UV-B辐射增强对滇杨和川杨生长及生理特性的影响*

杨春勐，代微然，任健，马向丽

(云南农业大学 草业科学系，云南 昆明650201)

UV-B辐射增强对滇杨和川杨生长及生理特性的影响*

杨春勐，代微然，任健，马向丽

(云南农业大学 草业科学系，云南 昆明650201)

在田间利用紫外灯补充紫外线B辐射(UV-B)2.5KJ/(m2·d)和5.0KJ/(m2·d)，模拟云贵高原臭氧层被破坏10%、20%后UV-B增加的情况，从形态和生理方面研究不同海拔的滇杨(2 430m)和川杨(3 300m)扦插苗对UV-B增强的响应。结果表明,UV-B增强对滇杨和川杨的芽数量、叶绿素b含量及植株上部的吲哚乙酸(IAA)、玉米核苷(ZR)及脱落酸(ABA)的含量均没有明显影响，显著降低了川杨赤酶素(GA)含量(P<0.05)。2.5KJ/(m2·d)和5.0KJ/(m2·d)UV-B辐射均显著降低了滇杨的植株高度、节间长度、叶绿素a及总叶绿素含量，对过氧化物酶(POD)的活性没有影响；而川杨只在5.0KJ/(m2·d)UV-B辐射下才显著降低了株高和节间长度。可见，对于UV-B辐射增加，来自高海拔的川杨比低海拔的滇杨受的影响小，且通过提高POD活性的方式降低胁迫带来的不利影响，因而表现出了更强的耐性。

滇杨;川杨；UV-B辐射；赤酶素；过氧化物酶;叶绿素含量

20世纪以来，人类活动排放的大量氮氧化合物和氟氯烃类化合物(CFC’s)进入臭氧层后，使得臭氧层减薄，导致到达地球表面的UV-B辐射(280～320nm)增加[1]。尽管UV-B辐射在太阳光中的比例不到5%，但其能量高，能够被核酸、蛋白质及脂类等大分子物质吸收[2]，它的增加将对植物的光合作用、生物量及其生态系统的功能等产生潜在的影响[3～4]。植物在生长过程中，光合器官不可避免地暴露在UV-B辐射的照射下，研究发现UV-B增强不仅降低了叶绿素的含量[5]，而且损伤了叶绿体结构[6]，从而对叶片净光合作用产生不利的影响[7]。Langebartels等[8]指出，UV-B辐射增加诱导了反应性活性氧(Reactive oxygen species,ROS)的形成，造成脂类及蛋白质的氧化。UV-B增强还降低了黄松(Pinusponderosa)、红栎树(Quercusrubra)、毛果杨(Populustrichocarpa)的茎直径和生物量积累，不过受影响的程度与植物种类有关[9]。面对UV-B辐射增强，一些植物可以通过增加单位叶面积重量、提高黄酮类化合物含量[10]或提高抗氧酶活性[11]等方式降低胁迫的影响。

目前，关于UV-B辐射对植物的影响多集中于草本植物，对树木的影响研究相对较少，对杨树的研究更有限。杨树属于杨柳科(Salicaceae)杨属(Populus)，是世界上分布最广、适应性最强的树种之一。有研究表明，UV-B辐射增强降低了美洲黑杨(P.deltoidesBartr.ex Marsh)、青杨(P.cathayanaRehder)、康定杨(P.kangdingensisC.Wang et Tung)的植株高度和生物量[12～13]。UV-B辐射强度通常随着海拔的增高而增加[14]。关于高海拔地区生长的杨树和低海拔地区生长的杨树对于UV-B增强的适应性的研究尚较少，而且UV-B辐射对植物的影响研究大多是在温室中进行。由于室内外的光谱成分存在差别，人工补充的UV-A和PAR往往超过自然光，相比而言，田间UV-B辐射与可见光的比例更能反映光谱组成的实际情况[15]。为此，以不同海拔生长的川杨和滇杨的枝条为材料，经UV-B辐射增加后，在田间自然环境中进行实验，了解UV-B增强对植物形态和生理指标的影响，以认识不同海拔生长的杨树对UV-B增强的响应差异。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验设计

1.1.1 试验地概况

试验地点位于云南农业大学教学实习基地(25°22′N，102°02′E)，海拔为1 913m，属北亚热带高原季风气候，干湿季分明，年均温14.7℃，年均降水量960～1 100mm，最低降水量702.7mm，最高降水量1 274mm，降水量主要集中于7-9月。试验用土为山地红壤，pH6.7，有机质含量1.74%，有效氮含量116.67mg/kg，速效磷33.11mg/kg，速效钾65.2mg/kg。

1.1.2 材料

供试滇杨采自云南省丽江市拉市海乡(2 430m)，川杨采自云南省香格里拉县小中甸镇(3 300m)。2014年2月下旬，将野外采集到的2年生休眠枝条剪成含有2～3个休眠芽的枝条(长度为20cm左右)，然后扦插到试验地里。4月初选择健壮、无病虫害、大小、高度及生长势基本一致的扦插苗，移栽到塑料花盆(5L)中，3周后开始UV-B增强试验。

1.1.3 试验设计

试验因素包括树种和UV-B，其中树种有滇杨和川杨两个水平；UV-B有3个水平：对照(不补充UV-B)、2.5KJ/(m2·d)(模拟云贵高原臭氧层衰减10%)、5KJ/(m2·d)(模拟云贵高原臭氧层衰减20%)，共有6个处理，每个处理重复4次。试验中将40W紫外灯(北京电光源所提供)悬于植株上方补充UV-B辐射，根据手持式紫外辐照计测定UV-B的强度来调节灯管与植株顶端之间的高度，在2.5、5KJ/(m2·d)处理中，苗木与灯管之间的距离分别是60cm和40cm。对照处理中，在紫外灯外面包裹聚酯膜将UV-B过滤。试验中除雨天外，每天从9：00到17：00开紫外灯8h。试验中每个扦插苗保留1个顶芽，且定期旋转盆的方向，以缩小微环境的影响。UV-B辐射处理的时间是4月到10月，从10月初开始相关指标的测定。

1.2 形态和生理指标测定方法

1.2.1 形态指标

包括株高、节间长度、芽的数量等，其中株高(cm)是指插条新生主枝的长度。

1.2.2 常规生理指标

叶绿素含量 在植株上部第4片叶位置取样(以下相同)。称取0.1g碎叶片，然后加入25mL的N,N-二甲基甲酰胺，放置暗处，浸提24h。在波长647、664.5、674nm下比色，方法参照Inskeep等(1985)[16]。

过氧化物酶(POD) 称取0.2g叶片在6mL提取液〔50mmol/L Na2HPO4-NaH2PO4缓冲溶液pH7.0，1mmol/L EDTA，1%(W/V)不溶性聚乙烯吡咯烷酮〕中研磨成匀浆，在4℃，15 000r/min离心20min，取上清液利用愈创木酚法进行酶活性测定[17]。

激素含量 称取植株顶端的幼嫩组织0.2～1.0g，加2mL样品提取液(80%甲醇，内含1mmol/L二叔丁基对甲苯酚)研磨成匀浆，离心、过柱，在96孔酶标板，加入样品及抗体，与标准品进行比较，采用酶联免疫法进行IAA、GA、ZR、ABA的测定[18]。

1.3 数据处理与统计方法

利用SPSS 19.0软件对试验数据进行两因素和单因素的方差分析(ANOVA)，其中两因素分析用于比较UV-B增强的效应(U)、树种的效应(S)；在滇杨和川杨处理中分别进行单因素方差分析，若处理间差异显著，则利用S-N-K检验(Student-Newman-Keuls multiple range test)进行处理和对照之间的比较。图表中不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。利用Excel 软件进行图的绘制。

2 结果与分析

2.1 UV-B辐射增强对滇杨的影响

从图1可以看出，经过2.5和5KJ/(m2·d)的UV-B处理，滇杨的平均植株高度、平均节间长度较对照明显降低，其中株高下降了29%和51%。但芽的数量没有受到明显影响。

图1 UV-B增强对滇杨和川杨植株平均高度、芽的数量和节间长度的影响

项目UV-B辐射强度/KJ·m-2·d-1叶绿素a/mg·gDW-1叶绿素b/mg·gDW-1总叶绿素/mg·gDW-1过氧化物酶/μg·gFW-1·min-1滇杨P.yunnanensis06.76±0.40a2.75±0.40a8.61±0.74a127.10±6.00a2.55.32±0.30b2.31±0.20a7.03±0.27ab144.80±5.00a5.03.63±0.50c1.70±0.30a5.15±0.86b162.90±15a 川杨P.szechuanica04.14±0.31a1.82±0.13a5.42±0.40a153.10±7.10b2.54.94±0.58a2.24±0.25a6.53±0.75a162.70±12.10a5.04.11±0.49a1.81±0.13a5.43±0.64a326.10±17.10aP>FUV-B0.0080.0760.0420.001P>Species0.0370.1510.0530.002P>FUV-B×Species0.0110.1040.0480.001

注：表中数值系平均数±标准误，以下相同。

由表1可知，UV-B增强明显降低了滇杨叶片中叶绿素a的含量(P<0.05)，且降低程度与UV-B辐射强度大小有关。例如5.0KJ/(m2·d)、2.5KJ/(m2·d)的UV-B处理下，叶绿素a分别降低了46%。与叶绿素a相比，UV-B增强对叶绿素b的影响不显著P>0.05)。另外，UV-B辐射增强后叶片的过氧化物酶活性没有发生显著变化(P>0.05)。

2.2 UV-B辐射增强对川杨的影响

从图1可知，UV-B增强对川杨植株芽的数量并没有显著影响，不过对植株高度、节间长度产生了一定的影响，且影响程度与UV-B强度有一定关系。5KJ/(m2·d)的UV-B处理使川杨植株高度、节间长度明显下降(P<0.05)，较对照分别下降了48%和49%；而2.5KJ/(m2·d)处理与对照二者的之间差异并不显著(P>0.05)。

表2 不同UV-B处理下滇杨和川杨吲哚乙酸、赤酶素、玉米核苷、脱落酸含量

从表1来看，与对照相比，无论是2.5KJ/(m2·d)的UV-B处理，还是5KJ/(m2·d)处理对川杨叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量的影响并不显著(P>0.05)，但显著地提高了过氧化物酶的活性(P<0.05)。从表2可以看出，在增强UV-B的作用下，激素的变化与其种类有一定的关系。在两种UV-B辐射处理下，川杨GA的含量显著降低，相比而言，IAA、ZR、ABA含量的变化不明显。

3 结论与讨论

从试验结果来看，臭氧层衰减20%后增加的UV-B辐射〔5KJ/(m2·d)〕对杨树的生长、生理生化的影响更为明显。在5KJ/(m2·d)UV-B辐射处理下，滇杨和川杨的株高和节间长度均显著降低，由于芽的数量没有发生明显变化，因而株高的降低可以归结于节间长度的缩短。有研究表明植物节间长度的变化受到赤霉素(GA)的调控[19]，GA含量降低将抑制枝条的伸长[20]。本文中，UV-B增强显著降低了川杨GA的含量(P<0.05)，进一步验证了UV-B增强对株高的抑制作用与GA含量有较大的相关性；考虑到树木生长受多种因素的影响，其变化规律还有待进一步研究。脱落酸(ABA)可以增强植物抵御逆境的能力，不过UV-B增强下并没有观察到滇杨和川杨中ABA的显著变化，这一点与青杨、康定杨中的研究结果相一致[21]。

UV-B辐射增强，滇杨与川杨的响应有一定的差异。例如，无论是5.0KJ/(m2·d)UV-B，还是2.5KJ/(m2·d)UV-B都显著地降低了滇杨的株高和节间长度，而川杨只受到5.0KJ/(m2·d)UV-B的影响。同样，UV-B辐射增强显著地降低了滇杨的叶绿素a含量，而川杨的变化不明显。叶绿素是光能吸收、传递、转换的重要色素，UV-B辐射导致叶绿素含量的降低，原因可能是叶绿素合成受阻或类囊体膜受损[22]。据师生波等研究[23]，在UV-B辐射增强的情况下高山植物麻花艽(Gentianastraminea)叶绿素受到的影响较小，说明叶绿素的变化趋势与植物对UV-B辐射的耐性有一定的相关性。另外，观察到UV-B增强显著地提高了过氧化酶(POD)在川杨中的活性，且明显高于滇杨(P<0.001)；相反，POD在滇杨中的变化不明显。POD是植物抗氧化系统中重要的酶类，在一定程度上阻止功能膜及酶系统的破坏，与过氧化氢酶(CAT)共同作用将H2O2维护在一个较低的水平[24]。据Mackerness[25]研究，抗氧化酶活性增强有助于清除UV-B增强产生的活性氧，从而减少对蛋白质、脂类的氧化作用。因此，与滇杨相比，川杨叶片中POD活性的增加有利于减轻活性氧带来的氧化作用，维护细胞正常的功能。

对于UV-B增强，滇杨和川杨在响应上的差别，可能与二者原产地的UV-B环境有关。UV-B辐射强度随纬度、海拔等的变化而变化，高海拔的植物长期适应于高的UV-B环境[14]。试验中，川杨来自于高海拔地区(3 300m)，适应于当地的高的UV-B辐射环境之中，因而对于UV-B辐射增强表现出了较强的耐性。不过，当UV-B强度增加到一定程度时，例如臭氧层衰减20%时，川杨的株高、节间长度同样受到抑制，说明这个强度超过了川杨所能忍耐的范围。

总之，在田间环境下，UV-B辐射增强对滇杨和川杨芽的数量、叶绿素b含量及植株顶部的IAA、ZR及ABA的含量均没有产生显著影响，不过显著地降低了川杨GA的含量。对于UV-B辐射增强，来自低海拔的滇杨受到影响较大，相比之下，高海拔的川杨可以通过调节抗氧化酶的活性等方式来减少UV-B胁迫的不利影响，维持光合色素的稳定性，表现出了较强的耐性。

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Effects of Enhanced Ultraviolet-B Radiation on Growth and Physiological Characteristics ofPopulusyunnanensisandPopulusszechuanica

YANG Chun-meng,DAI Wei-ran,REN Jian,MA Xiang-li

(Department of Grassland Science,Yunnan Agricultural University,Kunming Yunnan 650201,P.R.China)

In order to understand the effects of enhanced UV-B radiation on the growth and physiological responses ofPopulusyunnanensisandP.szechuanicaat different altitudes of 2 430 m～3 300 m,the 10% and 20% ozone depletion in Yunnan-Guizhou Plateau were simulated by using the UV-B radiation with ultraviolet lamp supplement of 2.5 KJm-2day-1and 5 KJ m-2day-1in the field.The results showed that enhanced UV-B radiation had little effect on bud number,chlorophyll b concentration,and IAA,ZR and ABA concentration in upper plants of two tested species whereas GA concentration was significantly reduced(P<0.05).Plant height,internode length,and chlorophyll a and total chlorophyll concentration ofP.yunnanensiswere significantly reduced by both 2.5 KJ m-2day-1and 5 KJ m-2day-1treatments,whereas little effect was observed in the Peroxidase activity(POD).In contrast,forP.szechuanica,plant height and internodes length were only significantly decreased by 5 KJ m-2day-1UV-B radiations.This study indicated thatP.szechuanicaoriginating from high altitude was less affected by enhanced UV-B radiation thanP.yunnanensisfrom low altitude;moreover,stress could be reduced through increase of POD activity inP.szechuanica.Therefore,P.szechuanicashowed a greater tolerance to enhanced UV-B radiation.

Populusyunnanensis;P.szechuanica；UV-B radiation;GA;POD;chlorophyll content

10.16473/j.cnki.xblykx1972.2016.06.014

2015-12-28

国家自然科学基金项目“不同海拔梯度的滇杨对模拟增温和UV-B辐射增强的响应”(31260167)资助。

杨春勐(1989-)，男，硕士生，主要从事树木生理生态研究。E-mail：yangchunmeng1989@163.com

简介：任健(1971-)，男，副教授，博士，主要从事气候变化对植物生理生态的影响研究。E-mail：renjian172@126.com

S 792.11

A

1672-8246(2016)06-0079-06