增强UV—B辐射对2个烤烟品种生理代谢指标的影响

邵建平　杨志新　何承刚　王燕霞　胡德波

摘 要 在大田栽培和自然条件下，研究人工模拟2种UV-B辐射（308 nm，1.83 kJ/m2，1.06 kJ/m2）对烤烟红花大金元品种和云烟87品种叶片光合色素、酶活性及4种代谢产物积累的影响。结果表明：增强UV-B辐射可减少红花大金元叶片光合色素含量，降低过氧化物酶（POD）的活性，增强过氧化氢酶（CAT）和硝酸还原酶（NR）的活性，促进可溶性蛋白质（SP）和丙二醛（MDA）的积累；UV-B强度较低时可增强其超氧化物歧化酶（SOD）和多酚氧化酶（PPO）的活性，促进紫外吸收物质的积累。对于云烟87来说，增强UV-B辐射可增加其光合色素含量，增强3种抗氧化酶和NR酶的活性，促进SP的积累，降低紫外吸收物质的含量；低强度的UV-B辐射可增强PPO的活性，显著提高MDA和SP的含量。

关键词 烤烟；UV-B辐射；光合色素；酶活性；代谢产物

中图分类号 S572 文献标识码 A

Effect of Enhanced Ultraviolet-B on the Indices of Main Physiological Metabolism of Two Flue-cured Tobacco Varieties

SHAO Jianping1， YANG Zhixin2*， HE Chenggang3， WANG Yanxia1， HU Debo4

1 Qujing City Branch Luoping Tobacco Company， Luoping， Yunnan 655800， China

2 College of Resources and Environment， Yunnan Agricultural University， Kunming， Yunnan 650201， China

3 College of Tobacco Science， Yunnan Agircultural University， Kunming， Yunnan 650201， China

4 Zhaotong Soil and Fertilizer Station， Zhaotong， Yunnan 657000， China

Abstract Field experiments were conducted to study the effect of enhanced ultraviolet-B（UV-B，308 nm，1.83 kJ/m2 and 1.06 kJ/m2， respectively）radiation on the content of photosynthetic pigments， enzyme activity and the accumulates of four metabolic products of two flue-cured tobacco cultivars（Hongda and Yunyan87） under natural light conditions. The results showed that enhanced ultraviolet-B radiation could reduce the photosynthetic pigment content of Hongda， reduce peroxidase（POD） activity， enhance the catalase（CAT）and nitrate reductase（NR）activity， promote the accumulation of protein and malondialdehyde content（MDA）. Low-intensity ultraviolet-B radiation could enhance superoxide dismutase（SOD） and polyphenol oxidase（PPO） activity and promote the accumulation of UV-absorbing compounds. As for Yunyan 87， enhanced ultraviolet-B radiation could increase the content of photosynthetic pigments， enhance the three kinds of antioxidant enzymes and NR activity， promote the accumulation of pro and reduce the content of UV-absorbing compounds. Low-intensity ultraviolet-B radiation could enhance the PPO activity of Yunyan 87， significantly enhanced the content of pro and MDA.

Key words Flue-cured tobacco；UV-B radiation；Photosynthetic pigments；Enzyme activity；Metabolic product

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.01.022

云南是中国优质烟叶产区，平均海拔2 000 m左右，紫外辐射强度随海拔高度的增加呈规律性递增[1]。在UV-B的辐射下，许多敏感植物的生长和生物量累积都有明显的降低[2]，这说明植物的光合作用受到了抑制。已有研结果表明，UV-B增加导致光合作用受阻，主要包括光损伤、光抑制、光氧化3个方面，类胡萝卜素在植物光合作用中担负着光吸收辅助色素的重要功能，具有吸收和传递电子的能力，可清除紫外胁迫下光合作用中产生的叶绿素三线态、单线态及超氧阴离子等自由基[3-4]，对植物有重要的保护作用。一般认为，UV-B胁迫通常导致植物体内活性氧代谢发生紊乱，从而造成机体受到的活性氧损伤加重，膜系统被破坏，影响一系列的生理代谢过程[5]。

Barbato等[6]研究结果表明，增强的UV-B辐射将会对蛋白质产生较大影响。龙芸等[7]研究结果表明，紫外线处理后，前25 min烟草叶片中的可溶性蛋白含量增加，其后可溶性蛋白含量逐步下降；叶片中叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量（a+b）、叶绿素a/b和类胡萝卜素含量均呈上升趋势。另一方面，植物可通过酶类或非酶类抗氧化系统清除植物体内由于UV-B辐射而产生的过多的活性氧。CAT、SOD和POD是酶类抗氧化系统中3类重要的酶。这些抗氧化酶对于及时清除活性氧、保持膜系统的完整性非常重要[8]。Santos等[9]和强维亚等[10]的研究结果表明，UV-B辐射会引起马铃薯和大豆叶片中的POD活性明显增强。吴杏春等[11]证明了UV-B辐射胁迫使水稻叶片SOD、CAT活性先升后降，POD活性上升。李惠梅等[12]以青藏高原的特有植物麻花艽为材料，研究增强UV-B辐射对其抗氧化酶系统的影响，结果表明，在UV-B处理初期，麻花艽叶片中SOD、POD的活性都能增加，但随着处理时间的延长，SOD、POD的活性均呈下降趋势，CAT的活性在UV-B处理后下降明显。刘芸等[13]观察到增强UV-B辐射引起括楼幼苗叶绿素含量明显下降，细胞膜相对透性显著增加，SOD、POD、CAT活性急剧下降。

烤烟中的品质成分主要依赖于烤烟生长季节中积累的各种代谢产物的含量及协调程度，因此，了解几种主要代谢产物对烟叶品质构成中的作用显得尤为重要。本研究通过人工模拟增强UV-B辐射，利用紫外线强度分析仪测量UV-B辐射强度，研究探讨UV-B辐射对云烟87和红花大金元光合色素、酶活性及代谢产物的影响，分析云烟87和红花大金元对UV-B辐射的适应性，为烤烟生产提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料及试验地概况

以烤烟品种云烟87（Yunyan 87）和红花大金元（Hongda）为试验材料，包衣种子，漂浮育苗。云南农业大学位于云南省昆明市，介于东经102°10′～103°40′、北纬24°23′～26°22′之间。该地属低纬高原山地季风气候，大部分地区海拔在1 500～2 800 m，年平均气温为14.5 ℃，年平均降水量为1 035 mm，相对湿度为74%，且降雪年份极少。由于温湿度适宜，日照长，霜期短，雨量充沛，适宜烟草生长。烟草大田主要生长期（5～8月）正值云南地区的雨季，该时段降雨量占全年降雨量的63.7%。试验于2013年在云南农业大学后山农场进行，北纬25°，海拔1 950 m，试验地为菜地，红壤，试验前土壤理化性质：有机质34.07 mg/kg、pH6.43、碱解氮203.38 mg/kg、速效磷19.28 mg/kg、速效钾166.83 mg/kg。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 试验采用随机区组设计，设2个因素；A因素为品种，设2个水平，H：红花大金元，Y：云烟87；B因素为U-VB辐射强度，设3个水平，CK：0（自然光照射），L：1.06 kJ/m2，H：1.83 kJ/m2，因此有HCK、HL、HH、YCK、YL、YH共6个处理，3次重复，共18个小区，小区面积为22.5 m2，烟株种植规格为1.2 m×0.5 m，试验区四周开边沟并设置保护行。

采用在烟株顶端吊挂40WUV-B灯管（308 nm，北京光电仪器厂）的方法进行人工模拟增强UV-B辐射，利用紫外线强度分析仪（北京师范大学仪器厂）测量UV-B辐射强度（以烟株顶端记）。自团棵期开始至烟叶采收结束，每天10 a. m.～17 p. m.（阴雨天除外）时进行UV-B照射，照射时间为7 h/d。其中模拟的2个UV-B辐射水平1.06 kJ/m2和1.83 kJ/m2分别相当于昆明地区（北纬25°，海拔1 950 m）约4.2%和7.3%的臭氧衰减。

云烟87以纯氮量105 kg/hm施肥，红花大金元按纯氮量52.5 kg/hm施肥，N ∶ P ∶ K为1 ∶ 1 ∶ 3。试验的各项生产技术统一按照昆明市一般烤烟生产田的生产要求执行。

1.2.2 测定项目和方法 光合色素含量的测定：烟株自上而下有效叶片第4叶，距叶尖1/3、离主脉1 cm处取样，采用直接浸提法[14]测定，浸提液采用10 mL乙醇（95%）-丙酮（80%）混合液（V ∶ V=1 ∶ 1）。

酶活性的测定：烟株自上而下有效叶片第2叶，距叶尖1/3、离主脉1 cm处取样，采用愈创木酚氧化法[15-16]测定POD的活性；采用氮蓝四唑（NBT）光还原法[7-8]测定CAT的活性；采用愈创木酚氧化法[15-16]测定SOD的活性；采用邻苯二酚氧化法[10]测定PPO的活性；采用活体法[14，16-17]测定NR的活性。

代谢产物的测定：烟株自上而下有效叶片第2叶，距叶尖1/3、离主脉1 cm处取样。采用考马斯亮蓝G-250法[17]测定水溶性蛋白质；采用硫代巴比妥酸反应法[16]测定MDA的含量；采用茚三酮显色法[16]测定游离脯氨酸（Pro）的含量；采用酸化甲醇（甲醇 ∶ 蒸馏水 ∶ 盐酸=79 ∶ 20 ∶ 1）提取法[17]测定紫外吸收物质。

1.3 数据处理

采用SPSS 13.0数据分析软件和Microsoft Excel 2003进行数据处理与统计分析。

2 结果与分析

2.1 增强UV-B辐射对红花大金元和云烟87叶片光合色素含量的影响

由图1可知，红花大金元经2种强度UV-B辐射后，其叶绿素a含量显著下降，1.06 kJ/m2的UV-B处理下降幅度最大，三者关系为：对照>强度为1.83 kJ/m2的UV-B处理>1.06 kJ/m2的UV-B处理，差异达显著水平（p<0.05）。叶绿素b含量为1.06 kJ/m2的UV-B处理与对照无显著差异，但强度为1.83 kJ/m2的UV-B处理后，其含量显著下降（p<0.05）。类胡萝卜素含量在强度为1.06 kJ/m2的UV-B处理后显著下降（p<0.05），而1.83 kJ/m2的UV-B处理有上升与且对照无显著差异。

由图2可知，云烟87叶绿素a和叶绿素b含量均随UV-B辐射的增强而显著升高（p<0.05），叶绿素a与叶绿素b分别与UV-B辐射强度呈极显著正相关（r=0.943**、r=0.938**）。三者在类胡萝卜素含量方面无显著差异。

2.2 增强UV-B辐射对红花大金元和云烟87叶片主要酶活性的影响

由表1可知，红花大金元烟叶中，2种强度UV-B辐射均可降低POD的活性，尤以强度为1.06 kJ/m2的UV-B处理下降幅度最大，三者关系为：对照>强度为1.83 kJ/m2的UV-B处理>1.06 kJ/m2的UV-B处理，三者之间的差异达到极显著水平（p<0.01）。CAT和NR活性随UV-B辐射的增强而极显著增强（p<0.01），这2种酶与UV-B辐射强度分别呈极显著正相关（r=0.947**、r=0.943**）。SOD活性在强度为1.06 kJ/m2的UV-B处理后降低，强度为1.83 kJ/m2的UV-B处理后增强，三者关系为：1.83 kJ/m2的UV-B处理>对照>1.06 kJ/m2的UV-B处理，其间差异达到极显著水平（p<0.01）。2种强度UV-B辐射均可增强PPO活性，且以1.06 kJ/m2的UV-B处理增强幅度最大，三者关系为：1.06 kJ/m2的UV-B处理>强度为1.83 kJ/m2的UV-B处理>对照，其间差异达到极显著水平（p<0.01）。

云烟87的POD、CAT和SOD活性均随UV-B辐射的增强逐渐增强，三者与UV-B辐射强度分别呈极显著正相关（r=0.904**、r=0.960**、r=0.903**），且POD和SOD活性在3个处理间差异达0.05显著水平，CAT活性在3个处理间差异达0.01显著水平。PPO活性在强度为1.06 kJ/m2的UV-B处理后，活性极显著增强（p<0.01），而经1.83 kJ/m2的UV-B处理后，活性与对照无显著差异。另外，2种强度UV-B辐射处理可增强NR的活性，尤以强度为1.06**的UV-B处理增强幅度最大，3个处理NR活性的关系为：1.06**的UV-B处理>1.83**的UV-B处理>对照，差异达极显著水平（p<0.01）。

2.3 增强UV-B辐射对红花大金元和云烟87叶片4种代谢产物含量的影响

由表2可知，红花大金元叶片中SP含量随UV-B辐射的增强，其含量升高，差异达极显著水平（p<0.01），二者呈极显著正相关（r=0.993**）；Pro含量随UV-B辐射的增强，其含量逐渐减少，差异极显著（p<0.01），二者呈极显著负相关（r=-0.942**）；MDA含量也随着UV-B辐射的增强逐渐升高，二者呈极显著正相关（r=0.785**），但强度为1.06 kJ/m2的UV-B处理和对照之间无显著差异（p>0.05），此二者与强度为1.83 kJ/m2的UV-B处理之间差异达0.05的显著水平；紫外吸收物质在强度为1.06 kJ/m2的UV-B处理下显著升高，当强度为1.83 kJ/m2的UV-B处理后，又下降到与对照相近水平，强度为1.06 kJ/m2的UV-B处理显著高于1.83 kJ/m2的UV-B处理和对照（p<0.05）。

云烟87叶片中SP含量随UV-B辐射的增强，其含量升高，差异达极显著水平（p<0.01），二者呈极显著正相关（r=0.969**）；Pro含量在强度1.06 kJ/m2的UV-B处理下急剧上升，当强度1.83 kJ/m2的UV-B处理后，又有所下降，三者关系为：1.06 kJ/m2的UV-B处理>强度1.83 kJ/m2的UV-B处理>对照，差异达极显著水平（p<0.01）；MDA含量在强度1.06 kJ/m2的UV-B处理下升高，当强度1.83 kJ/m2的UV-B处理后，又急剧下降，三者关系为：1.06 kJ/m2的UV-B处理>对照>强度1.83 kJ/m2的UV-B处理，差异达极显著水平（p<0.01）；紫外吸收物质含量随UV-B辐射的增强极显著降低（p<0.01），二者呈极显著负相关（r=-0.921**）。

3 讨论与结论

增强UV-B辐射会降低红花大金元叶片内叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的含量，以1.06 kJ/m2的UV-B辐射叶绿素a和类胡萝卜素含量降幅最大，而叶绿素b含量则以1.83 kJ/m2的UV-B辐射降幅最大。云烟87的叶绿素a和叶绿素b随UV-B辐射的增强而升高，它们之间呈显著正相关，这与刘敏等[18]的研究结果一致，随着UV-B强度的增加，烤烟为适应这一环境，可能会通过提高叶绿素合成酶活性促进叶绿素的合成，或者通过其它途径大量合成叶绿素，即叶绿素增加是烤烟适应强烈UV-B辐射的一种途径。但这一机理有待试验的进一步研究。类胡萝卜素则在UV-B辐射的影响下没有明显的差异表现。

对于红花大金元来说，UV-B辐射增强会降低POD的活性，尤以1.06 kJ/m2的UV-B处理降幅最大，而CAT和NR活性则随UV-B辐射的增强而增强。SOD活性在强度为1.06 kJ/m2的UV-B辐射后降低，而在强度为1.83 kJ/m2的UV-B处理后又急剧增强，呈先降后升的趋势。另外，UV-B辐射增强会增强PPO活性，尤以1.06 kJ/m2的UV-B处理增加幅度最大。云烟87的3种抗氧化酶活性都随UV-B辐射的增强逐渐增强，这与前人研究结果[19]相吻合。PPO活性在强度为1.06 kJ/m2的UV-B处理后，活性显著增强，而经1.83 kJ/m2的UV-B处理后，活性又下降。NR的活性在增强UV-B辐射时增强，尤以强度为1.06 kJ/m2的UV-B处理增强幅度最大。出现上述变化规律的原因可能是较弱的UV-B辐射会提高红花大金元抗逆性，使叶片细胞中活性氧自由基含量下降，而这些活性氧离子可能会刺激POD和SOD的活性增强，它们的数量一旦减少，则受其刺激而增强活性的POD和SOD活性则会大大降低，所以，在较强的UV-B辐射下，因烟叶细胞内积累了大量的活性氧，抗氧化酶的活性也相应提高了。UV-B辐射的强度只有在一定范围内，抗氧化酶才会有这种表现。已有研究结果表明[20]，强烈的UV-B辐射能够引起细胞内活性氧自由基的大量积累，同时又会抑制其SOD、POD和CAT的活性。

红花大金元和云烟87叶片中SP含量随UV-B辐射的增强不断升高，这是UV-B辐射促进烟叶中氮代谢的结果，这种氮代谢的增强就是烟株抵抗轻微UV-B的表现[21]。这一现象同时也验证了适当强度UV-B辐射可增强烟叶中氮代谢作用。红花大金元叶片中Pro含量随UV-B辐射的增强逐渐减少，说明UV-B辐射不利于红花大金元耐旱性和抗寒性的提高，且随着UV-B辐射的增强，其耐旱性和抗寒性会愈加减弱。云烟87叶片中Pro经2种强度UV-B辐射处理后，其含量都大幅增加，尤其以强度为1.06 kJ/m2的UV-B处理增加量最大，说明2种强度的UV-B辐射对云烟87有胁迫作用，导致Pro大量积累；另一方面，也可反映出适当强度（尤其较弱强度）UV-B辐射可显著提高云烟87的抗寒性和耐旱性。云烟87在 UV-B胁迫下Pro积累可能有以下原因：①UV-B辐射降低了Pro DH的活性，阻碍了合成的Pro进一步降解；②UV-B辐射使AtPro DH的转录水平减少。至于云烟87叶片在强度为1.83 kJ/m2的UV-B处理下Pro含量又有所下降，可能是因为较强的UV-B辐射加剧了P5C合成酶活性的失活，合成强烈受阻所致。也有的研究结果[22]表明，Pro的积累是UV-B影响下ABA的升高引起的。红花大金元叶片中MDA含量随UV-B辐射的增强而逐渐升高，强度1.83 kJ/m2的UV-B处理尤其升高明显。云烟87在1.06 kJ/m2的UV-B处理后MDA显著上升，而在1.83 kJ/m2的UV-B处理后又急剧下降。MDA含量上升是烟株叶片受到UV-B胁迫的结果，云烟87在较强的UV-B胁迫下含量反而下降，可能是POD活性在UV-B刺激下剧烈增强所致。红花大金元在强度1.06 kJ/m2的UV-B处理下叶片内紫外吸收物质含量有所增加，而在强度1.83 kJ/m2的UV-B处理下又有减少趋势，而云烟87叶片内紫外吸收物质则随UV-B辐射的增强不断减少，说明较低强度UV-B辐射可增加较耐UV-B辐射的烤烟品种叶片内紫外吸收物质，而较强的UV-B辐射可抑制烤烟（尤其是对UV-B较为敏感的烤烟品种）叶片中紫外吸收物质的合成和加剧其分解作用。

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