1. 引言
近几十年来,近地表UV-B辐射增强对作物农艺性状产生的影响受到人们的普遍关注。对大多数植物而言,较强的UV-B辐射使植物叶片面积缩小 [1] [2] ,而抗性较强的植物叶片形态不受UV-B辐射的影响 [3] 。单个叶面积缩小导致的直接后果是植物群体叶面积的下降,而使叶面积指数下降,导致生物量(或产量)的减少。另外,多数植物的株高在UV-B辐射胁迫下会产生矮化效应。研究发现UV-B辐射增强能使小麦发生矮化现象 [4] [5] 。陈建军等 [6] 的研究也发现,UV-B辐射能明显影响大豆的株高。但是,也有研究表明,UV-B辐射对植物的生长发育、形态和生理等的影响具有多效性,植物的形态变化在同等程度的增加或减少UV-B辐射下并不呈线性关系 [7] 。增加UV-B辐射使水稻植株矮化、分蘖减少、叶面积降低、生物量下降,而减弱UV-B辐射下水稻株高并无明显变化 [8] 。然而,关于大田种植环境下自然环境中太阳UV-B辐射对烤烟农艺性状影响的研究还很少。本研究通过大棚覆盖不同厚度的透明薄膜,梯度减弱UV-B辐射的方式,研究了云南低纬高海拔烟区不同UV-B辐射处理下烤烟形态特征的变化,旨在初步明确低纬高原地区自然环境中不同强度UV-B辐射对烤烟农艺性状的影响,为该区更好的进行烤烟种植提供参考。
2. 材料与方法
2.1. 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 mg∙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。
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16,500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. 测定内容与方法
2.3.1. 叶长、叶宽、叶面积、茎围和节距
共调查两次,分别在打顶前(7月3日)和打顶后(7月20日)。打顶前测定的叶片为第7片有效叶(从下往上数,下同),打顶后测定的叶片为第12片有效叶。每次每小区调查代表性植株10株,取平均值。
叶长:自茎叶连接处至叶尖的直线长度(有柄叶应除去叶柄),单位cm。
叶宽:以叶面最宽处与主脉的垂直长度,单位cm。
叶面积:单叶叶面积(cm2) = 0.6345 × 叶长 × 叶宽。
茎围:在株高约1/3处一节中部的茎的周长,单位cm。
节距:第一青果期在株高约1/3处测量上下各5个叶位,每个叶位测量2个节距(共测量10个节距)

Table 1. Main climatic factors in the months of May to August over the years and 2017 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
的平均长度,单位cm。
2.3.2. 比叶重
用打孔器分别在叶片的叶柄、叶中、叶尖部均匀地取6个叶圆片,然后将叶圆片(面积3 cm2),置于烘箱,105℃杀青30 min,85℃烘干至恒重,称重。计算LSM (LSM, mg∙cm−2) = 干重/叶面积。
以上所有测定均随机每处理选择三株,打顶前测定的叶片为第7片有效叶(从下往上数,下同),打顶后测定的叶片为第12片有效叶,重复3~4次,取平均值。
2.3.3. 气孔特征参数
取烟叶中部第5~6对叶脉之间靠近主脉两侧的叶片部分,用镊子撕取下表皮,制作临时水装片,在Motic Type 103M光学显微镜下,用10倍物镜和10倍目镜进行观察,并用Motic Digiclass 1.2拍摄软件拍照。Motic Images Advanced 3.2软件测量气孔长和宽,在照片上取1~5个视野,统计视野内气孔数目和表皮细胞数目,计算气孔密度(Stomata Density, SD)、表皮细胞密度(Epidermal Cell Density, ECD)和气孔指数(Stomata Index, SI),SI = SD/(SD + ECD),按椭圆形面积公式计算单个气孔面积:
式中SA为气孔面积,a为长半轴(即1/2气孔长度),b为短半轴长(即1/2气孔宽度)。
分别计算气孔特征参数和表皮细胞密度的标准差(
)和平均值(
),然后计算各参数的变异系数(
) [9] 。
2.3.4. 叶片解剖结构
与气孔测定同步,取叶片中部主脉与叶缘中间部位的叶片,经FAA固定液(酒精浓度70%)固定之后,放在70%酒精中保存,用70%酒精漂洗之后,经酒精逐级脱水、二甲苯透明、浸蜡(石蜡熔点54℃~56℃)、埋蜡、Leica切片机切片(厚度10 μm)、粘片、二甲苯脱蜡、酒精复水、番红–固绿双重染色、中性树胶封片等过程。将制好的永久切片放在Nikon Eclipse E200光学显微镜下,用40×物镜进行观察,并用测微尺测量总叶片厚度、栅栏组织、海绵组织及上、下表皮厚度、栅栏组织细胞层数等6项指标。每处理测量以上指标30组数值,取平均值。以上所有测定均重复3~4次,取平均值。
2.3.5. 数据整理分析
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. 减弱UV-B辐射对烤烟株型的影响
打顶前(7月3日)的株型性状各处理之间存在一定的显著差异(表2)。与CK相比,A1和A2处理茎高增加,但是三者之间差异不显著,A3处理与CK、A1和A2相比茎高显著下降。与CK相比,减弱UV-B辐射后各处理节间距均显著增加;A1、A2和A3三个处理之间,A2节间距最大,显著高于A1和A3处理。
减弱UV-B辐射处理后显著增加了叶长,A1、A2和A3三个处理叶长均显着高于CK,但是三者之间差异并不显著;叶宽变化与叶长有所不同,A1和A2处理叶宽增加明显,与CK差异显著,但A3处理与CK间无显著差异,叶面积与叶宽变化趋势相同;A3处理叶宽和叶面积显著低于A1和A2处理;A3处理与A1和A2处理形态差异较大,可能与过低UV-B辐射影响了烤烟的发育有关。
打顶前不同UV-B处理下,A1处理除了茎围表现下降趋势外,其余农艺性状指标均表现出上升的趋势,其中叶面积和节间距上升最为明显,分别较对照上升了32.57%和40.54%。A2处理表现出相似的规律,节间距上升的幅度更大,较对照上升了44.54%。A3处理变化除了节间距上升较明显外,其余农艺性状指标变化不显著。
打顶后(7月20日)各处理间茎高和节间距存在显著差异,而茎围、叶长、叶宽及叶面积差异不显著(表3)。减弱UV-B辐射显著增加了云烟87茎高和节间距,且随UV-B辐射减弱,茎高和节间距先上升后下降,并在A2处理下达最大值。各减弱UV-B辐射处理间,茎高差异不显著,株高上升的较打顶前要明显,其中A2处理较对照上升了23.23%,节间距A2处理上升幅度也较大,较对照上升了38.78%。而对节间距的促进作用则A2 > A3 > A1,三者之间都存在显著差异。
3.2. 减弱UV-B辐射对比叶重的影响
UV-B辐射减弱处理后,第7叶的LSM显著降低(图1(A))。与CK相比,A1、A2和A3处理的LSM分别降低了15.16% (P < 0.05)、13.90% (P < 0.05)和14.47% (P < 0.05),但各减弱UV-B辐射处理之间差异不显著。与第7叶有所不同,与CK相比,A1和A2处理第12叶LSM略有下降,但三者之间差异不显著,A3处理LSM则下降明显,与CK、A1与A2处理间差异显著(图1(B))。A1、A2和A3三个处理间,A3处理LSM显著着低于A1和A2处理,而A1、A2 2个处理间差异不显著。
3.3. 减弱UV-B辐射对叶片解剖结构的影响
UV-B辐射对栅栏组织细胞层数没有影响,但对烟叶其他解剖结构有显著影响(表4)。减弱UV-B辐射后,不同UV-B处理后烟叶解剖结构表现出的差异较大,除A1叶片厚度、栅栏组织厚度及海绵组织厚度略有上升外,A2和A3都显著降低,且A1 > A2 > A3。其中叶片厚度、栅栏组织厚度和海绵组织厚度在减弱UV-B辐射处理中随UV-B辐射强度的下降而显著降低。A2和A3上表皮厚度差异不显著,但与A1差异显著,减弱UV-B辐射处理间的下表皮差异不显著,但与CK处理差异均显著。A1处理除了下表皮厚度和栅栏组织厚度较对照下降外,其他各个指标均表现上升趋势,其中上升最明显的是上表皮厚度,较对照上升了5.58%。A2和A3处理均表现不同程度的下降趋势,其中A2处理条件下下表皮厚度较对照下降了27.75%,A3处理条件下栅栏组织厚度较对照下降了22.85%,下降幅度达显著水平。
UV-B辐射对叶片结构组成比例影响相对较小,栅栏组织占叶片总厚度的34%~36%,处理间差异不显著。但A1和CK海绵组织占叶片总厚度的比例较大,A3该比值较小,与A1差异显著。各处理栅栏

Table 2. Agronomical characteristics of Yunyan87 under different UV-B radiations before top pruning
表2. 不同UV-B处理下云烟87打顶前的农艺性状
注:同列中小写字母不同表示处理间差异在P < 0.05上差异显著。下同。

Table 3. Agronomical characteristics of Yunyan87 under different UV-B radiations after top pruning
表3. 不同UV-B处理下云烟87打顶后的农艺性状
注:同列中小写字母不同表示处理间差异在P < 0.05上差异显著。下同。

Table 4. Effects of UV-B radiation on flue-cured tobacco leaf anatomical structure
表4. UV-B辐射对烟叶解剖结构的影响

Figure 1. Specific leaf mass of two lea positions under different UV-B radiations
图1. 不同UV-B处理下2叶的比叶重
组织与海绵组织的比例差异不显著。
3.4. 减弱UV-B辐射条件下叶片的气孔特征
3.4.1. 气孔密度、表皮细胞密度和气孔指数
减弱UV-B辐射对气孔密度、气孔指数和表皮细胞密度影响不显著(图2)。A3气孔密度和气孔指数与CK相差不大,A1和A2气孔密度和指数相对于CK则有所降低。减弱UV-B辐射处理中,随UV-B辐射强度降低,表皮细胞密度有逐渐增加的趋势。
3.4.2. 气孔长、宽和面积
如图3所示,相对于CK,A1和A2显著提高了气孔长度,而A3气孔长度与CK差异不大,但与A1和A2差异显著。减弱UV-B辐射都显著提高了气孔宽度,A1~A3随UV-B辐射减弱,气孔宽度呈先升高后下降变化。A1和A2气孔面积显著大于CK和A3,而A3与CK差异不大。A2~A3随UV-B辐射减弱,气孔面积有下降的趋势。
3.4.3. 气孔特征参数的变异系数
由图4可以看出,总体上气孔指数、表皮细胞密度的变异系数较大,气孔宽和长及其密度和面积的变异系数较小。减弱UV-B辐射提高了气孔指数,降低了表皮细胞密度的变异系数,A2气孔指数的变异系数最高,显著高于CK,而与A1和A3差异不显著。A1~A3随UV-B辐射减弱,表皮细胞密度的变异

Figure 2. Flue-cured tobacco leaf stomatal and epidemic cells densities and stomatal index under different UV-B radiations
图2. 不同UV-B辐射下烟叶气孔密度、表皮细胞密度和气孔指数

Figure 3. Flue-cured tobacco leaf stomatal length, wildth and area under different UV-B radiations
图3. 不同UV-B辐射下烟叶气孔长、宽和面积



Figure 4. Variation coefficients of stomatal and epidermic cells characteristic parameters under different UV-B radiations
图4. 不同UV-B辐射下气孔和表皮细胞特征参数的变异系数
系数逐渐减小。气孔密度的变异系数随着UV-B的减弱呈现先降低后升高的趋势。减弱UV-B辐射各处理的气孔长、宽和面积变异系数处理间差异很小。
4. 讨论
4.1. 减弱UV-B辐射对烤烟植株形态的影响
植物形态是对环境变化响应的最直观表现。本研究在自然环境(CK)中,烤烟植株矮小,节间距短,叶面积小而叶片较厚,具有较大的LSM,但生长发育却未受到影响,表现出对强UV-B辐射的有效适应。对大豆 [10] 、豌豆、小麦 [11] 等作物的研究表明,滤除UV-B辐射能够使植株株高增加、叶面积、LSM等增大,与本试验对烤烟研究的结果则与大豆、豌豆、小麦等作物存在一定差异。本试验在A1和A2条件下云烟87茎高、节间距以及第7叶叶面积较大,继续减小UV-B辐射则长势变弱,LSM变小。结果说明,在自然环境UV-B辐射水平以下,存在一个对烤烟生长最适的UV-B辐射强度范围,其下限应在试验地自然环境中UV-B辐射强度的70.01%左右。
4.2. 叶片形态和LSM
叶片是植物的主要功能器官,不同叶位叶片对UV-B辐射的敏感性不同 [12] 。笔者过去曾对云烟87打顶前下部最大叶片的长、宽和面积做过测定,结果表明减弱UV-B辐射后叶长和叶面积有增大的趋势 [13] 。本试验中结果显示,下部第7叶在减弱UV-B辐射下叶长和叶面积增大,与笔者过去的试验结果一致,说明云烟87下部叶对UV-B辐射变化较为敏感。然而中部第12叶对UV-B辐射的敏感性降低,可能生理上或其它形态方面的变化在增强叶片对UV-B辐射的适应中起到了重要作用。
LSM反映了叶片捕获和利用光照资源的能力以及适应环境的能力,LSM较低的植物叶片投资较低,而LSM较高的植物叶片投资较高,能够适应干旱、高光强、强UV-B辐射等环境 [14] [15] [16] 。减弱UV-B辐射使烟叶LSM减小,且在大幅减弱UV-B辐射下(A3)LSM下降更加明显,与Searles等 [17] 对两个热带双子叶植物的研究结果类似,表明大幅减弱UV-B辐射使云烟87对光照的利用和环境的适应能力降低。试验中减弱UV-B辐射的3个处理的第7叶LSM差别不大,而A1和A2的第12叶LSM显著高于A3,表现出对UV-B辐射敏感性的差异。这可能下部叶受中上部叶片遮蔽程度较大,本身所处的环境光照强度和UV-B辐射强度较弱有关,因此处理间表现出的差异较小,而中部叶暴露于太阳光下,由于UV-B辐射差异较大而导致了LSM的显著变化。
4.3. 减弱UV-B辐射对烤烟茎围的影响
关于UV-B辐射对植物茎围的研究少见报道。本试验结果表明,UV-B辐射对烤烟茎围影响不大,与张瑞恒等 [18] 在增强UV-B辐射下对反枝苋的研究结果一致。这可能主要是因为烤烟茎受叶片的保护,基本不受UV-B辐射的直接影响。
4.4. 叶片解剖结构
植物叶片具有较大的厚度、表皮厚度、栅栏组织以及海绵组织厚度等,这对提高植物对环境的适应能力有重要作用 [19] 。在减弱UV-B辐射条件下,随着UV-B辐射强度的降低,烟叶厚度及叶肉组织和表皮的厚度明显下降,即使A1和A2处理的UV-B辐射强度相差只有5%左右,叶片结构也表现出了较大的差异。一方面说明,在自然条件下云烟87叶片解剖结构对太阳UV-B辐射的变化非常敏感,另一方面也说明,太阳中适当较高的UV-B辐射可以改善叶片结构,提高烤烟对环境的适应能力。
叶肉组织是叶片进行光合作用的主要部位,栅栏组织和海绵组织的厚度、细胞层数及形状的变化必然影响到植物对光的利用和适应,最终将影响植物的光合效率。试验结果显示,UV-B辐射处理并未对栅栏细胞层数产生影响,这表明栅栏组织的厚度主要由细胞形态(主要是细胞长度)变化引起。栅栏细胞形态直接影响叶绿体的分布,方形细胞可以提高近轴面(即上表皮)叶绿体分布的密度,有利于对低光环境的适应,被认为是对阴生环境的适应。相反,长形细胞则有利于适应强光环境 [20] 。减弱UV-B辐射后,随UV-B辐射强度的降低,云烟87叶肉组织厚度逐渐减小,说明减弱UV-B辐射使云烟87对光的利用或适应方式发生变化,云烟87对UV-B辐射的适应能力为A1 > A2 > A3。不同处理下叶肉组织占叶片总厚度的比例相对恒定,可能叶肉组织的分化主要受遗传因素的控制。
叶表皮是植物过滤UV-B辐射以减少对叶肉组织伤害的一道重要屏障,表皮细胞厚度增加可有效减小UV-B辐射对植物叶肉组织的伤害 [21] 。试验发现,烟叶上、下表皮对UV-B辐射的敏感性存在较大差异,处理间上表皮差异更大,这主要与上表皮直接接收UV-B辐射有关。上表皮厚度对UV-B辐射的响应程度有限,当高于外界环境75.04% (A1)的UV-B辐射强度后,上表皮厚度几乎没有变化,此时烤烟要适应强UV-B辐射可能主要通过其他途径,如提高抗氧化酶活性或非酶类抗氧化剂含量、增加表皮细胞中紫外吸收物质、增加表皮附属物如腺毛的密度及其分泌物等 [22] 。
4.5. 气孔特征
增强UV-B辐射促进植物气孔分化而提高气孔密度 [23] 。本试验结果也显示,云烟87气孔密度与指数变化一致,说明太阳UV-B辐射通过影响气孔的分化而调节气孔密度。一般而言,植物具有较大的气孔密度和指数以及较小的气孔,则对环境(胁迫)的适应能力(抗性)较强 [24] [25] 。在较强UV-B辐射下,气孔密度增大,气孔变小,可增加植物与外界环境的气体和水分交换,有利用于提高植株的光合速率和水分利用率。试验中CK气孔密度大,气孔较小,表现出对环境的强适应能力,而A1和A2处理气孔密度小,气孔较大,对环境的适应能力相对较弱。但A1的气孔密度和指数略低于A2,表明适当较高的UV-B辐射可能对调节气孔增强对环境的适应能力有利。由前面对A3处理云烟87生长发育、LSM和叶片解剖结构的分析可以认为,A3下虽然烟叶具有较高的气孔密度,但可能是UV-B辐射胁迫解除后的反应,主要是由于表皮细胞和气孔较小,而气孔的分化程度较高,最终导致了较高的气孔密度。
变异系数的大小可以用来比较各参数的变异幅度。变异系数大,说明变异幅度大,整齐性较差,平均数的稳定性小。稳定的(变异系数小的)气孔参数常被用来作为品种鉴定的指标 [26] ,或用来指示大气CO2浓度变化 [27] 。试验中烟叶气孔长和宽的变异系数较小,处理间差异不大,而气孔长、宽在处理间差异显着,表明太阳UV-B辐射对烟叶气孔形状可能有特化作用,因此可以把气孔长、宽作为烟叶对UV-B辐射响应的指示性指标。从气孔形状变化可以看出,UV-B辐射对烟叶气孔形状的影响呈抛物线形式,即存在一个使气孔变大的UV-B辐射强度范围。
基金项目
普洱学院烤烟、茶叶科技创新研究团队项目。