增强UV-B辐射对贵妃杧果果实成熟和叶片显微结构及光合速率的影响

林晓凯，廖海枝，杨成坤，杜婧加，彭俊杰，周开兵

（海南大学园艺学院/热带作物新品种选育教育部工程研究中心，海南 海口 570228）

0 引言

【研究意义】紫外辐射B区（UV-B，280～320 nm）对植物的生长发育、形态建成、光合作用以及次生代谢等方面起着至关重要的作用[1-3]。近年来，由于臭氧层变薄，导致到达生物圈中的UV-B辐射水平增强，此时UV-B辐射称为“增强UV-B辐射（Enhanced UV-B radiation）”，其对生物产生了有害的影响[4]。根据GISS模型预测，估计北、南半球在2040—2050年紫外线剂量可能增强2%～27%[5]。目前国内外主要针对粮食作物[6-7]、藻类[8]等进行了增强UV-B辐射影响效应及其成因的研究，但对热带果树相关研究报道较少。【前人研究进展】增强UV-B辐射对植物的影响包括降低光合速率和光合色素含量[9]、破坏光系统Ⅱ（PSⅡ）反应中心[10]，作物生长受阻导致产量降低[7]、叶片气孔器和叶绿体结构受到破坏[11]、基粒片层排列混乱[12]，Rubisco酶活性及其基因表达量下降[13]。而少数研究表明适当剂量的增强UV-B辐射能对植物产生有利影响，如提高了番茄果实维生素C含量[14]和蓝莓果实可溶性糖含量[15]，促进了丝瓜和瓜蒌的光合速率[16-17]，提高了葡萄的抗紫外线辐射耐性[18]。【本研究切入点】杧果（Mangifera indica L.）是一种漆树科常绿大乔木，在我国被称为“热带水果之王”，海南作为最重要的产区之一，虽其地处热带地区、纬度低、紫外辐射强烈，但杧果能够很好地适应这种环境。对于未来可能遭受更强的UVB辐射，有必要前瞻性地研究增强UV-B辐射对杧果生理生化影响的特点及其成因等问题。相关研究表明，台农一号杧果和金煌杧果在增强UV-B辐射下表现出负效应，即光合速率下降，产量和果实品质降低[19-21]。目前，有关增强UV-B辐射对海南产区另一个主栽品种——贵妃杧果光合作用的影响特点及其成因等问题的研究未见报道。【拟解决的关键问题】本试验以贵妃杧果成年树为试验材料，在田间模拟增强UV-B辐射处理，研究96 kJ·m-2·d-1的增强UV-B辐射处理下的贵妃杧果的果实成熟期、果实品质和叶片光合显微结构的变化，并初步探索其成因。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验地点位于海南省陵水县英州镇廖次村集体杧果园，该产地属于热带岛屿性气候，年降水量1500～2500 mm，年平均气温25.2 ℃。果园土壤属于红黄壤，微酸性，土壤肥沃。选择16年生的长势健壮均匀、无病虫害的10株贵妃杧果成年树作为试验树，株行距3 m×5 m，以清明节作为预期采收期实施产期调节技术。12月下旬为盛花期，1月上旬为谢花期，1月中旬为第一次生理落果期，1月下旬为第二次生理落果期，2月初为坐果期，至4月上中旬为果实膨大期，4月下旬至5月上旬为成熟期。

1.2 试验设计

以自然光（日平均辐射剂量约为83.47 kJ·m-2·d-1）作对照（CK），在田间设置96 kJ·m-2·d-1人工模拟增强UV-B辐射为处理，单株小区，重复5次。2019年12月27日至2020年5月22日进行处理。在试验园搭建棚架，在试验树顶部保持30 cm的正中位置十字交叉4根紫外灯管（每根灯管功率40 W，辐射剂量24 kJ·m-2·d-1），每日8:00～17:00开灯处理（阴雨天、阵雨时停止处理），连续处理5个月。

1.3 取样及样品处理

2019年12月27日第一次取样，在靠近树冠顶端随机采摘5片无不良表现的成熟叶片，于现场进行光合作用指标观测。2020年1月17日进行第二次指标观测与取样，此后由于新冠肺炎疫情导致交通管制而被迫停止取样一段时间，直到4月22、29日和5月7、15、22日分别进行光合指标观测与取样1次。其中，于4月22、29日和5月7日在田间进行单株产量调查，计算成熟果比率，并在树冠中部外围随机采摘完全成熟（4月22日处理的果实样品和部分对照果实样品）或可采成熟度（4月22日部分对照果实样品、4月29日和5月7日全部果实样品）健壮果实10个作为试验样品，可采成熟度果实在实验室后熟至完全成熟时，制备测样观测果实品质指标。在田间选择4月22日叶片样品，通过化学固定，带回实验室后采用FAA固定液等保存备用。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 杧果成熟果比率测定 4月22日、29日和5月7日在田间调查单株产量，以果皮黄中带红的果实作为完全成熟标准，调查果实成熟比率（完全成熟果实个数占全树果实总数的百分比）。

1.4.2 杧果果实品质指标的测定 采用前人方法测定果肉可溶性糖含量和Vc含量[22]，采用糖酸测定计检测果肉可溶性固形物和可滴定酸含量，果实糖酸比为可溶性糖含量与可滴定酸含量的比值，果实固酸比为可溶性固形物含量与可滴定酸含量的比值。

1.4.3 叶片净光合速率和气孔导度测量 采用Yaxin-1101光合作用测定仪测定叶片的净光合速率（Pn）和气孔导度（Gs）。

1.4.4 叶片显微结构的观测 先用FAA固定液固定叶片，之后从叶片中部主脉两侧选取方块组织（2 mm×2 mm），制作石蜡切片（10 μm），二甲苯、无水乙醇等系列脱蜡，番红-固绿染色后封片。最后在Nikon Eclipse E100光学显微镜下观察，使用Nikon DS-U3成像系统成像后测量叶片表皮、角质层、栅栏组织、海绵组织和叶片的厚度，计算栅栏组织厚度/海绵组织厚度、叶片组织结构紧密度（栅栏组织厚度/叶片总厚度）和叶片组织疏松度（海绵组织厚度/叶片总厚度）、叶片厚度；叶片气孔采用指甲油印迹法制片[23]，使用Motic公司生产的Moticam 2306光学显微镜观察并测量叶片气孔的长度和宽度，计算气孔面积以及单位面积内的气孔数量。

1.5 数据统计

采用 SAS 9.1.3 进行数据统计。对各指标动态变化采用 ANOVA 进行方差分析，采用LSD法进行多重比较分析（P＜0.05）。对处理和对照在各指标上的差异显著性采用T Test过程进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 增强UV-B辐射对成熟果比率的影响

由图1可见，在4月22日至5月7日，96 kJ·m-2·d-1处理组的成熟果比率均显著高于CK。4月22日时CK的成熟果比率几乎为0，处理较CK高出6.77%；4月29日时，处理较CK高出37.83%，呈现最大差值；5月7日时，处理较CK高出17.52%。可见，96 kJ·m-2·d-1的增强UV-B辐射处理会促使贵妃杧果果实早熟。

图1 UV-B辐射增强对成熟果比率的影响Fig. 1 Effects of Tr on ripened fruit percentage

2.2 增强UV-B 辐射对果实品质的影响

由表1和表2可见，4月22日处理的果肉可溶性糖、可溶性固形物含量和糖酸比、固酸比显著高于CK，可滴定酸显著低于CK，其余时间无显著差异。处理的维生素C含量在4月22日和29日与CK相比无显著差异，在5月7日显著高于CK。因此，在4月29日与5月7日的杧果果实并无品质差异，4月22日处理果实品质极显著优于CK可能是因为其早熟的原因。

表1 可溶性糖、可滴定酸、可溶性固形物含量的比较Table 1 Comparison of soluble sugar, titratable acid, soluble solids content

表2 糖酸比、固酸比、维生素C含量的比较Table 2 Comparison of sugar /acid ratio, solid /acid ratio, and vitamin C content

2.3 增强UV-B辐射对叶片光合速率的影响

由图2可见，处理和CK的Pn均呈现相似的“M”型动态变化趋势，在12月27日至1月17日无显著变化，后于4月22日显著下降，而后再显著上升至5月7日，之后至5月22日显著下降。在同一时间，与CK相比，处理的Pn在4月22日、4月29日和5月7日显著升高。可见，96 kJ·m-2·d-1的增强UV-B辐射处理呈促进贵妃杧果叶片光合作用的趋势。

图2 增强UV-B 辐射对叶片净光合速率（Pn）的影响Fig. 2 Effects of Tr on Pn in leaves

2.4 增强UV-B辐射对叶片气孔导度的影响

由图3可见，处理和CK的动态变化趋势明显不同。CK全程呈现无显著变化；处理在12月27日至1月17日显著上升后趋于平缓，于4月29日显著上升至最高点后于5月7日显著下降，之后又无显著变化。在同一时间，与CK相比，处理的Gs在4月22、29日和5月7日显著升高。可见，96 kJ·m-2·d-1的增强UV-B辐射增强处理呈提高贵妃杧果叶片Gs的趋势。

图3 增强UV-B 辐射对叶片气孔导度（Gs）的影响Fig. 3 Effect of Tr on Gs in leaves

2.5 气孔显微结构变化

由图4可见，叶片气孔呈卵圆形，由两个半月形保卫细胞围成，并且处理与对照的气孔形态和气孔密度等无明显变化。由表3可见，处理与CK在气孔长度、宽度、面积和密度上均无显著差异。可见，定性和定量观测结果均说明增强UV-B辐射处理不影响叶片气孔形态和分布密度。

图4 杧果叶片气孔形态结构Fig. 4 Morphology of leaf stomata

2.6 叶肉组织显微结构变化

由图5可见，杧果叶片横切面解剖结构自上表面至下表面包括：上角质层、上表皮、栅栏组织、海绵组织、下表皮、下角质层。栅栏组织细胞呈长圆柱状且排列紧密，同一叶片的栅栏组织大小相近，其含大量叶绿体，主要与光合作用有关；海绵组织细胞多数呈椭圆状且大小不一，含少量叶绿体，主要与通气、同化和贮藏等功能有关；处理栅栏组织明显比CK更厚，且长圆柱状组织排列比CK更紧密。

图5 杧果叶片横切解剖结构比较Fig. 5 Anatomical structures of mango leaves

由表4可见，相对于CK，处理的上角质层、海绵组织、下表皮、下角质层等厚度无显著变化；处理的上表皮增厚；栅栏组织的长柱状细胞更长，排列紧密度增加8.49%，栅栏组织增厚30.5 μm；海绵组织疏松度降低6.43%；叶片厚度较增厚36 μm，栅海比升高18%。说明处理的叶肉组织形态和结构变得更有利于光合作用的加强。

表4 叶片横切面各组织形态结构的变化Table 4 Morphological changes on transverse section of mango leaves

3 讨论与结论

3.1 增强UV-B辐射对叶片光合作用、果实成熟和品质的影响

研究表明，C3、C4和CAM植物在UV-B辐射增强处理下会出现不同的表现[13,24-25]，说明不同种类植物对增强UV-B辐射的反应程度各不相同。前人对台农一号和金煌杧果研究发现，96 kJ·m-2·d-1的增强UV-B辐射会抑制光合作用，导致其Pn和Gs下降[20-21]，但本文结果与之相反，增强UV-B辐射提高贵妃杧果的Pn和Gs。这可能是不同品种间的遗传性差异引起的，即贵妃杧果可能比台农一号和金煌杧果具有更强的抗增强UV-B辐射性。

本研究结果表明，在96 kJ·m-2·d-1的增强UVB辐射处理下会促进贵妃杧果果实早熟，并在第一批果中表现品质优异。在其他植物上则未见增强UV-B辐射促进果实提早成熟的报道，推测其原因可能是：增强UV-B辐射能增强叶片光合机能，进而促进果实生长发育而提早成熟。由于贵妃杧果难于产期调节[26]，本研究结果则为其产期调节技术研发提供了一条新途径。

3.2 增强UV-B辐射对贵妃杧果叶片气孔显微结构的影响

叶片是植物光合作用的主要器官，也是重要的光感受器官，增强UV-B辐射对植物的影响首先体现在叶片的变化上[27]。由于环境中光照强度不同，植物在长期演化的过程中叶片也会随之改变来适应环境，从而表现出叶片结构的差异性[28]，而这种差异性往往从气孔、叶肉结构以及叶绿体结构中体现[29]。气孔是植物叶片与外界进行气体交换和蒸腾作用的重要通道，研究表明，UV-B辐射增强会通过减小叶片气孔面积来抑制蒸腾作用和呼吸作用[30]，严重时甚至会导致气孔器破坏[31]。与前人不同的是，本文结果则表明增强UV-B辐射不影响气孔形态和密度，但处理的Gs却显著提高，这说明增强UVB辐射对贵妃杧果叶片气孔的影响主要是促进气孔运动。推测其原因可能是：增强UV-B辐射的热效应使叶片的温度升高，刺激叶片蒸腾、呼吸和光合等作用均增强[32]。

3.3 增强UV-B辐射对贵妃杧果叶肉组织显微结构的影响

不同品种的马铃薯叶片结构在相同UV-B辐射下会发生不同的变化，UV-B辐射耐受性较强的品种上表皮厚度、栅栏组织和叶片总厚度均大于对照组，朝着有利于光合作用的方向发展；但当UV-B辐射增强超过马铃薯的忍耐阈值时，栅栏组织厚度和叶片总厚度显著小于对照，叶肉结构受损导致其光合性能效率下降[33]。本研究结果表明，增强UV-B辐射增加了叶片的上表皮、栅栏组织、叶片等厚度和栅栏、海绵等组织细胞排列紧密度，提高了叶肉组织栅海比值。上表皮增厚有利于提高叶片对增强UVB辐射的耐受性[34]，叶片厚度增加有利于提高叶片光合作用和抵御逆境的能力[35]，栅栏组织厚度和栅海比值大小则与光合作用强弱呈正相关，发达的栅栏组织有利于植物光合作用[36]。因此，96 kJ·m-2·d-1的增强UV-B辐射强度不仅没有超过贵妃杧果对增强UV-B辐射的忍耐阈值，而且此辐射强度能通过改善贵妃杧果叶肉光合组织显微结构而增强叶肉组织光合机能，从而最终促进果实早熟。

综上所述，96 kJ·m-2·d-1的增强UV-B辐射处理贵妃杧果树体后，不仅未引起树体损伤，而且能通过改善叶肉光合组织显微结构和提高叶片Gs而促进叶片光合作用，进而促进果实早熟。这对难于产期调节的贵妃杧果提出了一条突破其产期调节技术的研发新途径，至于增强UV-B辐射促进贵妃杧果叶片光合作用的生理生化和分子遗传学等机制问题尚待深入研究。