全日光强下5种植物叶片的UV-B防护.pdf

热带亚热带植物学报 2 0 0 5 l 3 1 1 3 1 6 J o u r n a l o fT r o p ic a l a n d S u b t r o p ical B o t any 全 日光强下 5种植物叶片的 U V B防护 孙谷畴 张厚华 2 1 中国科学院华南植物园 广东 广州 5 1 0 6 5 0 2 中国科学院研究生院 北京 1 0 0 0 3 9 摘要 通过测定马尾松 P i n u s m a s s o n i a n a 和荷木 S c h i m a s u p e r b a 及黄果厚壳桂 C r y p t o c a r y a C O n c i n n a 藜蒴 C a s t a n o p s i s fi s s a 和锥树 C a s t a n o p s i s c h i n e n s i s 叶片中甲醇提取物和细胞壁碱性酚类提取物中U v B吸收物质的 含量 以及叶片叶绿素含量和比叶面积 研究全目光强下植物对 U v B的防护策略 结果表明 在全目光强下植物叶片 甲醇提取物的U V B吸收能力较遮阴下的高 如藜蒴和锥树分别高出4 2 6 和 3 2 6 而马尾松仅高出4 2 全 日光 强下的黄果厚壳桂和荷木叶片细胞壁碱性酚类提取物的 u V B吸收能力亦分别比遮阴下的高 3 5 和 1 1 7 而马尾 松 锥树和藜蒴则较遮阴下的低 可能这些树种在全日光下细胞壁 U v B吸收物质有部分转移到细胞质 以增强栅栏 组织细胞的保护 全日光强下这几种植物叶片的叶绿素含量较遮阴下的低 但有较高的比叶面积 这可能有利于减少 对光的吸收和对深层组织细胞器的保护 可见不同植物是采取不同的策略来适应增高的 U v B辐射 关键词 全日光强 马尾松 亚热带阔叶树 U v B辐射 中图分类号 Q 9 4 7 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 5 3 3 9 5 2 0 0 5 0 1 0 0 1 3 0 4 uv B S c r e e n i n g o f t h e Le a v e s o f Fi v e Tr e e S p e c i e s Gr o wn u n d e r F u l l S u n l i g h t S U N G u c h o u Z H A N G H o u h u a 2 1 S o u t h C h i n a B o t a n ic a l G a r d e n t h e C h i n e s e A c a d e m y o fS c ie n c e s G u a fi g z h o u 5 1 0 6 5 0 C h i n a 2 G r a d u a t e S c h o o l t he C h i n e s e A c a d e m y of S c ie nce s B e ij i n g 1 0 0 0 3 9 C h i n a Ab s t r a c t UV B a b s o r b i n g c a p a c i t i e s o f me t h a n o l a n d c e l 1 b o u n d a l k a l i e x t r a c t a b l e p h e n o l i c s we r e me a s u r e d i n l e a v e s o f p o r e d o n e y e a r o l d s e e d l i n g s o f P n u s ma s s o n i a n a S c h i ma s u p e r b a C r y pt o c a r y a c o n c i n n a C a s t a n o p s i s s a a n d a s t a n o p s i s c h i n e n s i s t o i n v e s t i g a t e t h e UV B p r o t e c t i n g s t r a t e g y i n p l a n t s e x p o s e d t o f u l l s un l i g h t T h e r e s u lt s i n d i c a t e d t h a t t h e u V a b s o r b in g c a p a c i ty o f me t h a n o l i c e x t r a c t s w a s h i ghe r i n p l a n t s g r o w n und e r fu l l s unl i ght t h a n und e r s h a d e r e g i m e U V B a b s o r b i n g c a p a c ity o f me t h a n o l i c e x t r a c t s i n l e a v e s o f c s c c h i n e n s i s a n d P m a s s o n i a n a u n d e r fu l l s u n l i ght w a s b y 4 2 6 3 2 6 a n d 4 2 h i ghe r t h a n t h a t und e r s h a d e r e s p e c t i v e l y Th e UV B a b s o r p t i o n o f c e l l wa l l b o un d a l k a l i e x tr a c t a b l e p h e n o l i c s i n l e a v e s o f C c o n c i n n a a n d S s u p e r b a gro wn u n d e r ful l s unl i ght w a s b y 3 5 a n d l 1 7 h i g h e r than t h a t und e r s h a d e r e s p e c t i v e l y B u t i t w a s l o we r i n l e a v e s o f1 9 ma s o n i a n a C c h i n e n s i s a n d c s a gro wn un d e r ful l s un l i g h t t h a n t h a t un d e r s h a d e I t i s l i k e l y t h a t p a r t o f p h e n o l i c s mo v e d f r o m c e l l wa l l i n t o c y t o p l a s m t o e n h a n c e t h e p r o t e c t i v e e f f e c t o f p a l i s a d e t i s s u e a g a i n s t UV B B e s i d e s ma s s o n i a n a a n d t h e b r o a d l e a v e d tr e e s h a d l o we r c h l o r o p h y l l c o n t e n t a n d h i ghe r s p e c i fi c l e a f a r e a u n d e r ful l s u n l ight a s c o m p a r e d t o s h a d i n g c o n d i t i o n w h ic h ma y h a v e p r o te c t i v e r o l e f o r o r g a n e l l e s i n i n n e r t i s s u e s Ke y wo r d s F u l l s u n l i g h t P n u s ma s s o n i a n a S u b t r o p i c a l mo n s o o n b r o a d l e a v e d fle e s UV B r a d i a t i O n 由于同温层臭氧层的消减 使到达地面的 U V B辐射增高fl1 U V S辐射增高对生物体的影响 收稿 日期 2 0 0 4 0 4 0 5 接 受 日期 2 0 0 4 0 6 2 1 基金项目 广东省自然科学基金团队项H 0 0 3 0 3 1 tJ j 广受人们关注 近 2 O年来有关 U v B辐射增高对 植物群落影响的研究较多 如植物通过改变叶表面 维普资讯 1 4 热带亚热带植物学报 第 1 3 卷 结构 21 或生成更多选择性吸收色素如酚类物质等刚 来适应环境 U V B吸收物质在叶片不同部位的积 累 如叶表皮 叶毛和角质层 使得叶片能选择性地 滤过光或 U v B辐射 以减少U v B辐射进入叶肉 栅栏组织 习 植物的这种保护机制受到多种环境因素 如光 水分胁迫等的影响 U v B辐射吸收物质随植 物种类 生活型和叶片发育阶段而变化 木本和多年 生植物较草本植物有更高的U v B吸收物质 61 研究 植物的 U V B吸收物质的变化 可 了解植物在 U V B辐射增强环境下的生理变化 本文选择亚热 带季风常绿阔叶林中针叶树马尾松和阔叶树荷木 黄果厚壳桂 藜蒴和锥树为材料 研究全 日光强下 叶片 U V B吸收物质 叶绿素含量和比叶面积的变 化 以阐明在全球变化和 U V B辐射增高趋势下植 物对环境变化的响应 为植物保护 林业管理提供 一 些科学依据 1材料和方法 材料和处理 选取马尾松 P i n u s m a s s o n i a n a 和荷木 S c h im a s u p e r b 口 1 及黄果厚壳桂 C r y p t o c a r y a c o n c i n n a 藜蒴 C a s t a n o p s is s 口 和锥树 C a s t a n o p s i s c h i n e n s i s 幼苗 苗龄 1 a 株高 2 0 3 0 c m 将它们分 别栽种在盛有田土的塑料盆中 置于中国科学院华 南植物园试验地 每盆 l 株 在 6 7月 将植株分为 两组 每组 3 4 株 一组植株在全 日光强下生长 日 平均 U v B辐射 2 9 7 n m 强度为 l 6 5 2 0 k J m 另 一 组用黑色塑料网覆盖 光强约为全日光强的 1 6 一 2 0 U V B辐射强度 4 k J m 植株在两种光强下 生长 3 0 d 后取样测定 甲醇提取物制备 按 S c h n i t z l e r 等同 的方法 取植株项部以下第三片叶各 1 0 0 mg 放入液氮中磨 碎 加入 2 ml 甲醇 在暗处提取 3 0 m i n 提取液经 1 5 0 0 0 x g 离心 5 min 收集沉淀物 然后向沉淀物加 入 l ml 硫酸十二烷酯钠 w v 3 8 静置 2 0 m i n 经 1 5 0 0 0 x g 离心 1 5 mi n收集沉淀物 然后加入氯 仿 甲醇 1 l V V 静置 2 0 mi n后再经 1 5 0 0 0 x g 离心 1 5 min离心收集沉淀物 用丙酮洗涤两次 真 空干燥后置于低温下贮存 细胞壁碱性酚类提取物制备 按 S a c k 等嘲 的方法 称取 l m g叶片粗细胞壁物质 加入 0 5 ml l mo l L N a O H溶液 放置室温下暗处水解 1 6 h 经 1 5 0 0 0 x g离心 1 5 mi n收集水解液 用 H 3P O 调至 p H 2左右 取上层清液 0 2 m l 与 l ml 1 5 mo l L甲 酸混合 经 1 5 0 0 0 x g离心 1 5 min收集上清液 U V B吸收能力测定 甲醇提取液和细胞壁 碱性酚 类提取 物分 别 以 甲醇和 甲酸稀释 后用 C a in b d s 2 5 紫外 可见分光光度计 P e r k i n E l m e r 进 行 2 0 0 4 0 0 B in吸收光谱扫描 测量 2 8 0 3 2 0 B i n区 的总吸收 以 l m g叶在 2 8 0 3 2 0 B i n的总吸收面积 表示吸收U V B能力 A 2 0 m g 叶绿素含量测定 根据 m mo n 91方法测定 比叶面积测定 以L i 一 3 0 0 0型叶面积仪测定 叶面积 然后在 5 0 6 0 下烘至恒重 计算其单位叶 面积干重 S L A 统计分析 每组数据 以平均值 标准误差 f S D 表示 每实验 3次重复 数据进行变量分析 A N O V A 在确定 F值下以 0 0 5水平为最小显著 性差异 L S D 1 2 结果 2 1 醇溶性 U v B吸收物质 图 l 表明生长在遮阴和全 日光强下植物叶片 甲醇提取液在 2 8 0 3 2 0 B i n下的总吸收不同 o a o 羽 I I I 1 1 1 I V V 植物种类 S p e c i e s 图 1 5 种植物叶片甲醇提取物的U V B吸收能力 F i g 1 U V B a b s o r p t i o n A 2 D m g o f me t h a n o l i e e x t r a c t s fr o m l e a v e s o f fi v e t r e e s p e c i e s g r own u n de r s h a de a n d s un l i g h t I 马尾松P i n u s m a s o n i a r t a l I 荷木 S c h i m a s u p e r b a l U 黄果厚壳桂 C r y p t o c a r y a c o n c i n n a 1V 藜蒴 C a s t a n o p s i s fi s s a V锥树 C a s t a n o p s i s c h i n e n s i s 从图 l 可见 生长在全日光强下的马尾松针叶 和荷木叶片甲醇提取液的U V B吸收能力分别较 遮阴下的高 4 2 和 2 1 7 而黄果厚壳桂 锥树和 藜蒴叶片分别比遮阴下的高 1 7 0 3 2 6 和4 2 6 生长 在 全 日光 强 下 的 阔 叶树 种 叶 片 的 U V B 维普资讯 第 1 期 孙谷畴等 全日光强下 5 种植物叶片的U v B防护 l 5 吸收能力较马尾松增高的幅度大 这说明在较高 U V B辐射 的全 日光下植物是通过增 高叶片的 L r v B吸收物质来减缓可能受到 的 U v B辐射损 害 2 2 细胞壁的碱性酚类提取物 图 2 表 明生长在遮阴和全 日光强下植物叶片 细胞壁碱性酚类提取物在 2 8 0 3 2 0 IL r fl下 的总吸 收 重 罟一 喜 圭 l 譬 圭 I 1 兀I I v V 植物种类 S p e c i e s 图2 5 种植物叶片细胞壁碱性酚类提取物的u V B吸收能力 F i g 2 L r v B a b s o r p t i o n A 瑚 m m g o f c e l l w a l l b o u n d a lk a l i e x t r a c t a b l e p h e n o l i c s f r o m l e a v e s o f fi v e t r e e s p e c i e s g r o wn und e r s h a d e a n d s u n l i g h t F o r t re e s p e c i e s s e e F i g u r e 1 全日光强下马尾松叶片的细胞壁碱性酚类提 取 物在 2 8 0 3 2 0 n n l的总 吸收较遮 阴下 降低 了 7 7 而荷木叶片则上升 1 1 7 全 日光强下的黄 果厚壳桂叶片细胞壁碱性酚类提取物对 U v B吸 收增高 3 5 而锥树和藜蒴则分别下降了2 1 0 和 2 9 7 表明生长在较高 U v B辐射的全日光强下 的一些植物如荷木和黄果厚壳桂是通过提高叶片 细胞壁碱性酚类提取物的含量来抵御 U V B辐射 而另一些植物如马尾松 锥树和藜蒴 则主要是通 过提高醇溶性u v B吸收物质含量来抵御u V B辐 射 2 3 植物的叶特性变化 从表 1 可见 遮阴下的马尾松针叶叶绿素含量 较全日光强下的高2 6 6 达到差异极显著 1 0 0 5 黄果厚壳桂和藜蒴叶 片叶绿素含量提高了9 6 一 3 9 1 达显著差异水 平 p 0 0 5 这表明遮阴下植物通过提高叶片叶绿 素含量来增加对光的吸收 遮阴下植物叶片的比叶 面积 S p e c i fi c le a f a r e a S L A 明显较全 日光强下的 低 均达到显著和极显著水平 p 0 0 5 或 0 0 1 生长 在全 日光强下的荷木叶片的叶绿素含量比遮阴下 的略低 p 0 0 5 但其 S L A则显著高于遮阴下的 p O 0 1 3 讨论 亚热带季风常绿阔叶和针叶树种叶片在全日 光强和部分遮阴下有着不同的U V B吸收能力f 图1 和图2 全日光强下叶片的甲醇提取物对 U V B 吸 收增强 显示全 日光下植物叶片可通过积累醇溶性 U V B吸收物质来保护活跃的细胞和细胞器 以免 受 U v B辐射的影响 这与前人的研究结果一致 L i a k o u r a 等报道地中海地区生长在全日光强下的常 绿硬 叶树 Q it e r c i c o c r e r 0等 几种 树 种 叶片 的 U V B吸收能力 A 3 较遮 阴下的高 认为全 日 光强下 U V B诱导叶片黄酮醇的合成 这些物质在 叶内的积累使得 叶片增高对 U V B辐射 的耐受 表 1 檀物叶片的叶绿素含量和比叶面积 T a b l e l T h e c h l o r o p h y l l c o n t e n t and s p e c i fi c l e a f S L A a r e a i n l e a v e s o f fi v e t re e s p e c i e s g r o wn und e r s h a d e and s u n l i ght N D表示未测定 N o t d e t e r mi n e d S L A S p e c i fi c l e a f ar e a 和 分别表示在 0 0 1 和 0 0 5水平差异极显著和显著 and r e p r e s en t s i g n i fi c an t d i fferenc e a t O 0 1 and O 0 5 l e v e l s r e s p ect i v e l y 湖 枷 抛 湖 枷 抛 0 维普资讯 l 6 热带亚热带植物学报 第 l 3 卷 力 不同植物叶片甲醇提取物中U V B吸收物质 的含量也有差异 全 日光强下荷木叶片的甲醇提取 物的 U V B吸收物质的增幅较马尾松的高 表明不 同物种对 U V B辐射响应的可塑性与专一性不同 全日光强下的一些树种如荷木和黄果厚壳桂 叶片的细胞壁碱性酚类提取物亦增高 显示这些树 种是通过提高叶片碱性酚类提取物的 U V B吸收 物质来抵御较高的U V B辐射 以减少其损害 而 马尾松 锥树和藜蒴叶片的细胞壁碱性酚类提取物 降低 可能在全日光强下这些树种叶片合成的细胞 壁酚类部分转移到细胞质中 而这些物质分布在栅 栏组织可能更有利于保护植物光合器官和活跃的 细胞部分 D a y ru 报道在 U V B增高环境中生长的 越桔 V a c c i n iu m v i t i s i d a e a 叶片表皮细胞的酚类 物质转移到栅栏组织细胞 认为这是除叶片甲醇提 取物和结合细胞壁 U V B吸收物质增高外 酚类物 质的转移亦是植物 自身屏蔽 U V B辐射的一种策 略 S e me r d j ie v a 等f2 曾经观察到落叶树种叶片的结 合细胞壁酚类物质的U V B吸收较常绿树叶片低 认为落叶树叶片酚类物质的转移是一种常见的现 象 全 日光强下植物的叶绿素含量较遮阴下的低 这可能是遮阴下植物叶片需要合成更多的叶绿素 进行光合作用 以维持生长 A H Ma c k e me s s 等 2 1 报道 U V B辐射抑制拟南芥一些酶基因的表达 也 可能抑制叶绿素合成 从而减少叶片中叶绿素含 量 r b u t u s o A d r o l7 h f le 在全日光强下的枝条叶片叶 绿素含量和叶绿素 a b 较荫生的枝条低 1 11 而另一 些植物如白车轴草 T r if o l iu m r e p e n s 在 U V B 增高 下叶绿素含量并没有明显改变 这可能是植物叶片 对 U V B的响应不同造成的0 3 从本实验结果可见 在全球变化和 U V B辐射 增高下 亚热带季风常绿阔叶林幼树暴露在全日光 较高 U V B辐射下 一些植物 如黄果厚壳桂等能 增高其叶片的U V B吸收物质 发展不同的保护机 制来保护 自身和维持生长 但利用叶片甲醇提取物 的U V B吸收来估计叶片U V B吸收物质浓度不能 反映这些物质在叶片组织的分布状况 同时可能由 于 p H和溶剂极性 植物体外吸收光谱也可能不能 完全反映植物体内的吸收 i t 要弄清楚植物如何利 用酚类物质来保护 自身免受 U V B胁迫的全过程 仍有待进一步研究 参考文献 1 1 Mc k e n z i e R C o n n e r B B o d e k e r G I n c r e a s e d s u mm e r t i m e U V r a d i a t i o n i n N e w Z e a l a n d i n r e s p o n s e t o o z o n e l o s s S c i e n c e 1 9 9 9 28 5 l 7 0 9 1 7I 1 2 S e m e r d j i e v a S I P h o e n i x G H a r e s D e t a 1 S u rf a c e mo r p h o l o g y l e a f an d c u t i c l e t h i c k n e s s o f f o u r d wa r f s h r u b s fr o m a s u b A r c t i c h e a t h f o l l o wi n g l o n g t e r m e x p o s u r e t o e n h an c e d l e a v e s o f U V B P h y s i o l P l a nt 2 0 0 3 l 1 7 2 8 9 2 9 4 3 3 B o r n ma n J F L o c a l i z a t i o n and f u n c ti o n a l s i g n i fi c anc e o f fl a v o n o i d s and r e l a t e d c o m p o u n d s A In R o z e m a J S t r a t o s p h e r i c O zon e De p l e t i o n t h e E ff e c t s o f E n h a n c e d U V B R a d i a ti o n o n T e r r e s t r i a l E c o s y s t e m s C T h e N e t h e r l and s B a c k h a y s P u b l i s h e r s L e i d e n l 9 9 9 5 9 6 4 4 Wa gne r H G i l b e rt M Wi l h e l m C Lon g i t u d i n a l l e a f g r a d i e n t s o f U V a b s o r b i n g s c r e e n i n g p i g me n t s i n b a r l e y H o r d e u m v u l g a r e J P h y s i o l P l an t 2 0 0 3 l 1 7 3 8 3 3 91 5 K a r a b o u r n i o t i s G B o mm a n J F P e n e t r a t i o n o f u V A U V B and b l u e l i g h t t h r o u gh t h e l e a f t r i c h o me l a y ers o f t w o x e r o m o r p h i c p l ant s o l i v e and o a k m e asure d b y o p ti c a l fi b r e m i c r o p r o b e s J P h y s i o l P l an t 1 9 9 9 I l 5 6 5 5 6 6 1 6 Me i j k a m p B A e rt s V a n d e s t a a i j J e t a 1 E ff e c t s o f U V B o n s e c o n d a r y m e t a b o l i s m i n p l a n t s A I n R o z e m a J S t r a t o s p h e ri c O zo n e De p l e t i o n t h e Eff e c t s o f E n h an c e d U V B R ad i a ti o n o n T e r r e s t ri a l E c o s y s t e ms c The N e t h e r l a n d s B a c k h a y s Pub l i s h e r s Le i d e n 1 9 9 9 6 5 6 9 7 S c h n i t z l e r J P J ung b lu t T P H e l l e r W e t a 1 T i s s u e l o c a l i zat i o n o f U V B s c r e e n i n g p i gm e n t s a n d o f c h a l c o n e s y n tha s e mRN A i n n e e d l e s o f S c o t s p i n e s e e d l i n g s J N e w P h y t o l 1 9 9 6 l 3 2 2 4 7 25 8 8 8 S t r a c k D H e i l m a n n J Mo m b e n e t a 1 C e l l w a l l c o n j u g a t e d p h e n d i c s f r o m c o n i f e r a e l e a v e s J P h y t o c h e m i s t r y 1 9 8 8 2 7 3 5l 7 3 5 21 9 A IT I O n D I C o p p e r e n z y m e i n i s o l a t e d c h l o r o p l as t s p o l y p h e n o l o x i d a s e i n B e t a v u l g a r i s J P l ant P h y s i o l 1 9 4 9 2 4 1 1 5 1 0 L i a k o u ra V B o r n m a n J F K a ra b o u r n i o t i s G The a b i l i ty o f a b a x i a l an d a d ax