UV-B辐射增强对3种湿地植物叶片紫外吸收物质含量的影响

李发奎，褚 润，陈年来

（甘肃农业大学资源与环境学院，兰州730070）

由于大气同温层臭氧层逐渐被破坏，照射到地球表面的太阳UV-B辐射强度逐渐增加，对全球生态系统及植被产生不同程度的影响［1］。增强的UV-B辐射可强烈影响植物次生代谢过程或诱导次生物质关键酶的表达［2］，导致植物组织紫外吸收物质含量增加，植物表皮细胞的紫外线穿透性变弱，植物对UV-B辐射的防御能力得到强化［3］。紫外吸收物质是植物次生代谢的产物，主要包括酚类化合物（如类黄酮、黄酮醇、花色素苷）及烯萜类化合物（如类胡萝卜素、树脂等）［4］，具有降低植物UV-B辐射损伤的保护作用。UV-B辐射增强能够提高植物叶片中类黄酮和类胡萝卜素等紫外吸收物质含量［5～7］。类黄酮物质可以吸收 UV-B辐射，减少UV-B对核酸、蛋白质等大分子的破坏作用［8］。UV-B辐射增强后，植物体内的4-羟基黄酮等可转变成能够清除氧化自由基的保护性黄酮，从而使UV-B辐射增强诱导的氧化胁迫降低［9］。UV-B辐射增强能够使山毛榉（Fagus longipetiolata）叶片中类黄酮糖苷和槲皮素等黄酮类物质的含量升高［6］。3 kJ/m2·d UV-B辐射条件下，美丽胡枝子（Lespedeza bicolor Turcz）叶片类黄酮含量高于对照23.49%［7］。类胡萝卜素分子中共轭双键的存在是决定吸收在光谱紫外区域的主要因素，一方面可吸收过多的光能以避免叶绿素的光氧化；另一方面，可通过直接吸收紫外线辐射从而减少紫外线对植物的伤害［10］。夏枯草 （Prunella vulgaris L.）幼苗在不同强度UV-B辐射下类胡萝卜素含量显著高于对照［11］。铁皮石斛 （Dendrobium officinale Kimura et Migo.）叶片类胡萝卜素含量在UV-B照射初期会有所提高，但随着高强度的UV-B辐射时间延长会使叶片细胞遭到破坏，类胡萝卜素含量急剧降低［12］。印度参（Withania somnifera Dunal.）在 UV-B辐射增强（3.6 kJ/m2·d）条件下，叶片中的类胡萝卜素含量呈先增加后降低的趋势［13］。增强UV-B辐射降低了景天三七（Sedum aizoon L.）中叶绿体接触、吸收和传递光能的能力，叶片中类胡萝卜素含量低于对照［14］。

目前关于湿地植物对增强UV-B辐射响应的研究较少，且多数试验是在实验室进行，缺少野外观测数据［15］。本试验通过室外模拟湿地系统研究UV-B辐射增强条件下香蒲（Typha orientalis Presl.）、芦苇（Phragmites australis Cav.）和鸢尾（Iris tectorum Maxim.）叶片紫外吸收物质含量的变化，以为研究植物对增强UV-B辐射的防御机制提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年5～6月在甘肃兰州进行，该地区夏季晴天UV-B辐射均值为20.0μw/cm2。

1.2 模拟湿地系统

建造尺寸为3 m（长）×1 m（宽）×1 m（高）垂直潜流型湿地9个（图1）。为防止渗透，用砖将湿地底部和四周砌筑。湿地内部填充不同级配基质。基质层总高95 cm，基质选用表层土壤、粗砂、卵石，从上至下依次为表层土壤30 cm，粗砂25 cm，小粒径（1～2 cm）卵石20 cm，大粒径（3～5 cm）卵石20 cm。

图1 模拟湿地系统Fig.1 W etland simulation system

1.3 植物材料

试验所用植物材料为3种湿生植物：香蒲、芦苇和鸢尾，每块湿地均匀栽种各1 m2、30株。

香蒲（Typha orientalis Presl.），多年生水生或沼生草本植物。根状茎乳白色，地上茎粗壮，叶片条形，光滑无毛。较耐寒，为湿地常见植物［16］。

芦苇（Phragmites australis Cav.），多年水生或湿生的高大禾草，根茎粗壮，秆细长木质化，叶带状扁平。喜光，耐盐碱性较强，是湿地主要植物之一［17］。

鸢尾（Iris tectorum Maxim.），多年生草本植物，根状茎粗壮，叶基生，稍弯曲，中部略宽，宽剑形。喜阳光充足，耐寒性强，是寒区湿地常见植物［18］。

1.4 UV-B辐射处理

将紫外灯平行悬挂于植株上方用以模拟UVB辐射处理，波长小于290 nm的UV-C辐射波长用乙酸纤维素膜包裹灯管滤去。试验期间，为保持辐射强度的稳定，以植物生长情况为准及时调节植株与灯管间的距离，用UV-B辐射计（北京师范大学光电仪器厂生产）测定紫外辐射强度，间隔时间1周。UV-B辐射连续处理30 d（除阴雨及多云天气），处理时间每天8 h（9：00～17：00）。

试验设置CK（兰州地区自然光照的UV-B水平，平均为20.0μw/cm2）、低UV-B辐射处理R1（平均为25.0μw/cm2）、高 UV-B辐射处理 R2（UV-B强度为30.0μw/cm2）。每个处理3次重复，共9个小区。小区面积3 m2，每个小区10株植物。

1.5 测定指标与方法

1.5.1 类黄酮

类黄酮含量测定参照 Lois［19］的方法，并作适当改进。将叶片剪碎混匀，称取0.1 g放入试管中再加入10 mL 80%乙醇溶液，水浴30 min（在55℃条件下）后取出，立即在冰水中冷却。用80%乙醇调零，室温下在334 nm处测定提取液的吸光值。类黄酮物质的含量以每克叶片鲜重的吸光值来表示。

1.5.2 类胡萝卜素

准确称取各植物叶片0.1 g，剪成碎片混匀，放入25 mL具塞试管中，加入0.5 mL纯丙酮和10 mL 80%丙酮，室温避光萃取24 h，12 h振荡1次，直至叶片完全变白。以80%丙酮为对照调零，用紫外分光光度计在470、645、663 nm波长下测定 OD值。根据高俊凤［20］的方法计算类胡萝卜素含量。

类胡萝卜素浓度Ccar=（1000×OD470-3.27×Ca-104×Cb）/229

色素含量（mg/g）=色素浓度×提取液体积×稀释倍数/（1000×样品鲜重）

1.6 数据统计及分析

运用SPSS34.0软件中的单因素ANONA检验对数据进行方差分析，采用新复极差法（Duncan）比较不同处理间的差异显著性（α=0.05），采用Excel 2016软件对数据进行整理及作图。

2 结果与分析

2.1 叶片类黄酮含量变化

试验期间，3种湿地植物叶片的类黄酮含量总体变化趋势为：高辐射处理下先增加后降低，低辐射和对照条件下持续增加（图2～4）。高辐射处理下，芦苇和鸢尾叶片类黄酮含量于第7天、香蒲叶片类黄酮含量于第14天达到最高，分别比对照升高49.56%、34.93%和37.89%；试验期间3种植物叶片平均类黄酮含量分别比对照提高33.85%、31.77%和20.18%。低辐射条件下，3种湿地植物叶片类黄酮含量在第28天峰值时分别比对照高出21.95%（芦苇）、26.41%（鸢尾）和8.73%（香蒲），试验期间叶片类黄酮含量平均比对照升高14.23%、21.88%和6.16%。

图2 香蒲叶片类黄酮含量随UV-B辐射增强的变化Fig.2 Changes of flavonoid content in Typha orientalis Presl leaves w ith enhanced UV-B radiation

图3 芦苇叶片类黄酮含量随UV-B辐射增强的变化Fig.3 Changes of flavonoid content in leaves of Phragmites australis Cav.w ith enhanced UV-B radiation

图4 鸢尾叶片类黄酮含量随UV-B辐射增强的变化Fig.4 Changes of flavonoid content in Iris tectorum Maxim leaves w ith enhanced UV-B radiation

3种植物叶片类黄酮含量在自然辐射条件下差异显著（p＜0.05），为鸢尾（19.95 OD334/g）＞香蒲（16.12 OD334/g）＞芦苇（15.38 OD334/g）。增强 UV-B辐射下，鸢尾叶片类黄酮含量平均升高31.77%（高辐射）和21.88%（低辐射），芦苇升高33.85%（高辐射）和14.23%（低辐射），香蒲升高20.18%（高辐射）和6.16%（低辐射），表明3种湿地植物叶片类黄酮含量对UV-B辐射增强的敏感性为鸢尾＞芦苇＞香蒲。

2.2 类胡萝卜素（Car）含量变化

试验期间，3种湿地植物叶片Car含量之间差异显著（p＜0.05），芦苇与鸢尾的叶片Car含量之间无显著差异（p＞0.05），总体变化趋势为先增加后降低再增加（图5～7）。高辐射处理下，香蒲、芦苇、鸢尾三者之间差异显著（p＜0.05）；芦苇和鸢尾叶片Car含量于第7天、香蒲叶片Car含量于第28天达到最高，分别比对照降低30.60%、13.09%和51.89%；试验期间3种植物叶片平均Car含量分别比对照降低26.63%、17.95%和51.00%。低辐射条件下，香蒲与芦苇、鸢尾的叶片Car含量之间差异显著（p＜0.05），但芦苇与鸢尾的叶片Car含量之间无显著差异（p＞0.05）；芦苇和鸢尾叶片Car含量于第28天、香蒲叶片Car含量于第3天达到最高，分别比对照高出16.21%、4.81%和12.67%；试验期间芦苇叶片Car含量平均比对照升高9.13%，鸢尾和香蒲叶片Car含量平均比对照降低5.46%、27.48%。

图5 香蒲叶片类胡萝卜素含量随UV-B辐射增强的变化Fig.5 Changes of carotenoid content in Typha orientalis Presl leaves w ith enhanced UV-B radiation

图6 芦苇叶片类胡萝卜素含量随UV-B辐射增强的变化Fig.6 Changes of carotenoid content in Phragmites australis leaves w ith enhanced UV-B radiation

图7 鸢尾叶片类胡萝卜素含量随UV-B辐射增强的变化Fig.7 Changes of carotenoid content in Iris tectorum M axim leaves w ith enhanced UV-B radiation

3种植物叶片Car含量在自然辐射条件下差异显著（p＜0.05），为鸢尾（0.30 mg/g）＞香蒲（0.24 mg/g）＞芦苇（0.23 mg/g）。增强UV-B辐射下，鸢尾叶片Car含量平均降低17.95%（高辐射）和5.46%（低辐射），芦苇降低26.63%（高辐射）和升高9.13%（低辐射），香蒲降低51.00%（高辐射）和27.48%（低辐射），表明3种湿地植物叶片Car含量对UV-B辐射增强的敏感性为香蒲＞芦苇＞鸢尾。

3 讨论

植物必须及时调整自身的防御策略来应对各种胁迫以适应生存环境。增强UV-B辐射能使叶片表皮细胞中类黄酮含量增加以吸收屏蔽辐射来减少进入植物细胞内的UV-B辐射净通量［21］。类黄酮是植物防御UV-B辐射伤害的一种有效物质，也是植物的重要次生代谢产物之一，在植物生长发育和生理生化代谢以及物种鉴别等方面有着至关重要的作用，具有清除多种生物活性（如自由基、抗氧化等）的作用［22］。类黄酮主要集中在植物叶片表皮细胞中，它能吸收或过滤进入叶片内的部分紫外光子使进入细胞的UV-B辐射减少［23］。环状结构上的不饱和双键是类黄酮具有降低紫外辐射伤害、清除自由基功能的主要原因，并且参与氧化还原反应羟基（作为质子供体）可以调节活性氧的代谢，使植物不受UV-B辐射的伤害［24］。UV-B辐射能促使类黄酮合成基因表达以及积累是植物对UV-B辐射的适应和保护措施［25，26］。本试验中，在增强 UV-B辐射处理下，3种湿地植物叶片类黄酮的含量均有所增加，与彭祺等［2］和何永美等［27］的研究结果相似，且相比于鸢尾和芦苇叶片中类黄酮的含量增加，香蒲叶片中类黄酮的含量比较少，说明UV-B辐射增强处理下鸢尾和芦苇能更好地通过诱导紫外吸收物质的合成来保护自身不受增强 UV-B辐射的伤害。随辐射梯度增大，3种湿地植物叶片中类黄酮的含量增加，与朱媛［28］研究结果一致，说明UV-B辐射会使湿地植物体内产生氧化损伤，类黄酮会参与UV-B辐射对湿地植物影响的抗逆调控，从而发挥其抗氧化功能以保护遭受胁迫的植物不受伤害。随辐射时间的延长，在第14天高辐射处理下香蒲类黄酮含量迅速下降；第7天，芦苇和鸢尾叶片类黄酮含量下降，甚至低于低辐射处理，这与董新纯等［29］的研究结果一致。这是因为植物在高辐射累计照射下对植物细胞造成的不可逆的伤害引起的，这种伤害可以导致植物细胞类黄酮合成困难，降解加速。

植物叶片中类胡萝卜素具有的共轭双键，是一种重要的抗氧化剂，能够吸收紫外光［27］，结合在生物膜上可以吸收多余的光能来降低UV-B辐射对植物体造成的伤害。类胡萝卜素在电子的吸收和传递过程中也起重要作用，可以保护细胞和叶绿体免受 UV-B辐射的伤害［30，31］。本试验中，增强 UVB辐射，香蒲、鸢尾以及高辐射处理下的芦苇，其叶片类胡萝卜素含量显著低于对照组，这与在颠茄（Atropa belladonna）［32］上的研究结果相反，可能是由于本试验所设置的辐射强度超出了植物自身的调节极限，导致类胡萝卜素被破坏；而随处理时间的延长，类胡萝卜素含量降低，这与在马铃薯［33］上的研究的结果一样，说明长时间较大剂量的UV-B辐射对叶片中的类胡萝卜素合成代谢具有一定的抑制作用。低辐射处理下，在辐射第14天后芦苇叶片类胡萝卜素含量较对照显著升高，这与李惠梅等［34］和王海霞［35］的研究结果相同，说明低辐射强度会诱导类胡萝卜素基因的表达，随着辐射强度的增加，芦苇类胡萝卜素含量增加以达到对叶片的保护作用。

本试验结果表明，增强UV-B辐射能促进3种湿地植物类黄酮含量的增加，但会抑制类胡萝卜素含量的提高。3种湿地植物叶片类黄酮含量对UV-B辐射的敏感性为鸢尾＞芦苇＞香蒲，类胡萝卜素含量对UV-B辐射的敏感性为香蒲＞芦苇＞鸢尾。所以，3种供试湿地植物对增强UV-B辐射逆境的适应能力为鸢尾最强，芦苇次之，香蒲最弱。