呂志偉，張令瑄，王 瑾，王杰飛，張文會(huì)*

(1.聊城大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，山東 聊城 252059； 2.聊城大學(xué) 建筑工程學(xué)院，山東 聊城 252059)

田間條件下UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)大豆生長及光合特性的影響

呂志偉1，張令瑄1，王 瑾2，王杰飛1，張文會(huì)1*

(1.聊城大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，山東 聊城 252059； 2.聊城大學(xué) 建筑工程學(xué)院，山東 聊城 252059)

為明確UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)大豆生物量、葉綠素含量以及光合特性的影響，在田間條件下模擬UV-B輻射增強(qiáng)，對(duì)大豆相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定與分析。結(jié)果表明：UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)大豆生長具有抑制作用，花期株高、干質(zhì)量分別降低21.8%、77.0%，鼓粒期分別降低18.9%、20.8%；總體使大豆葉片的類黃酮、MDA含量增加，其中分枝期分別增加61.7%、35.2%，花期分別增加28.9%、37.4%，鼓粒期二者增加均不顯著；使大豆分枝期、花期和鼓粒期的凈光合速率分別降低23.2%、35.9%和20.8%，氣孔導(dǎo)度降低，胞間CO2濃度升高；對(duì)葉綠素含量有一定的影響，主要使分枝期葉綠素含量降低19.4%，但對(duì)ΦPSⅡ影響不顯著。綜合分析，UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)大豆的影響主要體現(xiàn)在抑制葉片凈光合速率，降低氣孔導(dǎo)度，使得CO2利用率下降，最終抑制了大豆生物量。

UV-B； 大豆； 類黃酮； 光合特性； 生物量

在自然環(huán)境中，紫外線輻射占太陽光的13%，由于臭氧層的存在，到達(dá)地球表面時(shí)UV-B只占3%左右[1]。但自20世紀(jì)以來，由于臭氧層變薄，到達(dá)地表的UV-B輻射增強(qiáng)[2]，地球面臨著UV-B 輻射持續(xù)增強(qiáng)(逆境)以及由此帶來的一系列的氣候變化，對(duì)植物生長產(chǎn)生重要影響。研究表明，UV-B輻射增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致作物生物量和產(chǎn)量下降，光合作用及相關(guān)指標(biāo)受到抑制[3]，對(duì)蒸騰作用、氣孔導(dǎo)度以及葉片水勢(shì)等均有影響[4-6]。大豆作為重要的經(jīng)濟(jì)作物，研究其對(duì)UV-B輻射增強(qiáng)的響應(yīng)具有重大的理論及現(xiàn)實(shí)意義。張文會(huì)等[7]在人工氣候室內(nèi)模擬UV-B 輻射增強(qiáng)的逆境脅迫條件，研究了UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)大豆生長發(fā)育的影響，結(jié)果表明，UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)大豆生長具抑制作用，這種抑制作用可能主要由光合速率下降所致。

在聊城地區(qū)，夏季晴好天氣條件下，中午陽光中的UV-B輻射強(qiáng)度可達(dá)120 μW/cm2(實(shí)測(cè))，甚至更高。大豆在田間條件下完全能耐受此種輻射強(qiáng)度并正常生長，原因在于大豆具有相關(guān)的耐受機(jī)制[8]。而在前期的室內(nèi)研究中，15 μW/cm2的UV-B輻射強(qiáng)度就足以對(duì)大豆產(chǎn)生顯著影響，強(qiáng)度再升高時(shí)大豆甚至無法生長，說明大豆在室內(nèi)的生長狀態(tài)與在田間明顯不同[7]。因此，采用田間試驗(yàn)研究因臭氧層破壞導(dǎo)致的UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)大豆生長和產(chǎn)量的影響是一種更好的方法。此外，不同地區(qū)的UV-B輻射強(qiáng)度存在差異，對(duì)大豆的影響也可能有所不同。鑒于此，在中國北方聊城地區(qū)，利用大田試驗(yàn)，研究了UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)大豆生長發(fā)育的影響，為進(jìn)一步了解UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)大豆的影響機(jī)制提供試驗(yàn)參考。

1 材料和方法

1.1 材料

大豆品種為齊黃27，由聊城大學(xué)植物生理實(shí)驗(yàn)室提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2013年在聊城大學(xué)校內(nèi)試驗(yàn)田(116.00°E、36.43°N)進(jìn)行。5月初，采用大田行播，小區(qū)種植。小區(qū)內(nèi)行距0.4 m，常規(guī)管理。待長出第一對(duì)真葉后間苗，株距為0.2 m，同時(shí)進(jìn)行UV-B處理。

UV-B燈管選自北京電光源研究所，將燈管懸掛在植株上方，燈管周圍(距燈管約5～8 cm)用雙醋酸纖維素膜包裹，以除去290 nm以下的短波長光?？紤]到因膜老化會(huì)造成透光性減弱，每2周更換1次包膜。對(duì)照(CK)：只懸掛燈座不照射UV-B，大豆葉片只接受自然光照；UV-B處理：UV-B燈每天照射5 h，調(diào)節(jié)燈管高度，使大豆葉片額外受到燈管的UV-B照射強(qiáng)度為15 μW/cm2(即相當(dāng)于在太陽UV-B輻射基礎(chǔ)上再增加15 μW/cm2的額外輻射)[7,9]。UV-B照射強(qiáng)度用北京師范大學(xué)生產(chǎn)的UVB /UVC雙通道紫外輻照計(jì)測(cè)定，CK和UV-B處理各設(shè)3個(gè)重復(fù)小區(qū)。播種后分別于分枝期、花期及鼓粒期取樣測(cè)定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

1.3.1 株高及生物量 將大豆拔出，測(cè)量株高(生根處到莖尖端生長點(diǎn)的長度)。然后在80 ℃干燥箱中烘干48 h，冷卻后測(cè)定植株總干質(zhì)量[7]。每個(gè)處理共測(cè)定10株。

1.3.2 葉綠素含量 用SPAD-502葉綠素計(jì)測(cè)量最上部完全展開葉的中間小葉的SPAD值，每株測(cè)1片葉,每片葉測(cè)3次，取平均值，每個(gè)處理測(cè)定10片葉[7]。

1.3.3 類黃酮、丙二醛(MDA)含量 葉片研磨后，采用紫外分光光度計(jì)測(cè)定類黃酮含量[10]，結(jié)果以O(shè)D330/g表示；采用硫代巴比妥酸(TBA)法測(cè)定MDA含量[11]。

1.3.4 光合特性 選擇晴好天氣，在上午9:00采用便攜式CIRAS-2光合熒光儀(美國PP Systems公司)測(cè)定葉片實(shí)際光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)。測(cè)定部位與葉綠素含量測(cè)定時(shí)相同，每個(gè)處理測(cè)定10片葉。

2 結(jié)果與分析

2.1 UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)田間大豆植株生長的影響

株高能夠直觀地反映植物的生長狀態(tài)。從表1可以看出，UV-B處理對(duì)大豆株高有明顯的抑制作用，且隨著處理時(shí)間的增加抑制作用更加明顯。與CK相比，分枝期UV-B處理的抑制作用表現(xiàn)尚不明顯；花期UV-B處理的株高降低21.8%；鼓粒期降低18.9%。UV-B處理使大豆植株干質(zhì)量降低，分枝期UV-B處理的抑制作用不顯著；花期UV-B處理的植株干質(zhì)量較CK降低77.0%，鼓粒期降低20.8%。說明UV-B處理對(duì)大豆生長具有抑制作用，且在花期的抑制作用相對(duì)較大。

表1 UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)田間大豆株高和植株干質(zhì)量的影響

注：*表示同一時(shí)期UV-B處理與CK差異顯著(P<0.05)，下同。

2.2 UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)田間大豆葉片葉綠素、類黃酮及MDA含量的影響

表2表明，大豆花期葉片SPAD值最高，鼓粒期則有所降低。UV-B處理對(duì)大豆葉片SPAD值有一定影響。分枝期，UV-B處理大豆葉片SPAD值較CK顯著降低19.4%；但隨著處理時(shí)間延長，UV-B處理與CK間差異變小，花期和鼓粒期時(shí)已不顯著?？傮w上，大豆葉片類黃酮和MDA含量隨著大豆生長期延長呈明顯增加趨勢(shì)，鼓粒期時(shí)達(dá)到最高。UV-B處理使大豆葉片類黃酮、MDA含量較CK增加，二者分枝期和花期分別增加61.7%和28.9%、35.2%和37.4%，差異顯著；鼓粒期類黃酮、MDA含量分別增加16.1%、11.5%，但差異不顯著。

表2 UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)田間大豆葉片葉綠素、類黃酮、MDA含量的影響

2.3 UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)田間大豆葉片光合特性的影響

ΦPSⅡ是作用光存在時(shí)PSⅡ的實(shí)際量子效率，反映PSⅡ反應(yīng)中心非環(huán)式光合電子的傳遞效率[12]。表3表明，UV-B處理對(duì)大豆3個(gè)生長時(shí)期葉片的ΦPSⅡ影響均不顯著。說明UV-B處理對(duì)PSⅡ反應(yīng)中心功能的影響不明顯。與CK相比，花期UV-B處理的大豆葉片Gs顯著降低76.9%，分枝期和鼓粒期也有一定降低，但未達(dá)到顯著水平；分枝期、花期和鼓粒期UV-B處理的大豆葉片Pn分別顯著降低23.2%、35.9%和20.8%；分枝期UV-B處理的大豆葉片Ci則顯著升高54.9%，花期和鼓粒期也有一定升高，但未達(dá)到顯著水平。

表3 UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)田間大豆葉片光合特性的影響

3 結(jié)論與討論

自然條件下，由于陽光中本身具有較強(qiáng)的UV-B輻射，大豆植株在田間條件下較在人工氣候室內(nèi)普遍顯得矮小粗壯。本試驗(yàn)中采用額外的15 μW/cm2UV-B輻射增強(qiáng)處理，對(duì)大豆的株高和干質(zhì)量產(chǎn)生顯著的抑制作用，但大豆植株仍能正常生長，說明這種輻射強(qiáng)度設(shè)置能夠滿足本試驗(yàn)需要。UV-B輻射增強(qiáng)造成的抑制在分枝期尚不明顯，但在花期和鼓粒期則非常明顯，說明UV-B對(duì)大豆生物量的影響是一種累加效應(yīng)。相對(duì)于其他植物(如葡萄)，大豆對(duì)UV-B輻射的耐受性相對(duì)較弱[9]。

大豆等夏季農(nóng)作物葉片的葉綠素含量與SPAD值具有極顯著的相關(guān)性，因此可以用其來表示葉綠素含量[13]。研究報(bào)道，UV-B輻射能降低葉綠素含量[3,7]，本試驗(yàn)中這一現(xiàn)象在分枝期尤為明顯，但在此后的花期和鼓粒期卻無明顯差異。這也許是因?yàn)槿~片厚度增加可能會(huì)降低UV-B輻射對(duì)葉片細(xì)胞的傷害[9]；同時(shí)長時(shí)間的UV-B輻射處理使葉片顏色呈褐色，對(duì)測(cè)定結(jié)果也有一定影響。

大豆耐受UV-B輻射的一種機(jī)制為葉片中產(chǎn)生大量的紫外吸收物質(zhì)。類黃酮是最主要的UV-B吸收物質(zhì)，它在植物中能形成一道理想的天然屏障，減少UV-B輻射對(duì)植物的傷害[8]。太陽光中的UV-B輻射使CK葉片產(chǎn)生大量的類黃酮，且隨著生育期推進(jìn)，類黃酮含量明顯增加；UV-B輻射增強(qiáng)處理后，葉片類黃酮含量較CK增加，以減輕UV-B對(duì)植物體的傷害。UV-B 輻射對(duì)膜傷害的解釋主要為自由基傷害學(xué)說[14-15]。MDA是膜脂過氧化作用的主要產(chǎn)物之一。較多的MDA 累積意味著脂質(zhì)過氧化程度的加重，UV-B輻射增強(qiáng)處理同樣使MDA含量升高，表明其對(duì)生物膜產(chǎn)生較多的傷害。

作物干物質(zhì)的絕大部分來自作物的光合作用，光合作用是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)。光合作用的相關(guān)指標(biāo)可以反映植物對(duì)光能的實(shí)際利用情況，而環(huán)境因素的變化通常首先對(duì)其產(chǎn)生影響[12,16-18]。本試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)大豆葉片光合特性的影響主要表現(xiàn)在抑制葉片凈光合速率，降低氣孔導(dǎo)度，使得CO2利用率下降。這與鄭有飛等[6]、張文會(huì)等[7]的結(jié)論一致。本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，UV-B處理對(duì)大豆葉片ΦPSⅡ的影響并不顯著，說明其對(duì)光系統(tǒng)Ⅱ功能的影響較小，這可能與葉片葉綠素含量變化較小有一定關(guān)系。

綜合分析可見，UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)大豆生長的影響主要體現(xiàn)在抑制葉片凈光合速率，降低氣孔導(dǎo)度，使得CO2利用率下降，最終抑制大豆生物量。

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Effects of Enhanced UV-B Radiation on the Growth and Photosynthesis Characteristics of Soybean(GlycinemaxMerr.) under Field Condition

Lü Zhiwei1,ZHANG Lingxuan1,WANG Jin2,WANG Jiefei1,ZHANG Wenhui1*

(1.School of Life Sciences,Liaocheng University,Liaocheng 252059,China; 2.School of Architecture & Civil Engineering,Liaocheng University,Liaocheng 252059,China)

To study the effects of enhanced UV-B radiation on biomass,chlorophyll content and photosynthetic indices of soybean(GlycinemaxMerr.),simulated treatments with enhanced UV-B radiation under field condition were applied and related indices were measured in this research.The results showed that,enhanced UV-B radiation inhibited the growth and development during flowering period(21.8% for plant height and 77.0% for dry weight) and seed-filling period(18.9% for plant height and 20.8% for dry weight).The UV-B radiation made the flavonoids content and malondialdehyde (MDA) content increase during branching period(61.7% and 35.2% respectively) and flowering period(28.9% and 37.4% respectively).The net photosynthetic rate was inhibited by 23.2%,35.9% and 20.8% during the three periods,respectively.The stomatal conductance was also inhibited and the intercellular CO2concentration was increased.The enhanced UV-B radiation mainly inhibited the content of chlorophyll during branching period(19.4%),but no significant effect on ΦPSⅡ was found.In conclusion,enhanced UV-B radiation showed significant inhibition effects on net photosynthetic rate,stomatal conductance and CO2assimilation rate,and the growth and biomass accumulations in soybean were finally decreased.

UV-B; soybean; flavonoids; photosynthesis characteristics; biomass

2015-07-09

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31200387)；聊城大學(xué)大學(xué)生科技文化創(chuàng)新基金項(xiàng)目(SF2013294)

呂志偉(1981-)，男，山東聊城人，副教授，博士，主要從事環(huán)境生物學(xué)研究。E-mail:laolv327@126.com

*通訊作者：張文會(huì)(1963-)， 男，山東聊城人，教授，博士，主要從事植物脅迫生理研究。E-mail:whzhang@lcu.edu.cn

S565.1

A

1004-3268(2016)01-0042-04