大氣臭氧濃度升高的生理響應范文

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《中南林業科技大學學報》2015年第二期

1材料和方法

1.1實驗設備采用自制的模擬自然動態的、開頂式熏氣室，體積約1.5m3。O3由廣東省中山市聰明人環?？萍加邢薰旧a的YIDAB-8D型號臭氧發生器產生，采用美國ECO公司生產的A-21ZX便攜式臭氧分析儀（靈敏度0.01×10-6，量程為0～10×10-6）對熏氣室中O3濃度進行實時測量。本試驗參照前人研究成果設置臭氧濃度和熏氣時間[16]，并根據本次的試驗材料和研究目的進行相應的調整，此外，在正式試驗開始前進行了預備試驗，綜合考慮制定如下試驗設計方案：試驗設4個處理：高濃度O3處理-E200（臭氧體積分數為200×10-9）、中濃度O3處理-E100（臭氧體積分數為100×10-9）、低濃度O3處理-E50（臭氧體積分數為50×10-9）和自然大氣處理-NF（臭氧體積分數為10×10-9～20×10-9）。每個處理設置3次重復，每次重復的熏氣時間為3d，選取10株苗木作為實驗對象。試驗時分別將秋楓和木棉的苗木各10盆放入熏氣室中，關閉氣室門，留出空隙以補充自然空氣，控制好臭氧發生器產生的O3的濃度和氣室空隙的大小，利用室內風扇攪動空氣使氣體處于流動狀態，使熏氣室內的O3濃度保持穩定。從2010年4月16日起正式熏氣，每天熏氣時間為9:30～16:30，每小時測定一次O3濃度看其是否保持穩定。4月19日停止供氣，試驗過程中水肥條件、溫度和病蟲害等因素可能有一定影響，但不成為主要限制因子。

1.2測定指標4月19日對4個處理的秋楓和木棉取樣，選取每株實驗苗自下而上的第2、3片葉片數片，用蒸餾水洗凈，濾紙吸干，去除葉片中脈測定各項生理指標。膜透性以相對電導率表示，相對電導率測定采用DDS-11A型電導儀，電導率為試驗苗葉片初始電導率與煮沸后電導率的比值；丙二醛（MDA）含量測定采用硫代巴比妥酸（TBA）法；可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定；可溶性蛋白質含量采用考馬斯亮藍染色法測定[21]，以牛血清蛋白為標準蛋白；過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外分光光度計法測定，以每分鐘每毫克蛋白氧化的H2O2毫摩爾數表示酶活性；過氧化物酶(POD)活性采用愈創木酚法測定，以mg•min-1為單位[25]。

1.3數據處理方法應用MicrosoftExcel2003與R語言等軟件分析程序對試驗數據進行統計分析。

2結果與分析

2.1O3對膜脂過氧化程度的影響由圖1可知，木棉和秋楓葉片的MDA含量均隨臭氧濃度增加而上升，兩種植物的MDA含量與臭氧濃度呈顯著正相關關系（秋楓R2=0.889、木棉R2=0.7996），同種植物不同濃度處理之間差異極其顯著（p＜0.05）。這表明臭氧濃度升高，加劇了木棉和秋楓葉片的膜脂過氧化作用，加速了葉片的衰老進程。由圖2可知，木棉和秋楓葉片的膜相對透性均隨臭氧濃度增加而上升，且兩種植物的膜相對透性均與臭氧濃度呈顯著正相關關系（秋楓R2=0.995、木棉R2=0.7943），同種植物不同濃度處理之間差異顯著（p＜0.05）。這說明在高濃度臭氧暴露下，木棉和秋楓葉片的膜系統受到傷害。

2.2O3對可溶性蛋白和可溶性糖含量的影響圖3表明，臭氧脅迫下，秋楓葉片可溶性蛋白含量隨臭氧濃度的升高而逐漸降低，在E50、E100、E200處理時，分別較對照（NF）降低14.07%、74.40%和96.93%；木棉葉片可溶性蛋白含量在E50、E100處理時分別降低19.00%和1.00%，而在E200處理時上升至7.46mg•g-1，較對照上升幅度達120.00%。如圖4所示，隨臭氧濃度的增加，木棉和秋楓葉片的可溶性糖含量變化一致。均是隨臭氧濃度的增加而上升，E50處理時達到最高值，分別為18.92mg•g-1、21.62mg•g-1，分別較對照升高18.16%和12.14%。而后在E100、E200處理時有小幅下降。

2.3O3對保護酶活性的影響由圖5可知，秋楓和木棉葉片POD活性隨臭氧濃度的增加先降低后升高，秋楓在E100處理時達到最低點，POD活性為0.24mg•min-1，在E200處理時則突然升高，POD活性為1.53mg•min-1；木棉葉片POD活性則在E50處理時達到最低值，為7.18mg•min-1，在E100和E200處理時分別較對照提高了109.24%和208.57%。圖6表明，秋楓葉片的過氧化氫酶活性呈先升高后降低的趨勢，在E100濃度處理時達到最高值，較對照升高161.86%；木棉葉片CAT活性隨臭氧濃度增加而降低。較對照分別降低16.67%（E50）、12.50%（E100）和68.33%（E200）。

2.42種植物適應O3脅迫能力的綜合評價采用主成分分析對2種苗木的耐臭氧脅迫能力做綜合評價。選E50、E100兩個濃度進行處理，其綜合得分排序均為秋楓＞木棉，表明秋楓耐臭氧脅迫的能力比木棉強。

3結論和討論

MDA是葉細胞代謝過程中產生的過氧化產物，其含量的高低是判定葉片衰老程度的重要指標，它反映了膜脂過氧化的程度，植物衰老進程的改變也能反映了植物受害程度，這在酸雨、二氧化硫及重金屬污染等研究中已得到證明。細胞膜是植物受臭氧脅迫時的原初反應基地[28]，如果植物在脅迫下還能保持其細胞膜結構和性質的穩定性，則其內部發生的變化也是微弱的，并且危害通常也是可逆的。相反，如果膜的性質和結構遭到嚴重破壞，植物的局部和整體都可能受害，最后死亡。因此，臭氧含量超過一定濃度時，植物可能受到傷害。在本研究中，隨著臭氧濃度的增加，秋楓和木棉兩種植物葉片MDA的含量均顯著增加（p＜0.05），膜的相對透性也均顯著上升（p＜0.05）。說明兩種植物對臭氧脅迫均比較敏感，并且兩種植物體內MDA和膜透性的增加具有同步性，這是因為在臭氧脅迫下，秋楓和木棉體內產生大量活性氧，而活性氧能使膜脂發生過氧化作用或脂膜脫脂作用(形成MDA),從而引起膜透性的增加。植物體內可溶性蛋白是可轉運氮的貯存物，是植物進行各項生理生化過程的基礎。因此，植物體內可溶性蛋白含量的高低能反映出植物體生理生化活動的狀態。有研究表明，臭氧脅迫下大部分植物可溶性蛋白含量出現下降，而在部分重金屬污染的脅迫下植物體可溶性蛋白含量則表現出先升高再降低。本實驗研究中，隨臭氧濃度的增加，秋楓可溶性蛋白的含量逐漸降低，木棉則表現為先降低而后大幅度回升。從這一指標來看，木棉對臭氧脅迫保護性的適應性性更強。

可溶性糖是植物體碳素營養狀況和環境脅迫的指標，并且具有抗氧化作用，能減少植物細胞膜脂過氧化程度，對膜透性的變化起到一定的緩和作用，從而對植物產生一定的防護作用。在臭氧脅迫下，可溶性糖作為滲透調節物質來適應脅迫，通常情況下，隨O3濃度的升高，植物體可溶性糖含量降低。本實驗中，秋楓呈上升后略為下降的趨勢，但總體上變化不明顯；而木棉則是呈先下降后升高的趨勢，表明木棉對O3濃度的敏感性較強。大量研究表明，逆境會影響植物的酶促系統。其中，POD、CAT等酶組成植物體內抗氧化酶系統的重要保護酶，CAT、POD催化H2O2形成H2O，能夠在逆境脅迫中有效地清除植物體內的活性氧，平衡活性氧的代謝，保護膜結構。本實驗中，秋楓和木棉POD活性均是隨臭氧濃度的增加而呈現先降低后升高的趨勢，而CAT則是隨臭氧濃度的增加而呈現先升高后降低的趨勢。說明兩樹種對O3的脅迫反映特點基本一致。臭氧脅迫下，植物體生理生化活動的代謝特點和機制可能是：植物遭到臭氧脅迫時產生了大量活性氧和羥自由基，當植物體內活性氧的濃度積累到一定濃度時，CAT、POD、SOD等抗氧化酶被誘導加速生成，SOD清除O2-•和OH•形成H2O2，CAT、POD催化H2O2形成H2O。這些酶活性的增加，機體內膜保護系統被誘導而加強生理活動，是對O3污染的脅迫響應，更有利于活性氧的清除。另一方面，POD具有IAA氧化酶的活性，在臭氧脅迫下POD活性的增加和CAT活性的降低都不利于植物對活性氧的清除。

作者：郭雄飛黎華壽楊寶儀陳紅躍王志云單位：華南農業大學資源環境學院華南農業大學林學與風景園林學院佛山市林業科學研究所