增強(qiáng)UV-B輻射對貴妃杧果果實(shí)成熟和葉片顯微結(jié)構(gòu)及光合速率的影響

林曉凱，廖海枝，楊成坤，杜婧加，彭俊杰，周開兵

（海南大學(xué)園藝學(xué)院/熱帶作物新品種選育教育部工程研究中心，海南 ?？?570228）

0 引言

【研究意義】紫外輻射B區(qū)（UV-B，280～320 nm）對植物的生長發(fā)育、形態(tài)建成、光合作用以及次生代謝等方面起著至關(guān)重要的作用[1-3]。近年來，由于臭氧層變薄，導(dǎo)致到達(dá)生物圈中的UV-B輻射水平增強(qiáng)，此時UV-B輻射稱為“增強(qiáng)UV-B輻射（Enhanced UV-B radiation）”，其對生物產(chǎn)生了有害的影響[4]。根據(jù)GISS模型預(yù)測，估計北、南半球在2040—2050年紫外線劑量可能增強(qiáng)2%～27%[5]。目前國內(nèi)外主要針對糧食作物[6-7]、藻類[8]等進(jìn)行了增強(qiáng)UV-B輻射影響效應(yīng)及其成因的研究，但對熱帶果樹相關(guān)研究報道較少?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】增強(qiáng)UV-B輻射對植物的影響包括降低光合速率和光合色素含量[9]、破壞光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）反應(yīng)中心[10]，作物生長受阻導(dǎo)致產(chǎn)量降低[7]、葉片氣孔器和葉綠體結(jié)構(gòu)受到破壞[11]、基粒片層排列混亂[12]，Rubisco酶活性及其基因表達(dá)量下降[13]。而少數(shù)研究表明適當(dāng)劑量的增強(qiáng)UV-B輻射能對植物產(chǎn)生有利影響，如提高了番茄果實(shí)維生素C含量[14]和藍(lán)莓果實(shí)可溶性糖含量[15]，促進(jìn)了絲瓜和瓜蔞的光合速率[16-17]，提高了葡萄的抗紫外線輻射耐性[18]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】杧果（Mangifera indica L.）是一種漆樹科常綠大喬木，在我國被稱為“熱帶水果之王”，海南作為最重要的產(chǎn)區(qū)之一，雖其地處熱帶地區(qū)、緯度低、紫外輻射強(qiáng)烈，但杧果能夠很好地適應(yīng)這種環(huán)境。對于未來可能遭受更強(qiáng)的UVB輻射，有必要前瞻性地研究增強(qiáng)UV-B輻射對杧果生理生化影響的特點(diǎn)及其成因等問題。相關(guān)研究表明，臺農(nóng)一號杧果和金煌杧果在增強(qiáng)UV-B輻射下表現(xiàn)出負(fù)效應(yīng)，即光合速率下降，產(chǎn)量和果實(shí)品質(zhì)降低[19-21]。目前，有關(guān)增強(qiáng)UV-B輻射對海南產(chǎn)區(qū)另一個主栽品種——貴妃杧果光合作用的影響特點(diǎn)及其成因等問題的研究未見報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本試驗(yàn)以貴妃杧果成年樹為試驗(yàn)材料，在田間模擬增強(qiáng)UV-B輻射處理，研究96 kJ·m-2·d-1的增強(qiáng)UV-B輻射處理下的貴妃杧果的果實(shí)成熟期、果實(shí)品質(zhì)和葉片光合顯微結(jié)構(gòu)的變化，并初步探索其成因。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)地點(diǎn)位于海南省陵水縣英州鎮(zhèn)廖次村集體杧果園，該產(chǎn)地屬于熱帶島嶼性氣候，年降水量1500～2500 mm，年平均氣溫25.2 ℃。果園土壤屬于紅黃壤，微酸性，土壤肥沃。選擇16年生的長勢健壯均勻、無病蟲害的10株貴妃杧果成年樹作為試驗(yàn)樹，株行距3 m×5 m，以清明節(jié)作為預(yù)期采收期實(shí)施產(chǎn)期調(diào)節(jié)技術(shù)。12月下旬為盛花期，1月上旬為謝花期，1月中旬為第一次生理落果期，1月下旬為第二次生理落果期，2月初為坐果期，至4月上中旬為果實(shí)膨大期，4月下旬至5月上旬為成熟期。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

以自然光（日平均輻射劑量約為83.47 kJ·m-2·d-1）作對照（CK），在田間設(shè)置96 kJ·m-2·d-1人工模擬增強(qiáng)UV-B輻射為處理，單株小區(qū)，重復(fù)5次。2019年12月27日至2020年5月22日進(jìn)行處理。在試驗(yàn)園搭建棚架，在試驗(yàn)樹頂部保持30 cm的正中位置十字交叉4根紫外燈管（每根燈管功率40 W，輻射劑量24 kJ·m-2·d-1），每日8:00～17:00開燈處理（陰雨天、陣雨時停止處理），連續(xù)處理5個月。

1.3 取樣及樣品處理

2019年12月27日第一次取樣，在靠近樹冠頂端隨機(jī)采摘5片無不良表現(xiàn)的成熟葉片，于現(xiàn)場進(jìn)行光合作用指標(biāo)觀測。2020年1月17日進(jìn)行第二次指標(biāo)觀測與取樣，此后由于新冠肺炎疫情導(dǎo)致交通管制而被迫停止取樣一段時間，直到4月22、29日和5月7、15、22日分別進(jìn)行光合指標(biāo)觀測與取樣1次。其中，于4月22、29日和5月7日在田間進(jìn)行單株產(chǎn)量調(diào)查，計算成熟果比率，并在樹冠中部外圍隨機(jī)采摘完全成熟（4月22日處理的果實(shí)樣品和部分對照果實(shí)樣品）或可采成熟度（4月22日部分對照果實(shí)樣品、4月29日和5月7日全部果實(shí)樣品）健壯果實(shí)10個作為試驗(yàn)樣品，可采成熟度果實(shí)在實(shí)驗(yàn)室后熟至完全成熟時，制備測樣觀測果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)。在田間選擇4月22日葉片樣品，通過化學(xué)固定，帶回實(shí)驗(yàn)室后采用FAA固定液等保存?zhèn)溆谩?/p>

1.4 測定指標(biāo)與方法

1.4.1 杧果成熟果比率測定 4月22日、29日和5月7日在田間調(diào)查單株產(chǎn)量，以果皮黃中帶紅的果實(shí)作為完全成熟標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)查果實(shí)成熟比率（完全成熟果實(shí)個數(shù)占全樹果實(shí)總數(shù)的百分比）。

1.4.2 杧果果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)的測定 采用前人方法測定果肉可溶性糖含量和Vc含量[22]，采用糖酸測定計檢測果肉可溶性固形物和可滴定酸含量，果實(shí)糖酸比為可溶性糖含量與可滴定酸含量的比值，果實(shí)固酸比為可溶性固形物含量與可滴定酸含量的比值。

1.4.3 葉片凈光合速率和氣孔導(dǎo)度測量 采用Yaxin-1101光合作用測定儀測定葉片的凈光合速率（Pn）和氣孔導(dǎo)度（Gs）。

1.4.4 葉片顯微結(jié)構(gòu)的觀測 先用FAA固定液固定葉片，之后從葉片中部主脈兩側(cè)選取方塊組織（2 mm×2 mm），制作石蠟切片（10 μm），二甲苯、無水乙醇等系列脫蠟，番紅-固綠染色后封片。最后在Nikon Eclipse E100光學(xué)顯微鏡下觀察，使用Nikon DS-U3成像系統(tǒng)成像后測量葉片表皮、角質(zhì)層、柵欄組織、海綿組織和葉片的厚度，計算柵欄組織厚度/海綿組織厚度、葉片組織結(jié)構(gòu)緊密度（柵欄組織厚度/葉片總厚度）和葉片組織疏松度（海綿組織厚度/葉片總厚度）、葉片厚度；葉片氣孔采用指甲油印跡法制片[23]，使用Motic公司生產(chǎn)的Moticam 2306光學(xué)顯微鏡觀察并測量葉片氣孔的長度和寬度，計算氣孔面積以及單位面積內(nèi)的氣孔數(shù)量。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用 SAS 9.1.3 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。對各指標(biāo)動態(tài)變化采用 ANOVA 進(jìn)行方差分析，采用LSD法進(jìn)行多重比較分析（P＜0.05）。對處理和對照在各指標(biāo)上的差異顯著性采用T Test過程進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 增強(qiáng)UV-B輻射對成熟果比率的影響

由圖1可見，在4月22日至5月7日，96 kJ·m-2·d-1處理組的成熟果比率均顯著高于CK。4月22日時CK的成熟果比率幾乎為0，處理較CK高出6.77%；4月29日時，處理較CK高出37.83%，呈現(xiàn)最大差值；5月7日時，處理較CK高出17.52%?？梢?，96 kJ·m-2·d-1的增強(qiáng)UV-B輻射處理會促使貴妃杧果果實(shí)早熟。

圖1 UV-B輻射增強(qiáng)對成熟果比率的影響Fig. 1 Effects of Tr on ripened fruit percentage

2.2 增強(qiáng)UV-B 輻射對果實(shí)品質(zhì)的影響

由表1和表2可見，4月22日處理的果肉可溶性糖、可溶性固形物含量和糖酸比、固酸比顯著高于CK，可滴定酸顯著低于CK，其余時間無顯著差異。處理的維生素C含量在4月22日和29日與CK相比無顯著差異，在5月7日顯著高于CK。因此，在4月29日與5月7日的杧果果實(shí)并無品質(zhì)差異，4月22日處理果實(shí)品質(zhì)極顯著優(yōu)于CK可能是因?yàn)槠湓缡斓脑颉?/p>

表1 可溶性糖、可滴定酸、可溶性固形物含量的比較Table 1 Comparison of soluble sugar, titratable acid, soluble solids content

表2 糖酸比、固酸比、維生素C含量的比較Table 2 Comparison of sugar /acid ratio, solid /acid ratio, and vitamin C content

2.3 增強(qiáng)UV-B輻射對葉片光合速率的影響

由圖2可見，處理和CK的Pn均呈現(xiàn)相似的“M”型動態(tài)變化趨勢，在12月27日至1月17日無顯著變化，后于4月22日顯著下降，而后再顯著上升至5月7日，之后至5月22日顯著下降。在同一時間，與CK相比，處理的Pn在4月22日、4月29日和5月7日顯著升高?？梢?，96 kJ·m-2·d-1的增強(qiáng)UV-B輻射處理呈促進(jìn)貴妃杧果葉片光合作用的趨勢。

圖2 增強(qiáng)UV-B 輻射對葉片凈光合速率（Pn）的影響Fig. 2 Effects of Tr on Pn in leaves

2.4 增強(qiáng)UV-B輻射對葉片氣孔導(dǎo)度的影響

由圖3可見，處理和CK的動態(tài)變化趨勢明顯不同。CK全程呈現(xiàn)無顯著變化；處理在12月27日至1月17日顯著上升后趨于平緩，于4月29日顯著上升至最高點(diǎn)后于5月7日顯著下降，之后又無顯著變化。在同一時間，與CK相比，處理的Gs在4月22、29日和5月7日顯著升高。可見，96 kJ·m-2·d-1的增強(qiáng)UV-B輻射增強(qiáng)處理呈提高貴妃杧果葉片Gs的趨勢。

圖3 增強(qiáng)UV-B 輻射對葉片氣孔導(dǎo)度（Gs）的影響Fig. 3 Effect of Tr on Gs in leaves

2.5 氣孔顯微結(jié)構(gòu)變化

由圖4可見，葉片氣孔呈卵圓形，由兩個半月形保衛(wèi)細(xì)胞圍成，并且處理與對照的氣孔形態(tài)和氣孔密度等無明顯變化。由表3可見，處理與CK在氣孔長度、寬度、面積和密度上均無顯著差異?？梢姡ㄐ院投坑^測結(jié)果均說明增強(qiáng)UV-B輻射處理不影響葉片氣孔形態(tài)和分布密度。

圖4 杧果葉片氣孔形態(tài)結(jié)構(gòu)Fig. 4 Morphology of leaf stomata

2.6 葉肉組織顯微結(jié)構(gòu)變化

由圖5可見，杧果葉片橫切面解剖結(jié)構(gòu)自上表面至下表面包括：上角質(zhì)層、上表皮、柵欄組織、海綿組織、下表皮、下角質(zhì)層。柵欄組織細(xì)胞呈長圓柱狀且排列緊密，同一葉片的柵欄組織大小相近，其含大量葉綠體，主要與光合作用有關(guān)；海綿組織細(xì)胞多數(shù)呈橢圓狀且大小不一，含少量葉綠體，主要與通氣、同化和貯藏等功能有關(guān)；處理柵欄組織明顯比CK更厚，且長圓柱狀組織排列比CK更緊密。

圖5 杧果葉片橫切解剖結(jié)構(gòu)比較Fig. 5 Anatomical structures of mango leaves

由表4可見，相對于CK，處理的上角質(zhì)層、海綿組織、下表皮、下角質(zhì)層等厚度無顯著變化；處理的上表皮增厚；柵欄組織的長柱狀細(xì)胞更長，排列緊密度增加8.49%，柵欄組織增厚30.5 μm；海綿組織疏松度降低6.43%；葉片厚度較增厚36 μm，柵海比升高18%。說明處理的葉肉組織形態(tài)和結(jié)構(gòu)變得更有利于光合作用的加強(qiáng)。

表4 葉片橫切面各組織形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化Table 4 Morphological changes on transverse section of mango leaves

3 討論與結(jié)論

3.1 增強(qiáng)UV-B輻射對葉片光合作用、果實(shí)成熟和品質(zhì)的影響

研究表明，C3、C4和CAM植物在UV-B輻射增強(qiáng)處理下會出現(xiàn)不同的表現(xiàn)[13,24-25]，說明不同種類植物對增強(qiáng)UV-B輻射的反應(yīng)程度各不相同。前人對臺農(nóng)一號和金煌杧果研究發(fā)現(xiàn)，96 kJ·m-2·d-1的增強(qiáng)UV-B輻射會抑制光合作用，導(dǎo)致其Pn和Gs下降[20-21]，但本文結(jié)果與之相反，增強(qiáng)UV-B輻射提高貴妃杧果的Pn和Gs。這可能是不同品種間的遺傳性差異引起的，即貴妃杧果可能比臺農(nóng)一號和金煌杧果具有更強(qiáng)的抗增強(qiáng)UV-B輻射性。

本研究結(jié)果表明，在96 kJ·m-2·d-1的增強(qiáng)UVB輻射處理下會促進(jìn)貴妃杧果果實(shí)早熟，并在第一批果中表現(xiàn)品質(zhì)優(yōu)異。在其他植物上則未見增強(qiáng)UV-B輻射促進(jìn)果實(shí)提早成熟的報道，推測其原因可能是：增強(qiáng)UV-B輻射能增強(qiáng)葉片光合機(jī)能，進(jìn)而促進(jìn)果實(shí)生長發(fā)育而提早成熟。由于貴妃杧果難于產(chǎn)期調(diào)節(jié)[26]，本研究結(jié)果則為其產(chǎn)期調(diào)節(jié)技術(shù)研發(fā)提供了一條新途徑。

3.2 增強(qiáng)UV-B輻射對貴妃杧果葉片氣孔顯微結(jié)構(gòu)的影響

葉片是植物光合作用的主要器官，也是重要的光感受器官，增強(qiáng)UV-B輻射對植物的影響首先體現(xiàn)在葉片的變化上[27]。由于環(huán)境中光照強(qiáng)度不同，植物在長期演化的過程中葉片也會隨之改變來適應(yīng)環(huán)境，從而表現(xiàn)出葉片結(jié)構(gòu)的差異性[28]，而這種差異性往往從氣孔、葉肉結(jié)構(gòu)以及葉綠體結(jié)構(gòu)中體現(xiàn)[29]。氣孔是植物葉片與外界進(jìn)行氣體交換和蒸騰作用的重要通道，研究表明，UV-B輻射增強(qiáng)會通過減小葉片氣孔面積來抑制蒸騰作用和呼吸作用[30]，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致氣孔器破壞[31]。與前人不同的是，本文結(jié)果則表明增強(qiáng)UV-B輻射不影響氣孔形態(tài)和密度，但處理的Gs卻顯著提高，這說明增強(qiáng)UVB輻射對貴妃杧果葉片氣孔的影響主要是促進(jìn)氣孔運(yùn)動。推測其原因可能是：增強(qiáng)UV-B輻射的熱效應(yīng)使葉片的溫度升高，刺激葉片蒸騰、呼吸和光合等作用均增強(qiáng)[32]。

3.3 增強(qiáng)UV-B輻射對貴妃杧果葉肉組織顯微結(jié)構(gòu)的影響

不同品種的馬鈴薯葉片結(jié)構(gòu)在相同UV-B輻射下會發(fā)生不同的變化，UV-B輻射耐受性較強(qiáng)的品種上表皮厚度、柵欄組織和葉片總厚度均大于對照組，朝著有利于光合作用的方向發(fā)展；但當(dāng)UV-B輻射增強(qiáng)超過馬鈴薯的忍耐閾值時，柵欄組織厚度和葉片總厚度顯著小于對照，葉肉結(jié)構(gòu)受損導(dǎo)致其光合性能效率下降[33]。本研究結(jié)果表明，增強(qiáng)UV-B輻射增加了葉片的上表皮、柵欄組織、葉片等厚度和柵欄、海綿等組織細(xì)胞排列緊密度，提高了葉肉組織柵海比值。上表皮增厚有利于提高葉片對增強(qiáng)UVB輻射的耐受性[34]，葉片厚度增加有利于提高葉片光合作用和抵御逆境的能力[35]，柵欄組織厚度和柵海比值大小則與光合作用強(qiáng)弱呈正相關(guān)，發(fā)達(dá)的柵欄組織有利于植物光合作用[36]。因此，96 kJ·m-2·d-1的增強(qiáng)UV-B輻射強(qiáng)度不僅沒有超過貴妃杧果對增強(qiáng)UV-B輻射的忍耐閾值，而且此輻射強(qiáng)度能通過改善貴妃杧果葉肉光合組織顯微結(jié)構(gòu)而增強(qiáng)葉肉組織光合機(jī)能，從而最終促進(jìn)果實(shí)早熟。

綜上所述，96 kJ·m-2·d-1的增強(qiáng)UV-B輻射處理貴妃杧果樹體后，不僅未引起樹體損傷，而且能通過改善葉肉光合組織顯微結(jié)構(gòu)和提高葉片Gs而促進(jìn)葉片光合作用，進(jìn)而促進(jìn)果實(shí)早熟。這對難于產(chǎn)期調(diào)節(jié)的貴妃杧果提出了一條突破其產(chǎn)期調(diào)節(jié)技術(shù)的研發(fā)新途徑，至于增強(qiáng)UV-B輻射促進(jìn)貴妃杧果葉片光合作用的生理生化和分子遺傳學(xué)等機(jī)制問題尚待深入研究。