植物逆境生理第五章光损害作用与植物的防护

1、第五章 光损害作用与植物的防护第一节 太阳辐射对植物的损害第二节 植物对光损害作用的防御及对局部辐射状况的适应第三节 紫外线辐射对CHS基因表达的调节及信号传导第五章 光损害作用与植物的防护第一节 太阳辐射对植物的损害第一节 太阳辐射对植物的损害v一、太阳辐射与辐射光谱v二、光抑制v三、紫外线辐射的损害作用第一节 太阳辐射对植物的损害 一、太阳辐射与辐射光谱（一）太阳辐射 太阳一刻也不停地向茫茫宇宙空间辐射着大量的电磁波。其中射向地球的那一部分，向地球输送了大量的光和热。据粗略估计，太阳每分钟向地球输送的热能大约是250亿亿卡，相当于燃烧4亿吨烟煤所产生的能量，这是非常可观的。地球在一年中从太

2、阳获得的能量，相当于人类现有各种能源在同期内所提供的能量的上万倍。地球上的一些天然能源(如煤、石油等)可能有枯竭的那一天，而太阳能却是取之不尽，用之不竭的。太阳能是人类可以无限使用下去的一种巨大的天然能源。 地球除了从太阳那里取得能源外，还可从其它天体，如月球等取得能量，但其数量是微不足道的。地球从月球等其它天体所得的辐射能，仅为太阳的亿分之一。而来自宇宙的辐射能也仅为太阳辐射能的20亿分之一；从地球内部传到每平方厘米地面上的热量，全年才为5.4卡，仅为来自太阳辐射能的万分之一。所以说，太阳是地球和大气能量的源泉。（二）太阳辐射光谱及光损害 太阳是个炽热的大火球，它的表面温度可达6000C，它

3、以辐射的方式不断地把巨大的能量传送到地球上来，哺育着万物的生长。 太阳辐射的波长范围，大约在0.154微米之间。在这段波长范围内，又可分为三个主要区域，即波长较短的紫外光区、波长较长的红外光区和介于二者之间的可见光区。太阳辐射的能量主要分布在可见光区和红外区，前者占太阳辐射总量的50，后者占43。紫外区只占能量的7。在波长0.48微米的地方，太阳辐射的能力达到最高值，数值约为3.0卡/cm2以上。 图 5-1 太阳辐射光谱组成 在自然界，太阳辐射对植物的损害作用一般发生在两种情况下，一种情况是植物被较长时间地曝露在强度过高的可见光下，特别是在某些其它环境所造成的逆境条件下，所受到的伤 害 更

4、为 明 显 ， 即 光 抑 制 现 象（photoinhibition）；另一种情况是由太阳辐射中紫外线所引起的损害。近年来，全球正在出现臭氧层的逐渐消蚀，臭氧层的减少会导致更多的紫外线照射到地球表面上，因此紫外线辐射生态学正在引起人们的极大关注。二、光抑制 （一）光抑制现象 虽然光是植物光合作用的根本推动力，没有光植物便不能进行光合作用，光不足则不能高速地进行光合作用，可是光过剩对植物来说也不是好事。当叶片接受的光能超过它所能利用的量时，光可以引起光合活性的降低，这就是光合作用的光抑制现象。它的最明显特征是光合效率的降低。 在没有其它环境胁迫的条件下，晴天中午许多植物冠层表面的叶片和静止的水

5、体表层的藻类经常发生光抑制。由于发生光抑制的前提是光能过剩，所以，任何妨碍光合作用正常进行而引起光能过剩的因素，如低温、干旱等， 都会使植物易于发生光抑制。因此，在两种或两种以上环境胁迫因素同时存在时，即使在远低于光合作用饱和光强的中低光强下植物也会发生光抑制。光抑制也不是用肉眼可以看到的。冬季一些常绿树木冠层表面叶片变黄变白是由于其中的叶绿素的氧化破坏，那是低温条件下叶片长期经受严重光抑制的结果。光氧化虽然不同于光抑制，但往往同光抑制有密切的联系。 光抑制大体上有两种不同的情况：一种情况是，引起光抑制的胁迫因素去除后，光合功能在1h左右便可以完全恢复。这种光抑制主要是光合机构通过叶黄素循环或

6、反应中心的可逆失活等过程耗散过剩光能的反映。在只有强 光一种胁迫因素存在的自然条件下，植物的光抑制大多属于这种情况。另一种情况是，引起光抑制的胁迫因素去除后，光合功能往往经过许多小时甚至几天才能完全恢复。这种光抑制主要是光合机构受到破坏的结果。在这种情况下，不仅叶片的光合效率降低，而且光饱和的光合速率即光合能力也降低。恢复过程的长短取决于光抑制期间的光能过剩程度和持续时间的长短，以及恢复期间光照、温度和水分等条件是否合适。弱光比强光和黑暗条件有利于恢复。恢复的速度也因植物种类和生长条件不同而异。v（一）光合机构的破坏 1PS II的破坏 近些年的研究普遍认为，光破坏的原初作用位点在PSII反应

7、中心，而QB蛋白的降解只是它的一个结果。目前研究从分子水平已取得一些重要进展。Durrant等(1990)认为PSII光破坏是由电荷分离形成的离子680+与Pheo-发生电荷重组时产生1O2破坏造成的，1O2能够使PSII反应中心1/2/Cyt-b559复合物His残基及Pheo破坏。进一步研究表明1O2首先使Pheo分子破坏，然后使PSII原初电子供体680破坏。在PSII反应中心的破坏中，D1和D2蛋白也发生了化学断裂和共价交联。此外，PSII膜复合物蛋白二级结构也被破坏，特别是螺旋构象伤害严重，而对折叠和转角影响不大， 进一步研究指出PS II光破坏不只是蛋白和色素的破坏，而且也存在膜脂

8、分子的伤害。以前，人们认为光破坏过程中D1蛋白的降解与PS II中存在的蛋白酶有关，但近来用丝氨酸类蛋白酶抑制剂二异丙基氟磷酸(DFP)并采用同位素标记的方法，研究表明光破坏过程中D1蛋白的降解可能还与核心天线CP43有关。 2PS I的破坏 近年来，有人报道高等植物活体内存在PS I选择性抑制活性，即在低温条件下PS I对光更敏感，比PS 更易发生光抑制。从此人们对PS I光抑制的相关研究才逐渐重视起来，认识到PS I光抑制的生理意义，尤其是对低温下PS I的光抑制更加重视。 低温胁迫下，PS I是马铃薯叶片和黄瓜叶片电子传递的限速步骤，PS I发生光抑制时，两种植物都需2的参与。Gerbe

9、r和Burris的试验表明，强光处理硅藻Amphora sp.可引起光氧化态的700水平下降，而且光合速率的下降(14CO2标记)大于氧化态700的下降幅度，表明PS I的某些组分可能发生严重失活。 Inoue等(1986)认为，有氧条件下，光抑制的位点是铁硫中心，而铁硫中心能限制NADP+的光还原；相反，在强还原条件下，随着NADP+光还原程度的下降，铁硫中心、维生素(VK)和700的水平则没有改变，表明此时光抑制位点可能位于0和之间。 活体PSI选择性光抑制只发生在低温下。当冷敏感植物如黄瓜的叶片暴露在100300mol-2s-1光强和低温下(010)时，光合速率下降与PSI光抑制对温度的

10、依赖之间有很密切的相关性，因此推测叶片光合速率下降的主要原因是PSI光抑制。有试验认为，在PSI受害过程中，700受体侧的Fe-中心最先受到伤害，然后是700本身，同时psaB基因产物也出现降解。psaB基因产物的降解可能与活性氧的产生有关。Baba等对菠菜叶片PSI颗粒水平的研究发现，强光(11000mol-2s-1)下叶绿素发生漂白，反应中心蛋白降解，电子传递链活性降低。Tjus等(1998)的试验表明，PSI的、蛋白亚基的降解是在电子传递辅因子受到破坏之后发生的，即蛋白亚基的降解可能 不是PS I光破坏的最初结果。据此，他们推测PS I光抑制破坏顺序应包括：1)末端电子受体FA/FB的伤

11、害程度轻微，这从700毫秒级衰减可以看出；2)伤害程度较大的是FX的破坏，因而呈微秒级衰减；3)可检测到的700光吸收完全丧失，这可能是700直接受破坏或因1的破坏而导致由0向700的快速逆反应造成的。这进一步证实了Sonoike和Terashima的观点，即在黄瓜叶片内光抑制的主要作用位点可能是FX或1。但是，与微秒级衰减相比，毫秒级衰减的相对破坏作用要小，这暗示一旦FA/FB被破坏，FX就会变得不稳定，并很快衰变。据此说明，FX可能是最初作用靶位，但破坏作用是由活性氧造成的，于是Tjus等推测FA或FB比FX在PS I反应中心的位置更暴露，因而更有可能是最初作用位点，且FB对化学失活很敏感

12、。 尽管已经有一些试验表明PS I在特定条件下会发生光抑制，但是这些PS I活性比PS II下降幅度大的试验结果似乎还不能充分说明PS I是低温作用的最初靶位。低温下PS I光抑制在光合作用下降过程中所占比例有多大? 在自然条件下，PS I的光抑制是不是普遍存在? 常温条件下的PS I光抑制是否也会先于PS II发生，如果常温条件下发生PS I光抑制，其生理意义是什么? 胁迫条件下，两个光系统间的相互作用机制如何? 等等，都有待于进一步研究。这些问题的阐明将有助于了解PS I光抑制的作用机制和胁迫条件下PS I和PS II之间的相互关系。三、紫外线辐射的损害作用 太阳辐射是影响生物生长发育的主

13、要因子。生物在从太阳辐射中获得光和温度的同时，不可避免地受到短波光，即紫外辐射的伤害。紫外辐射作为生物生长发育中重要的环境因子，它与生物之间有着密切的联系。研究生物与紫外辐射的相互关系的科学叫做紫外线辐射生态学。（一）大气臭氧层减薄与地表紫外辐射增强 紫外线是不可见的非电离辐射，其波长范因为200400 nm。人眼对波长为380 nm的辐射开始有光觉，而波长短于100 nm的辐射实际上能电离所有分子。辐射靠光子输送能量，一个光子的能量E为：E h= hc 式中是普朗克常数(6.6210-27ergs)，是频率，c是光速，是波长。光子的能量E和频率不随输送辐射的媒质而变，但光速c和波长是随之而变

14、的。已知1eV(电子伏特)=1.610-12erg。相应于波长为1240nm的光子能量，若光子能量以电子伏特为单位,波长以纳米为单位， Eh=hc可改写为：vE=1240 由此式不难求，相应于波长为380190 nm的光子能量为3.16.2 eV。 紫外线的波长下限是100 nm，但其生物学效应的波长下限为200 nm，再短一些将为空气和水强烈吸收。而大多数有机分子要波长在150180 nm以下的紫外线才能使之电离，所以紫外线对生物物质是非电离辐射。 地表紫外辐射能量占太阳总辐射能的3%5%。紫外辐射的波长范围为200400 nm，根据其生物效应分为短波紫外辐射（又叫超强效应波）(UV-C，2

15、00280 nm)，中波紫外辐射（又叫强效应波）(UV-B，280320 nm)和长波紫外辐射（又叫弱效应波）(UV-A，320400 nm)。UV-C对生物有强烈影响，但它在平流层中基本上被臭氧分子全部吸收而不能到达地面。UV-A可促进植物生长，一般情况下无杀伤作用，它很少被臭氧吸收。从生态学角度分析，UV-B是非常重要的，它对生物具有较强的伤害作用，在臭氧层正常时仅有10可抵达地球表面，但随着臭氧层的破坏，其对地球表面生物的危害越来越大，从而产生了一门新的学科辐射生态学。 大气臭氧层能吸收强烈的太阳紫外辐射，使地球生物得以正常生长，从而成为地球生命的有效保护层。近些年来，由于人类大量使用氯

16、氟烃(CFC)等一类致冷剂、发泡剂、清洁剂、喷雾推进剂等，使臭氧浓度降低，造成臭氧层破坏，甚至出现空洞。二十多年前，人们注意到平流层臭氧衰减，近十年全球臭氧层平均减少了2%3%，并且还在加剧。臭氧层快速减薄已经通过卫星得到证实，最明显的减薄发生在南极大陆上空，在春季，衰减率高达71%。过去十年我国北京香河和昆明两个监测站的监测结果表明，臭氧总量呈降低趋势，分别降低了5%和3%。据估计，如不加任何控制，发展到2075年臭氧层将减少40%。一个严重的后果就是到达地表的紫外辐射显著增加。 平流层臭氧衰减导致更强的具有生物学效应的UV-B辐射到达地表已被证实。在300nm处，臭氧层减薄将导致光谱辐射倍

17、增。卫星资料表明，在19791993年，南北半球的中高纬度地区都有显著的UV-B辐射增加。根据19811989年在瑞士阿尔卑斯山的测量，UV-B辐射每年增加1%。80年代后期与1980年相比，东京的UV-B辐射增加了30%。在多伦多，19891993年间，300nm附近的辐射，在冬季每年增加35%，而夏季每年增加7%。我国北京19801989年及昆明19801990年的观察也表明UV-B辐射与臭氧含量有相反的变化趋势，总体上是臭氧含量降低，UV-B辐射 增加。最近的数学模型预测，在未来几年UV-B辐射将进一步增加，并在本世纪末达到峰值，这是与平流层氯氟烃含量出现峰值及相应的臭氧耗损相联系的。M

18、adronich等(1995)报道了辐射放大因子(RAF)，定义为：vE/E = -RAF(O3/O3)(百分率) 式中O3/O3是柱臭氧量变化的百分率，E/E是加权UV-B辐射相应增加的百分率。RAF给出了与O3减少对应的有效辐射增加。通常，这两者之间的关系是十分复杂的，受诸多因素的影响，并不成线性关系。上述百分率公式适用于臭氧变化小的情况，在臭氧变化大时， 更精确的关系式为：E2/E1=(O3)1/(O3)2RAF(幂律) 式中E1和E2分别是对应柱臭氧量(O3)1和(O3)2的加权UV-B辐照度。研究表明，RAF值通常在13左右。不少学者用生物作用光谱来评价紫外线生物辐射效应的权重因子，

19、确定紫外线生物有效辐射(UV-BB E)，最典型的是Caldwell(1971)报道的公式，目前仍在沿用。（二）UV-B辐射对植物生长和生产力的影响 因臭氧层衰减而增加的UV-B辐射将对植物产生一些直接的影响，最终表现在对植物生长和生产力的影响上。 1增强的UV-B辐射对叶片的影响 叶片是对环境胁迫，尤其是光胁迫最敏感的植物器官。Biggs等(1978)在温室中研究了70多种作物品种，发现60%以上的作物在WD辐射下叶面积减小，最敏感的种类有黄豆、蚕豆、豌豆、豇豆、西瓜、黄瓜、食用大黄、芜菁、大头莱等，而小麦、燕麦、大麦、花生、水稻、黍、棉花、向日葵等在叶面积方面表现出一定的抗性。在最近的研究

20、中，已经观察到UV-B辐射降低小麦、水稻、玉米的叶面积。Biggs等(1981)和Vu等(1982)报道了暴露于UV-B辐射下的大豆植株，SLW(Specificleafweight，比叶重)增加。但在大田条件下，大豆SLW却不受影响。高UV-B辐射增加枫香的SLW。Teramura等（1991）报道UV-B辐射处理15个水稻品种后，8个的SLW增加，3个降低，4个不变。在负极地石南灌丛中，增强的UV-B辐射导致常绿越桔叶片增厚，而欧洲越桔和笃斯越桔叶片变薄。一般认为，植物可通过提高它的SLW来适应UV-B辐射，这样，叶组织的上层可作为解剖学上的屏障或过滤层来减少UV-B进入敏感的深层区域。

21、在一项涉及了12种草本植物(包括单子叶及双子叶作物和杂草)的实验中，增强的紫外B辐射对这些植物的叶位、叶长度及叶数量有着较大的影响。在收获时，大多数单子叶植物种类主要分枝上的叶片数量因UV-B辐射的增加而增加，幅度为8%10，同时其叶片有增厚的趋势，并且叶片重量比例增加；双子叶植物种类中仅反枝苋(Amaranthus retroflexus)的叶片数量被UV-B增加；同时，除玉米外的4个单子叶物种的叶片长度有显著下降，而且有10个物种的叶片着生高度显著地被UV-B降低。Searles等(1995)则发现太阳辐射中的UV-B可使一种热带树种Calophyllum longifolium的叶片积累

22、长度减少，但对另一个热带树种 Tetragastris panamensis的叶片长度却没有影响，另外在他们所检测的4个物种中的叶片数量均末受到UV-B的显著影响。2UV-B辐射对植株形态的影晌 株高降低已经作为衡量植物对UV-B辐射敏感性的一个指标，一般情况下增强的UV-B辐射使植物株高降低。Ballare等(1995)指出UV-B辐射能抑制番茄下胚轴的伸长。Biggs等（1978)报道UV-B辐射降低玉米高度，而在同一个实验中，水稻高度不受影响，南瓜高度甚至被刺激。在UV-B辐射下，中欧和南欧的8个玉米品种也表现出株高降低。在菲律宾完成的实验中，188个水稻品种，有143个的高度显著降低；

23、另外，16个水稻品种中有12个品种的株高被轻微降低。 植物的分技及分孽对增强的UV-B的响应有较大的不同，但是大多数的实验都显示UV-B可导致植物分枝和分孽的增加或者不受影响，而分枝和分孽因UV-B辐射减少的报道则很少。 植物对UV-B辐射的响应存在很大的种间差异。总的来说，单子叶植物似乎比双子叶植物受UV-B辐射影响小。这可能部分由于单子叶植物具有垂直叶向排列，叶鞘能保护基部分生组织区域。Basiouny等(1978)指出C3植物比C4植物更敏感，发现调查过的C4植物无一受到影响(高梁和玉米)，但所有的C3植物(甘蓝、燕麦、花生、大豆)至少有一个特征受影响。一般来说，单子叶植物的植株形态对U

24、V-B的敏感性比双子叶植物大，但其生物量的敏感性则比双子叶植物小，很多时候单子叶植物的矮化及其它形态学 变化并不伴随生物量减小。豆科、葫芦科和十字花科的植物常常对UV-B比较敏感，而小麦、水稻和玉米等禾本科作物的敏感性则稍低。植物对UV-B的敏感性还受到生长条件的影响，般来说大田栽培的敏感性较低，而温室和培养箱中则较高。 3UV-B辐射对植物物候的影响 紫外辐射引起的植物花期的推迟很早就被注意到了。Ziska等(1992)发现一些野生植物的花期被UV-B辐射所改变，而且原产于低海拔地区的物种所受影响要比原产于高海拔地区的物种略大。花期的推迟在几个欧洲的玉米品种中也被观察到。相反,矮牵牛的花期则

25、被UV-B 辐射所提前，灌木糙苏(FPhlomix fruticosa)的花约提前一个月脱落，欧洲越桔花期和果期提前。花期的改变可能对授粉过程有重要影响。一些温带树种如栎属(Quercus)、桦属(Betula)和山毛榉属(Fagus)的有些种类在UV-B处理后萌芽提前，这也许会导致林下早春植物层片的改变或消失。因为这些树种为夏绿林主要建群种类，其过早展叶将使林下光照条件迅速恶化而不利于早春植物的生存。 4UV-B辐射对植物生产力的影响 植物总生物量积累(干重)是权衡UV-B辐射对植物生长影响的一个很好的指标。总生物量 代表所有生理、生化和生长因子的长期响应的完整性。而且，即使UV-B对形态过

26、程中很微妙的影响也会积累起来，并造成对生物量的显著影响。 增强的紫外辐射可导致植物光系统II的伤害，进而引起净光合速率的降低。许多农作物的总生物量及经济产量有不同程度的降低，但也有些种或品种的生物产量在UV-B处理后反而增加或没有变化。UV-B辐射导致植物生物量降低原因除UV-B破坏光合系统外，还可能是UV-B引起植物激素代谢改变，影响细胞分裂和细胞伸长，导致生长速率降低。岳明等(1998)发现，紫外辐射对小麦和燕麦两物种的生物量在各生育期都有不同程度的抑制作用， 这种抑制是通过降低其生长速率来实现的。越到后期，处理与对照的生物量差异越大，反映出紫外辐射对植物生长的影响有积累效应。但就平均相对

27、生长速率而言，紫外辐射对早期生长的抑制影响要大得多。 UV-B辐射还改变植物的干物质分配。在双子叶植物中，较多的干物质分配到叶(尽管叶面积绝对降低)，而较少进入茎和根。比如大豆、豌豆、蚕豆和黄瓜等，叶干物质比例增加可能是SLW增加的结果。在单子叶植物中，这种变化不是如此明显。与生物量积累的响应类似，在低PAR下，生物量分配的改变更加明显。当然，在大田条件下，UV-B辐射降低花椰花、甜菜、玉米、豌豆、番茄、芥子、大麦、胡椒、（三）UV-B辐射对植物生理代谢的影响 1UV-B辐射对植物生理生化的影响（1）对植物叶绿体和叶绿素含量的影响 叶绿体是植物光合作用的场所，也是自然界中对光能吸收、传递和转换

28、中的种最重要的色素，其代谢水平除了与植物种质有关外，还与环境条件及各种污染因子有关。在UV-B辐射下，大豆叶绿体是最早受到伤害的器官。大多数伤害出现在幼叶，且都是相似的。在UV-B辐射下伸展，但尚未完全伸展成熟的叶片，失绿是最明显的。UV-B辐射能破坏敏感植物的叶绿体结构和它们的前体，或者使叶绿素的合成受到阻碍，从而降低叶绿素含量，这 在大豆、水稻、小麦、玉米等植物中已经观察到。此外，UV-B辐射诱导了叶绿素和类胡萝卜素的非酶化光加氧作用，从而导致这些色素以氧合的形式积累。李元等(1998)报道，在大田条件下，在春小麦拔节期，随UV-B辐射增强，叶片叶绿素a、叶绿素b和叶绿素(a+b)含量显著

29、降低，且具有较好的相关性。 （2）UV-B辐射对植物光合作用的影响Van等(1976)用13种植物进行过过量的UV-B辐射，发现植物净光合速率对UV-B的响应相差甚大。按照响应的强弱，可把植物分为敏感型、较敏感型和忍耐型三大类。C4植物对UV-B辐射不太敏感，而C3植物则较为敏感。Teramura等(1991)从中国和东南亚各国选择了 16个水稻品种进行UV-B辐射模拟试验，并用氧电极法测定了光合速率，结果表明，其中10个品种的最大光合作用和生物量有不同程度的下降，而其它3个品种的最大光合速率和生物产量反而提高。 在我国，杨志敏等(1996)报道了UV-A(320400nm)辐射对小麦抽穗期旗

30、叶光合作用的影响。经过对旗叶初展期、半旗叶、全旗叶和后期的观察表明，UV-A辐射明显地抑制旗叶的净光合速率，而且抑制作用随叶龄增加而增大。UV-A辐射同时降低蒸腾作用，并与气孔导度降低和气孔阻力增大有关。可以认为，小麦叶片在接收UV-A辐射后，光合作用和蒸腾作用下降很可能是UV-A辐射诱导气孔阻力增大所 致。杨志敏等(1996)指出，UV-A + UV-B(290400 nm)辐射能强烈抑制大豆叶片CO2的同化、降低净光合速率。以刚完全展开的第2复叶为例，随叶龄增加，对照组叶片的净光合速率先上升，达到最大值后缓慢下降。在近一个月内其净光合速率下降幅度为46。UV-B辐射能破坏敏感植物的叶绿体结

31、构，降低叶绿素含量，降低某些作物中的Hill反应活力，降低RuBPcase活性，增加暗呼吸，引起净光合作用的降低。Strid等(1990)指出经UV-B辐射的豌豆幼苗，其光系统II活力、ATP合成酶及RuBPcase含量急剧下降，而光系统I和细胞色素f受影响较小。Brandle等(1977)认为UV-B辐射可能抑制了与光系统II相联系的电子传递。 此外，UV-B辐射还导致环式磷酸化解偶联作用和RuBP羧化酶活性下降以及类囊体膜的破坏，表现出UV-B辐射使光能转化成化学能的速率下降，从而降低植物的光合作用。然而，光系统II仍然不是UV-B辐射直接抑制光合作用的关键位点。UV-B辐射对光合效率的长

32、期影响可能是通过光合蛋白酶基因调控和群体中植物的形态变化来完成的。UV-B辐射降低光合色素含量和光合速率的原因可能是其诱导了叶绿素和类胡萝卜素的非酶化光加氧作用，从而导致这些色素以氧合形式的积累。在对植物连续一周的UV-B照射后，处理组与对照组从外形上开始出现差异，蚕豆叶片在照射后，叶开始卷曲，叶片变小， 有褐斑；小麦叶片在处理后期叶有些失绿。蚕豆叶片在低强度和高强度UV-B处理下，叶绿素含量降低。植物光合色素含量与膜脂质过氧化水平之间呈一定的负相关性，许多逆境胁迫的研究也指出了这种相关性的存在。UV-B辐射后，如SOD活性降低，MDA积累。说明UV-B辐射使体内产生了氧自由基，发生了脂质过氧

33、化，导致更多的UV-B渗透入植物叶中，或者使体内清除自由基的能力减弱，因而造成了植物光合能力的下降。（3）UV-B辐射对植物气孔导度和蒸藤速率的影响 气孔阻力密切联系着叶片气体交换和蒸腾作用。Brandle等(1977)报道了UV-B辐射导致 豌豆幼苗净光合作用显著降低，气孔阻力却不受影响。UV-B辐射导致菜豆和黄瓜气孔阻力增加，并与净光合作用降低相一致。Bennett(1981)还指出莱豆近轴的气孔阻力比远轴的更加敏感。在生长室的研究中，UV-B辐射12天后，萝卜叶气孔阻力少量增加，但黄瓜仅照射1天后近轴的气孔阻力增加3倍并连续保持89天，然后急剧下降，此时，黄瓜叶片气孔已经明显地失去了功能

34、，郑有飞等(1996)报道UV-B辐射增加大豆和小麦的气孔阻力，降低气孔传导。Negash等(1986)报道了UN-B增加tefEragrostis lef(Zucc)Trotter的气孔阻力，并导致气孔关闭。其原因可能是由于UV-B辐射诱导K+从保卫细胞中流失。 气孔导度和蒸腾速率与植物的水分代谢和气体交换密切相关。Teramura等(1980)指出，在不同PAR水平下，高UV-B辐射6周后，大豆的非气孔阻力和气孔阻力均显著增加。而蒸腾速率在低PAR水平和高UV-B辐射6周后，显著降低。但在高PAR水平下，未受UV-B辐射的影响。UV-B辐射减少大豆和小麦的蒸腾作用主要是通过增加气孔阻力，甚

35、至关闭气孔、并和植物本身的水分状态有关。在水分正常情况下，大豆生殖生长期间的蒸藤强度明显降低；而在水分亏缺时，大豆蒸腾速率、气孔传导和叶水势都不受UV-B辐射影响。2UV-B辐射对植物UV-B吸收物质的影响 富含UV-B吸收化合物的叶表皮是防护叶肉细胞免受UV-B损伤的屏障。Robberecht和Caldwell(1983)曾报道Oenotherza strieta叶表皮是一种高选择性的辐射过滤器，可滤掉95的入射UV-B。这主要是植物叶片较多的非光合色素(黄酮醇等)合成可以改变对UV-B的衰减水平，因此，叶片表面类黄酮的积累，是植物对UV-B辐射的适应和保护措施。在对70多种植物的研究中，发

36、现UV-B在叶表皮中转移时通常减少10。这主要是由于类黄酮的吸收，它形成了一道理想的天然屏障，对UV-B辐射引起的损伤有直接的减缓作用。 Wellman(1982)还发现芫荽和菠萝下胚轴及根中类黄酮合成也受UV-B刺激。高含量的UV-B吸收物质能保持DNA的完整性和较多的生物量，并确定类黄酮含量为DNA损伤程度的尺度。Li等(1993)报道一种拟南芥(Arabidopsis thaliana)因缺少黄酮醇而对UV-B较为敏感。这表明黄酮醇与植物UV-B敏感性之间有着密切的联系。类黄酮还能清除活性氧，防止脂质过氧化，也能调节植物与根际微生物的共生关系。当然，以叶片中UV-B吸收化合物相对水平的高

37、低，是否能完全代表该植物耐UV-B辐射能力的大小，尚需通过进一步的实验加以确证。 林植芳等(1998)进行了一个很有意义的试验，研究了在自然条件下，57种亚热带植物叶片UV-B吸收物质含量(A280325nm/cm2叶)。57种植物叶片UV-B吸收化合物吸收率有明显的差异，以每平方厘米叶面积在280325nm的最大吸收值计算，8种阴性植物叶片的UV-B吸收化合物的吸收率平均值为5.282.33，8种阳性草本植物叶片的UV-B吸收化合物的吸收率平均值为6.311.37，略高于阴性植物。8种阳性草本植物中有单子叶植物(3种)和双子叶植物(5种)，两者之间未见明显的差异。8种阳性灌木叶片的UV-B吸

38、收化合物吸收率的变幅较大，平均值为10.065.26，其中柑、硬叶黄蝉、九里香和马缨丹的UV-B吸收化合物吸收率明显 地高于其它4种。30种阳性乔木叶片的UV-B吸收化合物的吸收率的平均值高达15.9311.13。其中，50的植物UV-B吸收化合物吸收率在1018之间。芒果、木棉、荔枝以及荷木、黄果厚壳桂的叶片尤其富含UV-B吸收化合物，吸收率高达28.1355.70。这些结果表明阳性植物叶片比阴性植物叶片富含较多的UV-B吸收化合物，而阳性植物中UV-B吸收化合物含量的顺序为乔木灌木草本，即植物中UV-B吸收化合物含量因植物种类与生活型和生态型而异。 阳性植物合成积累较多的UV-B吸收化合物

39、，是其抵御与强可见光相伴的强UV-B辐射的适应性表现。UV-B辐射的波长短，容易被气溶胶等微粒散射，其散射有一半以上以漫射光的形式到达地表与植物体上。对短波的UV辐射的选择性吸收作用是影响进化早期的陆地植物生存的重要因子之一。叶片中的UV-B吸收化合物主要是酚类物质如类黄酮，花色素苷以及类胡萝卜素和生物碱等次生代谢产物。同为阳性植物，其单位叶面积的UV-B吸收化合物吸收率呈现了乔木灌木草本的趋势，这可能与木本植物的叶片具有较长的功能期，可积累较多的次生代谢产物，以及植物较高，接受较多的漫射性UV-B而产生一定的适应性有关。另一方面，乔 木和灌木叶片的厚度较草本叶片大，可能也是造成其差别的原因之

40、一。 （四）UV-B辐射的作用机制 UV-B辐射可通过各种机制对植物产生伤害，这种伤害是从几个主要的目标或器官开始的，造成伤害的最先一步为生物大分子的光化学修饰；要么激活光受体，要么损伤敏感的靶子。对UV-B辐射特别敏感的分子和器官有DNA、蛋白质、植物激素和光合色素等。到目前为止，人们认为紫外线B伤害植物的主要靶有四个，即光系统II、蛋白质和遗传物质DNA、膜系统和植物激素。 1UV-B辐射对PS II的影响 大量研究认为：PS II是UV-B辐射伤害植物的敏感位点之一，也是UV-B伤害植物的四个靶之一。UV-B对PS II的阻抑要强于对PS I，PS II活性的降低使光合能力下降。众所周知

41、，PS II除去向PS I输送电子外，还与放氧系统相连，从水分子中取得电子。希尔反应是这个系统中重要的一环。增强的UV-B辐射能明显抑制甘蓝、豌豆、小麦和蚕豆的Hill反应。豌豆、花生在单298 nm光照射下，Hill反应和光合磷酸化作用均受到抑制。Vu等(1981)指出，大豆在高强度UV-B辐射下，Hill反应强度明显降低。由此看出，UV-B能影响电子传递速率，阻抑PS II反应活性，使光能转换成化学能效率下降，导致光合能力的下降。 2UV-B辐射对蛋白质和DNA的影响 蛋白质不仅是生物有机体的重要组成部分，而且作为生物催化反应的酶类，在各种生理功能中起重要作用。由于蛋白质的最大吸收波长正好

42、处在UV-B辐射波长范围内，因此，蛋白质本身会受到UV-B辐射的较大影响。在对UV-B辐射特别敏感的DNA、蛋白质、植物激素和光合色素等生物大分子中，蛋白质可能是最为敏感的靶分子、它可被UV-B辐射作出多种修饰，其中包括色氨酸的光降解、SH基的修饰、提高膜蛋白在水中的溶解度、促进多肽链的断裂等，这些修饰可引起酶的失活和蛋白质结构的改变。 导致酶活性和蛋白质结构发生改变最直接的原因是由于UV-B辐射引起蛋白质中的色氨酸发生光降解所造成的。色氨酸的最大吸收波长在305nm处，它极易被UV-B辐射所降解，色氨酸在被降解为N-甲酰犬尿氨酸等的同时，会诱导产生O2-和H202，而活性氧自由基可直接修饰蛋

43、白质，引起蛋白质分子内或分子间发生交联和断裂。Wilson等(1995)发现C3植物欧洲油菜(Brassia napus)、番茄、烟草和豌豆经UV-B辐射处理后，在叶绿体中出现了一种分子量为66KD的蛋白质，进一步的研究表明该66KD的蛋白质可能是Rubisco大小亚基发生交联的产物，它的形成与UV-B辐射诱导自由 基的产生有关。冯国宁(1999)用SDS-PAGE分析表明：经UV-B辐射处理的菜豆，其蛋白质电泳带出现了梯度变化的现象，这可能是由于UV-B辐射引起蛋白质(或多肽)发生交联而造成的。UV-B辐射不仅可以引起蛋白质结构发生改变，而且会对蛋白质的含量产生影响。研究认为UV-B辐射会降

44、低植物叶片中可溶性蛋白质的含量。可溶性蛋白质含量的下降会对植物的光合作用产生极大的影响。这是蛋白质作为生物催化反应的酶类，在各种生理功能中起重要作用 。 在 可 溶 性 蛋 白 质 中 ， 约 有 5 0 是RuBPcase，可溶性蛋白质含量的下降会导致植物RuBPcase活性和光合能力的降低。已经发现C3植物较C4植物对UV-B辐射更为敏感。 UV-B辐射会使C3植物的蛋白质含量大幅度下降，而对C4植物的蛋白质含量影响不大，可以忽略。Vu等(1982)认为，UV-B辐射对植物蛋白质含量的影响与植物的发育时期有关，在植物发育早期，UV-B辐射会使植物叶片中的蛋白质含量上升，而在发育后期，UV-

45、B辐射会降低植物叶片中的蛋白质含量。DNA是UV-B辐射伤害植物的主要位点之一，植物基因表达的改变可归结为UV-B辐射对生物大分子DNA的直接伤害。当DNA吸收UV-B辐射后，常见的变化是碱基和多核苷酸链被损伤，其中最重要的反应就是通过共价修饰作用而在同一链的相邻嘧啶之间形成嘧啶二 聚体，嘧啶二聚体包括环丁烷嘧啶二聚体和6-4光产物两种。其中环丁烷嘧啶二聚体约占整个嘧啶二聚体的75，6-4光产物约占整个嘧啶二聚体的25。敏感品种DNA完整性下降与无法维持紫外线吸收化合物的高浓度有关。已经研究了UV-B辐射下大豆叶片内环丁烷嘧啶二聚体的产生与修复，认为高剂量的UV-B能诱导高的二聚体率。Tayl

46、or等(1996)已经得到了小麦中抗环丁烷嘧啶二聚体和6-4光产物的单克隆抗体，用酶联免疫分析(ELISA)检测系统研究表明，用0.3W/m2UV-B处理6天的小麦幼苗叶片，即会产生DNA损伤的累积。在没有其它光照存在时，UV-B辐射显著增加环丁烷嘧啶二聚体和6-4光产物。而在白光照存在时，仅观察到 6-4光产物水平增加。在模拟15衰减的UV-B辐射下，小麦活叶组织中环丁烷嘧啶二聚体和6-4光产物的产生率比正常环境UV-B辐射下增加至少30。 嘧啶二聚体会阻碍DNA聚合酶和RNA聚合酶II的推进，在缺少修复的情况下，单个嘧啶二聚体就会阻止一个转录本的表达，不仅如此，RNA聚合酶II仍会停留在损

47、伤部位，所以，持续的损伤会减少游离RNA聚合酶II的浓度。因为每一个嘧啶二聚体都会阻止DNA的复制与转录，只有极少数嘧啶二聚体会导致突变，所以UV-B辐射的主要影响表现在复制与转录水平上。3UV-B辐射对膜系统的影响 生物膜是UV-B辐射作用的靶子，UV-B辐射可引起细胞膜功能的改变，即膜透性的变化。祖艳群等(2000)研究表明，在大田条件下，小麦拔节期孕穗期，增强的UV-B辐射对叶片细胞膜透性有明显的影响。以5.31 kJ/m-2 UV-B辐射与对照相比，在20个小麦品种中，5个品种的细胞膜透性降低，其中品种大理905差异显著；15个品种的细胞膜透性增加，其中，繁19、陇8425、陇春813

48、9、陇春15和会宁18差异显著，而绵阳20、绵阳26、兰州80101、黔14、云麦39差异极显著。 已有研究表明，UV-B辐射改变了烟草叶绿体膜和类囊体膜的结构，UV-B辐射导致豌豆(Pisum sativum)核膜、叶绿体膜和类囊体膜膨胀和扩张。膜发生相变的同时，膜上的结合酶和蛋白质的活力和状态也必然会发生改变。因为膜脂的流动性与膜结合酶有直接的相关性。已经观察到Mg2+-ATPase的活性下降与膜流动性呈正相关。这可能是由于膜相变引起偶联因子(cF1)稳定的构相改变，而使膜上功能位点失活所致。此外，还观察到UV-B辐射抑制小麦质膜K+-ATPase活性，引起小麦膜脂质过氧化。 UV-B辐射

49、对膜伤害的解释主要是自由基伤害学说。UV-B辐射可诱导毒性氧自由基如O2-、H202等的产生，并降低SOD、过氧化氢酶、抗坏血酸过氧化酶活性和抗坏血酸的含量、使防御系统失去平衡而导致膜脂质过氧化，膜系统伤害会改变细胞的代谢状态，最终导致细胞死亡。Kramer等(1991)报道UV-B辐射导致黄瓜中丁二胺和亚精胺含量的上升。多胺能在质膜表面形成一种离子型的结合体，阻止脂质过氧化作用。UV-B辐射阻抑光合作用是使叶绿体膜结构遭到破坏，膜结构的破坏使分布于膜上的组分及膜的物理特性发生了改变。 4UV-B辐射对植物激素的影响 在植物胁迫适应性研究中，植物激素ABA受到了广泛的重视。逆境条件下植物组织中

50、ABA的累积可以降低气孔导度，抑制光合作用，提高水分利用效率，降低生物量。植物在UV-B胁迫下，体内ABA的累积，可能是UV-B辐射损伤了叶绿体膜和细胞膜，细胞失去膨压所致；也可能与膜上Mg-ATPase活性下降，使叶绿体基质pH降低，而造成细胞内ABA含量的累积有关。虽然UV-B胁迫能使ABA光解，但植物对UV-B辐射的响应并不是通过改变ABA的结构。激素调控本身十分复杂，许多详细问题有待进一步深入研究。 多胺含量在胁迫后期的回落是植物对UV-B胁迫的一种适应性生理反应。UV-B诱导多胺合成和其它胁迫下的研究相一致，施用外源多胺可以减少臭氧和低温对植物的伤害，这些结果已经证明了内源多胺含量的

51、增加对植物抵御胁迫环境有重要意义。一些研究结果表明，多胺能稳定膜结构，抑制蛋白质的降解，抑制脂质过氧化作用以及抑制细胞壁降解，有利于清除自由基。许多研究证明了植物对增强UV-B辐射的反应是通过形态变化和生理变化来保护组织免遭伤害，因此，可以认为多胺的积累是植物对增强的UV-B辐射的另一个生理生化反应，和类黄酮的含量上升一样，多胺在植物体 内含量的高低并不能决定植物对UV-B辐射的抵抗能力，Kramer等(1992)用对UV-B辐射具抗性和敏感性的黄瓜品种的试验已经证实了这一点，从另一个角度来看，植物可能具有许多潜在的保护性机制来适应增强的UV-B辐射(有关多胺与环境逆境的关系见本书第九章)。

52、此外，已经证明UV-B光受体与植物光敏色素和蓝光受体有关，而这两种光形态形成系统会改变植物形态和影响分类。UV-B对生长的影响可能由于光解破坏了吲哚乙酸或者降低吲哚乙酸活性，继而引起细胞壁扩张性降低。 实验表明，核黄素可能起着UV-B受体的作用，从而诱导色素合成和抑制主茎伸长。另外，还观察到UV-B辐射引起的黄瓜下胚轴的抑制可被GA3恢复。UV-B辐射引起的激素含量的变化、形态变化和代谢变化之间有着密切的关系。第五章 光损害作用与植物的防护第一节 太阳辐射对植物的损害第二节 植物对光损害作用的防御及对局部辐射状况的适应第二节 植物对光损害作用的防御及对局部辐射状况的适应v一、植物对高强度可见光

53、的防护v二、植物对紫外线伤害的防护v三、植物对局部辐射状况的适应第二节 植物对光损害作用的防御及对局部辐射状况的适应 绿色植物要在自然界高效率地进行光合作用，首先必须有高效能的捕获光能的结构，同时还必须有与之相适应的光照条件及环境，但是这样的协调往往因为过高光强及其它胁迫因子的出现而被打破，因此，在长期的自然选择下，植物中逐渐形成了一系列防护光损害的保护反应和避免或减轻光损害的机理。一、植物对高强度可见光的防护（一）形态和解剖学方面的改变 植物对高强度可见光的防护是多方面的，有的仅对高强度光照起到防护作用，有的可以同时对光照和其它因子的胁迫起到免受或少受损害的作用。从形态学和解剖学方面，我们常

54、可以看到在同一株植物体上，由于所处光照情况的不同而形成结构特征、化学特征和功能均有差异的阳生叶和阴生叶（表5-1）。许多高等植物，在适应于太阳辐射入射角度的改变，保证吸收更多光能方面，存在着追踪日光的现象，而当它们遭受到一定的环境因子胁迫时， 它们同样可以通过叶片的活动来避开高强度光照的损害。例如，酢浆草属植物Oxalis oregano，这是一种典型的阴生植物，当它们的叶子受到太阳光斑照射时，叶子便能迅速地运动，使它们始终处在一种荫蔽的位置上，从而避开强光的损害。阳生植物中也有些植物可依靠调节叶片的角度回避强光的，比起那些结构上使之不能活动的叶子，能迅速运动的叶子往往不易出现光抑制现象。除叶

55、子的运动外，叶肉细胞中的叶绿体也有类似的能力，并且在强光下，其光合膜上叶绿素a/b-蛋白复合体的量也会减少，基粒垛叠的程度降低，体积变得狭小，甚至类囊体的数目也少。 表5-1 阳生叶与阴生叶间的差异特 征 阳生叶 阴生叶 特征 阳生叶 阴生叶 结构特征 叶的表面积 叶肉厚度 细胞间隙系统（内表面） 细胞数 叶脉的密度 表皮细胞外壁与角质层厚度 气孔密度 单位叶面积上的叶绿体数 包裹叶绿体膜系统的密度 -+ +- _类脂质 各种酸 花色素苷、黄酮 灰分 Ca/K比 叶绿素a/b 光系统I 光系统II 叶绿素/叶黄素 叶绿素/紫黄素 +-+“”表示高的速率或大的数量； “”表示低的速率或小的数量化

56、学特征 干物质新鲜组织含水量 细胞液的度 淀粉 纤维素 木质素 +-+-+-+-+-功能特征光合能力呼吸强度蒸腾作用+-v（二） 代谢方面的保护1过剩光能的耗散（1）叶黄素循环 所谓叶黄素循环是指叶黄素的三个组分(紫黄质、环氧玉米黄质、玉米黄质)依照光照条件的改变而相互转化(图5-2)。反映吸收光能热耗散的叶绿素荧光参数q与叶黄素循环中玉米黄质的增加成正比，而叶片在光下玉米黄质的形成取决于过剩光能的多少。目前，对该循环耗散过剩光能的分子机理并不清楚，人们知道其对过剩光能的耗散与类囊体膜的能量化密切相关。所谓类囊体膜的能量化是指叶绿体在光下由于水的裂解反应和跨类囊体膜的质 子交换，在类囊体膜的两

57、侧产生的跨膜质子梯度。为此，有人提出单线激发态的玉米黄质直接猝灭激发态叶绿素的热耗散机制，即直接作用假说。他们认为膜的能量化导致捕光色素蛋白复合体质子化，增加了单线激发态的叶绿素和玉米黄质的光谱叠加，有利于能量猝灭；另外，膜的高能态引起膜构象改变，使叶绿素和玉米黄质分子互相靠近，能量得以转移而耗散。也有人认为玉米黄质并不直接耗散过剩光能，其含量增加只是促进了LHC II形成有利于热耗散的构象，能量由LHC II最终耗散。此外，Horton等(1994)又提出LHC II聚集态理论，认为光合机构从弱光转到强光下时，pH升高， 类囊体腔内H+增多，结果是LHC II蛋白的羰基化和堇菜黄素向玉米黄素

58、转化，促使二者形成各自的聚集态，它们进一步相互靠近而发生荧光的非化学猝灭。该理论目前已被一些实验所证实。 图 5-2 叶黄素循环（贾虎森等，2000） （2）Mehler反应及与之相联系的活性氧清除系统的保护作用 植物吸收的光能超过其转化能力时，2可作为氧化剂从PS I还原侧接受电子形成-2，即Mehler反应，所产生的-2对细胞有毒害作用。若这一过程与超氧物歧化酶(SOD)及抗坏血酸过氧化物酶(AsA-POD)等的反应相偶联，则可消除这种毒害并可在同化力过剩的情况下维持一定的光合电子流，以减轻过剩光能对光合系统造成的毒害，因此这被认为是一种光保护机制。现已清楚这一过程中除了需要SOD及AsA

59、-POD外，还需要谷光甘肽还原酶(GR)、抗坏血酸(AsA)和还原性谷胱甘肽(GSH)等活性氧 清除系统(图5-3)。Demmig等(1992)认为Mehler反应的电子传递也偶联形成pH，使类囊体膜能量化，促进叶黄素循环的发生和光能的耗散。图 5-3 活性氧清除系统（3）光呼吸 早在1984年，Powles就提出光呼吸可以防止强光和CO2亏缺条件下发生光抑制的观点，但直到1988年才被证实。陶宗娅和邹琦(1998)对开花 期大豆进行外源甘氨酸处理促进光呼吸，发现可减轻午间强光下的光抑制作用，相反，喷洒异烟肼(INH)、亚硫酸氢钠(NaHSO3)和供给低氧气体(23%2)抑制光呼吸，却加重了午

60、间强光下光抑制的发生，这再一次证实了光呼吸的光保护作用。对光保护的机理，郭连旺和沈允钢(1996)认为光呼吸除了直接消耗过剩光能外，通过对乙醇酸消耗促进无机磷(i)的周转，缓解Pi不足对光合作用的限制，因而能够使光合能力维持在较高水平，间接地保护了光合机构。实验表明，光合机构遇到强光或Pi缺乏时，光呼吸的增强确实对光抑制的发生具有重要的防御作用。 （4）类胡萝卜素和维生素的保护作用 植物体内有多种途径产生1O2，其中叶绿素的光敏化作用是最主要的途径。在水分胁迫及光照下，由于电子传递受阻，通过电荷分离的能耗降低，利于1chl经系统间交换转变成3chl，最终形成1O2。这已在水稻、苔藓等研究材料中