魏曉雪,楊 臣,李德文
(1.黑龍江省科學(xué)院火山與礦泉研究所,黑龍江五大連池164155;2.東北林業(yè)大學(xué)森林植物生態(tài)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱150040)
UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)紅松幼苗蠟質(zhì)的影響
魏曉雪1,楊 臣1,李德文2
(1.黑龍江省科學(xué)院火山與礦泉研究所,黑龍江五大連池164155;2.東北林業(yè)大學(xué)森林植物生態(tài)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱150040)
本文以3年生紅松幼苗為試驗(yàn)材料,分為CK(對(duì)照)、T1、T2、T3(分別增加1.40kJ·m-2·d-1UV-B、2.81kJ·m-2·d-1UV-B、4.22 kJ·m-·2d-1UV-B輻射)4個(gè)處理。研究UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)紅松針葉表皮蠟質(zhì)形態(tài)、含量、成分變化的影響。結(jié)果表明,紅松幼苗針葉表皮細(xì)胞覆蓋厚厚的蠟質(zhì)層,蠟質(zhì)主要由烷類、酯類、烯萜類、酚類、伯醇、醛類及其他少量未知物質(zhì)組成。經(jīng)過(guò)40d UV-B輻射后,紅松幼苗針葉蠟質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,蠟質(zhì)含量和主要化學(xué)成分烷類的比重隨著UV-B輻射處理的加強(qiáng)而降低。紅松針葉表皮蠟質(zhì)對(duì)紫外線輻射有直接防御作用,但其防御機(jī)制并不能有效地緩解這個(gè)傷害。
紅松;UV-B輻射;蠟質(zhì);光合參數(shù)
人類活動(dòng)所產(chǎn)生的氯氟烷烴類(chlorofluorcabons)物質(zhì)降低了大氣平流層臭氧(O3)濃度,導(dǎo)致到達(dá)地球表面紫外線輻射增強(qiáng),嚴(yán)重影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育[1]。植物采取一系列防御反應(yīng)以適應(yīng)環(huán)境條件的改變,對(duì)策之一是植物葉片的表皮細(xì)胞能使入射的UV-B輻射減少95%,特別是表皮毛、蠟質(zhì)層對(duì)UV-B輻射的阻擋、吸收和反射[2,3]。Caldwell等報(bào)道說(shuō),就是光滑的植物葉表皮也至少能吸收、反射或散射掉98%的UV-B輻射[4]。蠟質(zhì)是覆蓋在植物表皮最外層不溶于水而溶解于有機(jī)溶劑的一層有機(jī)化合物的總稱,是植物抵抗外界環(huán)境刺激的第一道屏障[5]。各種環(huán)境因子只有透過(guò)這道屏障后才能影響植物內(nèi)部組織的結(jié)構(gòu)和生理機(jī)能。針葉樹的針葉表皮能有效地減少UV-B輻射進(jìn)入葉內(nèi)細(xì)胞的量,因而,針葉樹被認(rèn)為是對(duì)補(bǔ)增UV-B輻射的忍受力較強(qiáng)的植物[6]。近年來(lái),隨著植物化學(xué)、分子遺傳學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展和滲透,很多學(xué)者開展了關(guān)于植物葉片蠟質(zhì)成分、晶體結(jié)構(gòu)、合成及運(yùn)輸途徑,以及與蠟質(zhì)相關(guān)的分子生物學(xué)方面的研究。然而,迄今尚未見到有關(guān)逆境處理對(duì)紅松針葉表皮蠟質(zhì)形態(tài)、含量、成分變化影響的研究報(bào)道。
紅松(Pinus koraiensis)是整個(gè)北半球中高緯度地區(qū)分布面積最大的三大五針?biāo)芍弧R彩悄壳笆澜缟险滟F而稀有的多用途樹種。本試驗(yàn)選擇3年生人工種植的紅松幼苗為材料,應(yīng)用掃描電鏡觀察了UV-B輻射增強(qiáng)條件下紅松針葉表皮蠟質(zhì)含量及結(jié)構(gòu)變化規(guī)律,利用氣相色譜技術(shù)分析UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)葉表皮蠟質(zhì)的含量、組分的影響,綜合分析紅松幼苗針葉蠟質(zhì)對(duì)UV-B輻射增強(qiáng)情況的響應(yīng)。
1.1試驗(yàn)材料與試驗(yàn)處理
試驗(yàn)于2010年9月3日至10月13日進(jìn)行,試驗(yàn)地點(diǎn)在東北林業(yè)大學(xué)森林植物生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室溫室。試驗(yàn)材料為3年齡紅松幼苗,隨機(jī)分為4組,每組60株。分為CK(對(duì)照)、T1、T2、T3(分別增加1.40kJ·m-2·d-1UV-B、2.81kJ·m-2·d-1UV-B、4.22 kJ· m-2·d-1UV-B輻射)4個(gè)處理。UV-B輻射通過(guò)懸掛在紅松幼苗上方的UV-B輻射燈管(波峰為308 nm,北京光電所)產(chǎn)生。每日6:00-18:00進(jìn)行紫外線照射,處理時(shí)間為12h。輻射強(qiáng)度用光譜儀AvaSpec 2048-2進(jìn)行測(cè)定。處理40 d后測(cè)定各項(xiàng)生理指標(biāo)。
1.2掃描電鏡樣品的制備與觀察
將未經(jīng)任何處理的新鮮紅松幼苗針葉用導(dǎo)電銀膠粘在樣品臺(tái)上,用XL-30型環(huán)境掃描電鏡進(jìn)行蠟質(zhì)觀察與能譜分析。樣品室的環(huán)境條件為:冷臺(tái)溫度為5℃,樣品室氣壓為4 Torr,加速電壓為15 kV。
1.3蠟質(zhì)含量及化學(xué)成分的測(cè)定
蠟質(zhì)含量參照周小云[7]常溫法進(jìn)行測(cè)定:取新鮮紅松針葉2 g,洗凈,擦干,計(jì)算葉面積后,置于30 mL氯仿中浸提1 min。用氮吹儀蒸發(fā)干浸提液后稱取蠟質(zhì)質(zhì)量,用單位葉面積上的毫克數(shù)來(lái)表示(mg·cm-2)蠟質(zhì)含量。重復(fù)3次,取其平均值。將提取的蠟質(zhì)復(fù)溶在1 mL BSTFA中,在100℃下衍生15 min,并將多余的BSTFA在氮吹儀下蒸發(fā)。將產(chǎn)物溶于1 mL氯仿中,進(jìn)行蠟質(zhì)成分分析。利用氣譜——質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)鑒定未知蠟質(zhì)組分[8,9]。
1.4數(shù)據(jù)處理及分析
數(shù)據(jù)處理運(yùn)用Excel 2007軟件進(jìn)行,用SPSS 11.0軟件進(jìn)行方差分析及顯著性檢驗(yàn),顯著水平為P<0.05。
2.1不同UV-B處理對(duì)紅松針葉表皮蠟質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)的影響
對(duì)不同UV-B處理40 d后紅松幼苗針葉表面蠟質(zhì)掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)(圖1),紅松針葉表皮細(xì)胞外覆蓋厚厚的蠟質(zhì)層,并且蠟質(zhì)層表面有不規(guī)則的條紋狀隆起,在隆起的溝槽之間分布著不均勻的蠟質(zhì)顆?;蚪Y(jié)晶。經(jīng)過(guò)40 d UV-B輻射處理后條紋狀隆起斷裂,破碎,條紋狀隆起數(shù)量減少,蠟質(zhì)顆粒增多。
圖1 增強(qiáng)UV-B輻射40 d后紅松針葉表皮蠟質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The wax surface ofPinus koraiensisneedles after 40 days exposed to UV-B treatments
2.2不同UV-B處理對(duì)紅松針葉蠟質(zhì)含量及化學(xué)成分的影響
表1 增強(qiáng)UV-B輻射40 d后對(duì)紅松針葉蠟質(zhì)含量和化學(xué)成分的影響Tab.1 Effects of enhanced UV-B radiation on amount and chemical composition of epicuticular waxes in needles ofPinus koraiensis
對(duì)不同UV-B處理40d后紅松針葉蠟質(zhì)的含量進(jìn)行測(cè)定表明(表1),4個(gè)UV-B處理紅松針葉蠟質(zhì)含量達(dá)到顯著性差異(P<0.05)。T1、T2、T3處理組紅松針葉蠟質(zhì)含量均低于CK組,且隨UV-B輻射的加強(qiáng)而降低,表現(xiàn)為CK>T1>T2>T3。紅松針葉表皮蠟質(zhì)主要由烷類、酯類、烯萜類、酚類、伯醇、醛類及其他少量未知物質(zhì)組成(表1)。紅松針葉表皮蠟質(zhì)主要成分為烷類,占50%以上,其次為酯類和烯萜類,各占10%左右。烷類和酚類隨UV-B輻射的加強(qiáng)而降低,酯類的比重隨UV-B輻射的加強(qiáng)而增加。
作為植物葉片與外界環(huán)境的第一接觸面,蠟質(zhì)對(duì)外界環(huán)境因子的響應(yīng)較為敏感,為更好地適應(yīng)周圍的環(huán)境,它會(huì)通過(guò)增加蠟質(zhì)含量、改變蠟質(zhì)自身化學(xué)組分來(lái)構(gòu)建防御機(jī)制[10]。本試驗(yàn)中,紅松幼苗針葉表皮覆蓋致密蠟質(zhì)層,和其余松屬植物一致,能有效反射UV-B輻射,可使進(jìn)入葉肉細(xì)胞的UV-B輻射量大大減少。增強(qiáng)UV-B輻射處理40d后,紅松針葉表皮蠟質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)和含量發(fā)生顯著變化,以適應(yīng)強(qiáng)紫外線輻射。Fukuda等研究發(fā)現(xiàn)不同強(qiáng)度的紫外線輻射對(duì)黃瓜(Cucumis sativus)子葉表皮蠟質(zhì)形態(tài)影響不同,低等和中等強(qiáng)度紫外線輻射使黃瓜子葉表面變得粗糙,但高強(qiáng)度紫外線輻射導(dǎo)致黃瓜子葉表面油狀物增加[11]。蔣磊研究表明,增強(qiáng)UV-B輻射可使棉花葉片上表皮的蠟質(zhì)含量提高200%,增強(qiáng)UV-B輻射也可顯著增加大麥、蠶豆和蕓苔葉片的蠟質(zhì)含量[12]。但Qaderi等研究表明增強(qiáng)UV-B輻射可顯著降低加拿大莓系(P. compressa)葉片的蠟質(zhì)含量[13]。Barnes等報(bào)道說(shuō)UV-B輻射可使對(duì)UV-B敏感基因型煙草葉片近軸面蠟質(zhì)含量顯著降低[14]。這與本試驗(yàn)結(jié)果一致,這說(shuō)明UV-B輻射增強(qiáng)并不總是提高蠟質(zhì)含量的累積,不同種植物之間的防御機(jī)制是不同的,具有明顯的種間差異性。
不同物種的蠟質(zhì)含量、化學(xué)成分和形態(tài)結(jié)構(gòu)差別很大,同一植株不同組織器官、不同生長(zhǎng)時(shí)期的蠟質(zhì)分布和表達(dá)也會(huì)有所不同。另外,環(huán)境因素也是植物蠟質(zhì)含量和成分發(fā)生改變的重要因素[15]。我們的研究結(jié)果表明,高劑量UV-B長(zhǎng)期脅迫紅松針葉導(dǎo)致蠟質(zhì)含量降低,并且蠟質(zhì)成分中烷類和酚類的比重也降低??赡苁且?yàn)橄炠|(zhì)中的烷類和酚類化合物含量的降低和分解從而導(dǎo)致蠟質(zhì)含量的降低。這說(shuō)明蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)很大程度上取決于其化學(xué)成分的改變。紅松針葉蠟質(zhì)條紋隆起斷裂,蠟質(zhì)晶體破碎可能是因?yàn)楦邚?qiáng)度、大劑量的UV-B輻射電磁波破壞了蠟質(zhì)分子間的化學(xué)鍵導(dǎo)致的,還可能是蠟質(zhì)吸收了大量的UV-B輻射,超過(guò)了所能負(fù)荷的極限,破壞了蠟質(zhì)分子結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)中的烷類和酚類的分解。這說(shuō)明紅松針葉表皮蠟質(zhì)對(duì)紫外線輻射有直接防御作用,但其防御機(jī)制并不能有效地緩解這個(gè)傷害。
[1] BIORN L O.Stratospheric ozone,ultraviolet radiation,and cryptogams[J]. Biology Conservation,2007,(135):326-333.
[2] TEVINI M,BRAUMJ,FIESER G.The protective function of the epidermal layer of rye seedlings against ultraviolet-B radiation[J].Journal Photochemistry and Photobiology B:Biology,1991,(53):329-333.
[3]ROBBERCHT R,CALDWELL M M.Protective mechanisms and acclimation to solarultraviolet-B radiation in Oenotherza strieta[J].PlantCelland Environment,1983,(06):477-485.
[4] CALDWELL M M,ROBBERECHT R,FLINT S D.Internal filters:Prospects for UV-acclimation in higherplants[J].Physiologia Plantarum,1983,(58):445-450.
[5] 汪勇,李婷婷,奚亞軍,等.耐旱植物K.marmorata蠟質(zhì)組成及其主要成分的生物合成[C]//成都:2011年中國(guó)作物學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文摘要集.2011.
[6] FISCHBACH R J,KOSSMANN B,PANTEN H,et a1.Seasonal accumulation of ultraviolet-B screening pigments in needles of Norway spruce(Picea abies(L.)Karst.)[J].Plant,Cell and Environment,1999,22(1):27-36.
[7] 周小云,陳信波,徐向麗,等.稻葉表皮蠟質(zhì)的提取方法及含量的比較[J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,33(3):273-276.
[8] JENKS M A,TUTTLE H A,EIGENBRODE S D,et al.Leaf epicuticular waxes of the eceriferum mutants inArabidopsis[J].Plant Physiology,1995,(108):369-377.
[9] SONG Y X,GUO S H,MA H A.Observation of leaf epidermis of 15 species shrubsin Helanshan moutain by SEM[J].Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica,2003,(23):1283-1287.
[10] 李婧婧,黃俊華,謝樹成.植物蠟質(zhì)及其與環(huán)境的關(guān)系[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2011,31(2):565-574.
[11]FUKUDA S,SATOH A,KASAHARA H,et a1.Effects of ultraviolet-B irradiation on the cuticular wax of cucumber(Cucumis sativus)cotyledons[J]. Journal of Plant Research,2008,(121):179-189.
[12] 蔣磊.UV-B誘導(dǎo)植物DNA損傷和紫外吸收化合物形成的研究[D].長(zhǎng)沙:湖南師范大學(xué),2007:35-37.
[13] QADERI M M,REID D M.Growth and physiological responses of canola (Brassica napus)to UV-B and CO2 under controlled environment conditions[J]. Physiologia Plantarum,2005,125(2):247-259.
[14]BARNES J D,PERCY K E,PAUL N D,et al.The influence of UV-B radiation on the physicochemical nature of tobacco(Nicotiana tabacum L.)leaf surfaces [J].Journal of Experimental Botany,1996,(47):99-109.
[15] 李法蓮,張淼,朱彩霞,等.植物表皮蠟質(zhì)的研究進(jìn)展及WIN1對(duì)植物表皮蠟質(zhì)的影響[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2008,(11):104.
Effects of Enhanced UV-B Radiation on Epicuticular Wax in Needles of Pinus koraiensis Seeding
WEI Xiao-xue1,YANGChen1,LI De-wen2
(1.Institute of volcanoes and mineral springs,Heilongjiang Academyofscience,Wudalianchi,164155,China;2.Key Laboratory of Forest Plant Ecology,Ministry of Education,Northeast Forestry University,Harbin 150040, China)
The investigated using 3-year-old pot-culturedpinus koraiensisseedlings.Compared with the control, the T1,T2,and T3 UV-B treatments increased by 1.40kJ·m-2·d-1UV-B,2.81kJ·m-2·d-1UV-B,4.22 kJ·m-2· d-1UV-B,respectively.Comprehensive analysis response condition ofpinus koraiensisneedles cuticular wax pattern,content,composition change toenhanced UV-B radiation.The results showthat,Pinus koraiensisseedlings needles epidermal cells covering the thick layer of wax which was composed of alkanes,esters,terpenes,phenols, primary alcohols,aldehydes and other little unknown substance.After 40 days of UV-B radiation,the needles of pinus koraiensisseedlings of waxy crystal structure changes.The wax content and main chemical components of alkane proportion decreases with the enhanced UV-B radiation treatment.Pinus koraiensisneedle epicuticular wax has a direct role in defense against ultraviolet radiation,but the defense mechanisms can not effectively alleviate the damage.
Pinus koraiensis;UV-Bradiation;Epicuticular wax;Gas-exchange parameters
S791.247
A
1674-8646(2015)06-0010-03
2015-04-11
中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(2572014EA01-02);黑龍江省科學(xué)院青年創(chuàng)新基金
魏曉雪(1982-),女,黑龍江蘭西人,博士,助理研究員,從事植物生態(tài)學(xué)研究。
李德文,博士,副教授,從事生理生態(tài)學(xué)研究,e-mail:32121097@qq.com。