紫外輻射強度對科羅拉多藍杉種子萌發(fā)和幼苗生理特征的影響

宋 丹，寧 靜，閆 杰

(1.內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術學院建筑與規(guī)劃學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；3.內(nèi)蒙古林木良種繁育中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

【研究意義】對于整個全球生態(tài)而言，不僅包括海洋生態(tài)、陸地生態(tài)，大氣生態(tài)同樣起著關鍵作用，對于人類生存起著決定性作用[1-3]，作為人類直接的生存載體，陸地生態(tài)的變化將產(chǎn)生重大的影響，對于人類及其他動植物的生存環(huán)境起著無可替代的制約效果，對于人類的生產(chǎn)生活起著決定性影響[4]；對于大氣臭氧層而言，正是有了這一物質(zhì)的存在，太陽輻射才不會對動植物造成殺傷性危害，否則動植物將難以承受直接的紫外線輻射[5-6]，可以說其是生命保護層，對于動植物生存起著至關重要的作用[3-5]，然而近年來環(huán)境污染造成臭氧層破壞嚴重，其原有的保護效果在明顯下降[7]，一方面是氟氯烴類物質(zhì)的排放，另一方面是氮氧化物的增加，這是主要的致因[8-9]；權威數(shù)據(jù)預測，60年后臭氧層將下降 40 %[10-11]，這已然成為全球環(huán)境問題，對于人類生存產(chǎn)生著重要影響，受此影響，將會導致地面動植物受到的輻射量明顯增加，輻射強度增大，雖然其只是電磁光譜的一部分，但是將直接制約著植被生長發(fā)育，對于其生理特性等方面產(chǎn)生難以扭轉(zhuǎn)的影響，最終導致其長勢明顯下降甚至死亡，在UVB不斷增強的情況下，植被受到的傷害越大，對于人類而言，將會導致皮膚受損，呼吸道受到影響等；不少學者通過實驗對比分析得知，在紫外線程度明顯增強的情況下，植被的新陳代謝將受到直接改變，原有的結構被逐漸破壞，光合作用顯著降低，植被獲取能量的能力極大降低，從而降低了長勢，增加了死亡率，對于其產(chǎn)量起著致命性的降低效果，同時對于其細胞膜施加著決定性影響。當然，也有學者提出，在紫外線適度增強的情況下，藍杉的根尖細胞G1/S期發(fā)生了較為明顯的變化，并導致了環(huán)丁烷嘧啶二聚體形成明顯的根尖細胞堆積；但是當紫外線過強的情況下，植物體內(nèi)源的H2O2發(fā)生改變，細胞的死亡率明顯上升，無論是幼苗還是生長其植被，都受到致命性影響，此外，光合速率的降低對于其能量的獲取大大不利，但是對于種子萌發(fā)及種苗初期階段的紫外線輻射研究相對較少。科羅拉多藍杉，這一北美原生松科植被，廣泛分布于北美地區(qū)，成為重要的長青樹種，具有較強的生命力[12]。對于藍杉而言，其在涼爽氣候下長勢更好，具有相對較強的干旱抗逆性，在高溫氣溫下難以充分生長發(fā)育[13]?！厩叭搜芯窟M展】隨著城市園林的不斷發(fā)展，藍杉作為園林植被逐漸進入我國的東部及北部，尤其是山東、河北等地，在引進時多以種子繁育的形式進行，此外，其也可以進行扦插；隨著其分布的不斷廣泛，國內(nèi)不少學者也開展了此類植被的研究，尤其是其在環(huán)境抗逆性方面，以及繁育種植方面，但是對于其與紫外線輻射方面的研究相對來說并不多，這也是本研究開展此方面探究分析的現(xiàn)實原因之所在?！颈狙芯壳腥朦c】基于此，本文將藍杉作為分析對象，從紫外線的研究視角下，一方面探究其種子萌芽狀況，另一方面對幼苗生長發(fā)育進行對比分析，從而探究紫外輻射對藍杉的影響效果，研究過程中采取不同的紫外強度，通過對比來進行探究其對不同輻射的反應，從而分析藍杉的生理特點，對其生長環(huán)境要求加以總結。【擬解決的關鍵問題】為藍杉種植提供有益借鑒和參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

在種植之前首先進行半年的貯存，待其渡過休眠期后進行挑選，尤其是籽粒飽滿、色澤鮮亮的種子，要求盡可能大小接近，然后對其進行長達30 min的乙醚消毒處理，之后蒸餾水沖洗多次待用。然后將之置于室內(nèi)水族箱，時間為1周，要求溫度、鹽度分別為20、30 ℃，實驗過程中所需的紫外光由紫外燈管提供，要求波長達到308 nm，該儀器由清華大學光儀廠生產(chǎn)。

1.2 實驗方法

在正式的實驗開始前，首先需要將種子浸于次氯酸鈉溶液，要求濃度達到5 %，時間長0.5 h，然后將之沖洗，接下來清水浸泡15 h，然后置于瓷盤，要求其基質(zhì)為珍珠巖；然后開始不同的紫外線強度對比試驗，要求強度從0.8 KJ·m-2開始，并以整倍數(shù)遞增，共進行5個強度的對比，同時為了增強實驗對比，特設置無紫外處理的對照組CK。然后在正常室內(nèi)光下進行，雖然處理不同，但是要求其均為100粒種子，要求樣本容量達到5；除了對照組外，對處理組進行持續(xù)性紫外輻射，要求每天達到2 h，此外要求晝夜的溫度在10～19 ℃。

1.3 實驗指標測定

測定其種子萌芽狀況，需要進行萌芽的逐日測量記錄，發(fā)芽數(shù)的衡量標準則是胚軸長度超過其種子長度，發(fā)芽率的統(tǒng)計從第3天開始，對于其發(fā)芽勢的衡量則從第7天開始，對于胚根的測量則從第12天開始，并從不同處理中取樣15粒發(fā)芽種子進行測量記錄，同時對幼苗的長度及鮮重進行測量記錄，進而對其萌芽率及發(fā)芽勢進行對比分析，具體如下：

發(fā)芽率(%)=(萌芽3 d的發(fā)芽粒數(shù)/100)×100 %[14-15]；

發(fā)芽指數(shù)Gi=∑(Gt/Dt)；

活力指數(shù)Vi=Gi×S；

式中，Gt、Dt分別代表發(fā)芽數(shù)、發(fā)芽天數(shù)。

本實驗過程中對葉綠素的測定采用浸提法，首先取培養(yǎng)12 d幼苗進行；對于電導率及丙二醛MDA的測量分別借助于電導法、TBA法進行[16]。

Excel 2007.0和SPSS 18.0數(shù)據(jù)分析，單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著法(LSD)檢驗其差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 紫外輻射對科羅拉多藍杉種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

由表1可知，紫外輻射對科羅拉多藍杉種子萌發(fā)和幼苗生長具有明顯的影響，科羅拉多藍杉種子萌發(fā)和幼苗生長各指標隨著紫外輻射強度的增加呈先增加后降低趨勢。當紫外輻射強度為2.4 KJ·m-2時，科羅拉多藍杉種子萌發(fā)和幼苗生長各指標達到最大值，紫外輻射強度超過2.4 KJ·m-2時，科羅拉多藍杉種子萌發(fā)和幼苗生長各指標急劇降低，此時紫外輻射對科羅拉多藍杉種子萌發(fā)和幼苗生長起到了一定的抑制作用。紫外輻射處理下科羅拉多藍杉種子萌發(fā)和幼苗生長各指標均顯著高于CK，其中紫外輻射處理下發(fā)芽率變化范圍在93.05 %～97.16 %，發(fā)芽指數(shù)變化范圍在69.15 %～76.25 %，活力指數(shù)變化范圍在0.62 %～0.81，上胚軸質(zhì)量變化范圍在0.296～0.398 g·株-1，上胚軸質(zhì)量變化范圍在0.021～0.025 g·株-1，幼苗干重變化范圍在0.598～0.697 g·株-1。紫外輻射強度B1～B5種子發(fā)芽率分別比CK高出1.89 %、4.07 %、5.57 %、2.28 %、1.11 %；發(fā)芽指數(shù)分別高出0.77 %、5.63 %、11.18 %、2.32 %、1.60 %；活力指數(shù)分別高出16.98 %、50.94 %、52.83 %、37.74 %、20.75 %；上胚軸質(zhì)量分別高出25.96 %、34.89 %、69.36 %、29.36 %、5.11 %；下胚軸質(zhì)量分別高出9.52 %、4.76 %、19.05 %、4.76 %、4.76 %；幼苗干重分別高出14.34 %、17.21 %、33.27 %、23.33 %、25.05 %。

表1 紫外輻射對科羅拉多藍杉種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

2.2 紫外輻射對科羅拉多藍杉幼苗光合色素的影響

葉綠素在作物光合作用過程中起著決定性作用，直接影響光合效能，不僅決定著其光能獲取，同時有利于光能的傳遞及轉(zhuǎn)化，在外界環(huán)境不斷變化的情況下，葉綠素含量也會發(fā)生相應的變化，從而來適應變化的光照等環(huán)境，這也是植株對環(huán)境的適應性。由圖1可知，紫外輻射對科羅拉多藍杉光合色素具有明顯的影響，科羅拉多藍杉光合色素隨著紫外輻射強度的增加呈先增加后降低趨勢。當紫外輻射強度為2.4 KJ·m-2時，科羅拉多藍杉光合色素達到最大值，紫外輻射強度超過2.4 KJ·m-2時，科羅拉多藍杉光合色素急劇降低，此時紫外輻射對科羅拉多藍杉光合色素起到了一定的抑制作用。紫外輻射處理下科羅拉多藍杉光合色素均顯著高于CK，其中紫外輻射處理下葉綠素a含量變化范圍在0.62～0.85 mg/g，綠素b含量變化范圍在1.78～2.51 mg/g，類胡蘿卜素含量變化范圍在2.23～3.65 mg/g。紫外輻射強度B1～B5葉綠素a含量分別比CK高出1.64 %、22.95 %、39.34 %、32.79 %、21.31 %；綠素b含量分別高出16.34 %、49.67 %、64.05 %、40.52 %、16.99 %；類胡蘿卜素含量分別高出38.60 %、50.70 %、69.77 %、40.00 %、3.72 %。

圖1 紫外輻射對科羅拉多藍杉光合色素的影響

2.3 紫外輻射對幼苗丙二醛和相對電導率的影響

由圖2可知，紫外輻射對科羅拉多藍杉幼苗丙二醛和相對電導率具有明顯的影響，科羅拉多藍杉幼苗電導率和丙二醛(MDA)含量的變化趨勢相一致，電導率和丙二醛(MDA)含量隨著紫外輻射強度的增加呈逐漸增加趨勢。紫外輻射處理下科羅拉多藍杉幼苗丙二醛和相對電導率均顯著高于CK，其中紫外輻射處理下相對電導率變化范圍在10.99 %～23.02 %，丙二醛變化范圍在18.99 %～43.55 %。紫外輻射強度B1～B5相對電導率分別比CK高出18.68 %、23.97 %、69.44 %、145.03 %、14.60 %；丙二醛分別高出6.15 %、45.00 %、105.5 %、135.66 %、143.43 %。

圖2 紫外輻射對幼苗丙二醛和相對電導率的影響

2.4 紫外輻射對科羅拉多藍杉幼苗生化組成的影響

超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)等抗氧化酶類，是植物活性氧清除系統(tǒng)中重要的酶，能維持活性氧自由基產(chǎn)生與清除系統(tǒng)的平衡。由圖3可知，紫外輻射對科羅拉多藍杉幼苗生化組成具有明顯的影響，科羅拉多藍杉幼苗生化組成隨著紫外輻射強度的增加呈先增加后降低趨勢。當紫外輻射強度為2.4 KJ·m-2時，科羅拉多藍杉幼苗生化組成達到最大值，紫外輻射強度超過2.4 KJ·m-2時，科羅拉多藍杉幼苗生化組成急劇降低，此時紫外輻射對科羅拉多藍杉幼苗生化組成起到了一定的抑制作用。紫外輻射處理下科羅拉多藍杉幼苗生化組成均顯著高于CK，其中紫外輻射處理下可溶性蛋白含量變化范圍在16.96～26.29 mg/g，可溶性糖含量變化范圍在.25～5.06 mg/g，SOD變化范圍在129.56～169.85 U/g，POD變化范圍在67.8～95.6 U/g。紫外輻射強度B1～B5可溶性蛋白含量分別比CK高出11.36 %、69.99 %、75.25 %、39.46 %、11.56 %；可溶性糖含量分別高出4.17 %、130.56 %、134.26 %、75.00 %、28.70 %；SOD分別高出5.11 %、25.52 %、37.80 %、10.30 %、5.70 %；POD分別高出8.83 %、48.48 %、53.45 %、16.05 %、5.78 %。

圖3 紫外輻射對科羅拉多藍杉幼苗生化組成的影響

2.5 紫外輻射對科羅拉多藍杉幼苗NO和H2O2的影響

NO是一種特殊的小分子，并且兼有水、脂溶性。ROS不僅是植物有氧代謝的副產(chǎn)物，而且也是重要的信號分子，H2O2作為ROS家族中的一員，可以穿過生物膜，進而使得它們適合以信號分子的形式存在。由圖4可知，紫外輻射對科羅拉多藍杉幼苗NO和H2O2具有明顯的影響，科羅拉多藍杉幼苗NO隨著紫外輻射強度的增加呈逐漸降低趨勢，H2O2隨著紫外輻射強度的增加呈逐漸增加趨勢。紫外輻射對科羅拉多藍杉幼苗NO起到了一定的抑制作用，對H2O2起到了一定的促進作用。其中紫外輻射處理下NO變化范圍在-1.99～1.03 μmol/g，比CK低出32.24 %、90.13 %、144.74 %、180.92 %、230.92 %；H2O2變化范圍在23.16～73.26 μmol/g，比CK高出77.74 %、228.32 %、366.46 %、405.60 %、462.24 %。

圖4 紫外輻射對科羅拉多藍杉幼苗NO和H2O2的影響

2.6 科羅拉多藍杉生長指標與生理指標之間的相關性

由表2可知，科羅拉多藍杉種子發(fā)芽率與MDA、相對電導率和H2O2相對含量呈極顯著負相關(P<0.01)，與葉綠素b、SOD和POD呈極顯著正相關(P<0.01)，與葉綠素a、可溶性糖和可溶性蛋白呈顯著正相關(P<0.05)；發(fā)芽指數(shù)與MDA、相對電導率和H2O2相對含量呈極顯著負相關(P<0.01)，與SOD呈極顯著正相關(P<0.01)，與葉綠素b、類胡蘿卜素和POD呈顯著正相關(P<0.05)；活力指數(shù)與MDA、相對電導率和H2O2相對含量呈顯著負相關(P<0.05)，與可溶性糖、SOD呈極顯著正相關(P<0.01)，與葉綠素a、葉綠素b、POD呈顯著正相關(P<0.05)；上胚軸質(zhì)量與SOD呈顯著正相關(P<0.05)，幼苗干重與H2O2相對含量呈顯著負相關(P<0.05)，與可溶性蛋白呈顯著正相關(P<0.05)。

表2 科羅拉多藍杉生長指標與生理指標之間的相關性

3 討 論

對于植被而言，其最初的生命源于種子萌芽，萌芽的質(zhì)量對于其后期的生長發(fā)育至關重要，同時也是種子質(zhì)量的衡量標準，尤其是萌芽速度及整齊度方面，這是種子新陳代謝活動的重要組成部分[17-18]，作為生命的初級階段，其萌芽依然需要必要的養(yǎng)分，這些養(yǎng)分物質(zhì)來源于種子貯存的能量，在酶的作用之下，這些營養(yǎng)物質(zhì)能夠被轉(zhuǎn)化，從而形成可溶性有機質(zhì)，從而維持胚芽生長，在萌芽的過程中，酶的活性將會對其產(chǎn)生直接的制約效果，此外，水解效應也起著關鍵作用[19-20]。通過實驗對比分析，在不同強度的紫外線影響之下，藍杉萌芽發(fā)生了較大差異，在輻射不斷增強的情況下，其發(fā)芽率呈現(xiàn)了明顯下降，幼苗根長等被降低，發(fā)芽勢等呈現(xiàn)出很大程度的先升后降；對于藍杉萌芽而言，其指標峰值出現(xiàn)在紫外輻射2.4 KJ·m-2的情況下，當輻射強度高于該值的情況下，萌芽指標迅速下降，較強的紫外輻射有效抑制了萌芽狀態(tài)，通過對比得知，紫外線強弱能夠明顯的制約著萌芽狀況。通過比較得知，2.4 KJ·m-2的紫外輻射能夠促進藍杉種子萌芽，利于其生長發(fā)育。

不少學者通過實驗對比分析得知，在紫外線程度明顯增強的情況下，植被的新陳代謝將受到直接改變，原有的結構被逐漸破壞，光合作用顯著降低，植被獲取能量的能力極大降低，從而降低了長勢，增加了死亡率，對于其產(chǎn)量起著致命性的降低效果，同時對于其細胞膜施加著決定性影響。種子在萌芽過程中，能夠產(chǎn)生較為明顯的可溶性糖及蛋白質(zhì)，這也是對幼苗質(zhì)量的衡量之一，在幼苗生長過程中，很大一部分能量來自于可溶性糖，隨著萌芽的不斷生長，其含量不斷降低。在紫外輻射不斷增強的情況下，幼苗的呼吸作用逐漸加強，在此過程中，糖分能夠以基質(zhì)的形式存在而降低輻射量的吸收，從而起到了保護作用，同時使得有機物出現(xiàn)了明顯的降低[21-27]；對于光合作用來講，葉綠素的存在是必不可少的，在輻射不斷增強的情況下，葉綠素含量降低，從而抑制了光合作用，不利于能量的獲取[23]。在紫外線程度明顯增強的情況下，植被的新陳代謝將受到直接改變，原有的結構被逐漸破壞，光合作用顯著降低，植被獲取能量的能力極大降低，從而降低了長勢，增加了死亡率，對于其產(chǎn)量起著致命性的降低效果，同時對于其細胞膜施加著決定性影響[24-25]。通過本研究對比分析可知，適度增強的紫外輻射影響下，葉綠素的合成明顯加速，可溶性糖及蛋白質(zhì)亦是如此，但是隨著強度的增加，其含量出現(xiàn)了明顯的下降。雖然紫外線強度處理存在較大差異，但是對于藍杉幼苗來講，其SOD與POD出現(xiàn)了較為一致的變化趨勢，當紫外輻射緩慢上升的過程中，其活性逐漸上升，說明適度的紫外輻射對于植被的生長發(fā)育起著促進作用，但是輻射不斷提升的情況下，其MDA出現(xiàn)了明顯的提高，這對于細胞膜來說，其過氧化程度明顯提升，導致細胞膜具有更強的通透性，容易造成輻射損傷，不利于萌芽生長及幼苗發(fā)育[25]。綜合來講，在種子萌芽及幼苗生長過程中，紫外輻射起著不可忽視的重要作用，對于種子萌芽及幼苗的生長至關重要，這不僅與輻射強度及輻射量有關，同時受到輻射時間的制約，在輻射強度不斷增強的情況下，植被受損較為嚴重，尤其是較強輻射影響下。

對于紫外照射處理而言，與對照組相比而言，NO含量明顯較高，主要原因在于該物質(zhì)能夠?qū)毎诋a(chǎn)生明顯的作用，在機械及化學作用影響下來改變藍杉胚胎生長發(fā)育。不少研究發(fā)現(xiàn)，在乙烯的合成過程中，不僅受到NO含量的影響，ROS也產(chǎn)生了重要作用[26-27]。在NO的合成過程中，MPK6能夠在H2O2的作用下被激活，從而產(chǎn)生了重要的調(diào)控作用，二者關系較為緊密。對于藍杉幼苗而言，受紫外線輻射的作用，其NO和H2O2活性存在較為明顯的對立關系，在二者有效結合的情況下，HR方能產(chǎn)生并發(fā)揮作用，單一物質(zhì)難以施加影響。輻射時間對于植被的影響較為明顯，輻射強度及輻射量起著決定作用，過高的輻射不利于種子萌芽及幼苗生長發(fā)育[26-27]，紫外線強弱能夠明顯的制約著萌芽狀況。通過比較得知，2.4 KJ·m-2的紫外輻射能夠促進藍杉種子萌芽，利于其生長發(fā)育；超過該值的輻射將不利于種子及幼苗生長，較低的輻射則利于種子萌芽、促進幼苗生長。種子萌芽受到一系列因素制約，需要進一步開展多因素影響機理。