2017, Vol. 37文章信息
- 李俊, 杨玉皎, 王文丽, 郭华春
- LI Jun, YANG Yujiao, WANG Wenli, GUO Huachun.
- UV-B辐射增强对马铃薯叶片结构及光合参数的影响
- Effects of enhanced UV-B radiation on potato leaf structure and photosynthetic parameters
- 生态学报. 2017, 37(16): 5368-5381
- Acta Ecologica Sinica. 2017, 37(16): 5368-5381
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb201605271025
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文章历史
- 收稿日期: 2016-05-27
- 网络出版日期: 2017-03-27
2. 云南省农业科学院热区生态农业研究所, 元谋 651300
2. Institute of Tropical Eco-agricultural Sciences, Yunnan Academy of Agricultural Sciences, Yuanmou 651300, China
大气臭氧层的衰减导致到达地表的UV-B(280—320 nm)辐射量逐渐增加, 对陆地生态系统产生了广泛而深远的影响[1-3], 已有多项研究证实在增强UV-B辐射下植物的生长发育、生理代谢、细胞活动、分子调控机制等均产生显著变化[4-6]。通常, UV-B辐射在细胞水平上通过对细胞周期、细胞分裂、伸长及分化活动的作用, 诱导植物表现出叶片增厚、叶柄和茎缩短、分枝增多、叶面积减少和根冠比改变等多种形态响应[7]。而对于大田作物而言, 由于受到长期的人工选择和培育, 对增强的UV-B辐射可能表现得更为敏感[8]。据现有研究, 多数作物在UV-B辐射增强条件下光合作用都会受到直接和间接的抑制, 光合机构中的放氧复合体、光化学反应中心的D1/D2蛋白、光系统Ⅱ的电子供体和受体等组分都受到直接损害, 同时对光合色素、气孔、叶片厚度、植物冠层结构的间接影响导致植物整体的光合性能下降[9-10], 最终引起作物的生物量和产量均呈下降趋势[11-12]。
叶片是植物接受外界光照并进行光合作用的重要器官, 在长期的进化过程中已经形成了对周围环境中变化光照的良好适应机制。通常, 处于弱光中的植物叶片一般较薄, 在强光下则增厚, 同时表皮的角质层、蜡质、腺毛(绒毛)及叶片颜色可过滤过强的光线, 控制着进入叶片内部的光照强度[13]。这些叶片结构作为叶片与外界环境的第一道屏障, 在UV-B辐射增强时也有着重要作用, 如表皮蜡质除了控制叶片非气孔的水分和气体交换外, 也能有效降低UV-B和强光对植物叶片造成的损伤[14-15]；而表皮腺毛分布较多的植物如油橄榄(Olea europaea L.), 其腺毛含有的多酚和类黄酮物质能显著增强UV-B辐射的吸收能力[16]。
马铃薯(Solanlum tuberosum L.)是中国重要的作物之一, 随着农业部提出的国家马铃薯主粮化战略实施, 到2020年预计马铃薯种植面积将扩大到6.67×106hm2以上。因此, 在当前环境变化趋势下, 研究增强的UV-B辐射对马铃薯叶片结构、光合作用的影响, 有助于深入揭示UV-B辐射下马铃薯形态及生理代谢过程的变化及适应机制, 利用不同品种的遗传特性在生产中筛选UV-B辐射耐受型品种, 提高马铃薯的抗逆性。目前, UV-B辐射胁迫对大田作物叶片结构及光合作用影响的研究较多, 如水稻(Oryza sativa)[17-20], 大麦(Hordeum vulgare)[21-22], 玉米(Zea mays)[23], 大豆(Glycine max)[24-25]等, 但对马铃薯的相关研究还较为少见。鉴于此, 本研究以6个马铃薯品种(系)为材料, 在室外盆栽条件下分析不同UV-B辐射强度处理下马铃薯叶片显微、超微结构变化及相关光合作用生理指标, 为不同品种(系)的UV-B辐射耐受性评价和品种筛选提供依据。
1 材料与方法 1.1 实验材料及实验设计实验材料为6个马铃薯品种(系), 分别为合作88、丽薯6号、剑川红21-3、剑川红21-1、师大6号、转心乌, 其中前3个为普通品种(系), 后3个为彩色品种(系), 剑川红和转心乌均为云南地方特色品种。于2013年3月15日云南农业大学后山农场大田条件下采取整薯播种、盆栽方式进行种植(花盆内径0.31 m, 高度0.3 m, 底部直径0.27 m, 体积约为0.02 m3), 在播种时每盆施复合肥约25 g及适量有机肥。整个生长期内都按照正常马铃薯的生产流程进行施肥、浇水、除草和培土等田间管理, 待苗长齐高约20 cm后即开始进行实验处理。
UV-B辐射处理采用防雨灯架和紫外灯管(UVB-40, 280—320 nm, 南京华强), 辐照强度以灯管至植株冠层高度和灯管数调节, 以UV-B型紫外辐照计(北京师范大学光电仪器厂)测量辐照强度。灯管可随植株的生长进行高度调整, 同时对照组也安装空灯架以使处理和对照间的自然光照条件一致。处理时从每个品种选取长势相近的45株, 每小区15株, 每个处理为5株, 3次重复。按照灯管长度于其正下方放置3盆植株, 分成3行排列。通过灯管高度调节辐照强度(以植株冠层计), 用辐照计测定297 nm波长处的辐射强度。试验设3个处理, 辐射剂量2.5 kJ m-2 d-1为处理1(T1)、辐射剂量5.0 kJ m-2 d-1为处理2(T2)、自然光照射为对照(CK)。于4月底开始增强UV-B辐射处理, 每天10:00—15:00进行5 h的辐照处理(阴雨天除外)。处理期间每周调整灯管高度, 使灯管和冠层间保持0.5 m距离, 保证冠层叶片接受的辐照量不随植株生长改变, 同时调整花盆方向保证植株接受辐照的均匀性。分别在处理21 d取倒四叶第一片小叶进行制片和显微结构观察, 28 d时取同一叶位的叶片进行扫描电镜和透射电镜分析, 25—30 d时进行光合作用生理指标的测定。
1.2 叶片显微结构制片与观察将剪取的马铃薯叶片去主脉切成5 mm×5 mm的小片, 浸泡于FAA固定液中(70%乙醇90 mL、冰醋酸5 mL、甲醛5 mL), 4℃保存24 h, 逐级酒精脱水、二甲苯透明、浸蜡、包埋、手动旋转切片机切片, 切片厚度10 μm。取切片材料完整的一段放置在载玻片上并加少量蒸馏水(42℃, 24 h)。切片经脱蜡、铁矾(2%)和苏木精(0.5%)染色、乙醇系列脱水后, 中性树胶封片。采用MoticDMBI-223显微系统于40倍放大倍数下每个处理选取30个视野拍照, 然后在Olympus显微镜下观察并对材料的表皮、栅栏组织、海绵组织、叶片厚度进行测量, 每个处理共测量25组数据, 以平均值表示。
1.3 叶片超微结构测定方法 1.3.1 扫描电镜制片与观察取样及固定：在田间剪取相应叶位的叶片, 用蒸馏水冲洗表面灰尘、杂质2次后用剪刀切成8 mm×8 mm的小条(去主脉), 即刻放入pH 6.8、3.5%戊二醛溶液中进行固定, 带回实验室4℃冰箱保存。送检：固定后的样品送至昆明医科大学科研实验中心电镜室进行脱水、干燥、镀膜等制样步骤, Hitachi S-3000N(Japan)扫描电镜检测分析叶片的近轴面。在100倍的放大倍数下随机取5个视野拍照, 统计气孔、腺毛和非腺毛个数。
1.3.2 透射电镜制片与观察取样及固定：用剪刀将冲洗干净的马铃薯叶片切成4 mm×4 mm的小条(去主脉), 放入pH6.8, 3.5%戊二醛溶液中进行前固定, 4℃冰箱保存。送检：在昆明医科大学科研实验中心电镜室用1%的锇酸后固定2 h, 酒精-丙酮进行逐级梯度脱水, Epon-618渗透、包埋；Leicar-R型超薄切片机切片, 柠檬酸铅、醋酸双氧铀双重染色, JEM-1011透射电镜观察、拍照。
1.4 光合生理指标测定在测定时间内选择晴朗天气使用Li-6400便携式光合仪(LI-COR, Inc, Lincoln, NE, USA)测定光合作用特征参数和光响应曲线, 每个处理随机选择3盆植株, 每株选择倒4叶的第1片小叶2—3片进行测定, 每个处理共测定7片叶, 每片叶子记录10个值, 以其平均值代表该叶片光合参数。测定温度为25℃, 光照强度为800μmol m-2 s-1, 每片叶子平衡180 s, 稳定后记录该梯度下的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)。光响应曲线共测定3片叶, 测定时使用开放气路, 仪器自带红蓝光源(蓝光10%), 光合有效辐射(PAR)设置为1500、1200、600、400、200、150、100、80、60、40、20、10、0 μmol m-2 s-1, CO2注入装置将参比室CO2浓度稳定至(390 ± 0.5)μmol/mol, 样品室流速300 mL/min, 叶室温度控制在(25 ± 1)℃。
1.5 统计分析实验中所得数据采用SPSS 19.0(SPSS, Chicago, USA)软件进行统计学分析, 同一品种不同处理间通过单因素方差(one-way ANOVA)分析处理间的差异显著性(P < 0.05)。用Sigmaplot 10.0软件作图。
2 结果与分析 2.1 增强UV-B辐射对叶片厚度的影响从表 1可看出, 在增强的UV-B辐射下, 与对照相比各品种叶片的上下表皮、栅栏/海绵组织厚度变化具有一定的品种间差异。21-1、21-3和师大6号在2个强度处理下, 叶片各部分厚度均呈增加趋势, 而合作88、丽薯6号、转心乌3个品种的叶片不同部分则有区别, 如合作88的栅栏、海绵组织和下表皮、丽薯6号的上表皮和栅栏组织、转心乌的上下表皮和栅栏组织在处理后厚度降低, 其余部分则变厚。总的来看, 这些局部结构的厚度变化对于叶片总厚度的影响并不明显, 除了合作88处理后叶片总厚度下降外, 其余5个品种(系)的叶片厚度在处理后(T1或T2) 均是增加的。
| 品种/系 Varieties/lines |
处理 Treatment |
上表皮/ μm Upper epidermis |
栅栏组织/ μm Palisade tissue |
海绵组织/ μm Spongy tissue |
下表皮/ μm Lower epidermis |
总厚度/ μm Thickness |
| 合作88 | CK | 7.59±1.03b | 34.15±3.66a | 46.20±4.04a | 6.50±1.18a | 95.46±6.40a |
| Hezuo 88 | T1 | 8.52±1.56a | 31.42±5.23a | 42.04±4.55b | 6.81±1.06a | 88.64±9.44b |
| T2 | 7.84±1.02ab | 31.59±2.85a | 37.70±4.83c | 6.14±1.22a | 82.88±4.21c | |
| 丽薯6号 | CK | 8.93±1.05a | 31.29±3.82a | 35.42±3.82b | 5.77±0.83a | 81.06±5.21b |
| Lishu 6 | T1 | 7.39±1.34b | 27.52±2.44b | 33.08±3.45b | 6.47±1.22a | 75.52±3.48c |
| T2 | 8.67±1.02a | 30.74±3.21a | 41.33±4.60a | 6.47±0.89a | 87.76±4.33a | |
| 21-1 | CK | 5.54±1.25b | 24.20±2.80b | 26.41±4.27c | 4.64±0.87b | 61.11±6.33c |
| T1 | 7.28±1.22a | 28.28±3.31a | 45.24±5.95a | 5.57±1.26a | 85.96±6.99a | |
| T2 | 7.41±0.86a | 25.46±1.81b | 36.09±3.02b | 5.93±1.15a | 74.88±3.74b | |
| 21-3 | CK | 5.00±0.80c | 25.41±3.63c | 31.22±3.03b | 4.02±0.78c | 65.05±4.74c |
| T1 | 10.17±1.56a | 36.74±3.08a | 53.61±4.29a | 6.80±1.15a | 108.05±4.65a | |
| T2 | 7.70±1.77b | 29.40±3.80b | 54.75±5.23a | 5.84±1.22b | 97.32±5.58b | |
| 转心乌 | CK | 8.67±1.11a | 37.26±3.77a | 45.46±4.60b | 6.56±0.97a | 98.08±5.64b |
| Zhuanxinwu | T1 | 6.35±1.15b | 36.04±7.54a | 64.85±7.87a | 6.40±1.13a | 114.25±9.43a |
| T2 | 8.31±1.61a | 29.23±7.85b | 37.52±7.41c | 5.40±1.21b | 82.10±11.72c | |
| 师大6号 | CK | 8.16±1.06a | 32.83±3.77b | 39.51±5.22b | 6.08±0.95b | 87.01±4.64c |
| Shida 6 | T1 | 9.08±1.26b | 39.88±4.63a | 44.82±4.14a | 7.22±1.71a | 102.13±3.93a |
| T2 | 8.85±1.07ab | 38.01±2.65a | 37.61±4.39b | 6.56±0.90ab | 91.64±5.07b | |
| CK：自然光对照；T1:增强UV-B辐射2.5 kJ m-2 d-1；T2：增强UV-B辐射5.0 kJ m-2 d-1；a、b、c表示同一列不同处理之间的差异显著性(P < 0.05) | ||||||
由表 2可以看出, UV-B辐射增强条件下, 叶片气孔密度有较大的变化, 各品种的气孔密度在处理后与对照相比均呈显著增加(P＜0.05), 其中21-1、21-3的增幅达2倍以上(T2), 师大6号增加3倍以上(T2)。非腺毛也呈增加趋势, 合作88、丽薯6号、21-1、21-3在T1或T2下与对照相比均明显增加(P＜0.05)。而腺毛的变化则没有一致性规律, 只有21-3和师大6号腺毛密度在处理后比对照增大, 其余4个品种(系)的腺毛密度处理与对照无显著差异。从两者的比值分析, 非腺毛在叶片表皮的分布密度要大于腺毛, 有4个品种的比值均大于1。
| 表皮特征 Epidermal features |
处理 Treatment |
合作88 Hezuo 88 |
丽薯6号 Lishu 6 |
21-1 | 21-3 | 转心乌 Zhuanxinwu |
师大6号 Shida 6 |
| 气孔Stomata | CK | 31.5±5.7b | 38.0±4.0b | 13.0±3.3b | 51.2±7.5b | 59.2±4.7c | 22.8±6.8b |
| T1 | 51.3±7.3a | 70.7±17.3a | 12.0±3.2b | 116.7±12.2a | 69.3±5.6b | 32.0±4.6b | |
| T2 | 41.8±6.8a | 35.8±6.7b | 26.3±8.0a | 123.3±20.5a | 85.0±7.7a | 72.8±6.4a | |
| 腺毛 | CK | 1.0±0.8a | 3.7±0.8a | 1.7±0.5a | 1.0±0.3b | 4.6±1.2a | 2.0±0.8b |
| Glandular trichome | T1 | 0.8±0.0a | 2.2±1.1a | 1.3±1.1a | 0.5±0.7b | 3.2±1.1a | 3.8±0.4a |
| T2 | 1.7±0.5a | 3.0±0.7a | 1.0±1.3a | 2.2±0.7a | 4.3±0.9a | 2.8±0.8ab | |
| 非腺毛 | CK | 1.0±0.3b | 2.2±0.8b | 6.0±1.6b | 2.3±0.8b | 4.9±1.1a | 4.0±1.0a |
| Non-glandular trichome | T1 | 3.8±1.1a | 4.5±0.4a | 2.7±1.1c | 3.3±0.0b | 3.5±0.6b | 4.8±1.1a |
| T2 | 1.2±0.8b | 4.8±1.1a | 8.2±1.0a | 4.7±1.1a | 5.4±1.0a | 6.2±1.7a | |
| 非腺毛与腺毛比值 Ratio of Non-glandular/ glandular trichome |
CK | 1.0 | 0.6 | 3.5 | 2.3 | 1.1 | 2.0 |
在增强的UV-B辐射条件下, 各处理品种的叶片表皮形态与对照相比有较明显的变化(图 1)。对照叶片表皮细胞形态正常, 结构层次清晰, 细胞分布致密、表面平整而光滑, 有少量蜡质分布(图 1A, C, E)。辐射处理的叶片表皮细胞分裂和生长受到了一定程度地抑制, 细胞比对照偏小, 并且呈现明显的失水皱缩现象；叶片表面较为粗糙, 凸凹不平, 细胞分布显得凌乱, 难以分辨出明显的细胞间隙和界限；同时可看出有明显角质增厚、蜡质分布增多迹象, 可见簇状分布的蜡质晶体(图 1B, D, F)。
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| 图 1 不同UV-B辐射处理下马铃薯各品种(系)的叶片表面形态特征变化 Fig. 1 Morphological variations of leaf surface presented in each potato variety (line) under different UV-B radiation treatments A：合作88CK；B：合作88T1, 右上角箭头所指为蜡质晶体；C：丽薯6号CK；D：丽薯6号T2；E：21-1CK；F：21-1T2 |
从图 2对腺毛的扫描电镜照片可看出, 马铃薯的腺毛主要由一个多细胞的棒状头部和单细胞柄部组成(图 2A—D), 此外表皮还分布有基部粗壮、顶端细长且明显分节的非腺毛(图 2E—F白色箭头), 与腺毛相比(图 2E-F黑色箭头), 非腺毛显得更长且尖细。在日常光照下, 腺毛和非腺毛均未表现出渗透胁迫症状, 细胞形态正常, 细胞液充盈, 腺毛头部未观察到明显萎缩现象(图 2A, C, E)。而在增强辐射处理下, 可看到腺毛及非腺毛都出现脱水萎缩症状(图 2B, D, F), 腺毛头部增厚的蜡质因皱缩导致成片剥离并脱落, 表皮细胞的蜡质与对照相比具有明显增多迹象, 角质层也显得比对照增厚(图 2D圆圈处)。
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| 图 2 不同UV-B辐射处理下马铃薯各品种(系)的腺毛形态特征变化 Fig. 2 Morphological variations of glandular trichome presented in each potato variety (line) under different UV-B radiation treatments A：21-3CK；B：21-3T1；C：合作88CK；D：合作88T1, 圆圈示增厚角质层；E：师大6号CK, 白色箭头示非腺毛, 黑色箭头示腺毛；F：合作88T2 |
从图 3对气孔的扫描电镜照片可看出, 实验品种(系)的气孔为无规则型, 形状多呈椭圆形, 气孔完全打开时呈近圆形(图 3C)。辐射处理对气孔开度具有一定程度的影响, 可观察到保卫细胞部分失水收缩, 气孔的位置与对照比较相对显得下陷(图 3B, D, F), 气孔呈逐渐关闭状态。与对照相比最显著的是, 辐射处理后保卫细胞、周围表皮细胞的蜡质明显增厚(图 3B, D), 可清晰看见成片的块状、颗粒状蜡质附着于表面。
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| 图 3 不同UV-B辐射处理下马铃薯各品种(系)的气孔形态特征变化 Fig. 3 Morphological variations of stomata presented in each potato variety (line) under different UV-B radiation treatments A：21-3CK；B：21-3T1；C：转心乌CK；D：转心乌T1；E：21-1CK；F：21-1T2 |
由图 4可看出, 自然光照处理的叶肉细胞中, 细胞结合紧密, 胞间隙较小, 中央大液泡占据了细胞的主要位置, 细胞膜紧贴着细胞壁, 胞质和叶绿体、线粒体等主要细胞器位于细胞边缘位置, 叶绿体数量较多, 多数均有白色的淀粉粒形成(图 4C)。叶绿体可见完整的双层膜结构, 基粒类囊体片层结构明显, 垛叠整齐有序, 排列紧凑, 相互间通过基质类囊体连接, 形成高效的光能吸收与传递光反应系统(图 4A)。而在增强的UV-B辐射处理后, 液泡显现出辐射胁迫下的失水症状, 质壁分离显现, 细胞壁也随之弯曲变形(图 4D)；同时叶绿体形态变得扭曲、不规则形状增多, 类囊体出现肿胀, 基粒、基质片层扭曲, 排列紊乱, 基粒片层呈现减少趋势(图 4B, E), 同时明显可见细胞壁上有较多的沉淀物(图 4E—F)。但转心乌T2处理下叶绿体大体结构完整, 显示受到的辐射影响并不明显(图 4F)。值得注意的是, 在辐射处理后, 在多个细胞中均能观察到含有类晶体(paracrystalline)内含物的过氧化物酶体存在(图 4D—E), 而在对照叶片的过氧化物酶体中并未发现, 表明这种类晶体应是增强辐射后诱导产生的, 并且其中含有的过氧化物酶对马铃薯叶片因辐射产生的氧化胁迫具有保护作用。
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| 图 4 不同UV-B辐射处理下马铃薯各品种(系)的叶肉细胞超微结构变化 Fig. 4 Ultrastructural variations of mesophyll cells presented in each potato variety (line) under different UV-B radiation treatments A：合作88CK, 黑色箭头示完整的基粒类囊体；B：合作88T2, 白色箭头示肿胀的基粒类囊体；C：21-3CK, 完整细胞结构, 有成熟的中央大液泡；D：21-3T2, 液泡失水收缩, 细胞壁部分扭曲变形, 3个过氧化物酶体(黑色箭头)；E：丽薯6号T2, 3个过氧化物酶体出现在3个细胞(黑色箭头)；F：转心乌T2, 叶绿体基粒类囊体结构清晰完整；OD：嗜锇颗粒osmiophilic globule；St：淀粉粒starch grain；M：线粒体mitochondrion; Ps：过氧化物酶体peroxisomes; GT：基粒类囊体grana thylakoid；ST：基质类囊体stroma thylakoid; V：液泡vacuole; CW：细胞壁cell wall |
在增强的UV-B辐射处理下, 6个马铃薯品种(系)的光合参数具有不同的变化(表 3)。由表中可看出, UV-B辐射强度增加对马铃薯光合作用具有较大的影响。各品种(系)的净光合速率(Pn)在处理后均呈下降趋势, 与对照相比除21-1和21-3外在T1或T2处理下都有显著差异, 其中合作88、丽薯6号和师大6号的Pn值下降最为明显。其次, 由前面几个图可看出, UV-B辐射引起的胁迫对叶片表皮、叶肉细胞大小及形态均有影响, 也影响到保卫细胞的持水能力, 因此各品种的气孔导度(Gs)在辐射处理后多数呈显著下降趋势, 只有21-3和转心乌未出现明显变化。相应地, 由于气孔导度下降, 气孔阻力随之增加, 气体和水分与外界交换的通道受阻, 因此各品种的胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)大多出现明显的降低趋势。总体来看, 合作88、丽薯6号、师大6号这3个品种的变化规律较为一致, 各参数在处理后均为下降, 且随辐射强度的增加降幅愈加明显；21-1和21-3的各参数呈现一定的下降趋势, 但多数未达到显著水平；而转心乌仅在T1处理下Pn和Tr比对照显著降低, T2处理与对照相比各参数无显著差异。
| 光合参数 Photosynthetic parameters |
处理 Treatment |
合作88 Hezuo 88 |
丽薯6号 Lishu 6 |
21-1 | 21-3 | 转心乌 Zhuanxinwu |
师大6号 Shida 6 |
| 净光合速率/ (μmol m-2s-1) | CK | 15.27±1.964a | 17.87±1.762a | 17.04±1.678a | 16.75±2.085a | 19.76±1.577a | 22.53±0.74a |
| Net photosynthetic rate | T1 | 9.67±2.792b | 16.80±1.380a | 16.64±1.732a | 15.48±1.766a | 15.54±4.879b | 19.38±1.083b |
| T2 | 6.81±2.125b | 11.90±0.989b | 14.82±2.270a | 15.94±1.220a | 19.85±1.67a | 20.73±1.878b | |
| 气孔导度/(mol m-2s-1) | CK | 0.29±0.122a | 0.55±0.057a | 0.46±0.112a | 0.50±0.075a | 0.64±0.200a | 1.03±0.407a |
| Stomatal conductance | T1 | 0.12±0.055b | 0.37±0.054b | 0.37±0.078ab | 0.47±0.096a | 0.44±0.286a | 0.58±0.094b |
| T2 | 0.07±0.026b | 0.17±0.036c | 0.34±0.083b | 0.51±0.043a | 0.68±0.113a | 0.64±0.161b | |
| 胞间CO2浓度/(μmol/mol) | CK | 259.01±20.293a | 325.25±9.457a | 307.04±17.940a | 306.65±6.800b | 299.09±10.912ab | 310.34±13.894a |
| Intercellular CO2 concentration | T1 | 223.95±24.466b | 310.26±9.163a | 292.90±10.676a | 308.06±11.901b | 279.99±28.209b | 299.70±5.116ab |
| T2 | 214.02±11.836b | 243.05±21.008b | 302.56±6.048a | 320.57±11.227a | 304.92±5.620a | 298.30±8.291b | |
| 蒸腾速率/(mmol m-2s-1) | CK | 4.72±1.152a | 3.74±0.265a | 3.60±0.446a | 4.19±0.413a | 4.54±0.581a | 5.21±0.045a |
| Transpiration rate | T1 | 2.89±0.969b | 3.19±0.328b | 3.21±0.412ab | 3.91±0.656a | 3.36±1.317b | 4.54±0.399b |
| T2 | 2.07±0.621b | 3.63±0.581ab | 2.90±0.473b | 3.81±0.175a | 4.94±0.312a | 4.60±0.497b |
从光响应曲线可知(图 5), 增强的UV-B辐射不但使相应的光合参数降低, 也导致马铃薯叶片对光能的利用效率和净光合速率下降, 但不同品种间的响应有较大差异。在低的光合有效辐射下(小于200 μmol m-2s-1), 辐射处理与对照之间的净光合速率并未有大的差异, 但随着PAR值的增加, 品种间的差异就逐渐变得显著。合作88、丽薯6号和师大6号3个品种在400 μmol m-2s-1时Pn就开始明显低于CK, 显示这3个品种在UV-B辐射胁迫下光合性能减弱, 对强光的利用效率明显降低, 尤其是合作88和师大6号降幅显著, 在T1和T2处理强度下有明显的梯度效应；而剑川红的21-1、21-3和转心乌则受到的影响相对要小很多, 21-1的3个处理光响应曲线几乎重叠在一起, 21-3的T2 Pn值反而比CK要高, 转心乌则是在T1时略有下降, T2与CK差异极小。
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| 图 5 不同UV-B辐射处理下马铃薯各品种(系)的光响应曲线 Fig. 5 Light response curve of each potato variety (line) under different UV-B radiation treatments |
对于营自养生活的高等绿色植物来说, 叶片对于植物的重要性不言而喻, 并在长期的进化过程中形成了对多种生存环境良好适应的不同机制与类型。由于自然环境中光照的不稳定性, 植物可能会处于过强或过弱的光环境中, 并会在避免强光伤害和获得足够的光能之间取得平衡, 因此不同光环境中发育的叶片形态结构具有较大的差异[13], 这种对光强的适应机制在叶片的栅栏组织、海绵组织结构甚至叶绿体的排列和运动方面都有明显的体现[26]。在本研究中, 增强UV-B辐射处理后的叶片结构上下表皮、栅栏和海绵组织与对照相比多有不同程度的增厚, 多数品种(系)的叶片厚度都呈增厚趋势, 这与对水稻的类似研究结果一致[17]。由于UV-B含有的能量较高, 对植物具有较大的伤害作用, 因此植物采取了缩小叶面积、降低株高和叶片增厚的适应策略, 以此形态响应来减少逆境暴露[27-28], 这种适应策略与高山植物对低温和强辐射高山恶劣环境的适应机制也较为类似[29]。
叶面积的减小是由于UV-B辐射对叶片表皮细胞分裂、膨胀的抑制作用引起[30], 因此表皮细胞的密度通常会因此增加[7]。从本研究结果看, 气孔的密度在处理后与对照相比多有显著增加趋势, 间接印证了UV-B辐射对植物叶片表皮细胞的这种抑制作用。同时非腺毛的密度处理后也呈现上升趋势, 腺毛数量未出现明显的增加规律, 这可能是由于统计视野不多(5个视野, 100倍)和腺毛比非腺毛分布频率少的缘故, 如果扩大统计范围应能观察到腺毛数量的增加趋势。研究表明, 茄科植物具有多种形态的非腺毛和腺毛[31], 马铃薯的腺毛有两种类型, 分别是球状头部的A型腺毛和棒状头部的B型腺毛, 并且后者所占比例可能要多于前者[32], 本研究只观察到出现比例较高的B型腺毛。腺毛在马铃薯抵御害虫及晚疫病侵袭方面均有着积极的作用[33-36], 同时腺毛具有很强的合成、储存或分泌次生代谢产物的能力[37]。类似的研究已经表明, 非腺毛与腺毛含有的类黄酮和多酚物质在紫外辐射防御方面具有重要的保护意义[38-40]。因此本研究中辐射处理后在增厚叶片表面增多的腺毛与非腺毛能有效吸收部分增强的UV-B辐射, 减轻辐射引起的对叶肉组织的损伤。
对扫描电镜照片的分析可清晰看出增强的UV-B辐射对于实验品种叶片表皮细胞的伤害是显著的, 细胞形态、大小和表面平整度等方面均与对照叶片细胞具有较大的区别。作为叶片与外界环境的首道屏障, 角质层及蜡质可通过光谱反射和类黄酮、多酚的吸收作用有效滤减UV-B辐射[41-44], 在植物面对非生物胁迫时扮演着重要作用。从本研究中可以看出, 辐射处理后的叶片角质层明显增厚, 分布在表皮、保卫细胞和腺毛上的蜡质晶体呈现较为明显的增多增厚迹象, 这种对增强UV-B辐射的适应机制与其他作物如玉米(Zea mays L.)[45]和小黑麦(×Triticosecale Wittmack)[46]比较类似, 有助于提高其对UV-B辐射的耐受性。
尽管有表皮及其附属物的外层保护屏障, 长时间增强UV-B辐射对叶肉细胞的影响还是显而易见的。从透射电镜照片可见, 处理后的叶肉细胞液泡萎缩、叶绿体结构紊乱和细胞壁有沉淀物附着症状, 这些均是细胞遭受UV-B辐射胁迫产生的典型症状[47], 与马铃薯受冷害或盐胁迫引起的叶片超微结构变化具有一定程度的相似性[48-49]。另外, 21-3和丽薯6号的T2处理叶片叶肉细胞中, 在多个过氧化物酶体中均能观测到近方形的类晶体存在, 同样现象可在处理8d(7.83 kJ m-2 d-1)后的马铃薯叶肉细胞中观察到[50], 结合对马铃薯和向日葵(Helianthus annuus L.)过氧化物酶体的研究可知其主要成分是由过氧化氢酶组成的[51], 其与抗坏血酸过氧化物酶(APX)、超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽还原酶(GR)等抗氧化酶系统可有效清除增强UV-B辐射下产生的氧化胁迫[52]。
在面临强光、高(低)温、干旱等逆境胁迫下, 植物启动活性氧自由基清除体系、渗透调节、信号转导等多种响应途径, 以最大程度地保持体内各种生理生化代谢的正常进行[53]。从本研究结果看, 尽管各实验马铃薯品种通过叶片缩小增厚、腺毛增多、角质层和蜡质增厚的形态适应和胞内积累过氧化氢酶来减少UV-B辐射对叶片内部组织的伤害, 但长时间的增强UV-B辐射还是不可避免地影响了光合参数和光合效率。由于UV-B辐射对放氧复合体、反应中心蛋白及光系统PSⅡ多个电子受体(供体)的破坏作用, 不仅导致了叶绿体结构的损伤, 也使各品种的净光合速率和气孔导度等参数均不同程度地受到抑制, 对光合有效辐射的利用效率显著降低, 与马铃薯在低温和干旱胁迫下的光合特性变化相一致[54-55]。在6个品种中, 合作88、丽薯6号和师大6号的光合作用受到了显著抑制, 其光合参数和光能的利用效率下降明显, 而剑川红的21-1、21-3品系和转心乌的相关光合特性与对照无明显差异, 几乎没有受到大的影响, 其中21-3在较强辐射处理下对强光的利用效率还要高于对照。这3个品种(系)作为云南本地的特有品种, 较为适应云南低纬高原紫外辐射强烈的生长环境, 尤其是转心乌和21-1, 对其形态和生理指标的研究表明比其他品种(系)具有较强的UV-B辐射耐受性[56-58], 本研究也从光合生理方面验证了上述研究结果。鉴于这3个品种(系)属于彩色品种(系), 后续研究将从叶片表皮蜡质和腺毛的紫外吸收能力、花色苷含量、生理特性和分子水平进行深入研究和阐述, 充分发掘彩色品种(系)在UV-B辐射耐受性及品种培育方面的潜力。
4 结论在增强的UV-B辐射处理后, 6个马铃薯品种(系)叶片结构与对照相比均有不同程度的变化：叶片上下表皮、栅栏和海绵组织的解剖学指标增厚, 多个品种的叶片厚度增加；近轴面的气孔和非腺毛密度呈显著增加, 腺毛密度呈现增加趋势；叶片近轴面的角质层增厚, 蜡质晶体增多, 表皮细胞缩小萎缩, 轮廓模糊不清, 表现出渗透胁迫症状；叶肉细胞大体结构完整, 但液泡、细胞壁、叶绿体表现出辐射胁迫受损症状, 过氧化物酶体出现积累过氧化氢酶的应激症状。
6个品种(系)光合生理特性呈现不同的响应：UV-B辐射处理显著抑制了合作88、丽薯6号和师大6号的净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率, 光合性能明显下降, 光合有效辐射的利用效率显著降低；剑川红21-1、21-3和转心乌的光合参数及光响应曲线显示未受到明显的影响, 显示本地特色品种在UV-B辐射耐受性品种选育方面具有较大的应用前景。
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