UV-B 輻射對滇黃精幼苗生長、抗性生理及代謝物的影響

摘 要：為探究滇黃精幼苗對UV-B 輻射的生理響應機制，以兩年生藥用植物滇黃精為材料，在540 mw/cm2的UV-B 輻射強度下，以5 d 為一個周期，分別測定處理了0～25 d 后的滇黃精幼苗的生物量、抗氧化酶活性、MDA、類黃酮的含量. 結果表明：在UV-B 輻射下，滇黃精幼苗的株高與葉綠素含量呈下降趨勢，并隨著輻射時間延長，影響效果更明顯，UV-B 輻射對POD、SOD 活性的影響呈升高趨勢，在UV-B 輻射中期，相較于CK 顯著升高. 對MDA 含量的影響呈現先升高后降低的趨勢. 滇黃精葉片中類胡蘿卜素含量及葉片和塊莖中類黃酮含量也隨著輻射時間的延長而增加. 因此，UV-B 輻射處理可抑制滇黃精幼苗的生長，使其抗氧化酶活性以及類黃酮含量顯著增加，從而增強滇黃精對UV-B 輻射的抗性，對植株起到保護作用.

關鍵詞：滇黃精；UV-B 輻射；生物量；抗氧化酶；類黃酮

中圖分類號：Q945.78

DOI： 10.19504/j.cnki.issn1671-5365.2024.06.12

黃精（Polygonati Rhizoma）為百合科（Liliaceae）黃精屬（Polygonatum Mill.）的多年生草本植物，是藥食同源類的中藥. 黃精中含有多糖、黃酮、甾體皂苷、揮發油、生物堿等多種活性成分[1]，具有抗腫瘤、降血糖、提高骨密度、提高免疫力以及抗疲勞等功能[2].由于其獨特的藥用和食用價值，近年來相關保健產品開發也逐漸增多，深受中老年和體弱群體喜愛，具有巨大的研究價值和開發潛力.

由于目前市場上對黃精的需求量不斷擴大，為滿足市場的需求，不同品種的黃精部分實現人工栽培管理. 黃精生長偏好陰濕環境，腐殖土最佳，適于林下種植. 然而，受到栽培條件和成本的影響，絕大部分人工栽培環境均為全露天土地，僅有少量仿野生栽培地（林下，半遮陰）.并且近年來由于人類大量排放人造有機鹵化物化合物（特別是氯氟烴），使臭氧分子分解，致使臭氧層變薄甚至出現“臭氧空洞”，導致到達地面的太陽紫外線輻射增強[3-6].

大量研究表明，UV-B 輻射的增加會導致植物形態結構、生理活性和代謝產物發生變化. 植株通過增強UV-B 紫外輻射處理后表型會出現作物產量降低[3]、株高矮化[4]，葉面積比減少[5]、厚度增加[6]以及葉片萎黃褐變等現象. 李元[7]發現，報春花的總葉綠素含量會隨UV-B 輻射強度增加而降低. 輻射脅迫會使小麥葉片超氧化物歧化酶（SOD）活性先升后降，過氧化物酶（POD）活性上升[8]. 夏枯草中的有機酸及黃酮類成分含量在UV-B 處理后一定時間內呈增加趨勢[9]. 但是，目前的相關研究主要集中在馬鈴薯[10]、水稻[11]等常見農作物，對藥用植物（如黃精等）產生的影響研究較少.

因此，本實驗以滇黃精幼苗為材料，通過人工模擬UV-B 輻射，測定與分析了其在一定強度UV-B輻射處理下黃精類黃酮、MDA、葉綠素含量及POD、SOD 酶活性的變化，探究黃精對UV-B 輻射脅迫的響應機制，為黃精等藥用植物的抗逆性研究及栽培管理技術提供理論參考.

1 材料與方法

1.1 黃精育苗及實驗設計

本研究中使用的材料為2 年生滇黃精幼苗，于2023 年3 月9 日栽種于本校臨港校區后山農場進行栽培種植. 選擇生長時間狀況一致的幼苗，移入花盆（10×20 cm），每盆種植一株幼苗，待緩苗后進行室內UV-B 輻射處理. 本實驗共設置兩個處理：紫外（UV-B）和正常光照（CK），每個處理7 ～ 10 株滇黃精幼苗. 通過UV-B 燈管輻射處理，調整燈管與幼苗的距離，UV-B 燈管（功率15 W，深圳市銳普貿易有限公司生產）保持懸掛于幼苗頂端上方10 cm處，并且隨著植株的生長靈活調整燈管與幼苗頂端的距離，保持照射距離不變. UV-B 強度平均為540μW·cm-2，處理時間為上午8：30-9：00，每天30 min.過程中使用手持式單通道UV-B 紫外輻照計（北京師范大學光電儀器廠）測定UV-B 輻射強度. 因屬于室內實驗，光照不充足，則使用紅藍補光燈（中山市燈飾廠）對植株進行補光，處理時間為早晨9：00-15：00，每天6 h. 以5 d 為一個周期，連續處理5 個周期，分別于處理第0、5、10、15、20 和25 d 后進行樣品采集與各指標測定.

1.2 黃精苗期生物量測定

株高的測定使用卷尺測量植株從容器邊界到植物莖頂部的高度；葉綠素和類胡蘿卜素含量的測定參照張志良[12]的方法并稍作修改. 稱取0.2 g 樣品洗凈剪碎置于研缽，加入少量石英砂、碳酸鈣粉和2～3ml 95% 乙醇，研成勻漿，再加入10 ml 95% 乙醇，繼續研磨至組織變白. 靜置3～5 min，過濾后定容至25ml，采用分光光度計測定提取液在665、649 和470nm 下的分光光度值.

1.3 黃精苗期抗氧化酶活性測定

使用過氧化物酶活性檢測試劑盒以及超氧化物歧化酶活性檢測試劑盒（北京索萊寶科技有限公司，中國）對兩種酶活性進行測定. 稱取0.1 g 組織，加入1 mL 提取液，進行冰浴勻漿. 8 000 g 4℃離心10min，取上清，上清即為粗酶液，置冰上待測. 按照說明書處理待測粗酶液，SOD 粗酶液處理后，充分混勻，37℃水浴30 min 后，置于1 mL 玻璃比色皿測定560 nm 下的吸光度，POD 粗酶液處理后，立即混勻并計時，記錄470 nm 下30 s 時的吸光值A1 和1 min30 s 后的吸光值A2. 以每分鐘A470變化值表示POD酶活性大小. 根據試劑盒提供的計算方法測定抗氧化酶的活性.

1.4 黃精苗期類黃酮和MDA 含量測定

使用類黃酮含量檢測試劑盒（北京索萊寶科技有限公司）進行類黃酮含量測定：將樣本烘干至恒重，粉碎，過30-50 目篩之后，稱取約0.1 g，加入1mL 提取液，用超聲提取法進行提取，超聲功率300W，溫度60℃，提取30 min. 12 000 rpm，25℃，離心10 min，取上清，用提取液定容至1 mL，待測. 按照說明加入試劑后，渦旋混勻，置于37 ℃水浴鍋/恒溫培養箱中準確反應45 min，10 000 g，室溫離心10min，取上清于470 nm 下測定吸光值. 根據試劑盒提供的計算方法測定類黃酮的含量.

使用丙二醇含量檢測試劑盒（北京索萊寶科技有限公司）測定MDA 含量：稱取約0.1g 組織，加入1mL 提取液進行冰浴勻漿；8 000 g 4℃離心10 min，取上清，置冰上待測. 按照說明書處理上清液，混合液在100℃水浴中保溫60 min 后（蓋緊，防止水分散失），置于冰浴中冷卻，10 000 g，常溫，離心10 min.測定樣本在532 nm 和600 nm 處的吸光度. 根據試劑盒提供的計算方法測定丙二醇的含量.

1.5 數據分析

使用Excel 2019 對實驗數據進行統計，使用IBM SPSS Statistics 20 對數據進行差異顯著性分析，使用Origin 2023b 作圖.

2 結果分析

2.1 UV-B 輻射對滇黃精幼苗生物量的影響

UV-B 輻射處理的滇黃精幼苗平均株高在實驗初期生長趨勢與CK 相比較弱（如圖1），但在光照實驗5 d 后較CK 相比開始明顯下降，在光照實驗25 d后，平均株高比CK 組降低了17%. 并且，隨著時間推移，CK 組葉綠素先呈現上升趨勢后趨于穩定，而UV-B 處理組始終處于下降趨勢，5d 后，顯著低于對照組，在5～25 d，分別降低了9.3%、14.85%、23%、29.07% 和30.84%. 可以看出在10～15 d 下降最多，之后下降幅度減小，可能與類胡蘿卜素含量的增加有關，類胡蘿卜素的變化趨勢與葉綠素較為不同，CK組類胡蘿卜含量呈現先上升，10 d 后下降并趨于穩定，相較于CK 組，UV-B 輻射使類胡蘿卜素含量增加，在15 d 后顯著高于CK 組. 這表明UV-B 輻射會使植株矮化，且對葉綠素含量有降低作用，類胡蘿卜素含量的增加可以增強植物的抗逆境能力.

2.2 UV-B 輻射對滇黃精幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

SOD 是一種抗氧化酶，能有效清除超氧陰離子自由基，普遍存在于植物體內，參與對逆境的生理生化反應. 由圖2 可知，UV-B 處理組和CK 組的SOD活性均隨生長時間的延長呈上升趨勢，但在光照實驗15 d 后，UV-B 輻射處理的滇黃精幼苗葉片SOD活性顯著高于CK 組，在光照實驗第25 d 時，UV-B輻射處理達到最高相較于CK，增加了103.50%.POD 是一類在植物體內能夠將過氧化物轉換為低毒或無害物質的抗氧化酶，由圖2 可知，POD 活性變化趨勢與SOD 類似，UV-B 輻射處理組在10、15 和25 d 均顯著高于CK 組，分別增加了24.64%、39.91%和52.14%. 這表明UV-B 輻射可顯著提高抗氧化酶的活性.

2.3 UV-B 輻射對滇黃精幼苗葉片MDA 含量的影響

植物遭受外界逆境脅迫的時候，細胞膜結構和功能會最先受到傷害，膜脂質過氧化反應是植物細胞膜受損的一個重要標志，MDA 含量的多少能直接反映細胞質膜過氧化水平. 由圖3 可知，UV-B 處理組和CK 組滇黃精幼苗MDA 含量隨時間增加逐漸升高，CK 組隨時間緩慢增加后趨于穩定，在10～15d，UV-B 處理組顯著高于對照組，在15 d 達到最高，較CK 相比，增加了42%，但15d 后急劇降低，20～25 d均低于對照組，分別低于12.96% 和13.68%.

2.4 UV-B 輻射對滇黃精不同部位類黃酮含量的影響

由圖4 可知，UV-B 輻射對滇黃精不同部位的類黃酮含量產生了不同的影響，UV-B 處理組的滇黃精葉片的類黃酮含量相較于CK 組，增加了14.7%，莖稈和須根的類黃酮含量顯著低于CK 組，分別降低了29.58% 和23.47%；而塊莖的類黃酮含量相較于CK 組，增加了12.90%，含量差異顯著.

3 討論

近年來，由于大量鹵素化合物和氮氧化物對大氣層造成了嚴重污染，從1970 年到2000 年以來檢測發現地球的臭氧層在變薄. 變薄的臭氧層就會導致UV-B 輻射增加，特別是在高緯度地區其輻射指數更高. UV-B 輻射（280-315 nm）由于其光化學效應和潛在的破壞性影響了植物的正常生長和發育[5].已有研究表明，高緯度地區由于臭氧的消耗變薄，陸地植物中干物質積累量減少了近6%. 而生物量的變化代表了植物在生長過程中生理及生化上的變化，對衡量植物在遭受到逆境脅迫后的影響有重要意義[8]. 藥用植物同其它植物一樣易受外界環境條件的影響，從而使其生長及藥用品質發生變化. 然而，在藥用植物黃精中對UV-B 脅迫的響應機理等相關研究較少. 因此，本研究以滇黃精為材料進行了模擬UV-B 脅迫條件處理. 結果發現，經過UV-B 照射后黃精幼苗植株的生物量發生了顯著變化. 與對照（CK）相比，UV-B 脅迫后，黃精幼苗的株高顯著降低. 與前人研究結果相一致，韓雯[13]發現UV-B 輻射會抑制擬南芥植株的生長. 本實驗也發現，在UV-B 輻射的影響下，滇黃精幼苗矮化且葉片萎黃，隨輻射時間的延長，該現象愈發明顯. 這些結果表明，在UV-B 脅迫的過程中，植物的葉綠素（光合色素）含量發生了改變.

葉綠素是綠色植物進行光合作用，以合成糖類等碳水化合物的重要成分. 多糖是黃精中含量最高的一類藥用活性成分，由小分子糖聚合而成. 因此，黃精植株的光合作用強度和效率可能會影響多糖成分的積累. 本試驗結果表明，在經過UV-B 輻射后，黃精葉片中的葉綠素含量顯著低于CK，這與高曉玲[14]研究發現，增強的紫外B 輻射會顯著降低花生幼苗光合色素含量和凈光合速率的結果一致. 分析其原因可能是UV-B 輻射破壞了植物葉綠素的代謝調節所致[15]. 然而，在UV-B 輻射處理后，類胡蘿卜素呈上升趨勢，這與王園[9]研究夏枯草幼苗在不同強度UV-B 輻射下類胡蘿卜素均有顯著增加的結果一致，但與石新新[16]研究高粱幼苗在UV-B 輻射下胡蘿卜素含量下降的結果不一致，這可能與植物本身的差異性有關. 并且在15 d 之后，類胡蘿卜素較CK 比呈顯著上升，葉片葉綠素下降幅度減小，可能是因為植株在受到UV-B 照射后，啟動了生理防御機制[17]，增加類胡蘿卜素來保護葉綠素. 由此推測，在本實驗結果中由于UV-B 輻射抑制了滇黃精幼苗的生長且使得葉綠素含量顯著降低，不利于光合作用的進行，甚至可能會影響黃精多糖的積累從而降低其藥用品質.

植物的生物膜透性易受到逆境的影響而改變，植物的抗逆性也與之有緊密聯系[16]. 膜脂過氧化會產生大量的MDA，可以根據MDA 的含量鑒定植物細胞膜結構受破壞程度，植物體內的MDA 含量高說明細胞正處于脅迫狀態. 本試驗中，UV-B 輻射處理10 d 后，MDA 含量相較于CK 顯著增加，與劉茜等[18]的研究一致，但在15 d 達到最高且開始下降，20～25 d 低于CK，與阮文曉[19]對多肉植物研究結果一致，可能是因為在15 d 后，滇黃精提高了對于環境輻射脅迫的應對能力.

通常植物的抗逆能力也與體內的抗氧化酶活性密切相關. 在逆境下植物體內的抗氧化酶類與其它酶類相互協調，能有效地清除代謝過程產生的自由基，從而減輕植物細胞的脅迫影響，是植物抵抗逆境的重要防御機制之一. 劉敏[20]研究發現，UV-B 處理的煙草幼苗中SOD 活性顯著增加，王紅等[21]研究發現，96 kJ·（m-2·d-1） UV-B 處理的芒果葉片中POD 活性隨處理時間不斷升高，并且始終顯著高于自然光處理組，與本試驗結果相符，本試驗供試的滇黃精幼苗在UV-B 輻射下，POD 與SOD 活性相較于CK，分別在10 d 和15 d 起顯著增加，表明在UV-B 輻射照射下黃精幼苗體內抗氧化酶SOD、POD 活性提高，以適應UV-B 對其產生的脅迫.

類黃酮是植物抵御UV-B 輻射的一種有效物質，也是黃精的藥用活性成分之一. 在本試驗中，UV-B 輻射處理25 d 后，滇黃精幼苗的葉片和塊莖類黃酮含量高于CK，且塊莖與CK 的差異顯著. 這一結果與李玟[22]研究的結果一致，紫外（UV-B）補光處理22 d 后的茄子幼苗葉片類黃酮含量比不補光處理組有顯著升高. 但滇黃精幼苗的莖和須根中的黃酮含量在輻射處理后卻顯著低于CK，與莫運才等[17]對鐵皮石斛的研究結果類似. 可能原因是滇黃精不同部位對UV-B 輻射的承受閾值不同，在UV-B 輻射下，滇黃精的類黃酮含量增加以抵御輻射傷害，但隨著輻射時間延長，導致莖和須根先達到了承受閾值，造成了不可逆的傷害，導致了類黃酮降解加速而合成困難，具體原因有待進一步研究.

綜上所述，本研究通過人工模擬UV-B 輻射，探究黃精幼苗對UV-B 輻射脅迫的響應機制. 整合試驗結果并分析發現，在UV-B 輻射下，黃精幼苗的株高與葉綠素含量呈下降趨勢，并隨著輻射時間延長，影響效果更明顯. UV-B 輻射對POD 和SOD 活性的影響呈升高趨勢. 且在輻射中期，相較于CK 顯著升高. UV-B 輻射對MDA 含量的影響呈現先升高后降低的趨勢. 然而，UV-B 輻射對類黃酮含量的影響于黃精不同部位卻呈現相反的結果. 葉片中類胡蘿卜素含量以及葉片、塊莖類黃酮含量的增加可以幫助黃精幼苗抵抗UV-B 輻射造成的傷害. 本實驗揭示了滇黃精對UV-B 輻射脅迫的響應機制，對黃精幼苗的栽培管理技術提供一定依據.

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【編校：許潔】

基金項目：四川省自然科學基金項目（2023NSFSC1268）；宜賓學院高層次人才“啟航”計劃項目（2022QH07）