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，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，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?。也是目前世界上珍貴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　材料與方法

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　結(jié)果與分析

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。

3　結(jié)論與討論

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)通過增加蠟質(zhì)含量、改變蠟質(zhì)自身化學(xué)組分來構(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。

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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。