第一章 緒論

1.1 研究背景和意義
自 Johnston（1971）首次報(bào)道臭氧空洞以來，人類活動(dòng)產(chǎn)生的氯氟烴、氧化氮等臭氧損耗物對(duì)平流層的臭氧破壞已成為人類面臨的最突出的環(huán)境問題之一。盡管臭氧在大氣層中占有極其微量的比例，但其是大氣層中唯一可以吸收波長(zhǎng)小于 300nm 輻射的物質(zhì)，可吸收紫外線中的幾乎全部的 UV-C 和部分 UV-B 輻射。因此，臭氧層減薄的主要效應(yīng)是導(dǎo)致到達(dá)地表的 UV-B 輻射增強(qiáng)。大氣中的臭氧量每減少 1%，地球表面的UV-B 輻射強(qiáng)度就將增加 2 %（吳永波和薛建輝 2004）。其導(dǎo)致 UV-B 輻射呈增強(qiáng)趨勢(shì)且要持續(xù) 100 年左右，這不僅直接對(duì)生物產(chǎn)生影響，還會(huì)破壞食物鏈，改變地球環(huán)境和氣候，最終改變地球生態(tài)系統(tǒng)。因此，控制臭氧層變薄、揭示 UV-B 輻射對(duì)生物及生態(tài)系統(tǒng)的影響并制定出相應(yīng)的防護(hù)對(duì)策，己成為世界各國(guó)面臨的一項(xiàng)重大課題（Caldwelland Flint 1997）。陸地植物對(duì) UV-B 輻射的響應(yīng)是植物科學(xué)研究中最活躍的領(lǐng)域之一。近 40 年來，科學(xué)家們開展了大量的研究，對(duì) UV-B 輻射增強(qiáng)引發(fā)的生態(tài)效應(yīng)研究涉及到植物的生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖、基因表達(dá)、碳獲取和貯藏、生理生化、競(jìng)爭(zhēng)平衡、無(wú)機(jī)養(yǎng)分循環(huán)，群落組成、以及 UV-B 輻射增強(qiáng)與其他環(huán)境因子的協(xié)同作(梁宗鎖等 2012；馬力 2010；田向軍2007；Zhang et al. 2012; Zu et al. 2010)。近年來，大量 UV-B 輻射增強(qiáng)對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)影響的研究被開展，研究主要集中在水稻(Oryza sative)、小麥（Triticum aestivum L.）、玉米(Zea mays L.)等主要糧食作物方面(Tsurunaga et al. 2013；Yao et al. 2006)。然而，UV-B 輻射對(duì)植物次生代謝物質(zhì)含量的影響更加引起人們的關(guān)注。例如維生素 C、維生素 E 和酚酸類等具有抗氧化特性對(duì)人體有益的次生代謝物質(zhì)在輻射增強(qiáng)條件下的變化趨勢(shì)，其中 UV-B 輻射增強(qiáng)對(duì)植物最一致的影響是植物葉片中紫外吸收物含量（主要是黃酮類和酚酸類）的增加。
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1.2 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展
太陽(yáng)紫外輻射(200-400nm)約占太陽(yáng)總輻射能的 8%-9%，通常分為短波紫外輻射(UV-C ， 200-280nm) 、中波紫外輻射 (UV-B ， 280-320nm) 和長(zhǎng)波紫外輻射 (UV-A ，320-400nm)。UV-A 可以全部穿過臭氧層到達(dá)地面，能促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，一般情況下對(duì)植物沒有傷害；UV-C 雖然對(duì)植物的生長(zhǎng)有很大的影響，卻被臭氧層全部吸收而不能到達(dá)地面，即使臭氧層減薄 90%，它到達(dá)地球的輻射量也可以忽略不計(jì)；而 UV-B 除了部分被臭氧層吸收外，其余部分可直達(dá)地面，對(duì)地球生命物質(zhì)產(chǎn)生直接的影響。因此，臭氧量的減少帶來的后果主要是導(dǎo)致到達(dá)地表對(duì)生物有損傷作用的 UV-B 輻射增強(qiáng)(馬力2010；李倩 2010)。據(jù)研究報(bào)道，UV-B 輻射對(duì)植物的影響主要集中在形態(tài)特征、個(gè)體發(fā)育、生理生化效應(yīng)以及與其它因子的復(fù)合效應(yīng)等方面（田向軍 2007）。從 1980s 到現(xiàn)在研究者對(duì) UV-B 輻射的研究經(jīng)歷了從室內(nèi)到室外，從增強(qiáng)到減弱UV-B 輻射強(qiáng)度的變化。最初研究者關(guān)注臭氧層變薄導(dǎo)致的 UV-B 輻射對(duì)植物以及整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的影響。因此早期的實(shí)驗(yàn)多數(shù)采用增強(qiáng) UV-B 輻射的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，隨著認(rèn)識(shí)的日益加深，研究者不再將 UV-B 看做單純的脅迫因素，而是從更多方面了解 UV-B 輻射對(duì)植物的影響(Mckenzie et al. 2008)。自然條件下減少 UV-B 輻射的研究增加，尤其是在臭氧層變薄比較嚴(yán)重的地區(qū)，如阿根廷、南極、我國(guó)青藏高原等研究地點(diǎn)，常通過遮蔽太陽(yáng)光中的 UV-B 輻射的方法研究 UV-B 輻射對(duì)植物的影響。
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第二章 研究?jī)?nèi)容與方法

2.1 研究?jī)?nèi)容
2.1.1 丹參葉片對(duì)增強(qiáng) UV-B 輻射的抗氧化響應(yīng)
室內(nèi)可控條件下研究 6 月齡丹參對(duì)短期不同強(qiáng)度 UV-B 輻射的抗氧化響應(yīng)，從抗氧化指標(biāo)和次生代謝物質(zhì)含量變化兩個(gè)方面揭示其對(duì) UV-B 輻射的響應(yīng)。

2.1.2 丹參和藏丹參對(duì) UV-B 輻射的響應(yīng)差異
比較室內(nèi)可控條件下 8 月齡藏丹參（絨毛鼠尾草）和丹參在 UV-B 輻射處理下生理指標(biāo)和丹酚酸 B 含量變化，探索不同海拔來源鼠尾草對(duì)增強(qiáng) UV-B 輻射響應(yīng)的差異及可能原因。

2.1.3 短期增強(qiáng) UV-B 輻射對(duì)不同生長(zhǎng)時(shí)期丹參的影響
比較遮陽(yáng)棚內(nèi)盆栽條件下短期增強(qiáng)UV-B輻射對(duì)地上部分快速生長(zhǎng)前期和后期丹參葉片抗氧化指標(biāo)、次生代謝物含量和次生代謝相關(guān)酶活性變化的差異，揭示不同生長(zhǎng)時(shí)期丹參對(duì)短期增強(qiáng) UV-B 輻射的敏感性差異。

2.1.4 UV-B 輻射和干旱對(duì)丹參生長(zhǎng)和葉片中酚酸類成分的影響
研究整個(gè)生長(zhǎng)季不同 UV-B 輻射和干旱強(qiáng)度單獨(dú)和共同作用對(duì)丹參形態(tài)學(xué)指標(biāo)（株高、葉面積和生物量）、光合指標(biāo)（Pn、Ci、Gs 和 Tr）以及葉片和根中酚酸類物質(zhì)含量的影響，探索西北干旱、半干旱地區(qū)強(qiáng)光和干旱對(duì)丹參生物量和酚酸類成分含量的影響，，為丹參的深入開發(fā)利用提供依據(jù)。
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2.2 材料培養(yǎng)、處理方法與指標(biāo)測(cè)定方法
室內(nèi)丹參和臧丹參種子苗培養(yǎng)：本研究于 2010 年在中國(guó)陜西西北農(nóng)林科技大學(xué)生命學(xué)院培養(yǎng)間開展。丹參和藏丹參種子播種于高 20 cm，上口徑 23 cm 下口徑 17 cm 的塑料桶中，桶中均裝過 0.5 cm 篩壚土、沙子和蚯蚓糞，三者比例為 3：1：1。用自來水充分浸潤(rùn)后置于人工培養(yǎng)室內(nèi)，在 300  mol •m-2• s-1強(qiáng)度 16 h 光周期白光下培養(yǎng)（6：00-22:00），常規(guī)管理。出苗 180 d 和 240 d 后選取長(zhǎng)勢(shì)一致的植株隨機(jī)分為 15 株/組進(jìn)行 UV-B 補(bǔ)光處理，每個(gè)處理重復(fù) 5 次。室外盆栽丹參培養(yǎng)：本研究于 2011 在中國(guó)陜西楊凌水土保持研究所(34°20′N，108°24′E)遮光棚下開展（透光率為 33%）。2011 年春，將來自陜西天士力植物藥業(yè)有限公司藥源基地（33°2′ N，108°34′ E）的丹參 5 月齡幼苗種植在塑料桶中，塑料桶高30 cm，上口徑 35 cm，下口徑 23 cm 。桶中裝過 0.5 cm 篩混合均勻的壚土、沙子和蚯蚓糞，三者比例為 3：1：1。混合培養(yǎng)基質(zhì)的田間持水量采用環(huán)刀法測(cè)定為 27%，常規(guī)管理保持水分充足。丹參苗生長(zhǎng) 53 d 后（5 月 10 日）間去長(zhǎng)勢(shì)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 輻射對(duì)丹參葉片酚酸類和抗氧化酶活性的影響.........21
3.1 引言.........21
3.2 材料和方法（見第二章） .........22
3.3 結(jié)果與分析 .........22
3.4 討論.........25
第四章 丹參和藏丹參對(duì) UV-B 輻射的響應(yīng)差異.........27
4.1 前言.........27
4.2 材料與處理方法 .........27
4.3 結(jié)果與分析 .........29
4.4 討論.........31
4.5 小結(jié).........32
第五章 UV-B 輻射對(duì)地上部分不同生長(zhǎng)時(shí)期丹參敏感性的影響.........33
5.1 前言.........33
5.2 材料與處理方法 .........33
5.3 結(jié)果與分析 .........35
5.4 討論與結(jié)論 .........38

第七章 不同生長(zhǎng)時(shí)期丹參對(duì)長(zhǎng)期 UV-B 輻射的敏感性研究

7.1 前言
因?yàn)槿祟惢顒?dòng)的影響，太空中臭氧層變薄進(jìn)而導(dǎo)致到達(dá)地球表面的紫外輻射不斷增強(qiáng)（Johnston 1971）。植物營(yíng)固著生活無(wú)法躲避太陽(yáng)光中的 UV-B 輻射（波長(zhǎng)為280-320nm），因此，UV-B 輻射對(duì)藥用植物或農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要的影響(Hideget al.2013;Zhang et al.2010)。增強(qiáng) UV-B 輻射導(dǎo)致植物株高、葉面積和生物量顯著降低(Saile and Tevini 1997)；UV-B 輻射促進(jìn)植物體內(nèi)蛋白質(zhì)、氨基酸、脂肪含量增加而改善作物品質(zhì)(Yin and Wang 2012)。酚酸類物質(zhì)含量增加是植物在 UV-B 輻射下最一致的反應(yīng)，其具有共軛雙鍵結(jié)構(gòu)在 UV-B 波段有強(qiáng)烈吸收，且作為抗氧化活性最強(qiáng)的天然產(chǎn)物之一，酚酸類物質(zhì)在植物抵御 UV-B 輻射中發(fā)揮重要作用(Zhang et al.2010;Tegelberg etal.2001)。因此，UV-B 輻射對(duì)以酚酸類為藥用成分的中藥材產(chǎn)量和品質(zhì)的影響成為科學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)(Artur 2013;Jansen et al.2008)。丹參作為我國(guó)傳統(tǒng)大宗藥材，因其在心腦血管疾病、高血脂等方面獨(dú)特的療效(中國(guó)藥典 2010)，是復(fù)方丹參滴丸、丹參片和心可舒片等藥物中的主要成分。丹參原藥材的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)供應(yīng)是中成藥生產(chǎn)的基本保障，而環(huán)境因素對(duì)丹參生長(zhǎng)發(fā)育的影響也隨之成為重要的研究課題。當(dāng)前 UV-B 輻射增強(qiáng)對(duì)丹參生物量和藥用成分產(chǎn)量影響的報(bào)道極少（Giannini et al.1996;周麗莉等 2008），尤其是不同生長(zhǎng)期丹參對(duì) UV-B 輻射的敏感性研究尚未見報(bào)道。本文研究遮陽(yáng)棚下自然狀態(tài)、低強(qiáng)度和高強(qiáng)度 UV-B 輻射處理下，不同生長(zhǎng)期丹參的株高、葉面積、生物量積累和葉片中迷迭香酸、丹酚酸 B 含量的變化，比較各生長(zhǎng)期丹參對(duì)不同 UV-B 處理的敏感性差異；以及 UV-B 輻射對(duì)不同生長(zhǎng)期丹參根中酚酸類物質(zhì)總含量的影響。在此基礎(chǔ)上，為制定有效的田間管理措施提高丹參產(chǎn)量和品質(zhì)提供理論依據(jù)。

結(jié)論

（1）UV-B輻射引起6月齡丹參葉片中自由基積累，植物體內(nèi)活性氧平衡被破壞，最終引起細(xì)胞膜脂過氧化。酚酸類物質(zhì)作為抗氧化物質(zhì)含量增加，與抗氧化酶類共同發(fā)揮作用抵御UV-B輻射傷害。丹參葉片中主要酚酸類物質(zhì)丹酚酸B和迷迭香酸含量在T2處理24 h達(dá)到最大值，隨后降低，表明酚酸類物質(zhì)積累是丹參對(duì)短期增強(qiáng)UV-B輻射的響應(yīng)。MDA含量在T1處理12 h后均顯著高于T2的，這表明植物在T2處理下抗氧化系統(tǒng)發(fā)揮作用，細(xì)胞脂膜受到的傷害減輕。相關(guān)性分析表明MDA含量和酚酸類顯著負(fù)相關(guān)，而酚酸類和抗氧化酶類之間存在顯著的正相關(guān)。綜上所述，植物對(duì)UV-B輻射的適應(yīng)策略是；低強(qiáng)度（560 J•m-2•d-1）UV-B輻射下，丹參通過增加抗氧化物酶活性抵御輻射，而在更強(qiáng)的輻射（950 J•m-2•d-1）處理下，葉片中的酚酸類物質(zhì)含量增加和抗氧化酶系統(tǒng)共同作用抵御輻射傷害。
（2）不同海拔來源的西藏（平均海拔3100 m）絨毛鼠尾草（又名藏丹參）和商洛（平均海拔2154 m）丹參對(duì)UV-B輻射敏感性有明顯差異，丹參葉片中丹酚酸B含量顯著高于藏丹參中的，對(duì)照和處理分別是藏丹參中丹酚酸B含量的2.47倍和2.89倍；UV-B輻射對(duì)丹參葉片中活性氧平衡的影響更加明顯，抗氧化物質(zhì)和抗氧化酶共同發(fā)揮作用抵御UV-B輻射造成的傷害，其中Vc含量和APX活性增加達(dá)到顯著水平；藏丹參各指標(biāo)變化均沒有達(dá)到顯著性水平。藏丹參的敏感性指數(shù)（0.51）顯著低于丹參（1.12）的，表明丹參對(duì)于UV-B輻射更加敏感。即高海拔地區(qū)來源的藏丹參對(duì)UV-B輻射的抗性強(qiáng)于低海拔來源的商洛丹參，這對(duì)于將來篩選培育抗性丹參品種以適應(yīng)高強(qiáng)度UV-B輻射環(huán)境有重要意義。
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參考文獻(xiàn)（略）