UV-B辐射、干旱对丹参生物量及酚酸类成分含量影响

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义
自 Johnston（1971）首次报道臭氧空洞以来，人类活动产生的氯氟烃、氧化氮等臭氧损耗物对平流层的臭氧破坏已成为人类面临的最突出的环境问题之一。尽管臭氧在大气层中占有极其微量的比例，但其是大气层中唯一可以吸收波长小于 300nm 辐射的物质，可吸收紫外线中的几乎全部的 UV-C 和部分 UV-B 辐射。因此，臭氧层减薄的主要效应是导致到达地表的 UV-B 辐射增强。大气中的臭氧量每减少 1%，地球表面的UV-B 辐射强度就将增加 2 %（吴永波和薛建辉 2004）。其导致 UV-B 辐射呈增强趋势且要持续 100 年左右，这不仅直接对生物产生影响，还会破坏食物链，改变地球环境和气候，最终改变地球生态系统。因此，控制臭氧层变薄、揭示 UV-B 辐射对生物及生态系统的影响并制定出相应的防护对策，己成为世界各国面临的一项重大课题（Caldwelland Flint 1997）。陆地植物对 UV-B 辐射的响应是植物科学研究中最活跃的领域之一。近 40 年来，科学家们开展了大量的研究，对 UV-B 辐射增强引发的生态效应研究涉及到植物的生长发育和繁殖、基因表达、碳获取和贮藏、生理生化、竞争平衡、无机养分循环，群落组成、以及 UV-B 辐射增强与其他环境因子的协同作(梁宗锁等 2012；马力 2010；田向军2007；Zhang et al. 2012; Zu et al. 2010)。近年来，大量 UV-B 辐射增强对农作物产量和品质影响的研究被开展，研究主要集中在水稻(Oryza sative)、小麦（Triticum aestivum L.）、玉米(Zea mays L.)等主要粮食作物方面(Tsurunaga et al. 2013；Yao et al. 2006)。然而，UV-B 辐射对植物次生代谢物质含量的影响更加引起人们的关注。例如维生素 C、维生素 E 和酚酸类等具有抗氧化特性对人体有益的次生代谢物质在辐射增强条件下的变化趋势，其中 UV-B 辐射增强对植物最一致的影响是植物叶片中紫外吸收物含量（主要是黄酮类和酚酸类）的增加。
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1.2 国内外研究进展
太阳紫外辐射(200-400nm)约占太阳总辐射能的 8%-9%，通常分为短波紫外辐射(UV-C ， 200-280nm) 、中波紫外辐射 (UV-B ， 280-320nm) 和长波紫外辐射 (UV-A ，320-400nm)。UV-A 可以全部穿过臭氧层到达地面，能促进植物的生长，一般情况下对植物没有伤害；UV-C 虽然对植物的生长有很大的影响，却被臭氧层全部吸收而不能到达地面，即使臭氧层减薄 90%，它到达地球的辐射量也可以忽略不计；而 UV-B 除了部分被臭氧层吸收外，其余部分可直达地面，对地球生命物质产生直接的影响。因此，臭氧量的减少带来的后果主要是导致到达地表对生物有损伤作用的 UV-B 辐射增强(马力2010；李倩 2010)。据研究报道，UV-B 辐射对植物的影响主要集中在形态特征、个体发育、生理生化效应以及与其它因子的复合效应等方面（田向军 2007）。从 1980s 到现在研究者对 UV-B 辐射的研究经历了从室内到室外，从增强到减弱UV-B 辐射强度的变化。最初研究者关注臭氧层变薄导致的 UV-B 辐射对植物以及整个生态系统的影响。因此早期的实验多数采用增强 UV-B 辐射的实验设计，随着认识的日益加深，研究者不再将 UV-B 看做单纯的胁迫因素，而是从更多方面了解 UV-B 辐射对植物的影响(Mckenzie et al. 2008)。自然条件下减少 UV-B 辐射的研究增加，尤其是在臭氧层变薄比较严重的地区，如阿根廷、南极、我国青藏高原等研究地点，常通过遮蔽太阳光中的 UV-B 辐射的方法研究 UV-B 辐射对植物的影响。
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第二章 研究内容与方法

2.1 研究内容
2.1.1 丹参叶片对增强 UV-B 辐射的抗氧化响应
室内可控条件下研究 6 月龄丹参对短期不同强度 UV-B 辐射的抗氧化响应，从抗氧化指标和次生代谢物质含量变化两个方面揭示其对 UV-B 辐射的响应。

2.1.2 丹参和藏丹参对 UV-B 辐射的响应差异
比较室内可控条件下 8 月龄藏丹参（绒毛鼠尾草）和丹参在 UV-B 辐射处理下生理指标和丹酚酸 B 含量变化，探索不同海拔来源鼠尾草对增强 UV-B 辐射响应的差异及可能原因。

2.1.3 短期增强 UV-B 辐射对不同生长时期丹参的影响
比较遮阳棚内盆栽条件下短期增强UV-B辐射对地上部分快速生长前期和后期丹参叶片抗氧化指标、次生代谢物含量和次生代谢相关酶活性变化的差异，揭示不同生长时期丹参对短期增强 UV-B 辐射的敏感性差异。

2.1.4 UV-B 辐射和干旱对丹参生长和叶片中酚酸类成分的影响
研究整个生长季不同 UV-B 辐射和干旱强度单独和共同作用对丹参形态学指标（株高、叶面积和生物量）、光合指标（Pn、Ci、Gs 和 Tr）以及叶片和根中酚酸类物质含量的影响，探索西北干旱、半干旱地区强光和干旱对丹参生物量和酚酸类成分含量的影响，，为丹参的深入开发利用提供依据。
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2.2 材料培养、处理方法与指标测定方法
室内丹参和臧丹参种子苗培养：本研究于 2010 年在中国陕西西北农林科技大学生命学院培养间开展。丹参和藏丹参种子播种于高 20 cm，上口径 23 cm 下口径 17 cm 的塑料桶中，桶中均装过 0.5 cm 筛垆土、沙子和蚯蚓粪，三者比例为 3：1：1。用自来水充分浸润后置于人工培养室内，在 300  mol •m-2• s-1强度 16 h 光周期白光下培养（6：00-22:00），常规管理。出苗 180 d 和 240 d 后选取长势一致的植株随机分为 15 株/组进行 UV-B 补光处理，每个处理重复 5 次。室外盆栽丹参培养：本研究于 2011 在中国陕西杨凌水土保持研究所(34°20′N，108°24′E)遮光棚下开展（透光率为 33%）。2011 年春，将来自陕西天士力植物药业有限公司药源基地（33°2′ N，108°34′ E）的丹参 5 月龄幼苗种植在塑料桶中，塑料桶高30 cm，上口径 35 cm，下口径 23 cm 。桶中装过 0.5 cm 筛混合均匀的垆土、沙子和蚯蚓粪，三者比例为 3：1：1。混合培养基质的田间持水量采用环刀法测定为 27%，常规管理保持水分充足。丹参苗生长 53 d 后（5 月 10 日）间去长势不一致的幼苗，每桶保留 3 株用于研究。
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第三章 UV-B 辐射对丹参叶片酚酸类和抗氧化酶活性的影响.........21
3.1 引言.........21
3.2 材料和方法（见第二章） .........22
3.3 结果与分析 .........22
3.4 讨论.........25
第四章 丹参和藏丹参对 UV-B 辐射的响应差异.........27
4.1 前言.........27
4.2 材料与处理方法 .........27
4.3 结果与分析 .........29
4.4 讨论.........31
4.5 小结.........32
第五章 UV-B 辐射对地上部分不同生长时期丹参敏感性的影响.........33
5.1 前言.........33
5.2 材料与处理方法 .........33
5.3 结果与分析 .........35
5.4 讨论与结论 .........38

第七章 不同生长时期丹参对长期 UV-B 辐射的敏感性研究

7.1 前言
因为人类活动的影响，太空中臭氧层变薄进而导致到达地球表面的紫外辐射不断增强（Johnston 1971）。植物营固着生活无法躲避太阳光中的 UV-B 辐射（波长为280-320nm），因此，UV-B 辐射对药用植物或农作物的产量和品质具有重要的影响(Hideget al.2013;Zhang et al.2010)。增强 UV-B 辐射导致植物株高、叶面积和生物量显著降低(Saile and Tevini 1997)；UV-B 辐射促进植物体内蛋白质、氨基酸、脂肪含量增加而改善作物品质(Yin and Wang 2012)。酚酸类物质含量增加是植物在 UV-B 辐射下最一致的反应，其具有共轭双键结构在 UV-B 波段有强烈吸收，且作为抗氧化活性最强的天然产物之一，酚酸类物质在植物抵御 UV-B 辐射中发挥重要作用(Zhang et al.2010;Tegelberg etal.2001)。因此，UV-B 辐射对以酚酸类为药用成分的中药材产量和品质的影响成为科学家关注的焦点(Artur 2013;Jansen et al.2008)。丹参作为我国传统大宗药材，因其在心脑血管疾病、高血脂等方面独特的疗效(中国药典 2010)，是复方丹参滴丸、丹参片和心可舒片等药物中的主要成分。丹参原药材的高产、优质供应是中成药生产的基本保障，而环境因素对丹参生长发育的影响也随之成为重要的研究课题。当前 UV-B 辐射增强对丹参生物量和药用成分产量影响的报道极少（Giannini et al.1996;周丽莉等 2008），尤其是不同生长期丹参对 UV-B 辐射的敏感性研究尚未见报道。本文研究遮阳棚下自然状态、低强度和高强度 UV-B 辐射处理下，不同生长期丹参的株高、叶面积、生物量积累和叶片中迷迭香酸、丹酚酸 B 含量的变化，比较各生长期丹参对不同 UV-B 处理的敏感性差异；以及 UV-B 辐射对不同生长期丹参根中酚酸类物质总含量的影响。在此基础上，为制定有效的田间管理措施提高丹参产量和品质提供理论依据。

结论

（1）UV-B辐射引起6月龄丹参叶片中自由基积累，植物体内活性氧平衡被破坏，最终引起细胞膜脂过氧化。酚酸类物质作为抗氧化物质含量增加，与抗氧化酶类共同发挥作用抵御UV-B辐射伤害。丹参叶片中主要酚酸类物质丹酚酸B和迷迭香酸含量在T2处理24 h达到最大值，随后降低，表明酚酸类物质积累是丹参对短期增强UV-B辐射的响应。MDA含量在T1处理12 h后均显著高于T2的，这表明植物在T2处理下抗氧化系统发挥作用，细胞脂膜受到的伤害减轻。相关性分析表明MDA含量和酚酸类显著负相关，而酚酸类和抗氧化酶类之间存在显著的正相关。综上所述，植物对UV-B辐射的适应策略是；低强度（560 J•m-2•d-1）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（950 J•m-2•d-1）处理下，叶片中的酚酸类物质含量增加和抗氧化酶系统共同作用抵御辐射伤害。
（2）不同海拔来源的西藏（平均海拔3100 m）绒毛鼠尾草（又名藏丹参）和商洛（平均海拔2154 m）丹参对UV-B辐射敏感性有明显差异，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；UV-B辐射对丹参叶片中活性氧平衡的影响更加明显，抗氧化物质和抗氧化酶共同发挥作用抵御UV-B辐射造成的伤害，其中Vc含量和APX活性增加达到显著水平；藏丹参各指标变化均没有达到显著性水平。藏丹参的敏感性指数（0.51）显著低于丹参（1.12）的，表明丹参对于UV-B辐射更加敏感。即高海拔地区来源的藏丹参对UV-B辐射的抗性强于低海拔来源的商洛丹参，这对于将来筛选培育抗性丹参品种以适应高强度UV-B辐射环境有重要意义。
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参考文献（略）