王錦旗, 鄭有飛, 薛 艷

1 南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院, 南京 210044 2 江蘇省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210023 3 南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院, 南京 210044 4 南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 210044

紫外輻射對(duì)菹草成株生理特性的影響

王錦旗1,2,*, 鄭有飛3, 薛 艷4

1 南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院, 南京 210044 2 江蘇省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210023 3 南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院, 南京 210044 4 南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 210044

研究不同劑量UV-B輻射下菹草生理特征變化，在光合有效輻射、UV-A輻射一致的條件下，對(duì)菹草進(jìn)行不同劑量UV-B輻射，測(cè)定菹草葉片光合色素含量及生理生化指標(biāo)。結(jié)果表明：≤10.8 kJ/m2劑量輻射可促進(jìn)葉綠素及類胡蘿卜素含量增加，衰亡階段起抑制作用，>10.8 kJ/m2一直起到抑制作用，且隨劑量的增加，抑制作用增強(qiáng)；UV-B輻射初期可促進(jìn)過氧化氫酶(CAT)、過氧化物(POD)酶活性及丙二醛(MDA)含量升高，且隨輻射劑量增加而逐漸升高，但隨輻射時(shí)間延長(zhǎng)，CAT、POD酶活性、MDA含量均有所降低，超氧化物歧化酶活性隨輻射時(shí)間延長(zhǎng)逐漸升高，且隨輻射劑量增加而增加；短期輻射可促進(jìn)葉片可溶性蛋白質(zhì)和可溶性糖的合成，其含量隨輻射劑量增加而升高，長(zhǎng)期輻射起抑制作用，且隨輻射劑量增加，抑制作用增強(qiáng)。因此，春末夏初野外強(qiáng)UV-B輻射可能是促進(jìn)菹草大批衰亡的重要原因。

UV-B輻射; 光合色素; 抗氧化酶系統(tǒng); 膜脂過氧化產(chǎn)物; 光合產(chǎn)物

菹草(Potamogetoncrispus)是眼子菜科多年生沉水草本植物，世界廣布[1]，是一種典型的秋季萌發(fā)、越冬生長(zhǎng)的沉水植物，主要分布在淡水湖泊、池塘、稻田、河流等水域[2]。菹草作為冬春季沉水植物的優(yōu)勢(shì)種，對(duì)水體中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽有吸收作用，在凈化水質(zhì)、改善水環(huán)境質(zhì)量、提高水體透明度、抑制藻類生長(zhǎng)等方面均有顯著作用[3]，在維持水生生態(tài)系統(tǒng)的平衡與健康有重要意義[4]。野外菹草生長(zhǎng)特性表現(xiàn)為春季生長(zhǎng)迅速、夏初死亡，其衰亡的原因一直是很多學(xué)者研究的重點(diǎn)。研究認(rèn)為強(qiáng)光照是造成菹草春末夏初大量衰亡的原因，在生長(zhǎng)早期，光照一般不會(huì)對(duì)水下菹草生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制；而到后期，強(qiáng)日照日數(shù)增多，菹草經(jīng)春季快速生長(zhǎng)已到達(dá)水表，水表強(qiáng)烈光照將對(duì)菹草生長(zhǎng)、生存產(chǎn)生劇烈抑制作用，進(jìn)而促進(jìn)菹草衰亡[5]。那么強(qiáng)光照中到底是什么波段真正起作用的呢？對(duì)比江蘇省水環(huán)境中試平臺(tái)溫室內(nèi)外光照差異不難發(fā)現(xiàn)，溫室內(nèi)外光照差異不大，但紫外輻射明顯減弱，尤其以UV-B減少明顯(僅為室外2%—5%)，而PAR(光合有效輻射)、UV-A差異較小。UV-B輻射不僅能抑制陸生植物的生長(zhǎng)，而且對(duì)水生生物有較大的危害，研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)生物有危害的UV-B輻射在一些海域可深入水下幾米，甚至幾十米[6-7]。在長(zhǎng)江中下游湖泊中對(duì)生物有害的紫外輻射基本上能到達(dá)湖底[8-9]。在一些UV-B對(duì)水生生物傷害研究中，UV-B可引起葉片氮含量、可溶性蛋白及1，5-二磷酸核酮糖酶含量的下降[10]。

因此，研究UV-B對(duì)菹草生理特性的影響，對(duì)研究春末夏初陽光中UV-B增強(qiáng)對(duì)菹草衰亡的影響，探索菹草衰亡機(jī)制，對(duì)控制湖泊水華爆發(fā)具有一定意義。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選擇

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選擇在江蘇省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室水環(huán)境生態(tài)修復(fù)中試平臺(tái)(32.11°N, 118.91°E)玻璃溫室內(nèi)。經(jīng)幾多次隨機(jī)測(cè)量，玻璃溫室內(nèi)PAR為室外的80%—85%，UV-B透過率僅為2%—5%(室外最低10 μW/cm2，室內(nèi)最低2.8 μW/cm2；室外最高103.0 μW/cm2，室內(nèi)最高4.8 μW/cm2)，UV-A透過率60%—70%(室外最低139.5 μW/cm2，室內(nèi)最低95.7 μW/cm2；室外最高1049.0 μW/cm2，室內(nèi)最高634.7 μW/cm2)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將采集的菹草成株種植于上口直徑18 cm、下口直徑12.5 cm、高15 cm的花盆中，每個(gè)花盆種植約15—20株(分枝)。為減少底泥帶來的營(yíng)養(yǎng)鹽差異，在花盆底部鋪設(shè)少量泥土加碎石細(xì)沙以固著菹草植株根部。將上述花盆置于上口直徑64 cm，高72 cm，下底直徑52 cm的白色塑料水桶中，桶容量為200 L。

將培育好的菹草植株種植于水桶中，分別設(shè)3組平行，桶上方用120 cm不銹鋼支架懸掛UV-B燈管。UV-B燈管采用南京華強(qiáng)特種光源廠生產(chǎn)的純UV-B燈管(40 W，主峰313 nm)。

1.3 UV-B劑量設(shè)定

以南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象站2004年及2008年4—8月實(shí)際測(cè)量的全天UV-B劑量的平均值為參照(采用監(jiān)測(cè)的儀器及傳感器與本實(shí)驗(yàn)一致)，通過SpectroSense2 (英國(guó)SKYE公司)連接SKU 430UV-B傳感器(280—315 nm)測(cè)定UV-B劑量，設(shè)定4個(gè)UV-B劑量梯度，最高劑量不超出南京地區(qū)4—7月實(shí)際UV-B劑量日均值。其中，對(duì)照組水桶上方用125 μm聚酯薄膜以過濾溫室中少量的UV-B輻射，使其接受到的UV-B輻射為0，僅接受UV-A及PAR，記作R0，其余組通過調(diào)節(jié)懸掛燈管粗細(xì)及微調(diào)懸掛高度，使水面處劑量分別為50、100、150、200 μW/cm2，分別記作R50、R100、R150、R200，每日UV-B燈管照射時(shí)間為6h(9:00—15:00)，其累積UV-B輻射量分別為10.8、21.6、32.4、43.2 kJ/m2。對(duì)照組通過調(diào)節(jié)濾膜厚度及傾斜角度，使其與各處理組接受可見光基本一致。由于實(shí)驗(yàn)水體為自來水加人工配置營(yíng)養(yǎng)液，故UV-B透過性較高，各處理組UV-B輻射均可透射至水底。為防止輻射對(duì)植株造成急性傷害，以50 μW/cm2為基準(zhǔn)輻射劑量，采取每?jī)扇赵黾?0 μW/cm2方式緩慢遞增，最終調(diào)整到設(shè)定劑量為止。

1.4 光合色素及生理指標(biāo)測(cè)定

光合色素采用丙酮法，用80%丙酮溶液提取葉片光合色素，用分光光度計(jì)分別測(cè)定645、663和440 nm處的吸光度；過氧化氫酶(CAT)活性利用紫外吸收法測(cè)定，將提取的葉片酶液加入CAT反應(yīng)體系，測(cè)定240 nm波長(zhǎng)吸光度降低速度；過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定，將提取的葉片酶液加入POD反應(yīng)體系，記錄470 nm處吸光度增加速度；超氧物歧化酶(SOD)活性采用氮藍(lán)四唑(NBT)法測(cè)定，取適量葉片提取液，加入反應(yīng)液，于光照培養(yǎng)箱下(4000 lx)反應(yīng)，測(cè)定560 nm處吸光值；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸比色法：用5%三氯乙酸提取葉片，離心取上清液，加硫代巴比妥酸在沸水浴中反應(yīng)30 min，冷卻后再離心，取上清液測(cè)定532、600 nm和450 nm處吸光度值；可溶性蛋白質(zhì)(Pr)采用紫外吸收法，取適當(dāng)?shù)臉悠诽崛∫?，用磷酸緩沖液適當(dāng)稀釋后，讀取280 nm和260 nm波長(zhǎng)吸光度；可溶性糖(SC)采用苯酚法測(cè)定：取適量植株樣品，加蒸餾水于沸水中提取30 min，提取液分別加入9%苯酚、濃硫酸溶液，顯色并測(cè)定吸光度[11]。測(cè)定的分光光度計(jì)為島津UV3600紫外可見近紅外分光光度計(jì)。

1.5 測(cè)定頻率

分別于實(shí)驗(yàn)開始、第16天、第24天、第31天的9:00—10:00分別在各平行組采集1、2株植株，取植株頂端完全伸展葉片進(jìn)行色素及生理指標(biāo)測(cè)定。

1.6 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 UV-B對(duì)菹草光合色素的影響

葉綠素含量變化見圖1，第16天，各組葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)及總?cè)~綠素(Chlt)含量較開始差異顯著(P<0.05)，R0及R50組較實(shí)驗(yàn)開始Chla、Chlb及Chlt含量有所增加，其中R50組3個(gè)指標(biāo)較實(shí)驗(yàn)開始分別升高67.3%、89.1%、73.1%，而R50—R200組隨劑量增高而降低；第23天，各組較實(shí)驗(yàn)開始差異顯著(P<0.05)，R0組Chla、Chlb及Chlt含量繼續(xù)增加，而R50組略有降低，R100—R200組Chla、Chlb及Chlt含量較第16天有所提高，但仍隨輻射劑量增加而遞減；第31天，R150及R200因輻射死亡，R0—R100組較實(shí)驗(yàn)開始時(shí)差異不顯著(P>0.05)，較第23天均有增加，但仍隨輻射劑量增加而遞減。

圖1 UV-B對(duì)菹草成株光合色素含量的影響Fig.1 Photosynthetic pigments content of Potamogeton crispus affected by UV-B radiation* R0、R50、R100、R150、R200代表處理組水面處接受到UV-B劑量分別為0、50、100、150、200 μW/cm2

類胡蘿卜素(Car)含量變化見圖1，Car變化趨勢(shì)與葉綠素含量變化基本一致，第16天，各組較開始差異不顯著(P>0.05)，R50較實(shí)驗(yàn)開始有所提高，R0組基本未變，R100—R200大幅下降；第23天，各組較開始差異仍不顯著(P>0.05)，R0—R200含量隨輻射劑量增加而遞減，其中R100—R200組差異不大，第31天，R0—R100組較第23天略有增加，但較實(shí)驗(yàn)開始差異仍不顯著(P>0.05)，但仍隨輻射劑量增加而遞減。

2.2 UV-B對(duì)菹草抗氧化系統(tǒng)酶的影響

圖2 UV-B對(duì)菹草成株過氧化氫酶活性的影響 Fig.2 Catalase activity of Potamogeton crispus affected by UV-B radiation

CAT活性變化見圖2，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)R0與R50組活性較高，R100—R200依次降低，經(jīng)過16d輻射后，R50—R200組隨輻射劑量增加而遞增，且較開始差異顯著(P<0.05)，R200較R50組高2172.3%，其中R0—R100 組低于實(shí)驗(yàn)開始，R150及R200組高于實(shí)驗(yàn)開始，分別較開始增加34.3%、383.3%；第23天，R0—R100組較第16天有所升高，但較開始差異不顯著(P>0.05)，R150及R200組有所降低；第31天，僅余3組CAT活性隨輻射劑量增加而增加。

POD活性變化見圖3，開始時(shí)各組間無顯著規(guī)律性，經(jīng)16天輻射后，R0組較開始有所降低，4個(gè)輻射組隨輻射劑量增大而遞增，且較開始差異顯著(P<0.05)，其中R200較R0組高351.3%，較實(shí)驗(yàn)開始高190.5%；第23天，各組較開始差異不顯著(P>0.05)，其中R0—R150組逐漸升高，而R200組較第16天急劇下降，較第16天降低64.4%；第31天，R0—R100組呈逐漸降低趨勢(shì)，且較開始差異不顯著(P>0.05)，R0組升至實(shí)驗(yàn)期間最高，R50及R100組則降至實(shí)驗(yàn)期間最低。

SOD活性變化見圖4，開始各組活性基本相當(dāng)，經(jīng)16天輻射后，各組較開始差異極顯著(P<0.01)，R50—R150組呈逐漸增高趨勢(shì)，均高于R0，R0、R50及R200組較開始略有降低；第23天，各組SOD活性均顯著提高(P<0.01)，其中R150組仍保持最高值，R200組較第16天增加281.7%，略低于R150組，R0—R150組仍然呈持續(xù)遞增的趨勢(shì)；第31天，R0—R100組較第23天均顯著增加(P<0.05)，但呈逐漸降低趨勢(shì)，其中R0組達(dá)實(shí)驗(yàn)期間最高，較實(shí)驗(yàn)開始增加298.5%。

圖3 UV-B對(duì)菹草成株過氧化物酶活性的影響 Fig.3 Peroxidase activity of Potamogeton crispus affected by UV-B radiation

圖4 UV-B對(duì)菹草成株超氧化物歧化酶活性的影響 Fig.4 Superoxide dismutase activity of Potamogeton crispus affected by UV-B radiation

2.3 UV-B對(duì)菹草膜脂過氧化的影響

圖5 UV-B對(duì)菹草成株丙二醛含量的影響 Fig.5 Malonaldehyde content of Potamogeton crispus affected by UV-B radiation

MDA含量變化見圖5，開始時(shí)R50與R100組含量較低，R150與R200組較高，R0組介于中間；第16天，R0與R50組基本未變，R100—R200組略有升高，但較開始差異不顯著(P>0.05)；第23天，因植株逐步衰亡，各組含量均有降低，但較開始差異不顯著(P>0.05)，其中R100—R200組降低較多，分別較第16天降低顯著(P<0.05)，分別低45.6%、57.0%、52.4%，其含量低于R0與R50組，R0組較第16天低29.2%，R50組略有降低；第31天，隨植株逐漸衰亡，R0—R100組呈逐漸遞減的趨勢(shì)，較開始及第23天差異均不顯著(P>0.05)。

2.4 UV-B對(duì)菹草葉片光合產(chǎn)物含量的影響

Pr含量變化見圖6，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，各組間Pr含量差異較大，且無規(guī)律性；經(jīng)輻射處理后，R0組含量較實(shí)驗(yàn)開始略低，而R50—R150組隨輻射劑量增加而遞增，與實(shí)驗(yàn)開始比較，各組差異不顯著(P>0.05)，其中R100、R150組有所增加，而R50組略有降低，R200組降低28.0%；第23天，各組較開始差異仍不顯著(P>0.05)，R0含量繼續(xù)降低，R50—R150組含量基本一致，而R200組持續(xù)降低，其含量?jī)H為實(shí)驗(yàn)開始的55.1%；第31天，R0—R100組隨輻射劑量增加而遞減，與第23天相比，R0組略有增加，R50組略有降低，R100組降低33.0%。

SC含量變化見圖7，SC含量變化趨勢(shì)與Pr變化基本一致，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)各組SC含量差異較小，第16天，R0組較實(shí)驗(yàn)開始有所增加，4個(gè)輻射處理中，R50與R100組較開始略有降低，R150組增加43.1%，而R200組則較開始降低26.7%，R50—R150組隨輻射劑量增加而遞增；第23天各組含量均有所降低，但較開始差異不顯著(P>0.05)，R0與R50組高于其他3個(gè)處理組；第31天，R150與R200組因輻射較強(qiáng)死亡，R0與R50組基本相當(dāng)，高于R100組，R100組較實(shí)驗(yàn)開始降低56.2%，為實(shí)驗(yàn)期間最低，但較開始差異不顯著(P>0.05)。

圖6 UV-B對(duì)菹草成株可溶性蛋白含量的影響 Fig.6 Soluble protein content of Potamogeton crispus affected by UV-B radiation

圖7 UV-B對(duì)菹草成株可溶性糖含量的影響 Fig.7 Soluble sugar content of Potamogeton crispus affected by UV-B radiation

3 討論

3.1 UV-B輻射對(duì)菹草葉片光合色素的影響

葉綠素是光合作用的主要色素，是光能捕捉(吸收)、傳遞和轉(zhuǎn)換重要結(jié)構(gòu)，葉綠素含量與光合作用緊密相關(guān)，其含量高低可反應(yīng)葉綠體的光能利用率[12]。在植物體內(nèi)葉綠素含量的多少，在很大程度上決定著光合作用的強(qiáng)弱，并與植物生長(zhǎng)和生理狀況緊密相關(guān)[12]。許多研究證實(shí)增強(qiáng)UV-B輻射能降低植株葉綠素含量(包括葉綠素，總?cè)~綠素和類胡蘿卜素)[13-14]。但不同植物葉綠素對(duì)UV-B輻射的敏感性存在較大差異，而葉綠素含量降低是葉綠素合成受阻，或降解增加，或是二者共同作用的結(jié)果[15]。

菹草作為一種沉水植物，在水下主要依靠水體的屏蔽作用抵御陽光中紫外輻射，一旦接近水面，紫外輻射對(duì)其傷害立即體現(xiàn)，有研究表明，低劑量UV-B輻射能使LHCII(捕光色素蛋白復(fù)合體Ⅱ)中色素分子對(duì)能量的吸收明顯增強(qiáng)，傳遞到PS II核心的能量也明顯增多，即UV-B輻射作為一種弱脅迫，刺激了光合結(jié)構(gòu)的功能發(fā)揮[16]，故對(duì)菹草成株而言，50 μW/cm2處理在短期輻射下促進(jìn)光合色素的提高。但高劑量UV-B對(duì)植株葉片色素細(xì)胞有強(qiáng)烈的漂白效應(yīng)[17]，可能因某些色素蛋白吸收UV-B能量，導(dǎo)致光化學(xué)反應(yīng)使光合色素含量降低[18]；或色素被輻射高能量激活，產(chǎn)生活性氧損壞細(xì)胞[19]；細(xì)胞在UV-B作用下產(chǎn)生一些活性氧(ROS)對(duì)光合色素進(jìn)行光化學(xué)降解[17]。但類胡蘿卜素能與活性氧反應(yīng)后能夠再生，所以類胡蘿卜素是在保護(hù)UV-B輻射的起重要作用[17]，相對(duì)而言類胡蘿卜素通常比葉綠素的影響要小[20]。基于上述原因，R100至R200組植株接近水面的葉片在高劑量UV-B輻射下，葉片受到傷害，其葉綠素含量顯著下降，尤其高于100 μW/cm2處理組出現(xiàn)明顯的急性傷害作用，頂端葉片出現(xiàn)明顯漂白現(xiàn)象，光合色素含量隨輻射劑量增加而逐漸遞減。第23天，高于100 μW/cm2組植株頂端受輻射衰亡，植株高度隨輻射劑量增加依次降低，故測(cè)定的均為新生長(zhǎng)出葉片，各項(xiàng)光合色素含量較第16天有所增加，而R50組，植株葉片與其余組一起逐漸進(jìn)入衰亡期，故光合色素含量較前有所降低，但因輻射傷害較小，光合色素含量?jī)H次于對(duì)照組，而其余組抵御輻射能力均降低，隨輻射劑量增加光合色素含量下降；第31天，僅余3組植株高度隨輻射劑量增加降低，葉片逐漸遠(yuǎn)離輻射源，實(shí)際收到輻射程度減弱，故光合色素含量仍在增加。

3.2 UV-B輻射對(duì)菹草葉片抗氧化酶系統(tǒng)的影響

植株體內(nèi)活性氧產(chǎn)生與清除的代謝系統(tǒng)發(fā)生變化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)失調(diào)，導(dǎo)致活性氧在體內(nèi)的過量積累，從而對(duì)植物造成傷害[21-22]。但植物在遭遇UV-B暴露后，其抗氧化酶系統(tǒng)響應(yīng)存在一定的差異性[23]。CAT和POD是清除H2O2的重要保護(hù)酶，能將H2O2分解為O2和H2O，從而使機(jī)體免受H2O2的毒害作用，其活性與植物的抗逆性密切相關(guān)。POD是植物體內(nèi)普遍存在的、活性較高的一種酶，它與呼吸作用、光合作用及生長(zhǎng)素的氧化等都有密切關(guān)系，在植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中，它的活性不斷發(fā)生變化；SOD普遍存在于動(dòng)、植物體內(nèi)，是一種清除超氧陰離子自由基的酶，能將超氧陰離子自由基歧化為過氧化氫和氧氣[24]。菹草在逆境條件下，如重金屬脅迫[25]、水體污染[26]、營(yíng)養(yǎng)鹽急性傷害[27]，植株體內(nèi)CAT、POD、SOD活性會(huì)出現(xiàn)不同程度升高，但超過一定閾值后，這些酶活性呈下降趨勢(shì)，UV-B輻射作為一種逆境同樣會(huì)對(duì)菹草葉片抗氧化酶系統(tǒng)產(chǎn)生影響，在UV-B輻射初期，隨輻射劑量增加，活性氧增多，為清除活性氧，葉片抗氧化酶系統(tǒng)開始增強(qiáng)，因SOD功能是將產(chǎn)生超氧陰離子自由基歧化為過氧化氫和氧氣，故SOD含量也隨輻射劑量增加而增加，但其歧化產(chǎn)物加劇葉片中H2O2的含量；CAT與POD均為清除H2O2的重要保護(hù)酶，則葉片中CAT、POD增加幅度要超過SOD增幅。在UV-B輻射初期，植株CAT、POD含量達(dá)最高，而隨輻射進(jìn)行有所降低，SOD活性隨輻射進(jìn)行能持續(xù)升高，各種抗氧化酶隨輻射劑量增加而增加，由此說明菹草抗氧化酶系統(tǒng)在UV-B持續(xù)輻射條件下受到一定的損傷，植株在劑量較高情況下酶活性出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的傷害，最終可導(dǎo)致植株死亡。第16天，由于輻射時(shí)間較短，植株出現(xiàn)應(yīng)急抗逆反應(yīng)，其CAT、POD均達(dá)到監(jiān)測(cè)時(shí)期中最高，且隨輻射劑量傷害越大，植株抗逆境反應(yīng)越明顯，CAT、POD含量越高，且隨輻射劑量迅速升高，SOD隨輻射時(shí)間延長(zhǎng)含量逐漸增高，且隨輻射劑量增加而增加，但R200組因輻射劑量過大，超過其承受閾值，傷害最明顯，故SOD出現(xiàn)明顯降低趨勢(shì)。隨輻射時(shí)間延長(zhǎng)，植株各項(xiàng)機(jī)能下降，產(chǎn)生的活性氧增多，故第23天，CAT、POD較前明顯下降，第31天，R150、R200組植株由于輻射劑量過大植株死亡，而其余3組POD、SOD活性均呈逐漸降低趨勢(shì)，說明由于UV-B傷害植株產(chǎn)生的活性氧增多，植株清除能力下降，而CAT活性雖呈逐漸升高趨勢(shì)，但與R0組也相差不大。另一重要原因可能為隨輻射進(jìn)行植株頂部葉片逐漸漂白死亡，植株矮化，接受到UV-B輻射減弱，測(cè)定的抗氧化酶活性多為植株新頂部的葉片，其活性低于輻射初期活性。

3.3 UV-B輻射對(duì)菹草葉片膜脂過氧化產(chǎn)物的影響

脂質(zhì)分子是相當(dāng)穩(wěn)定的，在空氣中不易發(fā)生氧化作用，可是一旦有活潑自由基存在，就可導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化的發(fā)生，在光、某種射線或自由基的作用下，可使脂質(zhì)分子LH脫去1個(gè)氫原了形成脂質(zhì)自由基L·，此脂質(zhì)自由基再與氧反應(yīng)形成脂質(zhì)過氧自由基LOO·，此過氧自由基再進(jìn)攻其它脂質(zhì)分子，奪取其氫原子，再生成新的自由基和脂質(zhì)氫過氧化物L(fēng)OOH，此反應(yīng)叫反復(fù)進(jìn)行，從而導(dǎo)致脂質(zhì)分子的不斷消耗和脂質(zhì)過氧化物的大量生成[28]。MDA是膜脂過氧化產(chǎn)物之一，其濃度表示脂質(zhì)過氧化強(qiáng)度和膜系統(tǒng)傷害程度，植物在逆境或衰老條件下，會(huì)發(fā)生膜脂的過氧化作用，通常利用它作為膜質(zhì)過氧化指標(biāo)，表示細(xì)胞膜脂過氧化程度和植物對(duì)逆境條件反應(yīng)的強(qiáng)弱[11]。在陸生植物的研究中，UV-B輻射增強(qiáng)可導(dǎo)致膜脂過氧化產(chǎn)物——MDA含量明顯升高，同時(shí)膜脂脂肪酸組成配比改變，不飽和度指數(shù)有所下降，最終仍導(dǎo)致植物體受到傷害[29]。在UV-B輻射下，菹草植株會(huì)產(chǎn)生大量過氧化物，促使葉片MDA含量升高，在輻射初期，由于強(qiáng)輻射使葉片在短期內(nèi)釋放大量過氧化物，使葉片MDA含量達(dá)最高，故在實(shí)驗(yàn)第16天達(dá)最高，在長(zhǎng)期輻射過程中，脂質(zhì)不斷消耗，產(chǎn)生的過氧化物量可能有所降低，膜通透性增加，故從頂部葉片外觀也觀測(cè)到植株頂部葉片逐漸受到輻射白化死亡，造成株高變矮，植株中部葉片代替白化死亡葉片成為新頂部葉片，受輻射劑量減小，則MDA含量降低，而新成為頂部的葉片也持續(xù)遭受輻射，脂質(zhì)分子也在遭受持續(xù)氧化，其過氧化物也釋放量會(huì)有所降低，隨輻射進(jìn)行，成為MDA含量持續(xù)降低的重要原因，第23天，R50—R200組持續(xù)降低，第31天，R0—R150呈遞減趨勢(shì)，均能明顯反應(yīng)出脂質(zhì)分子持續(xù)氧化后其產(chǎn)物逐漸減少的趨勢(shì)。

3.4 UV-B輻射對(duì)菹草葉片光合產(chǎn)物含量的影響

根據(jù)上述分析，在較高劑量UV-B輻射下植株葉綠素含量降低，葉綠素含量降低，必將影響色素蛋白復(fù)合體的功能，從而降低葉綠體對(duì)光能的吸收，使葉片光合速率下降，影響光合產(chǎn)物含量[30]。由于植物體內(nèi)的可溶性蛋白質(zhì)大多數(shù)是參與各種代謝的酶類，它的含量是了解植物體總代謝的一個(gè)重要指標(biāo)[31]。關(guān)于UV-B輻射對(duì)植株可溶性蛋白含量的影響，大量的研究認(rèn)為，UV-B輻射會(huì)抑制蛋白質(zhì)的合成，使植物的蛋白質(zhì)含量減少，其中包括對(duì)水稻、大豆、冬小麥的研究[32]，但也有研究表明UV-B輻射促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成，引起植物蛋白質(zhì)含量增加[33]，在一些海洋生物實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，UV-B 輻射使大型海藻孔石莼可溶性蛋白在初始階段有所增加, 而后卻出現(xiàn)極顯著下降[34]。由于蛋白質(zhì)最大吸收波長(zhǎng)正好處在UV-B輻射波長(zhǎng)范圍內(nèi)，因此蛋白質(zhì)會(huì)受到UV-B輻射的影響[35]。植株蛋白質(zhì)含量增加可能是芳香族氨基酸合成加強(qiáng)的結(jié)果，芳香族氨基酸是合成黃酮的前體，而類黃酮物質(zhì)有利于保護(hù)植物免遭UV-B輻射的傷害[36]。植株葉片可溶性蛋白含量降低還可能與UV-B降低蛋白水解酶的活性，促進(jìn)蛋白質(zhì)含量升高[37]。UV-B輻射下蛋白質(zhì)含量的增減，決定于輻射強(qiáng)度和不同植物對(duì)UV-B輻射的敏感程度，可溶性蛋白質(zhì)中約有50%為RUBP羧化酶，因此，可溶性蛋白質(zhì)下降會(huì)導(dǎo)致植物光合作用能力下降、葉片可溶性蛋白含量降低，還可能與UV-B輻射增強(qiáng)所導(dǎo)致的植物RUBP羧化酶活性下降有關(guān)[36]。因可溶性蛋白測(cè)定主要參與各種代謝的酶類，在前面分析中，參與代謝CAT、POD、SOD等各種的酶蛋白含量均隨輻射增加而升高，且均于輻射第16天達(dá)最高，故測(cè)定的可溶性蛋白含量隨輻射劑量的增加而增加，而UV-B又能抑制植株可溶性蛋白合成，故第16天R200組有所體現(xiàn)，其Pr含量急劇降低，且長(zhǎng)期輻射后，傷害增加，UV-B抑制植株可溶性蛋白合成得到體現(xiàn)，Pr含量開始隨輻射劑量增加而降低，當(dāng)植株進(jìn)入繁殖期后，劑量高于200 μW/cm2則又抑制蛋白質(zhì)合成，造成植株死亡。

SC不僅是植物的主要光合產(chǎn)物，而且是碳水化合物代謝和暫時(shí)貯藏的主要形式[38]。UV-B輻射可促使植株葉片SC含量的降低，在小麥[39]、菠菜[40]等研究中均有體現(xiàn)，而對(duì)水稻的研究結(jié)果是先增加后降低[41]，因菹草成株在野外經(jīng)歷過短暫弱輻射，故實(shí)驗(yàn)開始階段表現(xiàn)明顯，但隨輻射持續(xù)，葉片SC含量逐漸呈下降趨勢(shì)，且隨輻射劑量增加而逐漸遞減，這可能因UV-B輻射降低了植株葉片中光合作用的關(guān)鍵酶—1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(Rubisco)的含量和酶活性，使CO2羧化效率降低，增加葉片氣孔阻力增大，CO2的傳導(dǎo)率降低，引起胞間CO2濃度下降，影響CO2的同化效率[42]。

4 結(jié)論

(1)在PAR、UV-A一致的條件下，≤10.8 kJ/m2劑量UV-B輻射可促進(jìn)菹草葉片葉綠素及類胡蘿卜素含量的增加，衰亡階段起抑制作用；>10.8 kJ/m2起抑制作用，并隨輻射劑量增加抑制作用增強(qiáng)。

(2)UV-B輻射在輻射初期可促進(jìn)抗氧化酶系統(tǒng)中CAT、POD酶活性以及MDA含量的升高，且隨輻射劑量增加而逐漸升高，但隨輻射時(shí)間延長(zhǎng)，CAT、POD酶活性受到抑制， MDA含量降低；而SOD活性隨輻射時(shí)間延長(zhǎng)逐漸升高，且隨輻射劑量增加而增加。

(3)短期輻射可促進(jìn)菹草葉片可溶性蛋白質(zhì)和可溶性糖含量升高，且隨輻射劑量增加而升高，長(zhǎng)期輻射起抑制作用，且隨輻射劑量增加而同化物含量遞減。

致謝：感謝南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院王國(guó)祥教授提供實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地。

[1] Ali M B, Vajpayee P, Tripathi R D, Rai U N, Kumar A, Singh N, Behl H M, Singh S P. Mercury bioaccumulation induces oxidative stress and toxicity to submerged macrophytePotamogetoncrispusL. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 2000, 65(5): 573-582.

[2] Chi J. Phthalate acid esters inPotamogetoncrispusL. from Haihe River, China. Chemosphere, 2009, 77(1): 48-52.

[3] Zhang M, Cao T, Ni L Y, Xie P, Li Z Q. Carbon, nitrogen and antioxidant enzyme responses ofPotamogetoncrispusto both low light and high nutrient stresses. Environmental and Experimental Botany, 2010, 68(1): 44-50.

[4] 金送笛, 李永函, 倪彩虹, 王斌. 菹草(Potamogetoncrispus)對(duì)水中氮、磷的吸收及若干影響因素. 生態(tài)學(xué)報(bào), 1994, 14(2): 168-173.

[5] 蘇勝齊, 沈盎綠, 唐洪玉, 姚維志. 溫度光照和pH對(duì)菹草光合作用的影響. 西南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2001, 23(6): 532-537.

[6] Ryan K G. UV radiation and photosynthetic production in Antarctic sea ice microalgae. Journal of Photochemistry and Photobiology, 1992, 13(3/4): 235-240.

[7] Smith R C, Prezelin B B, Baker K S, Bidigare R R, Boucher N P, Coley T, Karentz D, Maclntyre S, Matlick H A, Menzies D. Ozone depletion: ultraviolet radiation and phytoplankton biology in Antarctic water. Science, 1992, 225(5047): 952-959.

[8] 張運(yùn)林, 秦伯強(qiáng), 馬榮華, 朱廣偉, 陳偉民. 太湖典型草、藻型湖區(qū)紫外輻射的衰減及影響因素分析. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2005, 25(9): 2354-2361.

[9] 張運(yùn)林, 秦伯強(qiáng), 陳偉民. 增強(qiáng)的UV-B對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響研究. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2005, 20(1): 106-112.

[10] Hidema J, Kang H S, Kumagai T. Differences in the sensitivity to UVB radiation of two cultivars of rice (OryzasativaL.). Plant and Cell Physiology, 1996, 37(6): 742-747.

[11] 李合生. 植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù). 北京: 高等教育出版社, 2000.

[12] 劉雪琴, 仝瑞建, 施佳妮. 外源Ca2+對(duì)鹽脅迫下玉米萌發(fā)與幼苗生長(zhǎng)的影響. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2010, 26(17): 197-200.

[13] Azizpour K, Shakiba M R, Sima K K, Alyari H, Mogaddam M, Esfandiari E, Pessarakli M. Physiological response of spring durum wheat genotypes to salinity. Journal of Plant Nutrition, 2010, 33(6): 859-873.

[14] Liang C J, Zhang G S, Zhou Q. Effect of cerium on photosynthetic pigments and photochemical reaction activity in soybean seedling under ultraviolet-B radiation stress. Biological Trace Element Research, 2011, 142(3): 796-806.

[15] 鄭有飛, 徐衛(wèi)民, 吳榮軍, 張金恩, 劉瑞娜, 姚娟, 胡會(huì)芳. 地表臭氧濃度增加和UV-B輻射增強(qiáng)及其復(fù)合處理對(duì)大豆光合特性的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 32(8): 2515-2524.

[16] 劉曉, 賀俊芳, 岳明. 熒光動(dòng)力學(xué)方法研究光系統(tǒng)II原初傳能過程對(duì)低劑量UV-B輻射的響應(yīng). 生物物理學(xué)報(bào), 2011, 27(10): 839-848.

[17] Wang G H, Hao Z J, Anken R H, Lu J Y, Liu Y D. Effects of UV-B radiation on photosynthesis activity ofWolffiaarrhizaas probed by chlorophyll fluorescence transients. Advances in Space Research, 2010, 45(7): 839-845.

[18] Quesada A, Mouget J L, Vincent W F. Growth of antarctic cyanobacteria under ultraviolet radiation: UVA counteracts UVB inhibition. Journal of Phycology, 1995, 31(2): 242-248.

[19] Castenholz R W, Garcia-Pichel F. Cyanobacterial responses to UV radiation // Whitton B A. Ecology of Cyanobacteria II. Netherlands: Springer, 2012: 481-499.

[20] Bornman J F. New trends in photobiology: Target sites of UV-B radiation in photosynthesis of higher plants. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology, 1989, 4(2): 145-158.

[21] 陳建勛, 王曉峰. 植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) (第二版). 廣州: 華南理工大學(xué)出版社, 2006.

[22] 朱涵毅, 陳益軍, 勞佳麗, 沈梁, 李菲菲, 米蘭, 王慧中, 薛大偉. 外源NO對(duì)鎘脅迫下水稻幼苗抗氧化系統(tǒng)和微量元素積累的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(2): 603-609.

[23] 姚曉芹, 劉慶. 陸生植物體內(nèi)酶系統(tǒng)對(duì)UV-B輻射增強(qiáng)的響應(yīng). 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2006, 17(5): 939-942.

[24] 孫存普, 張建中, 段紹瑾. 自由基生物學(xué)導(dǎo)論. 合肥: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社, 1999.

[25] 陳輝, 施國(guó)新, 徐勤松, 王紅霞, 楊海燕, 潘秋紅. Cr6+對(duì)菹草葉綠素?zé)晒鈪?shù)、抗氧化系統(tǒng)和超微結(jié)構(gòu)的脅迫影響. 植物研究, 2009, 29(5): 559-564.

[26] 朱偉, 張?zhí)m芳, 操家順, 萬蕾, 梅新敏. 水污染對(duì)菹草及伊樂藻生長(zhǎng)的影響. 水資源保護(hù), 2006, 22(3): 36-39.

[27] 馬劍敏, 靳同霞, 李今, 吳娟, 吳振斌. 伊樂藻、苦草和菹草對(duì)磷急性脅迫的響應(yīng). 水生生物學(xué)報(bào), 2008, 32(3): 408-412.

[28] 陳拓, 任紅旭, 王勛陵. UV-B輻射對(duì)小麥葉抗氧化系統(tǒng)的影響. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 1999, 19(4): 453-455.

[29] 李韶山, 王艷, 劉頌豪. UV-B對(duì)水稻幼苗膜脂過氧化作用的影響. 激光生物學(xué)報(bào), 2000, 9(1): 23-26.

[30] 藺冬梅, 徐世健, 張新芳, 安黎哲, 楊曉明, 劉慧艷. 過量鐵脅迫對(duì)豌豆幼苗光合特性和葉綠體膜的影響. 草業(yè)科學(xué), 2011, 28(11): 1950-1956.

[31] 姬曉明, 齊鳳慧, 尹靜, 詹亞光. 鉀肥對(duì)白樺生理特性及三萜含量的影響. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2012, 28(4): 13-17.

[32] 何永美, 湛方棟, 高召華, 祖艷群, 李元. 水稻對(duì)UV-B 輻射響應(yīng)的敏感性差異. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2012, 21(3): 489-495.

[33] 朱鵬錦, 尚艷霞, 師生波, 韓發(fā). 植物對(duì)UV-B輻射脅迫響應(yīng)的研究進(jìn)展. 熱帶生物學(xué)報(bào), 2011, 2(1): 89-96.

[34] 蔡恒江, 唐學(xué)璽, 張培玉, 楊震. UV-B輻射對(duì)孔石莼生長(zhǎng)及其生理生化特征的影響. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2005, 5(5): 283-287.

[35] 馮國(guó)寧, 安黎哲, 馮虎元, 王勛陵. 增強(qiáng)UV-B輻射對(duì)菜豆蛋白質(zhì)代謝的影響. 植物學(xué)報(bào): 英文版, 1999, 41(8): 833-836.

[36] 張靜, 王進(jìn), 田麗萍. 紫外線(UV-B)輻射增強(qiáng)對(duì)植物生長(zhǎng)的研究進(jìn)展. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2009, 25(22): 104-108.

[37] 李惠梅, 師生波. 增強(qiáng)UV-B輻射對(duì)麻花艽葉片的抗氧化酶的影響. 西北植物學(xué)報(bào), 2005, 25(3): 519-524.

[38] 陸飛伍, 羅興錄, 李紅雨, 莫凡, 何遠(yuǎn)蘭. 不同木薯品種葉片碳氮代謝與塊根淀粉積累特性研究. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2009, 25(10): 120-124.

[39] 牛傳坡, 蔣靜艷, 黃耀. UV-B輻射強(qiáng)度變化對(duì)冬小麥碳氮代謝的影響. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 26(4): 1327-1322.

[40] 趙曉莉, 鄭有飛, 王傳海, 胡正華, 高桂枝, 何都良. UV-B增加對(duì)菠菜生長(zhǎng)發(fā)育和品質(zhì)的影響. 生態(tài)環(huán)境, 2004, 13(1): 14-16.

[41] 殷紅, 郭巍, 毛曉艷, 張濤. 增強(qiáng)的UV-B輻射對(duì)水稻光合作用的影響. 作物雜志, 2009(4): 41-45.

[42] 李元, 張翠萍, 祖艷群. 紫外輻射增強(qiáng)對(duì)植物糖代謝的影響. 生態(tài)學(xué)雜志, 2006, 25(10): 1265-1268.

Influence of ultraviolet radiation on physiological characteristics ofPotamogetoncrispus

WANG Jinqi1,2,*, ZHENG Youfei3, XUE Yan4

1SchoolofAppliedMeteorology,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China2JiangsuKeyLaboratoryofEnvironmentalChange&EcologicalConstruction,Nanjing210023,China3SchoolofAtmosphericPhysics,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China

4SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China

Potamogetoncrispusplays an important role in purifying water and maintaining a healthy aquatic ecosystem in some shallow lakes; however, mass mortality occurs toP.crispuspopulations in the late spring and early summer, which possibly results in secondary pollution. Therefore, the causes ofP.crispusmass mortality have been a hot research topic in the field of aquatic ecological restoration. Some researchers have reported that intense light is the key factor in the decline ofP.crispus. The UV-B band in strong light is generally recognized to damage plants and animals, and can even penetrate into the water column and cause harm to aquatic organisms. Therefore experiments were conducted to determine the effect of the UV-B radiation in strong light onP.crispusdecline. In this study, mature plants ofP.crispuswere daily exposed to different doses of UV-B radiation (50, 100, 150, and 200 μW/cm2) for 6 hours (09:00—15:00). The cumulative effective doses of UV-B radiation were, respectively, 10.8 kJ/m2, 21.6 kJ/m2, 32.4 kJ/m2and 43.2 kJ/m2. The control group was only exposed to UV-A radiation and photosynthetically active radiation (PAR). PAR and UV-A radiation were set to the same levels in all treatment groups. The physiological characteristics of the experimental plants were monitored regularly under UV-B radiation, and physiological and biochemical indices and photosynthetic pigment contents were determined. The results show that the chlorophyll a (Chla), chlorophyll b (Chlb), total chlorophyll (Chlt), and carotenoid (CAR) contents can be improved by UV-B radiation at doses below 10.8 kJ/m2, and can be inhibited in the decline stage. The Chla, Chlb, Chlt, and CAR contents were all decreased by UV-B radiation when the UV-B radiation dose was greater than 10.8 kJ/m2, and the inhibition effects increased with increasing radiation dose. Catalase (CAT) and peroxidase (POD) activities were increased under short-term radiation and gradually increased with increasing radiation dose; however, these activities were inhabited with continuing exposure to radiation. The activity of superoxide dismutase (SOD) increased gradually with prolonged irradiation time, and the activity of SOD increased with increasing radiation dose. The malondialdehyde (MDA) content was increased at the beginning of the UV-B radiation and gradually increased with increasing radiation dose; however, the MDA content decreased with continuing radiation. The soluble protein (Pr) and soluble sugar (SC) contents were improved at the beginning of the UV-B radiation, and gradually increased with increasing radiation dose, but these contents decreased after long-term UV-B radiation, and the contents decreased gradually with increasing radiation dose. The results indicate that UV-B radiation may be an important factor leading to the mass mortality ofP.crispusin late spring and early summer. Accordingly, we deduce that the sharp increases in ultraviolet radiation on the land surface in the late spring and early summer leads to mass mortality of wildP.crispuspopulations. However, further research is necessary to study whether UV-B radiation acts synergistically with other environmental factors to affect physiological activity in the decline ofP.crispus.

UV-B radiation; photosynthetic pigment; antioxidant enzyme system; malondialdehyde; photosynthate

國(guó)家自然科學(xué)基金(41105113, 51109109); 江蘇省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目

2014-01-16;

日期:2014-11-19

10.5846/stxb201401160121

*通訊作者Corresponding author.E-mail: w_j_q@sina.com

王錦旗, 鄭有飛, 薛艷.紫外輻射對(duì)菹草成株生理特性的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(18):5975-5983.

Wang J Q, Zheng Y F, Xue Y.Influence of ultraviolet radiation on physiological characteristics ofPotamogetoncrispus.Acta Ecologica Sinica,2015,35(18):5975-5983.