UV-B輻射增強對3種濕地植物葉片紫外吸收物質含量的影響

李發奎，褚 潤，陳年來

（甘肅農業大學資源與環境學院，蘭州730070）

由于大氣同溫層臭氧層逐漸被破壞，照射到地球表面的太陽UV-B輻射強度逐漸增加，對全球生態系統及植被產生不同程度的影響［1］。增強的UV-B輻射可強烈影響植物次生代謝過程或誘導次生物質關鍵酶的表達［2］，導致植物組織紫外吸收物質含量增加，植物表皮細胞的紫外線穿透性變弱，植物對UV-B輻射的防御能力得到強化［3］。紫外吸收物質是植物次生代謝的產物，主要包括酚類化合物（如類黃酮、黃酮醇、花色素苷）及烯萜類化合物（如類胡蘿卜素、樹脂等）［4］，具有降低植物UV-B輻射損傷的保護作用。UV-B輻射增強能夠提高植物葉片中類黃酮和類胡蘿卜素等紫外吸收物質含量［5～7］。類黃酮物質可以吸收 UV-B輻射，減少UV-B對核酸、蛋白質等大分子的破壞作用［8］。UV-B輻射增強后，植物體內的4-羥基黃酮等可轉變成能夠清除氧化自由基的保護性黃酮，從而使UV-B輻射增強誘導的氧化脅迫降低［9］。UV-B輻射增強能夠使山毛櫸（Fagus longipetiolata）葉片中類黃酮糖苷和槲皮素等黃酮類物質的含量升高［6］。3 kJ/m2·d UV-B輻射條件下，美麗胡枝子（Lespedeza bicolor Turcz）葉片類黃酮含量高于對照23.49%［7］。類胡蘿卜素分子中共軛雙鍵的存在是決定吸收在光譜紫外區域的主要因素，一方面可吸收過多的光能以避免葉綠素的光氧化；另一方面，可通過直接吸收紫外線輻射從而減少紫外線對植物的傷害［10］。夏枯草 （Prunella vulgaris L.）幼苗在不同強度UV-B輻射下類胡蘿卜素含量顯著高于對照［11］。鐵皮石斛 （Dendrobium officinale Kimura et Migo.）葉片類胡蘿卜素含量在UV-B照射初期會有所提高，但隨著高強度的UV-B輻射時間延長會使葉片細胞遭到破壞，類胡蘿卜素含量急劇降低［12］。印度參（Withania somnifera Dunal.）在 UV-B輻射增強（3.6 kJ/m2·d）條件下，葉片中的類胡蘿卜素含量呈先增加后降低的趨勢［13］。增強UV-B輻射降低了景天三七（Sedum aizoon L.）中葉綠體接觸、吸收和傳遞光能的能力，葉片中類胡蘿卜素含量低于對照［14］。

目前關于濕地植物對增強UV-B輻射響應的研究較少，且多數試驗是在實驗室進行，缺少野外觀測數據［15］。本試驗通過室外模擬濕地系統研究UV-B輻射增強條件下香蒲（Typha orientalis Presl.）、蘆葦（Phragmites australis Cav.）和鳶尾（Iris tectorum Maxim.）葉片紫外吸收物質含量的變化，以為研究植物對增強UV-B輻射的防御機制提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2017年5～6月在甘肅蘭州進行，該地區夏季晴天UV-B輻射均值為20.0μw/cm2。

1.2 模擬濕地系統

建造尺寸為3 m（長）×1 m（寬）×1 m（高）垂直潛流型濕地9個（圖1）。為防止滲透，用磚將濕地底部和四周砌筑。濕地內部填充不同級配基質。基質層總高95 cm，基質選用表層土壤、粗砂、卵石，從上至下依次為表層土壤30 cm，粗砂25 cm，小粒徑（1～2 cm）卵石20 cm，大粒徑（3～5 cm）卵石20 cm。

圖1 模擬濕地系統Fig.1 W etland simulation system

1.3 植物材料

試驗所用植物材料為3種濕生植物：香蒲、蘆葦和鳶尾，每塊濕地均勻栽種各1 m2、30株。

香蒲（Typha orientalis Presl.），多年生水生或沼生草本植物。根狀莖乳白色，地上莖粗壯，葉片條形，光滑無毛。較耐寒，為濕地常見植物［16］。

蘆葦（Phragmites australis Cav.），多年水生或濕生的高大禾草，根莖粗壯，稈細長木質化，葉帶狀扁平。喜光，耐鹽堿性較強，是濕地主要植物之一［17］。

鳶尾（Iris tectorum Maxim.），多年生草本植物，根狀莖粗壯，葉基生，稍彎曲，中部略寬，寬劍形。喜陽光充足，耐寒性強，是寒區濕地常見植物［18］。

1.4 UV-B輻射處理

將紫外燈平行懸掛于植株上方用以模擬UVB輻射處理，波長小于290 nm的UV-C輻射波長用乙酸纖維素膜包裹燈管濾去。試驗期間，為保持輻射強度的穩定，以植物生長情況為準及時調節植株與燈管間的距離，用UV-B輻射計（北京師范大學光電儀器廠生產）測定紫外輻射強度，間隔時間1周。UV-B輻射連續處理30 d（除陰雨及多云天氣），處理時間每天8 h（9：00～17：00）。

試驗設置CK（蘭州地區自然光照的UV-B水平，平均為20.0μw/cm2）、低UV-B輻射處理R1（平均為25.0μw/cm2）、高 UV-B輻射處理 R2（UV-B強度為30.0μw/cm2）。每個處理3次重復，共9個小區。小區面積3 m2，每個小區10株植物。

1.5 測定指標與方法

1.5.1 類黃酮

類黃酮含量測定參照 Lois［19］的方法，并作適當改進。將葉片剪碎混勻，稱取0.1 g放入試管中再加入10 mL 80%乙醇溶液，水浴30 min（在55℃條件下）后取出，立即在冰水中冷卻。用80%乙醇調零，室溫下在334 nm處測定提取液的吸光值。類黃酮物質的含量以每克葉片鮮重的吸光值來表示。

1.5.2 類胡蘿卜素

準確稱取各植物葉片0.1 g，剪成碎片混勻，放入25 mL具塞試管中，加入0.5 mL純丙酮和10 mL 80%丙酮，室溫避光萃取24 h，12 h振蕩1次，直至葉片完全變白。以80%丙酮為對照調零，用紫外分光光度計在470、645、663 nm波長下測定 OD值。根據高俊鳳［20］的方法計算類胡蘿卜素含量。

類胡蘿卜素濃度Ccar=（1000×OD470-3.27×Ca-104×Cb）/229

色素含量（mg/g）=色素濃度×提取液體積×稀釋倍數/（1000×樣品鮮重）

1.6 數據統計及分析

運用SPSS34.0軟件中的單因素ANONA檢驗對數據進行方差分析，采用新復極差法（Duncan）比較不同處理間的差異顯著性（α=0.05），采用Excel 2016軟件對數據進行整理及作圖。

2 結果與分析

2.1 葉片類黃酮含量變化

試驗期間，3種濕地植物葉片的類黃酮含量總體變化趨勢為：高輻射處理下先增加后降低，低輻射和對照條件下持續增加（圖2～4）。高輻射處理下，蘆葦和鳶尾葉片類黃酮含量于第7天、香蒲葉片類黃酮含量于第14天達到最高，分別比對照升高49.56%、34.93%和37.89%；試驗期間3種植物葉片平均類黃酮含量分別比對照提高33.85%、31.77%和20.18%。低輻射條件下，3種濕地植物葉片類黃酮含量在第28天峰值時分別比對照高出21.95%（蘆葦）、26.41%（鳶尾）和8.73%（香蒲），試驗期間葉片類黃酮含量平均比對照升高14.23%、21.88%和6.16%。

圖2 香蒲葉片類黃酮含量隨UV-B輻射增強的變化Fig.2 Changes of flavonoid content in Typha orientalis Presl leaves w ith enhanced UV-B radiation

圖3 蘆葦葉片類黃酮含量隨UV-B輻射增強的變化Fig.3 Changes of flavonoid content in leaves of Phragmites australis Cav.w ith enhanced UV-B radiation

圖4 鳶尾葉片類黃酮含量隨UV-B輻射增強的變化Fig.4 Changes of flavonoid content in Iris tectorum Maxim leaves w ith enhanced UV-B radiation

3種植物葉片類黃酮含量在自然輻射條件下差異顯著（p＜0.05），為鳶尾（19.95 OD334/g）＞香蒲（16.12 OD334/g）＞蘆葦（15.38 OD334/g）。增強 UV-B輻射下，鳶尾葉片類黃酮含量平均升高31.77%（高輻射）和21.88%（低輻射），蘆葦升高33.85%（高輻射）和14.23%（低輻射），香蒲升高20.18%（高輻射）和6.16%（低輻射），表明3種濕地植物葉片類黃酮含量對UV-B輻射增強的敏感性為鳶尾＞蘆葦＞香蒲。

2.2 類胡蘿卜素（Car）含量變化

試驗期間，3種濕地植物葉片Car含量之間差異顯著（p＜0.05），蘆葦與鳶尾的葉片Car含量之間無顯著差異（p＞0.05），總體變化趨勢為先增加后降低再增加（圖5～7）。高輻射處理下，香蒲、蘆葦、鳶尾三者之間差異顯著（p＜0.05）；蘆葦和鳶尾葉片Car含量于第7天、香蒲葉片Car含量于第28天達到最高，分別比對照降低30.60%、13.09%和51.89%；試驗期間3種植物葉片平均Car含量分別比對照降低26.63%、17.95%和51.00%。低輻射條件下，香蒲與蘆葦、鳶尾的葉片Car含量之間差異顯著（p＜0.05），但蘆葦與鳶尾的葉片Car含量之間無顯著差異（p＞0.05）；蘆葦和鳶尾葉片Car含量于第28天、香蒲葉片Car含量于第3天達到最高，分別比對照高出16.21%、4.81%和12.67%；試驗期間蘆葦葉片Car含量平均比對照升高9.13%，鳶尾和香蒲葉片Car含量平均比對照降低5.46%、27.48%。

圖5 香蒲葉片類胡蘿卜素含量隨UV-B輻射增強的變化Fig.5 Changes of carotenoid content in Typha orientalis Presl leaves w ith enhanced UV-B radiation

圖6 蘆葦葉片類胡蘿卜素含量隨UV-B輻射增強的變化Fig.6 Changes of carotenoid content in Phragmites australis leaves w ith enhanced UV-B radiation

圖7 鳶尾葉片類胡蘿卜素含量隨UV-B輻射增強的變化Fig.7 Changes of carotenoid content in Iris tectorum M axim leaves w ith enhanced UV-B radiation

3種植物葉片Car含量在自然輻射條件下差異顯著（p＜0.05），為鳶尾（0.30 mg/g）＞香蒲（0.24 mg/g）＞蘆葦（0.23 mg/g）。增強UV-B輻射下，鳶尾葉片Car含量平均降低17.95%（高輻射）和5.46%（低輻射），蘆葦降低26.63%（高輻射）和升高9.13%（低輻射），香蒲降低51.00%（高輻射）和27.48%（低輻射），表明3種濕地植物葉片Car含量對UV-B輻射增強的敏感性為香蒲＞蘆葦＞鳶尾。

3 討論

植物必須及時調整自身的防御策略來應對各種脅迫以適應生存環境。增強UV-B輻射能使葉片表皮細胞中類黃酮含量增加以吸收屏蔽輻射來減少進入植物細胞內的UV-B輻射凈通量［21］。類黃酮是植物防御UV-B輻射傷害的一種有效物質，也是植物的重要次生代謝產物之一，在植物生長發育和生理生化代謝以及物種鑒別等方面有著至關重要的作用，具有清除多種生物活性（如自由基、抗氧化等）的作用［22］。類黃酮主要集中在植物葉片表皮細胞中，它能吸收或過濾進入葉片內的部分紫外光子使進入細胞的UV-B輻射減少［23］。環狀結構上的不飽和雙鍵是類黃酮具有降低紫外輻射傷害、清除自由基功能的主要原因，并且參與氧化還原反應羥基（作為質子供體）可以調節活性氧的代謝，使植物不受UV-B輻射的傷害［24］。UV-B輻射能促使類黃酮合成基因表達以及積累是植物對UV-B輻射的適應和保護措施［25，26］。本試驗中，在增強 UV-B輻射處理下，3種濕地植物葉片類黃酮的含量均有所增加，與彭祺等［2］和何永美等［27］的研究結果相似，且相比于鳶尾和蘆葦葉片中類黃酮的含量增加，香蒲葉片中類黃酮的含量比較少，說明UV-B輻射增強處理下鳶尾和蘆葦能更好地通過誘導紫外吸收物質的合成來保護自身不受增強 UV-B輻射的傷害。隨輻射梯度增大，3種濕地植物葉片中類黃酮的含量增加，與朱媛［28］研究結果一致，說明UV-B輻射會使濕地植物體內產生氧化損傷，類黃酮會參與UV-B輻射對濕地植物影響的抗逆調控，從而發揮其抗氧化功能以保護遭受脅迫的植物不受傷害。隨輻射時間的延長，在第14天高輻射處理下香蒲類黃酮含量迅速下降；第7天，蘆葦和鳶尾葉片類黃酮含量下降，甚至低于低輻射處理，這與董新純等［29］的研究結果一致。這是因為植物在高輻射累計照射下對植物細胞造成的不可逆的傷害引起的，這種傷害可以導致植物細胞類黃酮合成困難，降解加速。

植物葉片中類胡蘿卜素具有的共軛雙鍵，是一種重要的抗氧化劑，能夠吸收紫外光［27］，結合在生物膜上可以吸收多余的光能來降低UV-B輻射對植物體造成的傷害。類胡蘿卜素在電子的吸收和傳遞過程中也起重要作用，可以保護細胞和葉綠體免受 UV-B輻射的傷害［30，31］。本試驗中，增強 UVB輻射，香蒲、鳶尾以及高輻射處理下的蘆葦，其葉片類胡蘿卜素含量顯著低于對照組，這與在顛茄（Atropa belladonna）［32］上的研究結果相反，可能是由于本試驗所設置的輻射強度超出了植物自身的調節極限，導致類胡蘿卜素被破壞；而隨處理時間的延長，類胡蘿卜素含量降低，這與在馬鈴薯［33］上的研究的結果一樣，說明長時間較大劑量的UV-B輻射對葉片中的類胡蘿卜素合成代謝具有一定的抑制作用。低輻射處理下，在輻射第14天后蘆葦葉片類胡蘿卜素含量較對照顯著升高，這與李惠梅等［34］和王海霞［35］的研究結果相同，說明低輻射強度會誘導類胡蘿卜素基因的表達，隨著輻射強度的增加，蘆葦類胡蘿卜素含量增加以達到對葉片的保護作用。

本試驗結果表明，增強UV-B輻射能促進3種濕地植物類黃酮含量的增加，但會抑制類胡蘿卜素含量的提高。3種濕地植物葉片類黃酮含量對UV-B輻射的敏感性為鳶尾＞蘆葦＞香蒲，類胡蘿卜素含量對UV-B輻射的敏感性為香蒲＞蘆葦＞鳶尾。所以，3種供試濕地植物對增強UV-B輻射逆境的適應能力為鳶尾最強，蘆葦次之，香蒲最弱。