UV-B辐射和干旱对丹参生物量及酚酸类成分含量的影响

来源 :西北农林科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:enidzhangjuan
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大气中臭氧层减薄是当今全球性环境问题,引起全球社会的普遍关注。臭氧是大气中唯一能够吸收紫外线的物质,臭氧层变薄直接导致到达地球表面的UV-B辐射(280-320nm)增强。UV-B辐射对植物最显著的影响是紫外吸收物质含量增加、形态以及光合速率变化。酚酸类化合物具有抗氧化特性,是植物体内主要的紫外吸收物质,也是很多药用植物的药用活性成分。因此,在当前UV-B辐射增强的条件下,深入研究UV-B辐射对人工栽培药用植物生物量和酚酸类物质含量的影响具有非常重要的理论和实践意义。丹参(Salvia miltiorrhiza)作为我国传统大宗药材,现在主要通过人工栽培满足市场需求,其活性成分包括以二萜醌类为主的脂溶性化学成分和以酚酸类为主的水溶性化学成分两大类。丹参以根入药,叶片一直未受到重视,近年研究表明丹参叶片中含有大量酚酸类物质,UV-B辐射下叶片中酚酸含量变化和生物量变化的研究为获得天然抗氧化产物提供了新的思路。本文以丹参为研究对象,在培养间内和室外遮阳棚下用紫外灯管通过人工模拟增强UV-B辐射的方法,系统研究了长期(整个生长季UV-B处理82d)和短期(UV-B辐射处理18d和50d)不同UV-B辐射强度(模拟自然条件下西安地区UV-B辐射增强16%和26%)对丹参生长、光合以及酚酸类物质含量的影响;探讨丹参不同生长时期、不同器官对UV-B辐射的响应,以及不同海拔来源的鼠尾草对UV-B辐射的敏感性差异。揭示丹参对UV-B辐射的形态和生理适应策略,以及丹参对干旱和UV-B辐射共同作用的响应策略。主要结论如下:(1)UV-B辐射引起丹参叶片中自由基积累,细胞膜脂过氧化,酚酸类物质被诱导含量增加,且高强度UV-B辐射(950J·m-2·d-1)的诱导效果强于低辐射强度(560J·m-2·d-1)的。丹参对不同强度UV-B辐射的适应策略不同:低强度UV-B辐射下,丹参通过增加抗氧化物酶活性抵御辐射,而在更强的辐射处理下,叶片中的酚酸类物质含量增加与抗氧化酶系统共同作用保护植物细胞免受伤害。(2)不同海拔来源的西藏林芝(平均海拔3100m)绒毛鼠尾草(Salvia castaneaDiels.ftomentosa)又名藏丹参和商洛(平均海拔2154m)丹参对UV-B辐射的敏感性不同。丹参叶片中丹酚酸B含量显著高于藏丹参中的,对照和处理分别是藏丹参中丹酚酸B含量的2.47倍和2.89倍,且其对UV-B辐射更加敏感;抗氧化物质和抗氧化酶共同发挥作用抵御UV-B辐射,其中Vc含量和APX酶活性增加达到显著水平。敏感性指数表明:高海拔地区来源的藏丹参(敏感性指数SI=0.51)对UV-B辐射的抗性强于低海拔来源的商洛丹参(SI=1.12),这对将来筛选培育抗性丹参品种以适应高强度UV-B辐射环境有一定参考价值。(3)本文研究整个生长季干旱和UV-B辐射单独作用对丹参的影响。结果表明:UV-B辐射比干旱对丹参生长和酚酸积累的影响更加明显。UV-B单独作用导致株高、叶面积、地上部分生物量和根生物量显著降低;导致丹参根中丹酚酸B和迷迭香酸总含量减少了93.72%和90.15%;干旱单独作用下只叶面积显著减少,根生物量在中度干旱(55%FC)下增加,重度干旱(40%FC)下降低;根中丹酚酸B和迷迭香酸总含量最多减少了28.49%和18.61%。两种因子单独作用下丹参地上部分生物量与根的变化趋势一致,而UV-B辐射导致顶层叶片的丹酚酸B和迷迭香酸含量分别增加了427.78%和800.00%,干旱下顶层叶片两种成分含量增加112.22%和151.43%。由于叶片随位置不同其中酚酸含量差异显著,因此推测两种因子单独作用下丹参地上部分丹酚酸B和迷迭香酸总含量变化需要进一步深入的研究。但本研究表明:通过人为适度施加UV-B辐射和干旱处理,可以在丹参叶片中诱导合成大量酚酸类抗氧化物质。UV-B辐射比干旱对根中酚酸总含量的抑制作用更明显,丹酚酸B总含量在75%CK处理下最高为68.96ug,最少为75%T2处理4.33ug;迷迭香酸总含量在55%CK处理下达到最大值10.29ug,而在40%T2下最低仅0.84ug。(4)UV-B辐射和干旱对丹参的共同作用表现为复杂的加强或抵消的交互作用:干旱对UV-B处理的效果有明显抑制作用,且随干旱加剧抑制作用增强;低强度UV-B辐射(2.60KJ·m-2)抑制干旱的效果;而高强度(4.10KJ·m-2)UV-B辐射增强干旱的效应。酚酸作为抗氧化物质含量增加有利于植物对胁迫的抗性增强,两种因子共同作用的复杂表现可能与活性氧和UV-B信号传递过程中的交互作用有关,需要进一步的研究。(5)丹参叶片作为直接受到UV-B辐射的器官,其中酚酸类物质含量的变化和不同时期叶片对UV-B辐射敏感性研究对通过人工调控增加天然抗氧化物产量有重要意义。本文研究丹参地上部分快速生长前期(2011年6月7日)和后期(2011年8月12日)对短期增强UV-B辐射18d的响应差异,结果表明:丹参叶片对UV-B辐射的敏感性受生长时期和辐射强度影响,由于引发效应,两个时期低强度UV-B辐射均更有利于促进酚酸积累;丹参地上部分快速生长前期叶片中酚酸含量低于后期的,因此前期比后期叶片对UV-B辐射更敏感,前期幼嫩叶片对UV-B辐射能更迅速做出防御响应;而由于低强度UV-B辐射的引发效应,生长前期丹参随辐射强度增加其敏感性降低;而生长后期叶片在高强度UV-B辐射下因膜系统受到伤害而稳定性下降,导致植物对UV-B辐射的敏感性增强。(6)比较了快速生长期(UV-B辐射50d)和收获期(UV-B辐射82d)丹参对长期增强UV-B辐射的敏感性差异,结果表明:丹参是UV-B敏感种,其随UV-B辐射强度和辐射时间增加敏感性增强,表现为植株矮化、叶面积减小、生物量降低以及叶片中迷迭香酸和丹酚酸B含量增加,这些特征有利于植物适应增强的UV-B辐射,而生物量降低是由UV-B辐射对植物光合器官造成伤害引起的。UV-B辐射导致丹参根中迷迭香酸和丹酚酸B含量降低且根生物量也显著减少,进而丹参根中迷迭香酸和丹酚酸B总含量大幅度降低。因此,在丹参田间管理过程中,适度遮蔽太阳光中的UV-B辐射有助于增加丹参根生物量和酚酸类成分总含量。综上所述,UV-B辐射增强对药用植物丹参生物量和根中酚酸类成分总含量有显著的抑制作用;但是丹参叶片在辐射下酚酸类物质含量显著增加,可能是新的抗氧化天然产物来源;且本研究对诱导增强丹参叶片中酚酸类物质的UV-B辐射强度和辐射处理时期进行了系统研究,为将后完善丹参田间管理措施和人工调控生产酚酸类抗氧化物质提供了理论基础。
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