uv-b輻射對不同水稻品種葉片光合作用的影響

uv-b輻射對不同水稻品種葉片光合作用的影響

由于人類活動產(chǎn)生的氯氟烴和其他化學(xué)品對臭氧層的破壞，最終到達(dá)地面的紫外輻射增加。根據(jù)以往的研究，當(dāng)大氣中的臭氧濃度降至1%時，有效水平b（紫外b，280.320nm）的輻射增加了2%。UV-B輻射的增加,會導(dǎo)致植物的生長發(fā)育和生理生化過程發(fā)生一系列的變化,特別是嚴(yán)重影響光合過程。UV-B輻射對光合作用生理生化上的影響可以歸納為以下3種:一是破壞光反應(yīng)系統(tǒng),特別是光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)反應(yīng)中心,引起光合電子傳遞效率下降,導(dǎo)致光合作用的光抑制,使葉綠體的放氧活性下降。其原因可能是:①UV-B輻射增強(qiáng)降低葉綠素含量和類胡蘿卜素含量,②葉綠體丟失23KD和33KD蛋白各一條,③光系統(tǒng)反應(yīng)中心失活,④或抑制了光系統(tǒng)Ⅱ的電子傳遞,使hill反應(yīng)活性下降。其二是破壞光合作用的關(guān)鍵酶——RUBP羧化酶,使其羧化速率下降。其三是增加了植物氣孔對外界環(huán)境變化的敏感程度,導(dǎo)致光合作用能力降低。此外,已有研究還表明,UV-B輻射脅迫嚴(yán)重影響植物形態(tài)結(jié)構(gòu)包括株高、根冠比、葉片大小,尤其是與植物光合作用密切相關(guān)的葉片解剖結(jié)構(gòu)。因此在了解植物對UV-B輻射生理生化響應(yīng)的基礎(chǔ)上,研究葉片超顯微結(jié)構(gòu)的變化,對解釋植物對UV-B輻射脅迫的響應(yīng)及適應(yīng)機(jī)制具有重要的意義。已有研究結(jié)果表明,UV-B輻射(18.6kJ·m-2·d-1)處理下水稻葉片細(xì)胞膜抗氧化系統(tǒng)(保護(hù)酶和抗氧化物質(zhì)系統(tǒng))呈動態(tài)變化,其中保護(hù)酶活性在處理的前14d有增加的趨勢,而14d以后,所有保護(hù)酶都呈下降趨勢,但品種間存在明顯差異。為了進(jìn)一步闡明造成這種差異的生理原因,本研究以對UV-B輻射敏感的水稻品種Dular和高光效耐光氧化水稻品種Lemont為供試材料,在處理21d時,取葉片分析其光合生理及葉片超顯微結(jié)構(gòu)變化,以期為進(jìn)一步闡明水稻光合作用系統(tǒng)對UV-B輻射脅迫的響應(yīng)機(jī)制奠定基礎(chǔ)。1材料和方法1.1試驗材料供試材料為2個不同類型的水稻品種Lemont(美國)和Dular(埃及)。1.2uv-b輻射處理試驗于2004年在福建農(nóng)林大學(xué)農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所網(wǎng)室內(nèi)進(jìn)行。每期參試品種2個,每品種種植2盆,共4盆。重復(fù)3期。盆的規(guī)格為45cm×33cm×15cm,內(nèi)裝大田水稻土,其中有效N、P、K含量分別為29.62、126.61mg·kg-1和354.57mg·kg-1。供試品種經(jīng)浸種催芽后,均勻播于各盆中,每盆播150粒,均勻分布于室內(nèi),定期供水。每盆分別施7gN、5gP2O5和6gK2O,于播前一次性施用。待長至2.5葉齡時進(jìn)行UV-B輻射處理。每個燈架置5盞40W紫外線B燈管(北京光源研究所生產(chǎn)),燈管用0.12mm醋酸纖維素膜(英國,WestDesignProductCo.,Ltd..生產(chǎn))包住,以過濾掉小于280nm的光波(UV-C),每周更換1次,UV-B輻射劑量為18.6kJm-2d-1。以自然光為對照,處理21d后取樣測定相關(guān)指標(biāo)。1.3測量和方法1.3.1葉綠素a和葉綠素b的測定參照陳福明等的方法略作修改。根據(jù)下列公式求算葉綠素a(Chla)和葉綠素b(Chlb):Ca=12.72×D663-2.59×D645;Cb=22.88×D645-4.67×D6631.3.2飽和脈沖光催化作用利用OS5-FL調(diào)制式熒光分析儀,測定水稻葉片葉綠素?zé)晒庹T動力學(xué)參數(shù),測定前葉片暗適應(yīng)10min,檢測光光強(qiáng)(ModulationIntensity)為0.1μmol·m-2·s-2,作用光光強(qiáng)工科(ActinicIntensity)為225μmol·m-2·s-2,飽和脈沖光光強(qiáng)(SaturationIntensity)為7000μmol·m-2·s-2,閃光時間為0.8s。Fstact(Continuousexcitationfluoresencemeasurements)模式用強(qiáng)作用光激發(fā)最大熒光(Fm),連繼記錄熒光衰減過程1min。根據(jù)初始熒光產(chǎn)量(Fo),最大熒光產(chǎn)量(Fm),穩(wěn)態(tài)熒光產(chǎn)量(Ft),計算可變熒光產(chǎn)量(Fv=Fm-Fo),可變熒光衰減(ΔFv=Fm-Ft),水稻葉片PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)換效率(Fm/Fv),PSⅡ潛在活性(Fv/Fo),可變熒光下降比值(Rfd=ΔFv/Ft),可變熒光淬滅速率(ΔFv/Fo)。1.3.3光合及氣孔導(dǎo)度的測定用ECA-PB0402(北京益康農(nóng)科技有限公司生產(chǎn))光合測定儀測定水稻葉片的光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、水分利用率(WUE)和氣孔導(dǎo)度(Cond)。1.3.4水稻葉片的sem和tem觀察(1)環(huán)丙烷、環(huán)氧樹脂水稻苗期用UV-B處理21d后,采用各處理及對照生長較為一致的植株倒2葉,在距葉基1/3處取1mm2大小樣塊,用pH7.4的磷酸緩沖液配制成的4%戊二醛溶液在0～4℃下固定12h。然后用冷的磷酸緩沖液沖洗6次,再轉(zhuǎn)入2%鋨酸中在0～4℃下固定4h,洗6次后經(jīng)各級丙酮順序脫水,轉(zhuǎn)入環(huán)丙烷、環(huán)氧樹脂Epon812混合液中滲透,包埋。用L-KBⅤ型超薄切片機(jī)切片,經(jīng)醋酸雙氧鈾和檸檬酸鉛染色后在JEM-100KXⅡ型電鏡下觀察和照相。(2)掃描電鏡觀察UV-B輻射處理21d后取倒數(shù)第二片功能葉中部,用戊二醛溶液固定、蒸餾水沖洗、叔丁醇干燥,然后將干燥好的樣品觀察面朝上粘樣,用JFC-1200型離子濺射儀鍍膜,放置于JSM-5310LV型掃描電鏡上,在l5KV加速電壓下觀察、拍照。2結(jié)果與分析2.1uv-b輻射增強(qiáng)對chla和chlb的影響從表1可以看出,兩個供試品種經(jīng)過UV-B輻射處理,水稻葉片Chla、Chlb均有不同程度的降低,其中Chla處理與對照的差異在處理期間均達(dá)顯著水平(P<0.05),且Chla/Chlb比值小于對照。表明UV-B輻射增強(qiáng)對Chla的破壞較對Chlb的破壞嚴(yán)重。其中Dular受抑制的程度比Lemont大,Chla、Chla/Chlb比值下降分別達(dá)22.48%、17.18%,呈極顯著水平(P<0.01)。2.4ps原初光能轉(zhuǎn)化效率和熒光誘導(dǎo)動力學(xué)參數(shù)的變化對水稻葉綠素a熒光誘導(dǎo)動力學(xué)參數(shù)變化的研究結(jié)果表明(表2),UV-B輻射脅迫下,兩個供試水稻葉片的熒光誘導(dǎo)動力學(xué)參數(shù)均比對照低,可變熒光產(chǎn)量(Fv)下降幅度為15.75%～20.24%,分別呈顯著(P<0.05)和極顯著水平(P<0.01);PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)換效率(Fv/Fm)、PSⅡ潛在活性(Fv/Fo)顯著下降,降幅分別為5.18%～4.99%、13.39%～27.68%;熒光參數(shù)(T1/2)比對照下降0.36%～11.74%;可變熒光衰減(ΔFv)、可變熒光下降比值(ΔFv/Ft)和可變熒光淬滅速率(ΔFv/Fo)也均明顯降低。由此說明UV-B輻射增強(qiáng)使水稻葉片葉綠體PQ庫變小,PSⅡ活性中心受損,其電子傳遞受阻,特別是PSⅡ原初電子受體QA的光還原過程、電子由PSⅡ反應(yīng)中心向QA、QB及PQ的傳遞過程受到影響,使PSⅡ潛在活性和原初光能轉(zhuǎn)化效率下降,減少了干物質(zhì)的合成和積累。本試驗結(jié)果還表明Dular各項葉綠素a熒光誘導(dǎo)動力學(xué)參數(shù)的降幅除Fv/Fm較接近外,其它各項參數(shù)降幅均比Lemont大,達(dá)極顯著水平?？梢奃ular對UV-B輻射脅迫反應(yīng)更加敏感。2.3療效判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步分析葉片光合作用效率表明(表3),經(jīng)過UV-B輻射處理的水稻葉片的光合速率、蒸騰速率、水分利用率和氣孔導(dǎo)度與對照相比差異都達(dá)到顯著或極顯著水平。但兩個不同品種的差異性又有差別,其中UV-B輻射對Dular的光合速率、蒸騰速率、水分利用率和氣孔導(dǎo)度抑制率分別為64.96%、71.05%、77.20%和68.42%,與對照比均達(dá)極顯著水平(P<0.01)。而Lemont的降幅均較小,除水分利用率降幅達(dá)71.86%,呈極顯著水平外,其它指標(biāo)呈顯著水平(P<0.05)。再次說明Dular對UV-B輻射更加敏感。2.4實地輻射增強(qiáng)了對稻田葉片超微結(jié)構(gòu)的影響2.4.1類囊體膜的清晰完整在正常生長條件下,供試水稻品種的葉片葉肉細(xì)胞葉綠體形態(tài)呈長橢圓形或船形,基粒排列整齊,基粒類囊體垛疊多且排列致密整齊,葉綠體膜及類囊體膜清晰完整(圖1-1、3,圖2-1、3)。在增強(qiáng)的UV-B輻射脅迫下,葉綠體的形態(tài)發(fā)生扭曲變形,葉綠體被膜模糊或消失(圖1-2、4),葉綠體中的基粒垛疊的片層少,片層排列稀疏紊亂,嚴(yán)重者如Dular的基粒片層和基質(zhì)片層膨脹,形成空泡,嗜鋨滴體積增大(圖2-2、4)。說明UV-B輻射脅迫破壞了葉綠體的形態(tài)結(jié)構(gòu),其中敏感水稻Dular受損害程度更重。2.4.2氣孔受傷害圖3、圖4表明,經(jīng)過UV-B輻射脅迫兩個供試品種的葉片上氣孔均受到不同程度的傷害,氣孔下陷,副衛(wèi)細(xì)胞結(jié)構(gòu)受破壞。同時從圖中還可以看出Dular所受的傷害較嚴(yán)重,副衛(wèi)細(xì)胞嚴(yán)重變形,收縮下陷,周邊硅質(zhì)乳突(papilla)減少或沒有。2.4.3嘉靖-b輻射增強(qiáng)了對葉表面不同部位的影響植物葉片不同部位由于結(jié)構(gòu)及功能的差異,對逆境的反應(yīng)也不同。從圖5、圖6可以看出,兩個供試水稻2.4.4uv-b輻射脅迫對lewellt氣孔周圍分布的影響進(jìn)一步對水稻葉片主脈兩側(cè)氣孔周圍硅質(zhì)乳突的研究表明(圖7、表4,表5),UV-B輻射脅迫下,兩個供試水稻品種響應(yīng)差異顯著。UV-B輻射脅迫下Lemont氣孔之間及氣孔周圍的硅質(zhì)乳突數(shù)均有顯著增加的趨勢,而Dular則表現(xiàn)下降,且氣孔周圍乳突數(shù)下降達(dá)顯著水平(P<0.05),對照組Lemont氣孔之間和氣孔周圍的乳突數(shù)均和Dular沒有顯著差異,但在UV-B輻射脅迫下,Lemont氣孔之間乳突數(shù)和氣孔周圍乳突數(shù)均顯著大于Dular的,暗示著水稻對UV-B輻射增強(qiáng)的抗性強(qiáng)弱與其乳突數(shù)量及其分布有關(guān)。3uv-b輻射脅迫對水稻葉片光合生理的影響本研究結(jié)果表明UV-B輻射增強(qiáng)對水稻生長發(fā)育產(chǎn)生較大的影響,具體表現(xiàn)在葉綠素受破壞,特別是Chla、Chla/Chlb比值下降,葉綠素a熒光誘導(dǎo)動力學(xué)參數(shù)下降,光合效率減弱;對葉片超顯微結(jié)構(gòu)研究顯示,UV-B輻射處理下水稻葉片氣孔器受破壞,葉綠體結(jié)構(gòu)變形,基質(zhì)片層排列稀疏紊亂,嗜鋨滴體積增大,這與前人的研究結(jié)果相似。同時本研究還表明,水稻的抗性強(qiáng)弱存在明顯的基因型差異,Lemont比Dular更耐UV-B輻射增強(qiáng)的脅迫,再次證明了Dular是對UV-B敏感的水稻品種,而具有高光效耐光氧化特性的Lemont可能是耐UV-B輻射增強(qiáng)的水稻品種。植物在逆境脅迫時,由于活性氧的累積會破壞葉綠素,尤其是對活性氧較敏感的葉綠素a(Chla)傷害的程度比對葉綠素b(Chlb)傷害程度嚴(yán)重。葉綠素a的變化過程可以從其熒光誘導(dǎo)動力學(xué)各參數(shù)表現(xiàn)出來,而植物活體內(nèi)約90%的葉綠素a的室溫?zé)晒馐菑腜SⅡ發(fā)出來的,其動力學(xué)變化反映了PSⅡ的光化學(xué)反應(yīng)狀態(tài)。UV-B輻射使葉片細(xì)胞膜抗氧化保護(hù)酶活性下降,,活性氧累積,葉綠素降解,葉片光系統(tǒng),特別是光系統(tǒng)Ⅱ活性受破壞,這可能是導(dǎo)致光合速率下降的直接原因。植物的葉片擔(dān)負(fù)著植物生活中最重要的生理功能——光合作用,是植物進(jìn)化過程中對環(huán)境變化較敏感且可塑性較大的器官,在不同選擇壓力下已經(jīng)形成各種適應(yīng)類型,其結(jié)構(gòu)特征最能體現(xiàn)環(huán)境因子的影響或植物對環(huán)境的適應(yīng),尤其是作為植物保護(hù)組織的葉表面,其氣孔的分布和結(jié)構(gòu)決定了葉片功能的執(zhí)行情況。正常水稻葉片表面氣孔器由氣孔、保衛(wèi)細(xì)胞和副衛(wèi)細(xì)胞組成,氣孔周圍有硅質(zhì)瘤物——乳突。葉片初生保護(hù)組織——葉表皮若受破壞,必然影響葉肉細(xì)胞正常的結(jié)構(gòu)。而葉片結(jié)構(gòu)受破壞程度與其生理上受抑制的程度密切相關(guān)。UV-B輻射脅迫下,水稻葉片光合生理受制程度大的品種Dular,其結(jié)構(gòu)所受的破壞也嚴(yán)重。這進(jìn)一步證實,以往我們研究發(fā)現(xiàn)的水稻對UV-B輻射響應(yīng)差異的生理原因,即生理上表現(xiàn)抗性越強(qiáng)的水稻,其葉片超顯微結(jié)構(gòu)所受的傷害越輕。對葉片的電鏡掃描發(fā)現(xiàn)兩個供試品種葉片主脈兩側(cè)葉表面的硅質(zhì)乳突分布及受UV-B輻射影響的特性存在明顯的差異,Lemont表面的乳突分布密度較大,且在UV-B輻射脅迫下有增加的趨勢,而Dular則相反。這說明具有較強(qiáng)的硅元素累積能力即葉表面硅質(zhì)乳突數(shù)量多,可能是Lemont表現(xiàn)較強(qiáng)抗UV-B輻射脅迫的原因之一。實際上硅在水稻適應(yīng)UV-B輻射脅迫上的重要作用已有報道,李文彬等用缺硅與正常營養(yǎng)液培養(yǎng)的水稻進(jìn)行UV-B輻射處理,發(fā)現(xiàn)缺硅水稻葉片表面出現(xiàn)明顯的棕色傷害斑點(diǎn),而加硅葉片未出現(xiàn)傷害癥狀,同時加硅的水稻葉片酚類物質(zhì)增加。以往對植物適應(yīng)UV-B輻射的研究,主要集中在外部形態(tài)特征和生理生化代謝水平上,認(rèn)為葉片表皮毛密、比葉重增加、蠟質(zhì)層厚,多胺代謝途徑活性增強(qiáng),內(nèi)源激素ABA(脫落酸)、ZRs(玉米素核苷)含量增加,UV-B輻射吸收物質(zhì)(如類黃酮、生物堿和花色素)含量增加等,是植物抗UV-B輻射的表現(xiàn)。而