并且各處理間差異顯著（P<0.05）。

從圖2-B可以看出，在整個生育期Tr在初花期達到最高值，之后開始下降，最終低于分枝期；與分枝期相比，Tr在成熟期下降速度最快，降幅達26.52%～34.25%；在各個生育期，各處理Tr排序都為CK>T1>T2，隨著 UV-B輻射的增強，T1、T2處理下的Tr在成熟期降幅最大，分別為3281%、2045%；除盛花期之外，各處理間差異顯著（P<005）。

從圖2-C可以看出，在整個生育期Gs在初花期達到最高值，之后開始下降，最終低于分枝期；與分枝期相比，Gs在成熟期下降速度最快，降幅達1.14%～3.80%，且T1的下降幅度比T2明顯；在各個生育期，各處理Gs排序都為CK>T1>T2，與CK相比，隨著UV-B輻射的增強，T1、T2處理下的Gs在初花期的降幅最大，分別為19.41%、28.03%；除分枝期、成熟期之外，各處理間差異顯著（P<0.05）。

從圖2-D可以看出，在整個生育期Ci變化幅度較小，在初花期達到最低值，之后開始上升，最終高于分枝期；與分枝期相比，Ci在成熟期上升速度最快，增幅達10.58%～1965%；在各個生育期，與CK相比，隨著UV-B輻射的增強，在T1處理下，Ci在分枝期、初花期低于CK，在盛花期、成熟期明顯高于CK；T2處理下Ci都明顯低于CK；各處理間差異顯著（P<0.05）。

2.3UV-B輻射增強對紫花苜蓿膜脂過氧化的影響

2.3.1對相對電導率的影響從圖3可以看出，在不同生育期，與CK相比，隨著UV-B輻射的增強，紫花苜蓿各處理間的膜透性顯著增加，都表現為CK

2.3.2對丙二醛含量的影響從圖4可以看出，在不同生育期中，與CK相比，隨著UV-B輻射的增強，紫花苜蓿各處理間MDA含量呈上升趨勢，都表現為CK

2.4UV-B輻射增強對紫花苜蓿地上部分生物量的影響

由表1可知，在紫花苜蓿分枝期和初花期，UV-B輻射對紫花苜蓿的地上部生物量影響與對照相比差異不顯著，而在盛花期和成熟期差異顯著（P<0.05），在整個生育期都表現為CK>T1>T2，與CK相比，T1處理的降幅為1.59%～3616%，T2處理的降幅為4.33%～64.13%，且T1處理降幅小于T2處理。

3討論

3.1UV-B輻射增強對光合特性的影響

光合作用是植物體最重要的物質生產基礎和生理過程，植物的生長發育與光合能力密切相關，影響植物光合速率的因素有氣孔因素和非氣孔因素。在本試驗中，從整個生育期來看，紫花苜蓿葉片的凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率均出現下降趨勢，而胞間CO2濃度呈上升趨勢，這說明造成紫花

表1UV-B輻射增強下紫花苜蓿單株地上部質量的變化

處理地上部質量（g/株）分枝期初花期盛花期成熟期CK2.77±0.35a6.93±1.18a14.13±2.23a31.03±7.02aT12.71±0.55a6.82±2.13a12.63±1.27a19.81±3.65bT22.47±0.92a6.63±1.89a7.53±1.98c11.13±3.46c注：表中數據為“平均值±標準差”；同一時期同列數據后不同小寫字母代表差異顯著（P<0.05）。

苜蓿光合速率降低的主要原因是由非氣孔因素限制所引發的，即長期的UV-B輻射，紫花苜蓿葉片葉綠體色素合成酶活性降低，葉綠體合成受阻，破壞了葉肉細胞，使得葉綠體形態結構受損，葉肉細胞的光合活性受到限制，進而對光合作用產生一定抑制作用。本試驗中，初花期與分枝期相比，UV-B輻射對紫花苜蓿的光合作用有明顯的促進作用，而就整個生育期而言，UV-B輻射對紫花苜蓿的光合作用起一定的抑制作用，這可能與長期UV-B輻射的累積效應有關，即在紫花苜蓿生長初期，由于積累了少量的UV-B輻射，對紫花苜蓿的生長起到一定促進作用，而到生長后期，隨著長時間的 UV-B輻射，對紫花苜蓿葉片微結構的傷害才逐漸顯現出來。此外，與CK相比，高劑量的UV-B輻射（T2處理）對紫花苜蓿光合特性的傷害程度高于低劑量（T1處理）。Allen等認為UV-B輻射造成光合速率下降的原因是由于氣孔阻力增大，增加氣孔對外界環境特別是大氣濕度的敏感性，CO2的傳導率降低，引起胞間CO2濃度下降，從而影響CO2的同化效率[10]。Farquhar等發現，光合速率的下降，取決于氣孔導度和胞間CO2濃度，當凈光合速率下降，氣孔導度和胞間CO2濃度同時也下降時，則可認為光合速率的下降是由氣孔因素引起的；而當凈光合速率和氣孔導度下降，胞間CO2濃度上升時，則可認為光合速率的下降是由非氣孔因素引發的[11]。鄭有飛等對大豆的研究發現，在UV-B處理下，大豆凈光合速率和氣孔導度下降，而胞間CO2濃度上升，認為引起大豆光合速率降低的主要原因并不是葉綠素含量的減少，而可能是葉片單位面積活性變化、氣孔導度降低以及葉綠素含量減少等非氣孔因素共同作用的結果[12]，這與本試驗的研究結果類似。

3.2UV-B輻射增強對膜脂過氧化的影響

MDA和相對電導率是植物體內產生的氧化應激標志物，MDA是植物膜脂過氧化作用的最終產物，相對電導率的變化可以反映細胞膜在逆境條件下受損情況，植物在遭受逆境傷害時，MDA含量和相對電導率會增加，進而會對植物膜系統產生一定的破壞作用，所以通常被作為研究逆境生理的重要指標。本試驗中，在整個生育期，隨著UV-B輻射增強處理，相對電導率和MDA含量都明顯增加，在各個生育期，與CK相比也明顯增加，這可能是由于紫花苜蓿長期處于UV-B輻射增強的照射下，細胞膜受到不同程度的傷害，使細胞膜透性增加，細胞膜系統發生紊亂，植物的氧化損傷加劇，引起相對電導率和MDA含量增加，與趙天宏等對大豆葉片的研究中發現UV-B處理下的大豆葉片相對電導率和MDA含量均高于對照的研究結果[13]類似。Low等研究發現，UV-B輻射對植物膜系統的傷害主要表現在使極性脂丟失，不飽和脂肪酸指數降低，從而降低膜的流動性，發生細胞膜脂過氧化作用[14]。而吳兵等認為，長期經UV-B輻射的矮蒿草和釘柱委陵菜葉片丙二醛含量不同程度地下降可能是由于其他抗氧化物質的作用減輕了其膜脂的過氧化程度，降低了傷害作用[15]，與本試驗UV-B輻射增強使丙二醛含量和相對電導率增加的結論不一致。

4結論

在同一生育期，隨著UV-B輻射的增強，紫花苜蓿的Chla、Chlb、Chl（a+b）含量表現為下降趨勢，Chla/b為上升趨勢，Pn、Tr、Gs和Ci基本表現為下降趨勢，相對電導率和MDA含量為上升趨勢，植株地上生物量則表現為下降趨勢，并且各處理間差異明顯；而隨著生育時期的不同，光合色素和光合指標大致呈下降趨勢，相反，相對電導率、MDA含量和地上生物量均呈上升趨勢。說明隨著UV-B輻射增強，對紫花苜蓿的傷害作用逐漸突顯，且高劑量（T2處理）的UV-B輻射對紫花苜蓿的傷害程度高于低劑量（T1處理）。

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