UV-B辐射强度对烟苗生长及抗氧化酶的影响

涂云，杨正聪，权佳锋，蔡昊城，柳文凤，杨东，任汝周，卢红*

(1.云南农业大学 烟草学院， 云南 昆明 650201； 2.云南中烟工业有限公司 技术中心， 云南 昆明 650202； 3.云南省烟草公司景东县分公司， 云南 普洱 676200; 4.山东中烟工业有限责任公司 青岛卷烟厂， 山东 青岛 266000)

云南是我国最大的优质烟叶产区，烟草产业位居云南五大支柱产业之首，为当地经济发展做出了重要贡献[1]，且长年为全国重点骨干品牌提供原料。云南地处低纬度高原[2]，地理位置特殊，平均海拔1 894 m左右，紫外线强度位居全国前列。而波长280～320 nm的紫外光称为UV-B区，UV-B紫外辐射对整个生物圈的植物影响最大，且随着臭氧层空洞达到地球表面的辐射量也显著增加。UV-B紫外辐射对植物形态及生物量的影响最显著和直接的就是植株矮化，在烟草、小麦[3]、番茄[4]和黄瓜[5]等作物中均观测到这一现象。朱素琴等[6]研究表明，UV-B胁迫对于植物的叶面积、叶片数、茎围、主根长和侧根数都有不利的影响，最终影响植物乃至植物群体的生物量。陈建军等[7]通过对20个大豆品种研究发现，UV-B辐射降低了大豆根、茎、叶以及籽粒的生物量，最终各个品种大豆的总生物量均呈不同程度的下降，与MAZZA等[8]的研究结论一致。可能原因是植物通过改变自身形态从而减少UV-B辐射的影响。左敏等[9]研究发现，低剂量的UV-B辐射使烟株株高及主根长增长，茎秆变粗，说明低剂量辐射可能对烟苗的生长有利。对于植物的抗氧化性系统酶方面，欧阳磊等[10]研究发现，经UV-B照射后的烟叶，SOD及POD活性均显著高于对照，而CAT活性呈先升后降趋势。龙云等[11]报道，UV-B辐射使玉米幼苗的CAT活性下降，SOD活性呈先升后降趋势，POD活性则明显高于对照。荞麦在经过UV-B处理后，其PPO活性呈大幅度上升趋势。张新永等[12]研究发现，2个马铃薯品种保护酶对UV-B辐射的敏感性存在差异。总体上看，植物抗氧化酶系统对UV-B辐射的响应因种间和种内差异具有一定的波动性。目前，大部分对于该方向的研究均采用大田栽培或者温室盆栽方式进行，鲜见关于UV-B辐射对烟苗生长发育影响方面的研究报道。为此，通过人工模拟试验，研究UV-B辐射强度对烤烟烟苗生长发育和抗氧化酶活性影响，为生产应用提供科学依据。

1材料与方法

1.1材料

烤烟品种：K326和红花大金元(以下简称红大)，云南农业大学烟草学院提供。

辐照灯管：UV-B灯多支(功率15 W，中心波长313 nm)，南京华强电子有限公司生产。

辐照检测计：手持式单通道UV-B紫外辐照计，北京师范大学光电仪器厂。

1.2方法

试验于2018年2月20日在云南农业大学稻作所温室进行育苗(海拔1 900 m)，10 d后出苗，待苗龄30 d后通过悬挂UV-B灯管，调整灯管与烟苗的距离。分别设0μW/cm2(CK)、35 μW/cm2(T1)、60 μW/cm2(T2)、85 μW/cm2(T3)和110 μW/cm2(T4) 5个辐射强度处理，随烟苗生育进程，通过调整该距离以保证各处理辐射强度前后一致。每日19:30-20:30照射60 min，12 d为1个周期，连续处理3个周期。育苗过程严格按照漂浮育苗技术规程进行。

1.3指标测定

每个周期(12 d)选取各处理长势基本一致的烟苗5株，测定其叶片抗氧化酶〔过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和多酚氧化酶(PPO)〕活性，3次重复，连续测定3个周期。POD测定采用愈创木酚法[13]〔以A470变化0.5/min为1个活力单位(U)〕，SOD测定参照文献[14]的方法进行，采用氮蓝四唑光化还原法〔以反应中抑制百分率为50%时，定义为1个酶活力单位(U)〕，CAT测定采用紫外吸收法[13]〔以催化1 nmol/min H2O2降解定义为1个酶活力单位(U)〕，PPO测定参照文献[15]的方法并加以改进〔以A525变化0.005/min为1个酶活力单位(U)〕。酶活性单位均表示为U/mg。

成苗后，随机选取各处理幼苗10株，参照行业标准YC/T 142-2010测定烟草农艺性状。随后将烟苗置于70℃恒温烘箱内烘干至恒重，测定其总干重及根冠比。

1.4数据处理

采用Excel 2013进行数据处理及绘图，通过SPSS 19.0进行Duncan新复极差法多重比较以及Pearson相关性分析。

2结果与分析

2.1UV-B辐射处理对烤烟幼苗生长的影响

从表1可知，UV-B不同辐射强度处理K326和红大各生长指标的变化。K326：株高、最大叶面积及主根长T1～T4较CK均明显下降，处理间差异显著；茎围T1与CK接近且相对最大，分别为1.58 cm和1.57 cm，二者差异不显著，其余UV-B处理均显著低于CK；总干重及根冠比较CK均显著降低，各处理总干重较CK分别降低19%、49%、90%和177%，干物质积累明显减少。红大：茎围、主根长和根冠比T1～T4较CK均呈先升后降趋势，均以T1最大，分别为1.46 cm、14.34 cm和15.76%，茎围T1与CK及其余处理间差异显著，主根长和根冠比T1与CK间差异不显著。总干重T1～T4较CK分别下降12%、43%、113%和157%，降幅低于K326。总体上看，UV-B辐射使烟苗矮化，茎围、叶面积和主根长显著减少，但低剂量UV-B辐射可促使烟苗变粗壮，呈矮壮、紧凑的株型。UV-B辐射显著降低烟株的生物量，根冠比较大的植株有利于应对环境胁迫，2个烤烟品种的变化趋势大致相同，但红大表现出更强的适应性。

表1UV-B辐射处理烤烟幼苗的生长情况

注：各品种同列不同大、小写字母分别表示差异达极显著水平(P<0.01)和显著水平(P<0.05)。

Note: Different capital and lowercase letters in the same column indicate significant difference at 1% and 5% levels.

2.2 UV-B辐射处理对烤烟烟苗抗氧化酶活性的影响

2.2.1过氧化物酶(POD)从图1看出，UV-B辐射处理2个烤烟品种POD活性较CK均显著升高，且与辐射强度呈极显著正相关。42 d时，UV-B辐射处理2个烤烟品种POD活性显著高于CK，K326各处理间呈先升后降趋势，T4的POD活性呈抑制作用；红大POD活性随着UV-B辐射的增强而升高，各处理间差异显著。54 d时，红大POD活性T4较CK增长5.76倍，而K326依次为T3>T4>T2>T1，其POD活性T3较CK增长3.98倍。66 d时，红大各处理POD活性虽然仍显著高于CK，但T3、T4较前一周期相同处理低。K326的T3和T4也较前一周期相同处理低。表明，烤烟POD对UV-B辐射响应十分敏感，提高UV-B辐射强度可显著提高烤烟POD的活性，但在高强度辐射且延长辐射时间又对POD活性具有抑制作用，而这种变化在不同品种间存在差异，红大对UV-B辐射的响应更为敏感，耐受阈值也高于K326。

2.2.2超氧化物歧化酶(SOD)从图2可知，随着UV-B辐射强度的增大，2个品种烟苗SOD活性变化趋势有所不同。42 d时，UV-B辐射处理K326的SOD活性均显著高于CK，且随辐射强度增强而升高；红大UV-B辐射处理也显著高于CK，以T3的SOD活性最高。54 d时，UV-B辐射处理K326以T1的SOD活性最高，之后随着辐射增强而降低；红大以T3的SOD活性最高，T4显著低于T2与T3。在66 d时，UV-B辐射处理K326以T1的SOD活性最高，之后开始下降，T3、T4显著低于CK；红大以T3的SOD活性最高，T2显著高于CK，T4则显著低于CK。总体上看，烤烟SOD对UV-B辐射响应十分敏感，在UV-B照射前期，SOD活性均呈升高趋势并显著高于CK，但随着UV-B辐射处理时间的延长，后期SOD活性显著低于CK，K326其辐射临界强度为35 μW/cm2(T1),红大临界强度为85 μW/cm2(T3)。表明红大比K326对UV-B辐射强度的耐受性更强。

图 1 UV-B辐射处理K326和红大的过氧化物酶活性

图 2 UV-B辐射处理K326和红大超氧化物歧化酶(SOD)的活性

2.2.3过氧化氢酶(CAT)从图3看出，42 d时，UV-B辐射处理2个品种CAT活性均显著高于CK；K326，T3与T4间差异显著，且二者与T1、T2间差异显著，T1与 T2间差异不显著；红大，各辐射处理间无显著性差异。54 d时，UV-B辐射处理K326以T3的CAT活性最大，呈先升后降的趋势；红大，随UV-B辐射强度增强其CAT活性呈上升趋势，各辐射处理间差异显著，T4的CAT活性是CK的1.86倍，该时期K326与UV-B辐射强度相关性不显著(r=0.231)，而红大则与之呈极显著正相关(r=0.947**)。66 d时，K326的CAT活性与UV-B强度呈显著负相关(r=-0.530*)，呈先升高后降趋势，以T2的CAT活性最高，之后降低，同时低于上一个时期相同处理。红大的CAT活性呈先升后降趋势，以T3的CAT活性最高，T4显著低于CK，但CAT活性与UV-B强度相关性不显著(r=0.143)，且各辐射处理低于上一个时期相同处理，呈抑制作用。CAT是响应UV-B辐射较为敏感的一类酶，短期处理时增长显著，而处理时间延长，辐射强度增加的情况具有抑制作用，UV-B辐射对K326的CAT活性抑制效果较红大明显，其后期呈显著的负相关。

图3UV-B辐射处理K326和红大的过氧化氢酶活性

2.2.4多酚氧化酶(PPO)从图4看出，随着UV-B辐射强度的增大，2个烤烟品种(K326的66 d时除外)PPO活性在整个处理时期均呈升高趋势。42 d时，K326和红花大金元PPO活性UV-B辐射处理均显著高于CK，且均随UV-B辐射增强而升高。54 d时，K326和红大PPO活性UV-B辐射处理较CK分别升高23%、27%、40%、109%和52%、102%、144%、153%，其增幅红大明显大于K326；表明红大对UV-B辐射的生理响应力更强。66 d时，不同处理K326的PPO活性以T2最高，随UV-B辐射强度的增大呈先升高后降低趋势，但UV-B辐射处理均显著高于CK。可能原因：随着辐射时间的延长，K326在T3和T4辐射强度时已达其耐受阈值，从而呈下降趋势；而红大的PPO活性仍随UV-B增强而升高，表明其对UV-B辐射的耐受性更强。

图4 UV-B辐射强度K326和红大的多酚氧化酶活性

3 结论与讨论

3.1 UV-B辐射对烤烟农艺性状的影响

UV-B辐射已成为作物在自然环境下最常遭遇的环境胁迫，植物通过改变自身生长形态以适应其环境胁迫[16]。试验结果表明，低强度UV-B辐射2个品种烟苗矮壮，部分指标优于CK，这与CHOUDHARY等[17]的结论相符。高强度UV-B辐射后，各处理烟苗生长显著低于CK。究其原因：UV-B破坏了植物内源激素IAA，使其光降解，而IAA是促进节间伸长的关键激素，从而出现植株的矮化现象[18]。另外，高强度UV-B辐射在烟株茎围、叶面积和主根长方面均较CK显著降低，且随着辐射剂量的加大，降幅明显，形成了矮小、粗壮和紧凑的株型。另外，UV-B辐射显著抑制烟株的生物量，辐射强度越强，烟苗的生物量越低，植株干物质积累越少，但低强度UV-B辐射2个品种烟苗还维持了一定的根冠比，红大略优于CK。这些变化都是植物的应激反应，以此应对环境胁迫，在番茄[4]、黄瓜幼苗[5]和水稻[19]等作物上均观观察到类似的变化。研究结果表明，在2个品种烟苗的生长方面，K326与红大稍有不同，但总体趋势一致，呈低促高抑趋势，低强度的UV-B辐射可使烟株更为粗壮，生产上可通过适当增补UV-B辐射培育壮苗，预防高脚苗。

3.2UV-B辐射对植物抗氧化酶的影响

赵天宏等[20]研究表明，UV-B胁迫可显著提升植物的自由基水平，积累过多的O2-、OH-和H2O2等自由基，从而导致活性氧代谢系统的紊乱，活性氧损伤加剧，最终造成膜系统被破坏。植物的抗氧化酶系统通过一系列生理生化反应，清除过多的自由基，使植物体内的自由基维持其正常的生理水平，从而减轻或恢复UV-B胁迫造成的损伤。

POD是植物抗氧化酶系统中一类非常重要的氧化还原酶的统称。杨晖等[21]研究发现，番茄幼苗的POD活性随UV-B辐射的增强而上升。研究结果表明，UV-B辐射烟苗早期的POD活性也呈相同的趋势，红大增幅大于K326，表明红大对UV-B辐射的生理响应力更强。随着处理时间延长，高辐射强度下烟苗的POD活性受到抑制，且低于上一个处理周期，总体呈先升后降趋势，与李惠梅等[22]的研究结果一致。表明POD的双重性：一方面，POD在逆境初期具有清除自由基的功效，表现出保护效应；另一方面，POD在逆境后期参与活性氧的生成，引发膜脂化反应，呈伤害效应。SOD在植物体内主要将O2-歧化为H2O和H2O2，以达到清除自由基的目的。刘敏等[23]研究发现，经UV-B辐射的烟叶SOD活性显著上升，观察其同工酶图谱发现，各辐射处理相较CK增加1条同工酶谱带，表明UV-B辐射使SOD活性上升是因为诱导了新的同工酶的表达。研究结果表明，2个品种烟苗SOD活性均呈先促后抑趋势，前期变化趋势与刘敏等的结论一致，后期则出现了抑制作用。究其原因：可能是长时间、高强度的UV-B辐射已经对烟苗产生伤害效应。另外，K326与红大的辐射处理存在临界强度，当超过这一强度时，SOD活性即开始下降，呈抑制效应，而红大的临界强度高于K326，表现出对UV-B辐射的耐受性更强。2个品种烟苗CAT活性呈处理前期升高后期下降的趋势。究其原因：CAT具有猝灭H2O2自由基的作用，而H2O2是SOD歧化作用的产物之一，UV-B辐射胁迫下，烟株体内积累了大量的O2-，诱导SOD活性升高，同时CAT的活性也随之升高[24]，而在逆境后期，当植株体内的活性氧因UV-B辐射刺激而过度积累，导致其破坏植株活性氧系统的平衡，而对机体产生损害，使CAT的部分活性丧失，表现出下降趋势。与施溯筠等[25]的研究结论相近，且还观察到CAT同工酶谱上新的同工酶谱带的生成。PPO活性在植物体内能够催化氧化多酚类化合物形成醌来抵御外界不良环境[15]。研究结果表明，红大PPO活性在整个处理时期均呈上升趋势，在前中期各处理K326的PPO活性也呈上升趋势，但长时间高强度辐射下部分处理呈抑制作用，但仍显著高于CK，2个品种间PPO活性存在差异；红大对UV-B辐射的响应能力和耐受性较K326更强，其耐受阈值更高。究其原因：红大是云南省石林县路美邑村烟农从大金元的自然变异株中选择[26]，经云南省烟草科学研究所系统选育而成的优良品种，选育过程需要能够适应云南省低纬、高海拔、强紫外线的生态环境，而K326是1985年从美国引进云南，所以红大对UV-B辐射胁迫的适应性优于K326。另外，4种抗氧化酶对于UV-B辐射的响应在不同时期和不同强度下存在差异，抗氧化酶在UV-B胁迫下的协同作用还有待进一步深入研究。