UV-B辐射对植物生长发育的影响及其应用价值

紫外线-B (UV-B)是影响植物生长发育的重要环境压力因子。UV-B辐射强度变化对植物生态系统造成的影响,已成为国内外研究热点。本文从UV-B辐射对植物形态发育、光合作用、次生代谢和抗氧化系统以及遗传物质的影响等方面,对国内外研究现状进行了简要述评。对UV-B辐照调节植物形态发育、改善植物品质、提高果实保鲜能力、增强植物抵抗生物胁迫能力和诱变育种的机制及其应用前景进行了深入探讨与展望。     

UV-B辐射的增强对作物形态及生理功能的影响

通过综述UV-B辐射增强对作物产生的影响,为进一步揭示作物对UV-B辐射增强的响应机制、适应变化和寻找相应的解决方法提供参考.分析发现UV-B辐射增强能对作物的形态在根、茎、叶营养器官和生殖器官方面产生负面影响,从而进一步影响作物的生物量和产量;UV-B辐射增强对植物生理的影响主要通过影响作物的叶绿体、光合作用及矿质代谢而起作用,并且这些影响具有品种间和生育期的差异.因此研究紫外辐射对作物的影响具有重要的生态学意义.     

UV-B对十字花科蔬菜硫代葡萄糖苷含量的影响研究进展

UV-B辐射对植物光合作用、形态发育以及生理代谢有着重要影响,能诱导十字花科蔬菜植物细胞产生包括硫苷在内的次生代谢产物。基于文献资料,梳理归纳了近年来国内外关于UV-B对十字花科蔬菜硫苷含量影响方面的研究进展,在阐述UV-B对十字花科蔬菜植株硫苷含量影响效应基础上,从相关基因表达、植物激素含量变化、抗氧化系统平衡和相关酶活性等方面综述了UV-B对十字花科蔬菜硫苷合成的作用规律,并对UV-B在改善十字花科蔬菜品质、提高营养和经济价值研究进行展望。     

He-Ne激光和增强UV-B辐射对小麦幼苗多酚代谢3种酶活性的影响

为探讨He-Ne激光和增强UV-B辐射对小麦幼苗多酚代谢相关酶活性的影响,利用5 mW·mm-2的He-Ne激光和增强UV-B(10.08 kJ·m-2·d-2)辐射处理"晋麦8号"小麦幼苗,分别在不同时段测定苯丙氨酸解氨酶(PAL)、多酚氧化酶(PPO)及过氧化物酶(POD)的活性.结果表明,增强UV-B辐射使小麦幼苗叶片PAL活性升高,PPO与POD活性降低,且随处理天数的增加,不同处理组小麦幼苗叶片PAL、PPO、POD活性间具有一定相关性.长期增强UV-B辐射,导致多酚类物质的代谢速度降低甚至停止,自由基不能被及时清除,生物膜破坏:经过一定剂量的He-Ne激光辐照可修复增强UV-B辐射对小麦幼苗叶片多酚类物质代谢的损伤.     

UV-B辐射对植物水分代谢的影响

为系统了解UV-B辐射对植物水分代谢的影响, 本文从生理、生化两个角度概述了近30年国内外相关方面的研究成果, 内容涉及UV-B辐射对植物根系活力、蒸腾速率、水分利用效率及植物不同发育期叶片脯氨酸、可溶性糖含量的影响;总结了UV-B辐射对植物气孔行为的影响及相关机理, 包括植物体内ABA、H2O2、NO等信号分子含量的变化以及这些信号分子在调节气孔行为方面发挥的作用.认为UV-B辐射对植物水分代谢产生伤害, 且此伤害作用与植物种类、发育阶段有关, 与UV-B辐照时间及剂量正相关.研究UV-B辐射对植物水分代谢的影响, 对自然及农业生产环境下规避UV-B辐射对植物产生逆境胁迫效应具有积极的环境生态学价值.     

UV-B对烟草生长发育及次生代谢的影响

通过模拟UV-B辐射,探索不同紫外辐射强度、辐射方式对烟草幼苗生长发育,光合生理、色素及多酚,糖类、烟碱等代谢产物的影响,以期探讨烤烟品质形成的生态机理.结果表明:UV-B辐射可使烟苗矮化变粗,叶面积缩小,光合效率下降,但可恢复;UV-B处理叶绿素、糖、烟碱含量下降幅度与辐射强度正相关,但微量UV-B有利于成苗叶绿素含量提高;UV-B辐射可使与植物抗逆性有关的多酚含量得到显著提高,与处理时间、强度正相关;适宜强度的UV-B预处理可使烤烟叶绿素、总类胡萝卜素和总糖含量提高.     

Ce(Ш)对UV-B辐射下大豆幼苗水分代谢影响的机理

为探讨稀土对UV-B辐射胁迫下植物水分代谢的影响,采用水培法研究Ce(Ш)对紫外辐射(UV-B,280～320 nm)胁迫下大豆(Glycine max)幼苗叶片气孔密度、气孔导度(Gs)、脱落酸(ABA)含量、过氧化氢(H2O2)含量、过氧化氢酶(CAT)活性的影响.结果表明:20 mg·L-1 CeCl3处理显著增加了大豆幼苗叶片背面近轴气孔密度,高剂量UV-B(0.45 W·m-2)处理降低了气孔密度,与CK达显著差异;Ce(Ш)+UV-B处理减轻了UV-B胁迫引起的气孔密度下降.动态曲线显示,较之CK,20 mg·L-1 CeCl3提高了大豆幼苗的Gs,UV-B辐射使Gs下降,Ce(Ш)+UV-B处理下Gs的下降趋势得到缓解,且最终达到较好的恢复效果.与CK相比,UV-B辐射导致ABA、H2O2积累,CAT活性提高,Ce(Ш)处理降低了UV-B辐射造成的ABA和H2O2的积累,提高了CAT活性.结果表明,Ce(Ш)处理减轻了UV-B辐射对大豆幼苗水分代谢的胁迫伤害.     

UV-B辐射对植物水分代谢的影响

为系统了解UV-B辐射对植物水分代谢的影响, 本文从生理、生化两个角度概述了近30年国内外相关方面的研究成果, 内容涉及UV-B辐射对植物根系活力、蒸腾速率、水分利用效率及植物不同发育期叶片脯氨酸、可溶性糖含量的影响;总结了UV-B辐射对植物气孔行为的影响及相关机理, 包括植物体内ABA、H2O2、NO等信号分子含量的变化以及这些信号分子在调节气孔行为方面发挥的作用。认为UV-B辐射对植物水分 代谢产生伤害, 且此伤害作用与植物种类、发育阶段有关, 与UV-B辐照时间及剂量正相关。研究UV-B辐射对植物水分代谢的影响, 对自然及农业生产环境下规避UV-B辐射对植物产生逆境胁迫效应具有积极的环境生态学价值。     

UV-B辐射对植物类黄酮影响的研究进展

UV-B辐射增强对农业生态系统和作物产量的影响已引起国内外广泛关注。本文结合近年来国内外研究成果,介绍了UV-B辐射胁迫下植物应激合成与累积类黄酮的特征,考察了类黄酮在抵御UV-B辐射胁迫中的生态生理作用及其机理,探讨了类黄酮与其他抗UV-B辐射机制的关系,分析了未来该研究工作的若干取向。     

UV-B辐射增强对大麦生理生态的影响

在大田条件下,研究了UV-B辐射增强对大麦的生长发育、光合作用、蒸腾作用及其产量构成的影响。结果表明,UV-B辐射增强明显抑制大麦生长,使株高变矮、绿叶数减少、叶面积和干物质量下降,但抑制程度随生育期而异。在UV-B辐射增强条件下,大麦叶片叶绿素含量、净光合速率、气孔导度和蒸腾速率都有不同程度的降低,水分利用率也随之降低。UV-B辐射增强对大麦形态学和生理学上的不利影响,导致了大麦产量下降24.96%。     

水稻对UV-B辐射增强的生理响应及其分子机制研究

本文以水稻为研究对象,从细胞、个体和群体水平系统分析了不同水稻品种对UV-B辐射增强差异响应的遗传生理与防卫机制。试从农业生态系统角度,结合作者近期研究成果,系统分析了近年来国内外的研究重点及其成就。已有研究认为水稻对UV-B辐射增强的生理响应存在明显的种间差异,通常认为起源于靠近赤道附近的低纬度地区的籼稻品种比高纬度地区的粳稻品种更抗(耐)UV-B辐射污染,但许多研究结果不支持这一假说,即在籼粳稻品种中均存在明显对UV-B辐射增强呈不同抗性的种质资源。进一步研究结果表明水稻对UV-B辐射的响应差异是可遗传的数量性状。QTL定位分析结果发现多数抗UV-B辐射相关性状的加性QTL主要集中在第1、2、3、6染色体上,并检测到一些加性QTL还存在加性×加性上位性及其与环境的显著互作效应。作者还深入分析了水稻抗UV-B辐射增强的分子生理与调控机制,提出适当增加植物的硅营养,可以有效提高其抗逆性。最后,作者提出从农田生态系统角度研究和评价UV-B辐射增强所带来的生态风险及其影响是今后研究的重点,强调应重视研究田间条件下UV-B辐射增强及其与其他生态环境因子的互作对作物生长发育的综合影响,在此基础上,探索建立作物遗传改良与栽培调控的减灾防灾技术,为应对全球环境变化,制订相关防护策略提供理论依据和技术支撑。     

全生育期UV-B辐射增强对棉花生长及光合作用的影响

植物光合系统是UV-B辐射最初和最重要的作用靶标。本文在大田条件下进行紫外灯照射处理,研究全生育期UV-B辐射增强(高于环境20%和40%)对棉花形态、干物质积累、光合色素和产量的影响,并通过分析棉花主茎功能叶片的气体交换参数和叶绿素荧光参数,探讨UV-B辐射增强影响棉花光合作用的机制。结果表明,UV-B辐射增强抑制了棉花生长和干物质积累,籽棉产量显著降低,且UV-B辐射越强,抑制作用越明显。随UV-B辐射的增强,棉花主茎功能叶的净光合速率(P_n)在各生育期均显著降低,叶绿素含量呈先升高后降低趋势,气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)未发生变化,胞间CO_2浓度(Ci)反而升高,说明P_n下降主要由非气孔限制因素造成。对叶绿素荧光参数的分析表明,PSⅡ的最大光化学量子产率(F_v/F_m)、实际光化学量子效率(ΦPSII)、线性电子传递速率(ETR)和光化学淬灭系数(qP)随着UV-B辐射的增强而降低,非光化学猝灭系数(NPQ)则显著升高,且各叶绿素荧光参数与Pn变化均显著相关;慢速弛豫NPQ(NPQS)及其在NPQ中的比例均随UV-B辐射的增强而显著提高,表明PSⅡ反应中心受损,光化学效率降低。以上结果证明,全生育期UV-B辐射增强降低了棉花的光合叶面积、叶绿素含量和净光合速率,引起棉花生长与物质积累受抑,产量降低。UV-B辐射增强引起的光合速率下降与PSⅡ反应中心遭到破坏密切相关。     

不同马铃薯品种(系)对增强UV-B辐射的形态响应

UV-B辐射对植物的形态建成有着重要的作用,并且随着地表UV-B辐射的加剧也必将对作物产生影响。本研究通过测定株高、节距、叶面积和根冠比等几个重要的形态指标,分析在增强UV-B辐射条件下马铃薯不同品种的形态响应差异,为综合评价UV-B辐射对马铃薯的影响和耐受性品种选育奠定基础。试验以4个普通和3个彩色马铃薯品种(系)为材料,采用自然光照(CK)和2个增强的UV-B辐射[2.5 k J?m-2?d-1(T1)、5.0 k J?m-2?d-1(T2)]进行处理,分别于处理15 d、30 d和45 d时测定株高、节距、叶面积和比叶重,收获时测定根冠比。最后得出几个形态指标的响应指数(RI),并以累积胁迫响应指数(CSRI)对试验品种的耐受性做出评价。结果显示:在增强UV-B辐射处理后,多数品种呈现株高降低、节距缩短、叶面积减小、比叶重增加的一致性变化趋势,且随着处理强度的增加和时间延长,处理与对照间的差异愈加显著。各品种对UV-B辐射的形态响应存在显著差异,普通品种的株高、节距、叶面积受UV-B辐射抑制较为明显,地上部分的生物量减幅较大,如‘合作88’地上部分(鲜重)RI值在T1、T2处理下分别为-60.28、-70.44,‘丽薯6号’则为-58.61、-66.44;彩色品种受到的影响较小,‘转心乌’地上部分RI值分别为107.75、21.4,‘21-1’为41.49、-45.72。随着地上生物量增长受到显著抑制,地下部分特别是根系也受到明显的影响,普通与彩色品种间根系RI值的变化规律与地上部分一致。由于地上部分生物量的减幅更显著,各品种(系)的根冠比均比对照增大(T2)。T1、T2处理下5个品种的CSRI值显示‘合作88’(-133.35、-240.85)与‘丽薯6号’(-104.09、-160.2)在增强的UV-B辐射处理下形态特征受到了显著的抑制;彩色品种(系)‘转心乌’(275.97、51.26)、‘21-1’(96.8、-142.17)比普通品种‘合作88’、‘丽薯6号’受到的影响相对较小,显示具有一定的UV-B辐射耐受性。     

Yield and yield formation of field winter wheat in response to supplemental solar ultraviolet-B radiation

The stratospheric ozone decrease has heightened concern over the ecological implications of increasing solar UV-B radiation on agricultural production and natural plant ecosystems. UV-B is absorbed, and can damage many important plant species through a variety of interacting mechanisms. The effects of enhanced UV-B exposure on yield and yield formation of winter wheat associated with photosynthetic activity and total biomass development were investigated in this study. The overall experimental design included three UV-B treatments (two supplemental UV-B treatments and an ambient level) with three replicates of each treatment. Results suggested that the supplemental UV-B can cause the decrease of yield of winter wheat up to 24% with 11.4% increased UV-B. Supplemental UVB decreased dry matter accumulation most during the jointing–booting stage when the leaf area index (LAI) was the greatest. In addition, the supplemental U-VB appeared to effect the distribution of dry matter but did not effect the net assimilation ratio of the wheat.     

Response of three eastern tree species to supplemental UV-B radiation: leaf chemistry and gas exchange

Quantitative changes in foliar chemistry in response to UV-B radiation are frequently reported but less is known about the qualitative changes in putative UV-screening compounds. It has also not been conclusively shown whether qualitative differences in screening compounds or differences in localization patterns influence the sensitivity of plants to damage from UV-B radiation and there is some question as to whether differences in the amounts of soluble screening compounds correlate with physiological sensitivity to UV-B radiation. This study represents the first part of a multiple-year study designed to answer the above questions. In this study we evaluated whether differences in soluble UV-screening compounds were linked with possible effects on gas exchange and photosynthetic carbon assimilation. Branches of mature trees of sweet gum (Liquidambar styraciflua), tulip poplar (Liriodendron tulipifera) and red maple (Acer rubrum) were exposed to supplemental levels of UV-B radiation over three growing seasons. Controls for UV-A were also measured by exposing branches to supplemental UV-A only and additional branches not irradiated were also used for controls. These species demonstrated differing levels of screening compounds with poplar being the most responsive in terms of epidermal accumulation of phenolics. These were separately identified as flavonols, chlorogenic acid and hydroxycinnamates (HCAs). Red maple had the highest levels of constitutive UV-absorbing compounds but these showed little response to supplemental UV-B radiation. Leaf area was marginally influenced by UV exposure level with both UV-A and UV-B tending to reduce leaf area in red maple and poplar and increase it in sweet gum, when averaged over the 3-year period. Assimilation was generally not reduced by UV-B radiation in these species and was enhanced in red maple by both UV-B and UV-A and by UV-A in sweet gum. These findings are consistent with a hypothesis that epidermal attenuation of UV-B would only be reduced in poplar, which accumulated the additional epidermal screening compounds. It is possible that photosynthetic efficiency was enhanced in red maple by the increased absorption of blue light within the mesophyll due to elevated levels of HCAs. Stomatal conductance was generally reduced and this led to an increase in water use efficiency (WUE) in red maple and poplar. Since few detrimental effects of supplemental UV-B were observed, these results suggest that these tree species utilized a range of UV-screening compounds and deposition patterns to achieve UV-B tolerance and further, that subtle responses to UV-B could have ecological significance in the absence of reduced productivity or photosynthetic efficiency.