田间条件下UV-B辐射增强对大豆生长及光合特性的影响

吕志伟，张令瑄，王 瑾，王杰飞，张文会*

(1.聊城大学 生命科学学院，山东 聊城 252059； 2.聊城大学 建筑工程学院，山东 聊城 252059)

田间条件下UV-B辐射增强对大豆生长及光合特性的影响

吕志伟1，张令瑄1，王 瑾2，王杰飞1，张文会1*

(1.聊城大学 生命科学学院，山东 聊城 252059； 2.聊城大学 建筑工程学院，山东 聊城 252059)

为明确UV-B辐射增强对大豆生物量、叶绿素含量以及光合特性的影响，在田间条件下模拟UV-B辐射增强，对大豆相关指标进行了测定与分析。结果表明：UV-B辐射增强对大豆生长具有抑制作用，花期株高、干质量分别降低21.8%、77.0%，鼓粒期分别降低18.9%、20.8%；总体使大豆叶片的类黄酮、MDA含量增加，其中分枝期分别增加61.7%、35.2%，花期分别增加28.9%、37.4%，鼓粒期二者增加均不显著；使大豆分枝期、花期和鼓粒期的净光合速率分别降低23.2%、35.9%和20.8%，气孔导度降低，胞间CO2浓度升高；对叶绿素含量有一定的影响，主要使分枝期叶绿素含量降低19.4%，但对ΦPSⅡ影响不显著。综合分析，UV-B辐射增强对大豆的影响主要体现在抑制叶片净光合速率，降低气孔导度，使得CO2利用率下降，最终抑制了大豆生物量。

UV-B； 大豆； 类黄酮； 光合特性； 生物量

在自然环境中，紫外线辐射占太阳光的13%，由于臭氧层的存在，到达地球表面时UV-B只占3%左右[1]。但自20世纪以来，由于臭氧层变薄，到达地表的UV-B辐射增强[2]，地球面临着UV-B 辐射持续增强(逆境)以及由此带来的一系列的气候变化，对植物生长产生重要影响。研究表明，UV-B辐射增强会导致作物生物量和产量下降，光合作用及相关指标受到抑制[3]，对蒸腾作用、气孔导度以及叶片水势等均有影响[4-6]。大豆作为重要的经济作物，研究其对UV-B辐射增强的响应具有重大的理论及现实意义。张文会等[7]在人工气候室内模拟UV-B 辐射增强的逆境胁迫条件，研究了UV-B辐射增强对大豆生长发育的影响，结果表明，UV-B辐射增强对大豆生长具抑制作用，这种抑制作用可能主要由光合速率下降所致。

在聊城地区，夏季晴好天气条件下，中午阳光中的UV-B辐射强度可达120 μW/cm2(实测)，甚至更高。大豆在田间条件下完全能耐受此种辐射强度并正常生长，原因在于大豆具有相关的耐受机制[8]。而在前期的室内研究中，15 μW/cm2的UV-B辐射强度就足以对大豆产生显著影响，强度再升高时大豆甚至无法生长，说明大豆在室内的生长状态与在田间明显不同[7]。因此，采用田间试验研究因臭氧层破坏导致的UV-B辐射增强对大豆生长和产量的影响是一种更好的方法。此外，不同地区的UV-B辐射强度存在差异，对大豆的影响也可能有所不同。鉴于此，在中国北方聊城地区，利用大田试验，研究了UV-B辐射增强对大豆生长发育的影响，为进一步了解UV-B辐射增强对大豆的影响机制提供试验参考。

1 材料和方法

1.1 材料

大豆品种为齐黄27，由聊城大学植物生理实验室提供。

1.2 试验设计

试验于2013年在聊城大学校内试验田(116.00°E、36.43°N)进行。5月初，采用大田行播，小区种植。小区内行距0.4 m，常规管理。待长出第一对真叶后间苗，株距为0.2 m，同时进行UV-B处理。

UV-B灯管选自北京电光源研究所，将灯管悬挂在植株上方，灯管周围(距灯管约5～8 cm)用双醋酸纤维素膜包裹，以除去290 nm以下的短波长光。考虑到因膜老化会造成透光性减弱，每2周更换1次包膜。对照(CK)：只悬挂灯座不照射UV-B，大豆叶片只接受自然光照；UV-B处理：UV-B灯每天照射5 h，调节灯管高度，使大豆叶片额外受到灯管的UV-B照射强度为15 μW/cm2(即相当于在太阳UV-B辐射基础上再增加15 μW/cm2的额外辐射)[7,9]。UV-B照射强度用北京师范大学生产的UVB /UVC双通道紫外辐照计测定，CK和UV-B处理各设3个重复小区。播种后分别于分枝期、花期及鼓粒期取样测定。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 株高及生物量 将大豆拔出，测量株高(生根处到茎尖端生长点的长度)。然后在80 ℃干燥箱中烘干48 h，冷却后测定植株总干质量[7]。每个处理共测定10株。

1.3.2 叶绿素含量 用SPAD-502叶绿素计测量最上部完全展开叶的中间小叶的SPAD值，每株测1片叶,每片叶测3次，取平均值，每个处理测定10片叶[7]。

1.3.3 类黄酮、丙二醛(MDA)含量 叶片研磨后，采用紫外分光光度计测定类黄酮含量[10]，结果以OD330/g表示；采用硫代巴比妥酸(TBA)法测定MDA含量[11]。

1.3.4 光合特性 选择晴好天气，在上午9:00采用便携式CIRAS-2光合荧光仪(美国PP Systems公司)测定叶片实际光化学效率(ΦPSⅡ)、气孔导度(Gs)、净光合速率(Pn)、胞间CO2浓度(Ci)。测定部位与叶绿素含量测定时相同，每个处理测定10片叶。

2 结果与分析

2.1 UV-B辐射增强对田间大豆植株生长的影响

株高能够直观地反映植物的生长状态。从表1可以看出，UV-B处理对大豆株高有明显的抑制作用，且随着处理时间的增加抑制作用更加明显。与CK相比，分枝期UV-B处理的抑制作用表现尚不明显；花期UV-B处理的株高降低21.8%；鼓粒期降低18.9%。UV-B处理使大豆植株干质量降低，分枝期UV-B处理的抑制作用不显著；花期UV-B处理的植株干质量较CK降低77.0%，鼓粒期降低20.8%。说明UV-B处理对大豆生长具有抑制作用，且在花期的抑制作用相对较大。

表1 UV-B辐射增强对田间大豆株高和植株干质量的影响

注：*表示同一时期UV-B处理与CK差异显著(P<0.05)，下同。

2.2 UV-B辐射增强对田间大豆叶片叶绿素、类黄酮及MDA含量的影响

表2表明，大豆花期叶片SPAD值最高，鼓粒期则有所降低。UV-B处理对大豆叶片SPAD值有一定影响。分枝期，UV-B处理大豆叶片SPAD值较CK显著降低19.4%；但随着处理时间延长，UV-B处理与CK间差异变小，花期和鼓粒期时已不显著。总体上，大豆叶片类黄酮和MDA含量随着大豆生长期延长呈明显增加趋势，鼓粒期时达到最高。UV-B处理使大豆叶片类黄酮、MDA含量较CK增加，二者分枝期和花期分别增加61.7%和28.9%、35.2%和37.4%，差异显著；鼓粒期类黄酮、MDA含量分别增加16.1%、11.5%，但差异不显著。

表2 UV-B辐射增强对田间大豆叶片叶绿素、类黄酮、MDA含量的影响

2.3 UV-B辐射增强对田间大豆叶片光合特性的影响

ΦPSⅡ是作用光存在时PSⅡ的实际量子效率，反映PSⅡ反应中心非环式光合电子的传递效率[12]。表3表明，UV-B处理对大豆3个生长时期叶片的ΦPSⅡ影响均不显著。说明UV-B处理对PSⅡ反应中心功能的影响不明显。与CK相比，花期UV-B处理的大豆叶片Gs显著降低76.9%，分枝期和鼓粒期也有一定降低，但未达到显著水平；分枝期、花期和鼓粒期UV-B处理的大豆叶片Pn分别显著降低23.2%、35.9%和20.8%；分枝期UV-B处理的大豆叶片Ci则显著升高54.9%，花期和鼓粒期也有一定升高，但未达到显著水平。

表3 UV-B辐射增强对田间大豆叶片光合特性的影响

3 结论与讨论

自然条件下，由于阳光中本身具有较强的UV-B辐射，大豆植株在田间条件下较在人工气候室内普遍显得矮小粗壮。本试验中采用额外的15 μW/cm2UV-B辐射增强处理，对大豆的株高和干质量产生显著的抑制作用，但大豆植株仍能正常生长，说明这种辐射强度设置能够满足本试验需要。UV-B辐射增强造成的抑制在分枝期尚不明显，但在花期和鼓粒期则非常明显，说明UV-B对大豆生物量的影响是一种累加效应。相对于其他植物(如葡萄)，大豆对UV-B辐射的耐受性相对较弱[9]。

大豆等夏季农作物叶片的叶绿素含量与SPAD值具有极显著的相关性，因此可以用其来表示叶绿素含量[13]。研究报道，UV-B辐射能降低叶绿素含量[3,7]，本试验中这一现象在分枝期尤为明显，但在此后的花期和鼓粒期却无明显差异。这也许是因为叶片厚度增加可能会降低UV-B辐射对叶片细胞的伤害[9]；同时长时间的UV-B辐射处理使叶片颜色呈褐色，对测定结果也有一定影响。

大豆耐受UV-B辐射的一种机制为叶片中产生大量的紫外吸收物质。类黄酮是最主要的UV-B吸收物质，它在植物中能形成一道理想的天然屏障，减少UV-B辐射对植物的伤害[8]。太阳光中的UV-B辐射使CK叶片产生大量的类黄酮，且随着生育期推进，类黄酮含量明显增加；UV-B辐射增强处理后，叶片类黄酮含量较CK增加，以减轻UV-B对植物体的伤害。UV-B 辐射对膜伤害的解释主要为自由基伤害学说[14-15]。MDA是膜脂过氧化作用的主要产物之一。较多的MDA 累积意味着脂质过氧化程度的加重，UV-B辐射增强处理同样使MDA含量升高，表明其对生物膜产生较多的伤害。

作物干物质的绝大部分来自作物的光合作用，光合作用是作物产量形成的基础。光合作用的相关指标可以反映植物对光能的实际利用情况，而环境因素的变化通常首先对其产生影响[12,16-18]。本试验结果发现，UV-B辐射增强对大豆叶片光合特性的影响主要表现在抑制叶片净光合速率，降低气孔导度，使得CO2利用率下降。这与郑有飞等[6]、张文会等[7]的结论一致。本试验还发现，UV-B处理对大豆叶片ΦPSⅡ的影响并不显著，说明其对光系统Ⅱ功能的影响较小，这可能与叶片叶绿素含量变化较小有一定关系。

综合分析可见，UV-B辐射增强对大豆生长的影响主要体现在抑制叶片净光合速率，降低气孔导度，使得CO2利用率下降，最终抑制大豆生物量。

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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

国家自然科学基金项目(31200387)；聊城大学大学生科技文化创新基金项目(SF2013294)

吕志伟(1981-)，男，山东聊城人，副教授，博士，主要从事环境生物学研究。E-mail:laolv327@126.com

*通讯作者：张文会(1963-)， 男，山东聊城人，教授，博士，主要从事植物胁迫生理研究。E-mail:whzhang@lcu.edu.cn

S565.1

A

1004-3268(2016)01-0042-04