紫外线辐射改变植物的颜色

背景

植物对紫外线辐射的吸收会对植物组织产生多种有害影响。因此，植物已经进化出一系列的策略来保护自己免受紫外线辐射，特别是在UV- b范围(280-320 nm)。植物对紫外线照射的一种常见反应是吸收有害波长的酚类化合物。然而，相反的现象——植物通过反射紫外线来保护植物组织——以前还没有被探索过。在配对实验中，我们将样本的一半(N= 108)的昆虫授粉的植物的品种ZinniaProfusion系列的紫外线辐射，并保护另一半从所有< 400 nm的光42天，并测量叶子和花的反射率使用光谱。我们比较了实验开始或开花时和处理后叶片和花朵的UV-B反射率。

结果

我们发现，受紫外线保护的植物降低了UV- b的反射率，而暴露于紫外线水平增加的植物则表现出了UV- b反射率增加的趋势。

结论

我们的研究结果表明，上调UV-B反射色素或结构可能是一种保护树叶免受高能量UV-B辐射的策略。

暴露于自然阳光的紫外线（UV）辐射是因为需要对植物捕获光进行光合作用不可避免的。Although it is recognized that exposure to UV radiation, particularly in the UV-B range of the spectrum (280–320 nm) plays an important regulatory role in plant development [1， UV-B辐射也是一种重要的植物应激源，会造成有害影响[2]. 许多研究已经确定了植物对UV-B辐射的反应，部分原因是平流层紫外线过滤臭氧的人为减少[3.]. 植物对UV-B暴露的反应已在多个系统中被记录，包括组织坏死、病原体防御和伤口信号通路的激活[4，5]、调节变化、蒸腾和光合作用的改变，以及生长、发育和形态的变化[6，7]，包括植物的生殖过程[8，9］.此外，一些研究发现，当与其他应激因素(如食草性、高温和干旱)相结合时，UV-B胁迫的负面影响会增加[10，11］.

抵抗UV-B辐射的主要防御机制是增加植物表皮层中黄酮类化合物和其他酚类化合物的产量，以提供吸收紫外线的防晒霜[7，10，12，13，14，15，16］.这种反应非常灵活，可以在几分钟到几小时内发生[7］.相反的现象也可能发生;即提高UV-B的反射率，作为一种反射手段，从而保护植物组织免受UV-B吸收的有害影响，尽管以前对6个植物品种的研究没有检测到它[16］.这一假设得到了以下发现的支持:在400到700 nm之间，水果和叶子的反射率往往是相互独立的，而在大多数紫外光谱(300到400 nm)上的反射率已经被发现在多个物种和系统中是正相关的[17]. 这一发现表明，作为保护植物免受紫外线辐射的策略，植物不同部位的紫外线反射具有潜在的重要性。然而，据我们所知，叶片紫外反射率作为紫外线-B辐射防护的假设尚未得到直接检验。

UV-B的反射率可能对植物-昆虫食草和授粉等生态过程产生下游效应，但相对较少受到关注[8，18］.现有的关于紫外线辐射对生态过程影响的研究表明，随着植物UV- b照射的增加，昆虫食草性减少[19，20.，21，22］.虽然这些研究确定了许多潜在生态效应的生化机制，但对于觅食昆虫和脊椎动物而言，信号和线索的潜在变化仍未被探索[9］.尽管许多种类的脊椎动物和无脊椎动物捕食者和传粉者很容易区分UV-B反射[23，24，25]，并证明它[行为反应23，26］.

在这里，我们提出了一个假设，即植物在UV-B光谱部分的反射率可能是对UV-B暴露的适应性反应。我们验证了UV-B辐射驱动叶片合成UV-B反射色素的预测，因此在没有UV-B辐射的情况下，叶片的UV-B反射率会降低。我们在杂交品种上进行了试验Zinnia繁茂火，一种快速生长、靠昆虫授粉、开花的一年生植物。我们对108种植物进行了两种处理:紫外线照射和紫外线去除。两组植物都暴露在相同的光照环境下，但没有紫外线的植物将所有紫外线(< 400 nm)都过滤掉了。利用光谱学，我们监测了在42天的生长期中叶片和花朵对UV-B辐射的反射率。我们讨论了我们的发现，在感觉生态学的背景下，紫外线在反射植物捕食和植物繁殖的潜在作用。

我们种了108棵Zinnia在4P土壤(Fafard)中，每10厘米盆栽一株，深度8.9厘米，每株施肥1汤匙。Osmocote®时间释放肥料颗粒(N-P-K比= 18-6-12)。所有幼苗被放置在杜克大学植物管理中心(Duke University Phytotron, 1.2 m宽× 0.91 m深× 1.0 m高)的m -13型环境生长室(environmental growth Chambers, Chagrin Falls, OH)中，并保持在22°C，环境湿度和CO₂的水平。环境照明由陶瓷金属卤化物灯(Philips MasterColor CDM-T Elite Med Wattage 315 watt lamp, Koninklijke Philips N.V, Amsterdam, 1096 BC Netherlands)提供全光谱可见光。每天7:00-21:00室内光照水平设置为250 μmol m-2 s-1。所有植物都被分为两类处理，每天检查两次，并根据需要浇水。一半的植物(N= 54)放置在PVC框架下，覆盖有紫外线过滤片(UV226, Epak Electronics Ltd.， Chard, UK)，可减少99%的紫外线辐射(< 400 nm)。另一半的植物被放置在一个相同的框架下，用一张相同的纸覆盖着，但是允许紫外线通过(E130, Epak Electronics Ltd.， Chard, UK)。

通过将两个用于爬行动物护理的10%UV-B荧光管（Mystic灯，Big Apple Pet Supply，Inc.，Boca Raton，FL）悬挂在高度为56的房间天花板上，补充房间中的紫外线辐射 在腔室底座上方1厘米处。使用USB2000光谱仪和带余弦适配器的UV-B兼容光纤传感器，对同一品牌的灯具进行光谱分析，并根据绝对辐照度进行校准（佛罗里达州达尼丁市海洋光学公司）。还使用总UV-B计和UV指数计（分别为Solarmeter 6.2和6.5，宾夕法尼亚州格伦赛德太阳能照明公司，邮编19038）从该灯上读取读数。该灯发出的总UV-B水平与直射阳光水平（255）相似 μW/cm²15岁 厘米，142 μW/cm²25岁 然而，光谱与太阳光非常不同，在较短的波长中，UV-B的比例要大得多，而非地面的UV-B则低至280 纳米（图S1)，导致紫外线指数在15厘米处为30.4，在25厘米处为16.6。虽然如果来自阳光，美国环保署会将总的UV-B读数归类为“中度”，但从这个光谱来看，则属于极端暴露。

随着植物的生长，紫外线灯泡停留在距离室基56厘米的地方，而植物托盘和支撑薄膜的PVC框架被移动以适应植物的生长。在整个研究过程中，每株植株的顶部保持在紫外线照射的15-25 cm范围内(第一膜高度=距室基28 cm，第二膜高度=距室基40 cm，室基至植株顶部~ 24 cm)。

We measured the reflectance spectra of the two leaves growing at the top of each plant twice per week for 42 days, over 12 sampling sessions using a Jaz Portable Spectrometer with a PX-2 pulsed xenon light source (Ocean Optics Inc., Dunedin, FL), emitting a D-65 light source relative to a Spectralon white reflectance standard (Labsphere, North Sutton, NH). Reflectance measures were collected using UV-sensitive fiber optic probes fixed at a 45° angle, and external light was blocked using thick black felt. We measured the reflectance spectra of two flower petals per plant using the same sampling protocol, but because flowers were not present on all plants until 32 days into sampling, flower reflectance was only analyzed over the last 10 days of the sampling period, for a total of four sampling sessions. Flower petals were uniformly colored to the human eye, and reflectance measurements were taken from the centermost point of each petal. All sampling sessions were conducted between 8:00 am - 1:00 pm, and each day the order in which flowers were sampled was random. The proportion of UV-B in each sample was calculated as the area between 280 and 320 nm divided by the total area under the curve between 280 and 700 nm. For each individual, we used the average of the two measures from the same sampling day. All data are available in SI.

为了评估植物是否改变了叶片或花朵的UV-B反射率，我们比较了第一个和最后一个采样日。这主要是因为，尽管随机分为两个治疗组，但两组的初始UV-B反射率不同（图。1)．因此，我们选择对每一组的变化趋势建模，而不是直接比较两组，因为不同的起始位置可能会导致结果偏差。我们使用非参数Wilcoxon配对检验来模拟个体改变其UV-B反射率的趋势。在r3.4.3中进行了分析[27］.

叶片UV-B反射率百分比。叶片的UV-B反射率(270-320 nm)占总反射率(280-700 nm)的百分比一个暴露在越来越多的紫外线辐射下b在42天内不受紫外线照射P数值指的是种植时反射率与实验结束时反射率之间的差异

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在暴露于紫外线辐射的植物中，试验结束时叶片中的UV-B反射率与种植时的UV-B反射率没有显著差异（Wilcoxon配对试验，双尾：V = N = 54, 920,p= 0.13)。相比之下，受紫外线保护的植物在UV- b范围内的叶片比例反射率在采样周期结束时显著降低(V = 1415，N= 54,P< 0.001;无花果。1)．

在暴露在紫外线下的植物中，花的UV-B反射率有增加的趋势，但在实验结束时，这一增加与第一天取样的花相比并没有显著增加(N= 52, v = 848，P= 0.15)。同样，受紫外线保护的花朵的UV- b反射率有降低的趋势，但差异不显著(N= 50, v = 812，P= 0.09;无花果。2)．

花的UV-B反射率百分比。UV-B反射率（270-320 nm）占总反射率的百分比（280-700 nm）在花中一个暴露在越来越多的紫外线辐射下b在42天内不受紫外线照射Alpha值指的是采样第32天(所有植物都开花的第一天)和10天后采样最后一天的反射率差异

全尺寸图像

我们的结果表明，在没有紫外线辐射的情况下，植物降低了光谱中UV- b部分的叶片反射率。这与植物对增加的紫外线辐射的适应性反应是增加反射率的假设是一致的，特别是在光谱的UV- b部分，在那里吸收特别有害[2］.我们的研究结果也表明了UV-B反射率的可塑性，因为植物会根据光照条件调整叶片的反射率。这些结果与其他研究一致，这些研究记录了表皮紫外线透过率的可塑性，甚至在短时间内[7］.虽然我们的数据不允许我们准确地模拟植物对各自紫外线环境的适应过程，但它们确实表明响应是渐进的。偶然的是，在研究开始时，暴露在紫外线下的那组叶子的UV-B反射率比没有紫外线的那组低。尽管有一些波动，反射率在整个实验中保持在类似的水平。相比之下，在实验的前几天，紫外线缺乏组的叶片的UV-B反射率开始下降，最终低于紫外线暴露组(图4)。1)．

我们在花的反射率上也发现了类似的趋势，尽管在统计学上没有显著性。2)．It is possible that the effect is weaker because flowers were not present until relatively late in the experiment – the first flowers appeared 24 days into the 42 total sampling days. If indeed UV-B reflectance is downregulated in UV-protected flowers as well, it may imply that the reflectance there serves as a defense barrier similar to leaves. Alternatively, it is possible that the effect is pleiotropic, i.e., that UV reflectance in flowers may play a role in pollinator attraction, and its downregulation as a response to light environments is a costly side effect.

我们的研究并不旨在查明通过我们的模型植物调节UV-B反射机制。有人建议，这两个颜料（类黄酮，类胡萝卜素）和物理结构，诸如叶毛或蜡结构可以负责UV-B的反射率[28，29，我们的数据不允许我们确定是哪一种因素导致了我们观察到的效果。同样需要注意的是，我们的研究使用的UV- b光源的光谱与阳光非常不同，将植物暴露在比正常条件下更极端的紫外线环境中。尽管如此，这些植物看起来生长正常，叶子也没有被损坏。然而，未来的研究应该利用光谱类似于紫外线范围的阳光的UV- b源。

在未来,解决的问题是否减少紫外线反射在鲜花是一个消极的副作用或一个适应性反应可以包括比较物种依靠紫外线吸引传粉者,和那些不确定是否在昆虫和植物表达下调紫外线non-insect-pollinated花。先前的研究发现，叶子和果实的紫外线反射率是正相关的[17]然而，与通常依靠对紫外线敏感的动物授粉的花朵不同，许多水果依靠哺乳动物传播种子，而哺乳动物无法检测到紫外线反射[30.］.在未来的研究中，另一个可能被解决的混杂因素是紫外线反射率在植物-草食动物相互作用中的作用。与与传粉者的相互作用类似，通过改变叶片色素来响应UV-B胁迫的变化，可以对草食动物的行为产生下游影响。未来研究的另一个潜在轨迹是比较适应不同光照条件的物种。考虑到一些植物只生长在高紫外线照射下(如热带、开放栖息地、高山)，而另一些植物的紫外线照射更难预测，我们可以预测后者将更适应其紫外反射能力的可塑性。

未来研究的另一个方向是分离UV-A和UV-B的影响。由于技术上的考虑，本研究过滤了所有的紫外线辐射(< 400 nm)，将两者分开可能会为植物对高能辐射的反应提供更细致的理解。这主要是因为UV-A辐射危害较小，可能在植物发育中发挥重要作用，同时它是昆虫视觉系统更可能获得的范围[18］.

总之，我们的结果为植物增加UV反射以减轻UV-B辐射的潜在损害的假设提供了第一个经验证据。这些结果将在其他物种中复制，以进一步建立这一假设，并在植物-食草动物和植物-传粉者相互作用的背景下研究这一现象。

本研究期间使用和分析的数据集可根据合理要求从通讯作者处获得。

C:

摄氏

cm:

厘米

环保局:

环境保护署

m:

计

纳米:

纳米

Tbsp：

汤匙

紫外线:

紫外线

uv - b:

波长范围280–320 纳米

μmol：

微孔

μW:

微瓦

作者感谢Yan J. Jacques和北卡罗莱纳大学本土植物园对研究系统的有益讨论。我们感谢两位匿名审稿人对这篇手稿之前的草稿所作的评论。

这项研究的所有方面的资金由杜克大学内部研究基金提供(给KV)。ON是由德国科学基金会(Deutsche Forschungsgemeinschaft, no . NE 2156/1-1)在研究这篇手稿时资助的。

从属关系

1. 佛罗里达大学人类学系，特灵顿厅，邮政信箱117305，佛罗里达州盖恩斯维尔，32611-7305，美国

   金正日Valenta

2. 杜克大学进化人类学系，130科学大道，北卡罗来纳州达勒姆，27708，美国

   克里斯汀·迪马克·斯托尔

3. UV Guide UK, Greenfield, School Lane, Govilon, Abergavenny NP79NT, Wales, UK

   弗朗西斯·贝恩斯

4. 杜克大学人工气候室，14电路DR，北卡罗来纳州达勒姆，27710，USA

   Todd Smith, Greg Piotrowski和Norman Hill

5. 乌尔姆大学进化生态学和保护基因组学研究所，阿尔伯特-爱因斯坦allee 11,89081，德国乌尔姆

   Jonas Kuppler和Omer Nevo

贡献

所有作者都参与了研究的设计并撰写了手稿。KV和KD采集数据。FB提供光谱数据和紫外线计读数。在进行了分析。KV, ON和JK设计了实验。所有作者均已阅读并批准本稿件。

相应的作者

对应到金正日Valenta．

伦理批准和同意参与

本研究无需伦理批准或同意参与。

同意出版

不适用。

相互竞争的利益

两位作者宣称没有相互竞争的利益。

出版商的注意

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