UV-B輻射對植物生長發(fā)育的影響及其應(yīng)用價值

劉一諾，敖 曼，李 波，關(guān)義新

(1.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林 長春 130102；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引 言

太陽光中波長為100～400 nm的電磁輻射稱為紫外線(UV)。根據(jù)納米波長可以將其分為三類：長波紫外線(UV-A)，波長范圍400～320 nm；中波紫外線(UV-B)，波長范圍320～280 nm；短波紫外線(UV-C)，波長范圍280～180 nm[1]。UV-C幾乎完全被臭氧吸收，很少到達(dá)地面；UV-A僅有很少一部分被臭氧層吸收，但沒有明顯的生物學(xué)效應(yīng)；UV-B透過臭氧層時，雖然僅殘留10%左右，但對植物的生長發(fā)育有著重要影響[2]。隨著大氣臭氧層的逐漸稀薄導(dǎo)致UV-B輻射日益增加，UV-B增強對動植物以及整個生態(tài)系統(tǒng)造成的影響，已逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者研究熱點[3]。

UV-B屬于環(huán)境中對植物產(chǎn)生重要影響的有效輻射。植物的許多組分都能吸收UV-B波段的輻射，如DNA、RNA和蛋白質(zhì)等。UV-B增強引發(fā)的植物內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能變化會造成植株形態(tài)改變，并且植物體含氧活性因子會逐漸積累，從而引起一系列生理生化改變，誘發(fā)不同的適應(yīng)性或防御性機制[4]，包括紫外線吸收物質(zhì)積累，酶促和非酶促抗氧化物質(zhì)產(chǎn)生以及遺傳物質(zhì)改變，都將間接影響人類生活[5-6]。因此，揭示UV-B輻射變化對植物的影響尤為重要。

植物自身擁有強大的調(diào)節(jié)機制。UV-B輻射同其他脅迫一樣可以刺激植物對環(huán)境改變做出響應(yīng)，從而激發(fā)一系列對自身有益的調(diào)節(jié)反饋機制，使植物在一定條件下逐漸適應(yīng)脅迫環(huán)境。在生產(chǎn)實踐中，UV-B輻射在調(diào)節(jié)植物形態(tài)發(fā)育和生命代謝的基礎(chǔ)上，具有增強植物抵抗生物脅迫、改善植物品質(zhì)和提高保鮮能力的作用，并且在輻射誘變育種上也具有較大的應(yīng)用前景。本文從UV-B輻射對植物的影響著手，簡要總結(jié)了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及動態(tài)，重點聚焦UV-B輻照在植物生產(chǎn)中的實際應(yīng)用價值，并展望UV-B輻射在植物培育中的應(yīng)用前景。

1 UV-B輻射對植物的影響

1.1 UV-B輻射對植物形態(tài)發(fā)育和光合作用的影響

株高在植物形態(tài)發(fā)育觀察中是最為關(guān)注的性狀之一。UV-B輻射增強會抑制蠶豆、大豆、小麥等作物生長，導(dǎo)致植株矮小[7-10]，引起植株節(jié)間長度不同程度縮短，并顯著抑制整體株高和鮮重的增加[11-13]。UV-B輻射下植物株高降低是植物自身保護機制的一種體現(xiàn)，植物生長會受到一系列植物激素的調(diào)節(jié)，在UV-B輻射影響下生長素易分解轉(zhuǎn)化成多種光氧化產(chǎn)物，這些氧化產(chǎn)物能抑制莖的伸長，從而使株高降低[14]。

植物葉片是對UV-B輻射后反應(yīng)最明顯的器官。葉片暴露在空氣中，成為UV-B輻射的直接靶標(biāo)，在自然環(huán)境中最先受到UV-B輻射的影響[15]。增強UV-B輻射后，植物葉面積顯著降低，同時葉片厚度會增加起到保護植株葉肉組織的作用[16-17]。較高強度的UV-B輻射還會損傷植株葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)[18-19]，嚴(yán)重時會出現(xiàn)萎黃、褐變、壞死等現(xiàn)象[20-21]。

經(jīng)過UV-B輻射后，植物除株高、葉面積發(fā)生變化外，光合系統(tǒng)也會發(fā)生改變。葉片受損，光合系統(tǒng)便隨之受損，植物的光合能力也隨之下降，進(jìn)而影響植物生長發(fā)育[22]。在UV-B輻射增強后，玉米和大豆等植物的葉片會出現(xiàn)光合能力減弱以及代謝產(chǎn)物減少的現(xiàn)象[23-26]。丙二醛(MDA)是膜脂過氧化最重要的產(chǎn)物之一，是測定膜系統(tǒng)受損程度以及植物抗逆性的一個常用指標(biāo)。UV-B輻射增強會使MDA含量上升，葉綠體膜超微結(jié)構(gòu)損傷，由光系統(tǒng)II(PSII)介導(dǎo)的光合電子傳輸受阻，進(jìn)而影響整個光合作用[27-28]。由于PSII在非生物脅迫下最容易受到傷害，與其他環(huán)境脅迫一致，UV-B輻射同樣通過擾亂光合作用中的電子傳遞鏈、光合磷酸化以及破壞膜結(jié)構(gòu)來影響光合速率[29-32]。

1.2 UV-B輻射對次生代謝和抗氧化系統(tǒng)的影響

植物為了適應(yīng)環(huán)境，會調(diào)節(jié)自身次生代謝機制，產(chǎn)生一定量抵抗或吸收紫外光的物質(zhì)。增強UV輻射對防御相關(guān)次生代謝產(chǎn)物的生物合成具有顯著影響[33]。許多研究表明，吸收紫外線的苯丙烷類化合物在葉表皮細(xì)胞中積累，防止葉表皮下葉肉組織的損傷，其中最常見的是類黃酮化合物[34-41]。類黃酮化合物能夠有效的抵御紫外輻射，在植物抗逆生理生化調(diào)節(jié)中起著非常重要的作用[42]，主要是通過吸收或消除自由基避免活性氧的積累來減少UV-B的傷害[43-44]。也有證據(jù)表明，黃酮類物質(zhì)可以直接吸收植物體內(nèi)的UV-B輻射物質(zhì)[45-46]。此外，植物在葉片表面還會產(chǎn)生蠟質(zhì)和木質(zhì)素吸收UV-B輻射來保護葉片，它們同樣具有自由基清除能力，且是植株最直接的UV-B輻射保護機制[47-51]。

植物在UV-B輻射后為了將損害降至最低，還會激活酶和非酶抗氧化防御系統(tǒng)[52]。植物體內(nèi)的活性氧(ROS)會隨著環(huán)境而變化，ROS的累積會對細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)完整性造成破壞，對植物有一定毒害作用，但同時它又可以刺激植物體內(nèi)多種抗氧化酶的活性，對植物進(jìn)行保護，從而維持體系的正常運轉(zhuǎn)[53-55]。常見的抗氧化酶包括過氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽還原酶(GR)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)等[56]。UV-B輻射增強后多種抗氧化酶活性均升高，同時也有少部分酶活會有降低，均為達(dá)到平衡過氧化水平的作用，有助于保持細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整性，使植物抵抗UV-B的負(fù)面影響進(jìn)而可以正常生長[57-59]。大部分植物短時間內(nèi)抗氧化酶活性呈上升趨勢，但長時間輻射后大部分酶的活性會下降[60-61]。

非酶防御系統(tǒng)主要是低分子量的抗氧化物質(zhì)，例如脯氨酸、抗壞血酸、谷胱甘肽、α-生育酚和類胡蘿卜素等[62-66]。在UV-B輻射增強時，非酶抗氧化物質(zhì)往往也會隨之增加，同酶系統(tǒng)一樣，大多數(shù)非酶物質(zhì)都是通過平衡過氧化對植物產(chǎn)生相應(yīng)的保護機制[67-68]。不同植物、不同品種對UV-B的響應(yīng)均有較大的差異，可能由于不同植物的遺傳特性不同的原因[69-70]。

以DTBP-甲苯溶液作為樣品(典型的n級反應(yīng)),用一階系統(tǒng)描述熱電偶動態(tài)響應(yīng)特性,爐體響應(yīng)特性及樣品向爐體散熱過程,建立集中參數(shù)模型,如式(5)所示。由文獻(xiàn)[13]可知DTBP的反應(yīng)熱力學(xué)和動力學(xué)參數(shù),如表1所示,其他參數(shù)設(shè)置如表2所示。

1.3 UV-B輻射對植物遺傳物質(zhì)的影響

作為環(huán)境脅迫因子，UV-B輻射不僅會抑制植物的生長發(fā)育和代謝，還會使植物發(fā)生染色體畸變(包括游離染色體、落后染色體、染色體斷裂、染色體橋和微核等)[71-76]。強UV-B(10.08 kJ·m-2·d-1)輻射后的小麥體細(xì)胞染色體會發(fā)生“分束分裂(Partition-bundle division)”現(xiàn)象[77]。通過染色體和微管細(xì)胞共標(biāo)記的方式發(fā)現(xiàn)，不均等分束現(xiàn)象不依賴于微管細(xì)胞，從而推斷出UV-B輻射可能通過影響其他有關(guān)細(xì)胞極性的因子導(dǎo)致染色體畸變[78]。

DNA作為遺傳物質(zhì)在植物體內(nèi)成為UV-B輻射最主要的目標(biāo)分子。植物體內(nèi)DNA會受到UV-B輻射的傷害形成嘧啶二聚體，其中包括環(huán)丁烷嘧啶二聚體(CPD)和6-4光產(chǎn)物，使得DNA與RNA聚合酶無法識別DNA分子中的二聚體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄不能正常進(jìn)行[79-80]。UV-B作為光源的一種，輻射脅迫后引起的DNA損傷主要通過光致復(fù)活作用(Photoreactivation)進(jìn)行修復(fù)。當(dāng)DNA受UV-B輻射而形成嘧啶二聚體后，光復(fù)活酶在藍(lán)光或近紫外光的照射下，使二聚體變?yōu)閱误w，恢復(fù)成非聚合狀態(tài)，使損傷的DNA恢復(fù)正常[81]。DNA修復(fù)能力增加是植物適應(yīng)UV-B輻射很重要的內(nèi)在因素[82]。不同植物DNA修復(fù)能力不同導(dǎo)致其抗UV-B的能力也存在很大的差異。UV-B輻射增強后植物從DNA到染色體都會受到損傷，隨機產(chǎn)生的畸變也有很多種，但損傷機制尚不清晰，有關(guān)UV-B輻射造成染色體畸變和DNA損傷的機制有待深入研究。

2 UV-B輻照在植物生產(chǎn)中的應(yīng)用

只有UV-B輻射超過一定閾值時，植物才會表現(xiàn)出受害癥狀。實際上，在合適的劑量范圍內(nèi)UV-B照射作為輔助光源，對植物生長發(fā)育也存在正向效應(yīng)，在作物生產(chǎn)實踐中具有十分可觀的應(yīng)用前景。

2.1 UV-B輻照對植物形態(tài)發(fā)育的調(diào)節(jié)

UV-B輻照對植物生長發(fā)育可以起到調(diào)節(jié)的作用，如控制植株徒長、增厚葉片、使植株節(jié)間縮短和增多分枝等[83-84]。對生長初期的不結(jié)球白菜進(jìn)行UV-B輻射(強度為40～60 μW·cm-2，時間為2 h·d-1)處理，可有效的控制植株徒長，且不會造成產(chǎn)量顯著下降[85]。對冬季大棚番茄進(jìn)行UV-B輻射補充，可以在番茄苗期有效控制株高，且番茄的維生素C和類胡蘿卜素都有顯著提高，但長時間輻照會對生長產(chǎn)生抑制[86]。Giuseppe和Gianini[87-88]都曾用UV-B輻射來調(diào)節(jié)溫室番茄高度，并認(rèn)為這是一種有效控制徒長的手段。

在許多園藝作物上如甘薯(Ipomoeabatatas)[89]和番茄(Solanumlycopersicum)[90]都被觀察到葉片表面起泡或愈傷組織樣的腫脹損傷，這種損傷是由非生物脅迫引起的生理疾病。在受環(huán)境限制的溫室中，一些砧木類幼苗常發(fā)生這種腫脹損傷，嚴(yán)重的還會造成葉片組織壞死，葉片脫落和枯萎，從而導(dǎo)致作物生長受損以及美學(xué)價值降低[91]。近幾年有文獻(xiàn)報道，這種損傷與防紫外線的聚酯薄膜或單一光源的照明條件有關(guān)[92-93]。先前的研究也表明，光質(zhì)是調(diào)節(jié)番茄和甘薯等作物膨脹發(fā)育的主要因素[91,94-95]。Chieri等人發(fā)現(xiàn)紫外線輻射，尤其是UV-B輻射可以有效防止上述腫脹損傷[96]。

由此看來，UV-B或許是一種作物生長不可或缺的光源。在生產(chǎn)實踐中，UV-B輻照已成為現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)中一種常用的環(huán)境光源，用以調(diào)節(jié)設(shè)施植物的生長發(fā)育。

2.2 UV-B輻射改善植物產(chǎn)品品質(zhì)

UV-B輻照會造成植物體內(nèi)糖含量的變化，糖既可以為花青苷等次生代謝產(chǎn)物提供糖苷，也是影響果蔬口感的一個重要因素，所以，UV-B對代謝產(chǎn)物的影響逐漸受到人們的關(guān)注。UV-B照射藍(lán)莓可以提高其果實中可溶性糖的含量[97]，但高強度下會降低葡萄果實還原糖含量，使其果實變小，產(chǎn)量下降[98]。表明UV-B具有改善品質(zhì)的應(yīng)用價值，同時仍然反映出輻照劑量的重要性。

UV-B劑量的選取是控制植物代謝產(chǎn)物多少的關(guān)鍵，尋找合適的劑量使得植物可以產(chǎn)生更多的經(jīng)濟價值和藥用價值物質(zhì)是目前研究的重點，在生產(chǎn)實踐中具有十分可觀的應(yīng)用前景。

2.3 UV-B輻射增強保鮮能力

可鮮食植物采后腐爛變質(zhì)不僅會造成經(jīng)濟損失，且已變質(zhì)的果實對人體健康有相當(dāng)大的危害。雖然使用合成防腐劑能有效抑制果蔬腐爛，但防腐劑殘留會給環(huán)境和食用者帶來潛在威脅。輻照技術(shù)現(xiàn)已成為一種公認(rèn)的無化學(xué)變化的非熱處理保鮮技術(shù)。

目前輻照保鮮主要有γ射線輻照與UV輻照[108]。γ射線雖然已成功應(yīng)用于保鮮技術(shù)，但由于其安全隱患大、裝置成本高，在應(yīng)用上受到很大限制。UV輻照分UV-B和UV-C兩種，目前UV-C輻照應(yīng)用較多[109-110]。雖然UV-B殺菌能力相比UV-C較弱，但傷害遠(yuǎn)低于UV-C，可大大降低安全防護成本，且UV-B輻照保鮮不僅僅是對果蔬表面微生物的滅殺作用，更是由于UV-B輻照引起的“毒物興奮效應(yīng)”增強了果蔬自身的防御能力，從而延緩品質(zhì)下降[111]。

在番茄果實保鮮研究中發(fā)現(xiàn)，UV-B的最佳照射劑量是20或40 kJ·m-2，低劑量(10 kJ·m-2)也有一定作用，但高劑量會對番茄果實硬度、顏色和抗氧化能力有負(fù)作用。同時，20 kJ·m-2的UV-B照射可以有效降低冷藏番茄的冷害指數(shù)和推遲乙烯峰的出現(xiàn)[112]。Castagna等對番茄果實進(jìn)行UV-B處理，證實通過UV-B處理可抑制番茄果實營養(yǎng)物質(zhì)含量降低，維持品質(zhì)，延緩果實軟化[113]。低劑量UV-B處理采后檸檬，可以有效改善植物在儲運期的品質(zhì)，使其體內(nèi)的抗氧化物質(zhì)保持在一個較高水平，并發(fā)現(xiàn)其對綠霉病的抗性顯著提升[114]。

作為一種非化學(xué)手段，UV-B保鮮技術(shù)已獲得越來越多人的認(rèn)可，且在保持采后果蔬品質(zhì)和提高抗氧化能力方面具有很大的應(yīng)用前景，在生產(chǎn)實踐中可實現(xiàn)提高保鮮能力及增強耐貯性的作用。

2.4 UV-B輻射增強植物抵抗生物脅迫的能力

光質(zhì)對植物免受害蟲或病原體傷害具有重要影響[115]。對于許多農(nóng)作物而言，控制溫室中的光照條件已成為種植者用來提高植物生長性能或控制光形態(tài)發(fā)生的常用技術(shù)[116]。其中，UV-B增強作物對害蟲和病原體的防御已得到越來越多的關(guān)注[117]。植物能夠響應(yīng)UV-B輻射并發(fā)出特定的光形態(tài)信號[118-119]。在大多數(shù)情況下，UV-B介導(dǎo)的生理變化導(dǎo)致植物的防御能力增強。植物結(jié)構(gòu)、生理學(xué)、化學(xué)變化還可改變作物害蟲的性能和喜好[120-121]。

UV-B輻照促進(jìn)了西蘭花幼苗地上部黃酮類物質(zhì)山奈酚、槲皮素以及谷胱甘肽的積累，并且抵抗生物脅迫能力有所增強[122]。據(jù)報道，UV-B介導(dǎo)的大豆(Glycinemax)豆莢中異黃酮苷和黃豆苷的含量與蟲蛀種子百分比呈負(fù)相關(guān)[123]。多項研究表明，增加UV-B后保護性次生代謝產(chǎn)物含量增加和植物細(xì)胞壁增厚均可達(dá)到阻止害蟲定殖的作用[124-127]。Merdeiyn[128]喂食棉鈴蟲UV-B輻射后水稻葉片中提取的黃酮類和酚類物質(zhì)，棉鈴蟲的生長、發(fā)育和繁殖都受到了影響，進(jìn)一步說明UV-B輻照后產(chǎn)生的黃酮類或其他酚類物質(zhì)具有抗蟲性。Gu等[129]利用HPLC指紋圖譜鑒定UV-B輻射誘導(dǎo)的桑葉(MorusalbaL.)，發(fā)現(xiàn)五種顯著差異的色譜峰，并鑒定出兩種活性化合物，一種是查庫霉素(chalcomoracin)—具有抗菌活性的天然物質(zhì)；另一種是chalcomoracin的前體。Dhakaly[130]也認(rèn)為抗生物脅迫能力的增強，是由于UV-B誘導(dǎo)植物自身產(chǎn)生了相應(yīng)的抗毒素，加強了植物抵抗外界病原侵染的能力。UV-B對植物的保鮮作用，也有一部分原因是UV-B誘導(dǎo)植物產(chǎn)生抵抗生物脅迫的能力。

UV-B輻射升高對植物的影響已廣為人知，但對害蟲和致病性病原體的影響了解甚少。雖然已有研究表明UV-B輻射可促使植物產(chǎn)生抗毒素和抗菌素等抵抗生物脅迫的物質(zhì)，增強植物抗蟲和抗病菌能力，但有關(guān)UV-B對宿主植物與病蟲互作的研究十分有限。需要更準(zhǔn)確的了解UV-B對病蟲的影響，才能準(zhǔn)確的預(yù)測UV-B對植物生態(tài)系統(tǒng)的影響，合理利用UV-B的調(diào)節(jié)作用，實現(xiàn)UV-B作為輔助光源培育抗蟲抗菌性強的作物。

2.5 UV-B輻照誘變育種

物理誘變是誘變育種常用的手段之一，其中最主要的方法是輻射誘變。目前，已有試驗證明紫外輻照可作為一種有效的物理誘變劑[131]。紫外線和4℃低溫共同處理下有花蕾形成的植株比紫外線處理下有花蕾形成的植株多出3.1%，且UV-B處理后花蕾形成的時間推遲。甘藍(lán)型油菜雙單倍體植株在UV-B照射下可促進(jìn)小孢子再生，其飽和脂肪酸含量也發(fā)生變化[132]。采用紫外誘變和體外篩選相結(jié)合的方法，對耐寒性增強的突變體進(jìn)行鑒定，對突變株系進(jìn)行冷凍試驗和田間試驗，確定其耐寒性水平，從誘變株系中篩選出多個耐寒品系，其中一個品系進(jìn)入產(chǎn)量試驗[133]。

紫外誘變在微生物領(lǐng)域研究較為清晰，應(yīng)用十分廣泛。但在植物上，紫外誘變理論研究多于實踐應(yīng)用，未來需要重點關(guān)注的是如何將紫外誘變技術(shù)完善并應(yīng)用于育種實踐中。

3 討論與展望

隨著大氣污染嚴(yán)重，臭氧層變薄，UV-B輻射增強對動植物造成了越來越嚴(yán)重的影響，對UV-B輻射影響研究也逐步深入。UV-B輻射對植物的影響包括植物形態(tài)發(fā)育、光合呼吸、生理代謝以及遺傳特性等，并且在各個方面均已有相關(guān)研究。然而，UV-B輻射的研究多傾向于植物生長發(fā)育以及形態(tài)生理等方面的研究，且相關(guān)研究大多停留在室內(nèi)模擬實驗階段，受到環(huán)境條件制約，自然條件下的研究相對較少，同時大多研究集中在植物幼苗階段，相應(yīng)的試驗結(jié)論則具有片面性。增強UV-B輻射對植物會造成一定程度的物理傷害，而對其傷害的阻擋和修復(fù)應(yīng)是研究的重點。植物自身的修復(fù)機制大多涉及到分子層面，現(xiàn)有研究在UV-B輻射對植物的遺傳響應(yīng)及分子生物學(xué)的影響方面尚不深入。因此植物對UV-B損傷修復(fù)的分子機制研究需要逐漸完善。隨著修復(fù)機制進(jìn)一步揭示，與其他因子復(fù)合作用，以及通過其他分子物質(zhì)減緩UV-B損傷的研究也將隨之增多。

植物自身擁有強大的調(diào)節(jié)機制，在一定脅迫條件下可以逐漸適應(yīng)環(huán)境，得以生存。通過UV-B輻照植物會產(chǎn)生多種保護機制來做出響應(yīng)，許多研究從這些保護機制入手研究UV-B輻照后植物產(chǎn)生的對自身有益的反應(yīng)。在調(diào)節(jié)植物形態(tài)發(fā)育、增強植物抵抗生物脅迫能力、改善植物品質(zhì)和保鮮能力以及輻射誘變育種技術(shù)上都有所進(jìn)展，但大多數(shù)應(yīng)用技術(shù)都處于實驗室研究階段，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化流程化應(yīng)用還有很長的路。未來，更重要的是開展UV-B輻照在有效調(diào)節(jié)作物生長、保持果蔬品質(zhì)、提高抗氧化能力、減輕病蟲害發(fā)生等方面的深層機制研究，并將研究移向現(xiàn)實生產(chǎn)中，理論與實踐相結(jié)合才能使其在未來設(shè)施農(nóng)業(yè)上發(fā)揮更客觀的應(yīng)用價值。

UV-B輻照的具體應(yīng)用方法還需要不斷完善。特別是UV-B輻照劑量的探索和選取是植物對UV-B輻照產(chǎn)生不同生理響應(yīng)的重要因素。在目前UV-B輻照研究中，對UV-B輻照劑量的選擇存在較大爭議，輻射劑量單位選取以及高低劃分還沒有完全統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。植物對UV-B輻照響應(yīng)的許多深層機制也尚不清晰，有待進(jìn)一步闡明。尤其是UV-B輻照誘變育種技術(shù)，目前研究較少，還處于方法以及劑量等條件的摸索狀態(tài)中，誘變機制還需要更深層次的研究。但UV-B輻照作為一種設(shè)備簡單、操作方便、安全無污染的非化學(xué)強誘變手段，為植物誘變育種提供了一種有效的途徑，在植物育種中具有較大的潛力，并將不斷完善最終走向生產(chǎn)實踐。