段 彪

(昆明市五華區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站,云南 昆明 650031)

1 前言

紫外輻射增強(qiáng)發(fā)軔于現(xiàn)代工業(yè)勃興及相伴的環(huán)境污染對(duì)大氣同溫層臭氧層的破壞,臭氧層厚度遞減乃至臭氧空洞的形成,使得到達(dá)地球表面的紫外輻射量迅速增加。臭氧層減薄是全球三大大氣環(huán)境問(wèn)題之一,據(jù)估計(jì),平流層臭氧每減少 1%,到達(dá)地表的UV-B輻射增加約 2%。地球上空臭氧層衰減、紫外輻射增強(qiáng)給陸地生態(tài)系統(tǒng)乃至人類(lèi)帶來(lái)極大影響,其中以對(duì)植物生存脅迫的影響尤為嚴(yán)重。近 20a來(lái),全球科學(xué)家從生態(tài)、生理學(xué)的不同角度廣泛開(kāi)展了紫外輻射增強(qiáng)對(duì)植物生存脅迫影響的研究,其研究?jī)?nèi)容大多集中在紫外輻射對(duì)植物形態(tài)結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)發(fā)育、生理機(jī)能和 DNA損傷的影響方面[1]。眾多實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,植物在紫外輻射增強(qiáng)脅迫下,生長(zhǎng)、產(chǎn)量、品質(zhì)、植物環(huán)境、光合作用、水分代謝、細(xì)胞生物膜結(jié)構(gòu)完整性等生態(tài)特征與生理機(jī)能均發(fā)生明顯改變[1]。

近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn),UV-B輻射能使植物矮化,使得植物的葉面積減小,UV-B輻射還能顯著推遲作物的生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程,且 UV-B輻射強(qiáng)度越大,生長(zhǎng)期滯后效應(yīng)越明顯[2]。UV-B輻射使得植物的總干重減少,同時(shí)使干物質(zhì)在植物各器官中的分配發(fā)生改變,UV-B輻射顯著抑制大豆和小麥葉片凈光合速率和蒸騰速率[3],UV-B輻射使得植物體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)發(fā)生變化[4]。UV-B輻射誘導(dǎo)類(lèi)黃酮含量增加[5]等。

甘蔗是人類(lèi)食用糖的主要生產(chǎn)原料,糖是人類(lèi)生產(chǎn)生活的重要物質(zhì),如果糖的產(chǎn)量減少,則在一定程度上將影響人類(lèi)的生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展 。割手密(Saccharum spontaneum L.)又名甜根子草,也稱(chēng)小莖野生無(wú)性系,屬于多年生的無(wú)性系野生種質(zhì)資源,目前世界上栽培的甘蔗雜交品種中都含有它的血緣。該無(wú)性系適應(yīng)性強(qiáng),分布甚廣,無(wú)性系類(lèi)繁多 , 在我國(guó)北緯 18°15′～33°20′, 東經(jīng) 97°～122°,海拔 1～2460m的地區(qū)都有分布。割手密的特點(diǎn)是纖維多,蔗汁少,空心,糖分低,早熟、早花、易花。它的生勢(shì)好,宿根性好,早生快發(fā),根群發(fā)達(dá),有地下莖,耐旱、耐瘠,抗逆性強(qiáng)。蔗莖組織木質(zhì)化,皮甚硬,抗病蟲(chóng)害的能力強(qiáng)。它是甘蔗育無(wú)性系中最有利用價(jià)值的甘蔗屬內(nèi)的一個(gè)野生無(wú)性系,它對(duì)甘蔗的改良和培育無(wú)性系有著重要作用,甘蔗野生無(wú)性系質(zhì)資源是甘蔗育種的物質(zhì)基礎(chǔ)[6]。紫外輻射的增強(qiáng)使很多農(nóng)作物的產(chǎn)量和生物量下降已經(jīng)有許多報(bào)道。因此紫外輻射增強(qiáng)也同樣將對(duì)甘蔗品種產(chǎn)量和品質(zhì)構(gòu)成威脅。因此研究不同割手密無(wú)性系原產(chǎn)地及其背景特征對(duì)于 UV-B輻射下株高的響應(yīng),對(duì)于培育抗紫外輻射新品種具有很高的價(jià)值和重要的研究意義。

2 材料和方法

2.1 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)與紫外輻射處理

試驗(yàn)在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)甘蔗研究所實(shí)驗(yàn)地進(jìn)行,10個(gè)割手密無(wú)性系來(lái)源于云南農(nóng)業(yè)大學(xué)甘蔗研究所割手密苗圃。各無(wú)性系基本特征見(jiàn)表 1。試驗(yàn)每個(gè)小區(qū)面積為 150cm ×140cm。從 4月 7日 (分蘗期)開(kāi)始用 UV-B燈管加強(qiáng)輻射,每天光照 7h(10∶00～17∶00,雨天和陰天除外)。田間土壤背景值:堿解氮 (N)150mg/kg,全氮 1.36g/kg,速效磷 (P)36.58 mg/kg,全磷 8.3 g/kg,速效鉀 185.89 mg/kg,全鉀 5.43 g/kg,有機(jī)質(zhì) 4.56%,pH7.28。

模擬UV-B輻射使用上海顧村電光儀器廠生產(chǎn)的 40WUV-B燈管 (光譜為 280～310nm),燈管懸于植株的上方,用紫外輻射儀 (北京師范大學(xué)儀器廠生產(chǎn))測(cè) 297nm處輻射強(qiáng)度 (以植株上部計(jì)),使得輻射強(qiáng)度為 5.0KJ/m2,設(shè) 0(自然光對(duì)照)和 5.0KJ/m2(處理)兩個(gè)輻射水平,相當(dāng)于昆明地區(qū) (北緯 25°、海拔 1950m)0%和 20%臭氧衰減。相當(dāng)于昆明地區(qū) 20%的臭氧衰減 (燈管的高度每周調(diào) 1次)。

2.2 供試材料

用篩選出來(lái)的沿不同海拔和緯度 (UV-B背景)分布較廣的重要的野生甘蔗資源植物割手密抗性無(wú)性系、敏感無(wú)性系各 4個(gè)以及介于兩者之間的無(wú)性系 2個(gè),篩選根據(jù) 2003年、2004年所得到的響應(yīng)指數(shù)進(jìn)行 (表 1)。

表 1 10個(gè)割手密無(wú)性系原產(chǎn)地及其背景特征

表 2 紫外輻射對(duì) 10個(gè)割手密無(wú)性系株高 (cm)的影響

2.3 測(cè)定方法

株高:用鋼卷尺測(cè)株高 (cm,地表與植株頂端的距離),每個(gè)小區(qū)測(cè) 10株,取平均值。

2.4 統(tǒng)計(jì)方法

UV-B輻射和對(duì)照處理的參數(shù)的差異顯著性用方差分析,相關(guān)分析用 SPSS軟件,p<0.05或 p<0.01水平。采用統(tǒng)計(jì) Excel5.0軟件進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同無(wú)性系對(duì)照組生長(zhǎng)速率與處理組的差異分析

3.2 敏感性分析

從圖 1中可以看出:耐性無(wú)性系的生長(zhǎng)速率是處理組 >對(duì)照組,說(shuō)明耐性無(wú)性系對(duì)于增強(qiáng)的 UV-B輻射具有較強(qiáng)的耐性,紫外輻射反而促進(jìn)了割手密的生長(zhǎng)。中間型、敏感性無(wú)性系的生長(zhǎng)速率為處理組 <對(duì)照組,尤其是敏感性無(wú)性系 (II91-5、I91-37、II91-81),在 UV-B處理下的生長(zhǎng)速率明顯低于自然光下的。這說(shuō)明中間型、敏感性無(wú)性系已經(jīng)受到紫外輻射傷害,其對(duì)紫外輻射響應(yīng)十分敏感。此結(jié)果正好與我們 2003年、2004年得到的響應(yīng)指數(shù)相一致。隨著不同無(wú)性系響應(yīng)指數(shù)的降低,其生長(zhǎng)速率受UV-B輻射的影響逐漸增大。

3.3 海拔與紫外輻射傷害之間的關(guān)系

將對(duì)照組生長(zhǎng)速率與其原產(chǎn)地海拔進(jìn)行相關(guān)性分析,其相關(guān)性 R值為 0.158。將處理組生長(zhǎng)速率與其原產(chǎn)地海拔進(jìn)行相關(guān)性分析,其相關(guān)性 R值為 0.365。從相關(guān)性來(lái)看,當(dāng)紫外輻射增強(qiáng)時(shí),其原產(chǎn)地海拔與生長(zhǎng)速率的相關(guān)性越好,原產(chǎn)地海拔越高割手密受到的傷害越小。說(shuō)明割手密原產(chǎn)地海拔越高其對(duì)紫外輻射的耐性越強(qiáng),其生長(zhǎng)速率也相對(duì)較高。Ziska[7]等發(fā)現(xiàn)不同海拔高度起源的植物總生物量對(duì) UV-B的反應(yīng)存在差異,低海拔物無(wú)性系的生物量因 UV-B輻射而明顯降低,但高海拔物無(wú)性系卻不受 UV-B輻射的影響,另外,低海拔物無(wú)性系的根冠比也被 UV-B輻射降低。他們認(rèn)為 ,生長(zhǎng)于高UV-B輻射環(huán)境中的植物可能產(chǎn)生了一無(wú)性系對(duì) UV-B的適應(yīng)機(jī)制,從而表現(xiàn)出更具抗性[8]。

4 結(jié)論

(1)UV-B處理下,割手密無(wú)性系的生長(zhǎng)速率和自然光下的存在差異。呈現(xiàn)出不同割手密無(wú)性系的響應(yīng)指數(shù)的逐漸降低,其生長(zhǎng)速率也逐漸呈降低趨勢(shì)。

(2)UV-B處理下,不同割手密無(wú)性系的株高存在無(wú)性系差異。敏感性無(wú)性系,在 UV-B處理下的生長(zhǎng)速率明顯低于自然光下的。耐性無(wú)性系對(duì)于增強(qiáng)的 UV-B輻射具有較強(qiáng)的耐性,紫外輻射反而促進(jìn)了割手密的生長(zhǎng)。

(3)割手密無(wú)性系對(duì)于 UV-B輻射的響應(yīng)與其原產(chǎn)地海拔有關(guān):原產(chǎn)地海拔越高,紫外輻射的影響越小。

5 展望

UV-B輻射增加對(duì)植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變可能是比葉片光合能力以及植物生物量更為敏感的指標(biāo),植物的光形態(tài)建成與植物的競(jìng)爭(zhēng)性平衡有密切的聯(lián)系,將最終影響到作物群體結(jié)構(gòu)、產(chǎn)量、生物量等,在生態(tài)系統(tǒng)水平上可能具有重要的意義[9]。UV-B輻射增強(qiáng)下對(duì)植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)及其相應(yīng)的機(jī)理及其調(diào)控措施、品種選育等許多方面的工作都還有待深入研究。從生態(tài)學(xué)角度研究,UV-B輻射對(duì)植物的影響將倍受生態(tài)學(xué)家的關(guān)注。

在本試驗(yàn)中可以看出不同的割手密品無(wú)性系對(duì)紫外輻射的效應(yīng)不同,其表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐性和敏感性。在臭氧層不斷減薄,紫外輻射不斷增強(qiáng)的環(huán)境下,培育出一無(wú)性系對(duì)紫外輻射具有較強(qiáng)耐性的新甘蔗品無(wú)性系,可減少紫外輻射對(duì)甘蔗產(chǎn)量的影響,可以保證糖的正常供產(chǎn),保障人民生活需要和經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要。

[1]周青,黃曉華.生存脅迫—紫外輻射增強(qiáng)對(duì)植物生態(tài)生理效應(yīng) [J].自然雜志,2001,23(4).

[2]鄭有飛,顏景義.大豆植物經(jīng)紫外輻射后生長(zhǎng)分析的數(shù)學(xué)模型[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào),1996,19(1).

[3]鄭有飛,楊志敏,顏景義,等.作物對(duì)太陽(yáng)紫外線照射增加的生物效應(yīng)極其評(píng)估 [J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),1996,7(1).

[4]陳拓,王勛陵.UV-B輻射對(duì)小麥葉片 H2O2代謝的影響[J].西北植物學(xué)報(bào),1999,(2).

[5]李元,王勛陵.紫外輻射增加對(duì)春小麥生理、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響 [J].環(huán)境科學(xué)報(bào),1998,18(5).

[7]蘇廣達(dá),葉振邦.甘蔗栽培生物學(xué) [M].北京:輕工業(yè)出版社,1983.

[6]Zisk,L.H.,Teramura,A.H..CO2enhancement of growth and photosynthesis in rice(oryza sativa).Modification by increased ultraviolet radiation[J].Plant Physiol,1992,(99).

[7]李元,岳明.紫外輻射生態(tài)學(xué) [M].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2000.

[8]李富生,何麗蓮.植物對(duì)非生物脅迫的生理響應(yīng)及甘蔗抗旱抗寒性研究進(jìn)展 [J].甘蔗 (福建),2004,11(1).