UV-B辐射对烤烟光合特性和光合色素含量的影响

Effects of UV-B Radiation on Photosynthetic Characteristics and Pigment in Flue-Cured Tobacco Leaves

摘要: 本研究选取云南高海拔烟区的宣威县板桥镇县(海拔1997 m)，大田种植烤烟品种云烟87，通过大棚覆盖不同厚度透明薄膜减弱UV-B辐射的方式，研究了自然环境下75.04% (A1)、70.01% (A2)和30.02% (A3)的不同UV-B辐射强度对云烟87光合特性和光合色素的影响。从本试验结果可以看出，第7叶A1、A2处理随着光强的增加与CK相比差异加大，使云烟87对强光的适应能力有所增强，A3与CK随光强增加变化一致。减弱UV-B辐射后，各处理净光合速率差异不大，这也说明本研究采用大棚遮挡UV-B辐射的同时，虽然部分降低了棚内光照度，但是对烤烟叶片的光合并未产生显著的影响，本试验各处理间的差异主要受UV-B辐射强度的影响。另外，UV-B辐射可以引起光合色素含量的变化，各降低UV-B辐射处理间叶绿素含量呈现先下降后升高的趋势，这说明云南地区烤烟在长期的进化和生长中已经对高UV-B辐射有一定的适应。

Abstract: A pot experiment with three different UV-B radiation intensity treatments (75%, 50% and 35% of the natural solar UV-B respectively) using Yunyan87 was conducted at Banqiao town, Xuanwei county, Yunnan province (Altitude 1997 m). The photosynthetic characteristics and pigment contents of the middle or low leaves of each treatment were tested. The results showed that increasing with light intensity A1, A2 treatment of 7 leaves, the difference compared with the CK increased, so ability to adapt to light of Yunyan87 had been enhanced; the trend of CK and A3 consistent with light intensity increased. The Pn of all treatments had no significant difference, this result indicated that the difference among the treatments in this research mainly induced by UV-B, not the light. Besides this, reduction of UV-B resulted in the change of the chlorophyll content. With the reducing of the UV-B, chlorophyll content increased first then decreased. The tobacco varieties planted in Yunnan province have some adaptation of high UV-B radiation intensity.

1. 引言

植物光合作用是对UV-B辐射最为敏感的生理过程之一，前人研究表明，UV-B辐射增强对作物光合作用的影响是多方面的，净光合速率和表观量子效率的减少幅度随UV-B辐射时间的延长而逐渐增大，并且它们是同时下降的，这也是植物发生光合作用最显著的特征，也说明它们是UV-B辐射量的累积效应 [1] ，同时，UV-B辐射增强会降低作物的净同化率和气孔传导率，从而影响到作物的蒸腾作用和呼吸作用 [2] 。另外，UV-B辐射增强对作物光合作用的影响还表现在它使作物的光合作用机能受损 [3] 。尽管UV-B辐射对植物光合作用有伤害作用，但已有许多研究表明，植物可通过多种途径来尽量减少UV-B辐射的不利影响，这包括光合色素含量的变化。刘敏等 [4] 研究指出，增强UV-B辐射能够使烟草叶绿素含量提高，但黄勇等 [5] 研究表明UV-B处理后叶绿素含量下降，而且下降幅度与辐射强度呈正相关；但是适宜强度的UV-B辐射预处理后可致叶绿素、总类胡萝卜素含量提高。UV-B辐射增强能破坏叶绿体系统，使其中的叶绿素a、叶绿素b及叶绿素总量下降，并且叶绿素a对UV-B辐射更敏感 [6] 。但也存在例外，研究发现UV-B辐射增强对黄瓜和大豆的叶绿素b的破坏较叶绿素a严重 [7] ，这可能是因为过多的光能对光合机构有损伤作用，而叶绿素b在一定程度上能够减少光能吸收，从而避免或减轻光抑制伤害 [8] 。UV-B辐射除了对叶绿素、类胡萝卜素的含量有影响外，还会影响其他植物色素的代谢，特别是抗UV-B色素的合成，这些色素主要是酚类化合物如类黄酮、黄酮醇、花色素苷，以及烯菇类化合物如类胡萝卜素、树脂等，其中类黄酮是最主要的吸收物质，它在植物对UV-B辐射的吸收中形成了一道理想的天然屏障，可以减少UV-B辐射对植物自身的伤害，并对叶肉组织起保护作用 [9] 。大量研究表明，在UV-B辐射下，植物叶片中的UV-B吸收物质含量会增加，但同时UV-B 吸收化合物的积累也受植物种性和所处环境的影响，存在着很大的差异。然而，关于大田种植环境下自然环境中太阳UV-B辐射对烤烟光合影响的研究还很少。本研究通过梯度减弱UV-B辐射的方式，研究了云南低纬高海拔地区自然环境不同UV-B辐射强度下烤烟光合特性的变化，拟初步明确低纬高海拔地区自然环境中不同强度UV-B对烤烟光合特性的影响。

2. 材料与方法

2.1. 材料与方法

试验地概况

试验在云南省曲靖市宣威县板桥镇(103˚42'E，26˚18'N，海拔1997 m)进行，该地气候温和，雨量充沛，属中亚热带湿润凉冬高原季风气候。烤烟大田主要生长期(5~8月)正值云南地区的雨季，宣威县板桥镇历年和2017年5~8月主要气候要素平均值见(表1)。试验地为菜地，轻壤土，试验前土壤pH值6.52，有机质24.01 g∙kg⁻¹，碱解氮76.45 mg∙kg⁻¹，速效磷19.14 mg∙kg⁻¹，速效钾120.04 mg∙kg⁻¹。

Table 1. Main climatic factors in the months of May to August over the years and 2009 year in Xuanwei County

表1. 宣威县烤烟大田生长期(5~8月)历年和2017年主要气候因子

2.2. 试验材料与试验设计

烤烟品种为云烟87，包衣种子，漂浮育苗，2017年4月30日移栽到大田，种植密度16500株∙hm⁻² (株行距50 cm × 120 cm)。底肥施烤烟专用肥(N:P₂O₅:K₂O = 2:1:4) 775.5 Kg∙hm⁻²，钙镁磷肥775.5 Kg∙hm⁻²，追肥施烤烟专用肥330 Kg∙hm⁻²，硫酸钾132 Kg∙hm⁻²∙hm⁻²，追肥共施3次，分别于5月10日、5月20日和5月30日施入。其他栽培管理，按优质烟叶生产技术规范进行。

试验设置3个减弱UV-B辐射处理，A1覆盖0.040 mm厚度的聚乙烯薄膜；A2覆盖0.068 mm厚度的聚乙烯薄膜；A3覆盖麦拉膜0.040 mm厚度(Mylar，SDI，USA)。另设一个不作任何盖膜处理为对照(CK)。于移栽后18 d (5月18日)，烤烟进入旺长期开始处理。每处理搭建长20 m，宽5 m，顶部高2.2 m，边缘高1.5 m的大棚，仅大棚顶部和东西两侧1 m以上部分盖膜，以利于棚内通风。各处理设三个重复，即共建九个小区大棚。经用UV-B辐射强度测定仪测定，各处理棚内植株顶部的平均UV-B辐射强度分别为外界环境的75.04% (A1)、70.01% (A2)和30.02% (A3)；光照透过率为外界环境的72%~80%之间，不同处理没有明显差异。

2.3. 测定方法与计算

2.3.1. 光合作用测定

待云烟87进入现蕾——开花期，选取已完全展开的第7片有效叶片(代表下部叶)作为测定功能叶，于2017年7月4日~9日晴天9：00~16：00 (避开中午12：00~14：00烤烟的“午睡”时段)，采用LI-6400便携式光合测定仪(LI-COR, USA)，在开放式气路下测定光合作用光响应曲线。测定时叶室温度设定为25℃，气体流量500 μmol∙s⁻¹，叶室内空气相对湿度控制在60%~70%。PAR由LI-6400-02B LED红蓝光源提供，设置梯度为1800，1600，1400，1200，1000，800，400，200，0 μmol∙m⁻²∙s⁻¹，测定前先在1200~1800 μmol∙m⁻²∙s⁻¹范围内逐渐增加光强进行诱导，诱导结束后再在设定的光强范围内由高往低测，每处理重复测定3株，取平均值。

处理60 d (8月14日)，待第12片有效叶片(代表中部叶)完全展开后，在上午9：30~12：00测定叶片的光合气体交换参数，包括净光合速率(P_n，μmol CO₂∙m⁻²∙s⁻¹)、蒸腾速率(T_r，mmol H₂O∙m⁻²∙s⁻¹)、气孔导度(G_s，mmol∙m⁻²∙s⁻¹)、胞间CO₂浓度(C_i，μmol∙mol⁻¹)等。水分利用效率(WUE) = P_n/T_r；内在水分利用效率(IWUE) = P_n/C_s；气孔限制值(L_s) = 1 − C_i/C_a；同化能力(AC) = P_n/C_i [10] 。

光合参数采用LI-6400-02B测定，设定PAR = 1200 μmol∙m⁻²∙s⁻¹，叶室温度25℃，开放式气路，气体流量400 μmol∙s⁻¹，叶室内空气相对湿度控制在60%~70%。每处理测定重复3~4株，取平均值。

2.3.2. 叶绿素和类胡萝卜素含量的测定

叶绿素和类胡萝卜素含量的测定采用比色法，用混合液(纯丙酮、无水乙醇和蒸馏水按4.5:4.5:1的比例配成)在黑暗条件下浸提，当组织完全变白时，用646 nm，470 nm和663 nm处测定光密度值。

叶绿素aC_a = 12.12A₆₆₃ − 2.81A₆₄₆

叶绿素bC_b = 20.13A₆₄₆ − 5.03A₆₆₃

类胡萝卜素 ${\text{C}}_{x,c}=\frac{1000{\text{A}}_{470}-3.27{\text{C}}_{\text{a}}-104{\text{C}}_{\text{b}}}{229}$

色素含量 = (色素浓度 × 色素提取液总量) ÷ 叶片面积。

2.4. 数据的数理统计分析

数据经Microsoft Excel 2003整理，SPSS 16.0进行单因素方差(One-way ANOVA)分析，F检验(LSD法)处理间的差异，设置差异水平P < 0.05。数值以平均值±标准误(S.D.)表示。

3. 结果与分析

3.1. 下部叶(第7叶)的光响应曲线特征

3.1.1. 净光合速率

随着PAR的增加，各处理净光合速率均呈现出明显的增加趋势，在PAR较低时，随着PAR的增加净光合速率增加较快，而在PAR较高时，随着PAR的增加净光合速率相对增加较慢。

另外，从图1可以看出，在0~2000 μmol∙m⁻²∙s⁻¹PAR范围内，同一PAR水平下各处理净光合速率值均无显著差异，但A1和A2处理略高于A3和CK处理，这表明，适当的降低UV-B辐射后，可能由于减轻了UV-B辐射对烟叶光合作用的抑制，烟叶净光合速率升高，但是，过度的减弱UV-B辐射反而又抑制了烟草净光合速率的提高，其不利于烤烟光合作用。

3.1.2. 蒸腾速率

随着PAR的增加，各处理蒸腾速率总体上呈上升趋势。在0~1000 μmol∙m⁻²∙s⁻¹ PAR范围内，CK处理蒸腾速率随着PAR的提高呈不断升高，PAR大于1000 μmol CO₂∙m⁻²∙s⁻¹后，蒸腾速率基本保持不变。但是A1、A2和A3处理在0~2000范围内，蒸腾速率随PAR的增加一直呈增加趋势。从PAR = 2000 μmol∙m⁻²∙s⁻¹开始，A1、A2和A3处理蒸腾速率均显著高于CK处理，但是3个降低UV-B辐射处理间蒸腾速率在各PAR下均无显著差异，A1和A2处理略高于A3处理(图2)。

Figure 1. Response of P_n to PAR（Photosynthetic Active Radiation） in Yunyan87 leaves

图1. 烟叶净光合速率对PAR(光合有效辐射)的响应

Figure 2. Response of Tr to PAR (Photosynthetic Active Radiation) in Yunyan87 leaves

图2. 烟叶蒸腾速率对PAR(光合有效辐射)的响应

3.1.3. 水分利用效率

随着PAR强度增加，各处理叶片水分利用率均先迅速增加，在PAR为600 μmol∙m⁻²∙s⁻¹时达最大值，其后随着PAR增加，水分利用率缓慢下降(图3)。当PAR > 200 μmol∙m⁻²∙s⁻¹时，各减弱UV-B处理的水分利用率均明显低于同一PAR条件下的CK处理，但A1、A2和A3 3个处理之间水分利用率差异不大。

3.2. UV-B辐射对烤烟中部叶片光合参数的影响

不同UV-B辐射条件下烟株中部叶片的P_n、T_r、C_i和IWUE均以A1最高(表2)，不同UV-B处理条件下，A1处理除了胞间CO₂浓度C_i和水分利用效率表现出下降趋势外，其余指标均较对照有所上升，其中净光合速率较对照上升最为明显，与对照相比上升了6.20%，A2和A3处理较对照相比除了净光合速率均表现为下降趋势，其中A3处理下内在水分利用效率较对照下降了7.91%。A1 > A3 > A2；处理间蒸腾速率T_r为A1 > A2 > A3，A3与CK接近；胞间CO₂浓度C_i则A1较大，而其余三者相差不大；对A1~A3的WUE均明显低于CK，但各减弱UV-B辐射处理水分利用率差异不大。A1~A3气孔导度C_s较CK低。随UV-B辐射的降低，气孔限制值相差不大。减弱UV-B辐射各处理水分利用率有不同程度的降低，其中以A3最低。A1和A2比A3略高。减弱UV-B辐射下不同处理的内在水分利用率A1较高，A2较低，A3则低的较多，与A1和A2有显著差异。

Figure 3. Response of WUE to PAR (Photosynthetic Active Radiation) in Yunyan87 leaves

图3. 烟叶水分利用效率对PAR(光合有效辐射)的响应

Table 2. Main photosynthetic gas parameters of flue-cured tobacco leaf in treatments (12 leaf)

表2. 不同处理烟叶主要光合参数(第12叶)

叶片光合参数相关分析结果表3表明，P_n与T_r、L_s成正相关，P_n与C_s、C_i、WUE和IWUE成负相关；T_r与C_s、L_s成正相关，T_r与C_i、WUE成负相关；C_s与L_s、WUE和IWUE成正相关；但各参数之间相关性上都不显著。

Table 3. Relationship analyzes of leaf photosynthetic gas parameters

表3. 叶片光合参数之间的相关性分析

*Relationship was significant at level of p < 0.05 (two tailed); **Relationship was significant at level of p < 0.01 (two tailed); It was the same as following.

注：* 在p < 0.05水平(双侧)上显著相关；**在p < 0.01水平(双侧)上显著相关；下同。

3.3. UV-B辐射处理对叶绿素和类胡萝卜素含量的影响

从图4可以看出，随UV-B辐射强度的减弱，叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总含量呈先降低后增高的趋势，方差分析可以看出，A1处理叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总含量显著低于CK、A2和A3，但是CK、A2和A3三者之间无显著差异。减弱UV-B辐射对类胡萝卜素含量的影响与叶绿素不同，在A1处理下具有最大值，但是各处理间无显著差异。

Figure 4. Changes in chlorophyll and carotenoids after different UV-B radiation treatments

图4. UV-B(紫外线)辐射处理对叶绿素和类胡萝卜素含量的影响

4. 讨论

4.1. 净光合速率和光合色素

从第7叶的结果来看，A1、A2处理随着光强的增加与CK相比差异加大，使云烟87对强光的适应能力有所增强，A3与CK随光强增加变化一致。在增强UV-B辐射下，植物以降低净光合速率来应对UV-B辐射加强的变化，作为一种适应方式 [11] 。试验中对第7叶的研究表明，A1和A2处理净光合速率大于CK，对第12叶的研究表明，A1处理下云烟87净光合速率最大，CK最小，A2和A3介于中间水平，这些结果表明烟草中下部第7叶和中部第12叶都以增加净光合速率来应对UV-B辐射能量减少对植物光合系统的影响，表现出烤烟对UV-B辐射变化的适应情况。植物叶片光合作用与叶位有很大的相关关系 [12] ，对比在本研究中不同UV-B辐射下两个叶位Pn可以发现，减弱UV-B辐射对烤烟叶片光能吸收、传递和转换的影响，叶位不同也是引起处理间Pn差异的一个重要因素。以减少对光的吸收为代价达到减轻高能量光对光合系统的伤害。另外，从本试验结果可以看出，减弱UV-B辐射后，各处理净光合速率差异不大，这也说明本研究采用大棚遮挡UV-B辐射的同时，虽然部分降低了棚内光照强度，但是对烟叶的光合并未产生显著的影响，本试验各处理间的差异主要受UV-B辐射强度的影响，而不是主要受光照强度变化的影响。

UV-B辐射变化可以引起光合色素含量的变化。减弱UV-B辐射对类胡萝卜素含量的影响与叶绿素不同，在A1处理下具有最大值，各处理间差异不大。对比不同UV-B辐射条件下叶片叶绿素含量可以发现，各降低UV-B辐射处理间叶绿素含量呈现先下降后升高的趋势。这表明，云南地区烤烟在长期的进化和生长中已经对高UV-B辐射产生的一定的适应，部分降低UV-B辐射对叶绿素含量产生了较大的影响，但是，随着UV-B辐射程度的下降，烤烟逐步产生了适应性，所以，更低的UV-B辐射反而又提高了叶绿素含量，这些结果也表明，烤烟对UV-B辐射的反应适应机理比较复杂，关于其具体机理需要进一步深入研究。

4.2. 水分利用效率

提高WUE是植物适应不利环境的一个重要策略 [13] 。试验中对两个叶位WUE的分析都表明，CK的WUE最高，高于各减弱UV-B辐射处理。这说明在一定范围内减弱UV-B辐射后烤烟对水分的管理、利用能力下降，而当UV-B辐射增加时，提高WUE是烟叶适应环境的一种重要对策。前期研究也表明 [14] ，外界较强的UV-B辐射对WUE的抑制强度较弱，这与本研究结果类似。

WUE的大小决定于碳固定与水分消耗的相对比例，即P_n与T_r的相对大小。气孔调控着植物CO₂的摄取和水分散失之间的平衡，P_n不仅与碳同化有关，还和气孔导度有关，而T_r主要与气孔导度有关 [15] ，因此UV-B辐射对碳同化过程和气孔导度的影响程度是解释WUE差异的关键。分析各处理影响WUE的主要因素可以发现，CK较高的WUE主要与其较高的P_n或较低的T_r有关，A3则主要与其较高的P_n有关。A1和A2相比，A1较高的WUE可能主要是因为其气孔导度小，降低了蒸腾速率。一般气孔密度大时，植物的蒸腾速率较高，但还取决于气孔对水、气平衡的调节能力 [16] 。IWUE可用来评价植物气孔的水、气平衡调节能力。IWUE的分析结果表明，A1处理的IWUE较高，表现出比其它处理较强的气孔水、气调节能力，其次为CK，而A2和A3处理下气孔的水、气调节能力较差。

基金项目

普洱学院烤烟、茶叶科技创新研究团队项目。