大氣臭氧濃度升高的生理響應(yīng)范文

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《中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)》2015年第二期

1材料和方法

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用自制的模擬自然動(dòng)態(tài)的、開頂式熏氣室，體積約1.5m3。O3由廣東省中山市聰明人環(huán)保科技有限公司生產(chǎn)的YIDAB-8D型號(hào)臭氧發(fā)生器產(chǎn)生，采用美國(guó)ECO公司生產(chǎn)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(duì)熏氣室中O3濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。本試驗(yàn)參照前人研究成果設(shè)置臭氧濃度和熏氣時(shí)間[16]，并根據(jù)本次的試驗(yàn)材料和研究目的進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，此外，在正式試驗(yàn)開始前進(jìn)行了預(yù)備試驗(yàn)，綜合考慮制定如下試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案：試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理：高濃度O3處理-E200（臭氧體積分?jǐn)?shù)為200×10-9）、中濃度O3處理-E100（臭氧體積分?jǐn)?shù)為100×10-9）、低濃度O3處理-E50（臭氧體積分?jǐn)?shù)為50×10-9）和自然大氣處理-NF（臭氧體積分?jǐn)?shù)為10×10-9～20×10-9）。每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)，每次重復(fù)的熏氣時(shí)間為3d，選取10株苗木作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。試驗(yàn)時(shí)分別將秋楓和木棉的苗木各10盆放入熏氣室中，關(guān)閉氣室門，留出空隙以補(bǔ)充自然空氣，控制好臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的O3的濃度和氣室空隙的大小，利用室內(nèi)風(fēng)扇攪動(dòng)空氣使氣體處于流動(dòng)狀態(tài)，使熏氣室內(nèi)的O3濃度保持穩(wěn)定。從2010年4月16日起正式熏氣，每天熏氣時(shí)間為9:30～16:30，每小時(shí)測(cè)定一次O3濃度看其是否保持穩(wěn)定。4月19日停止供氣，試驗(yàn)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(cè)定指標(biāo)4月19日對(duì)4個(gè)處理的秋楓和木棉取樣，選取每株實(shí)驗(yàn)苗自下而上的第2、3片葉片數(shù)片，用蒸餾水洗凈，濾紙吸干，去除葉片中脈測(cè)定各項(xiàng)生理指標(biāo)。膜透性以相對(duì)電導(dǎo)率表示，相對(duì)電導(dǎo)率測(cè)定采用DDS-11A型電導(dǎo)儀，電導(dǎo)率為試驗(yàn)苗葉片初始電導(dǎo)率與煮沸后電導(dǎo)率的比值；丙二醛（MDA）含量測(cè)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(cè)定；可溶性蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍(lán)染色法測(cè)定[21]，以牛血清蛋白為標(biāo)準(zhǔn)蛋白；過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外分光光度計(jì)法測(cè)定，以每分鐘每毫克蛋白氧化的H2O2毫摩爾數(shù)表示酶活性；過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定，以mg•min-1為單位[25]。

1.3數(shù)據(jù)處理方法應(yīng)用MicrosoftExcel2003與R語言等軟件分析程序?qū)υ囼?yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2結(jié)果與分析

2.1O3對(duì)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(guān)關(guān)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(jìn)程。由圖2可知，木棉和秋楓葉片的膜相對(duì)透性均隨臭氧濃度增加而上升，且兩種植物的膜相對(duì)透性均與臭氧濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)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(tǒng)受到傷害。

2.2O3對(duì)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(shí)，分別較對(duì)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(shí)分別降低19.00%和1.00%，而在E200處理時(shí)上升至7.46mg•g-1，較對(duì)照上升幅度達(dá)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(shí)達(dá)到最高值，分別為18.92mg•g-1、21.62mg•g-1，分別較對(duì)照升高18.16%和12.14%。而后在E100、E200處理時(shí)有小幅下降。

2.3O3對(duì)保護(hù)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(shí)達(dá)到最低點(diǎn)，POD活性為0.24mg•min-1，在E200處理時(shí)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(shí)達(dá)到最低值，為7.18mg•min-1，在E100和E200處理時(shí)分別較對(duì)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(shì)，在E100濃度處理時(shí)達(dá)到最高值，較對(duì)照升高161.86%；木棉葉片CAT活性隨臭氧濃度增加而降低。較對(duì)照分別降低16.67%（E50）、12.50%（E100）和68.33%（E200）。

2.42種植物適應(yīng)O3脅迫能力的綜合評(píng)價(jià)采用主成分分析對(duì)2種苗木的耐臭氧脅迫能力做綜合評(píng)價(jià)。選E50、E100兩個(gè)濃度進(jìn)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(qiáng)。

3結(jié)論和討論

MDA是葉細(xì)胞代謝過程中產(chǎn)生的過氧化產(chǎn)物，其含量的高低是判定葉片衰老程度的重要指標(biāo)，它反映了膜脂過氧化的程度，植物衰老進(jìn)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(xì)胞膜是植物受臭氧脅迫時(shí)的原初反應(yīng)基地[28]，如果植物在脅迫下還能保持其細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的穩(wěn)定性，則其內(nèi)部發(fā)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(zhì)和結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)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(shí)，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(duì)透性也均顯著上升（p＜0.05）。說明兩種植物對(duì)臭氧脅迫均比較敏感，并且兩種植物體內(nèi)MDA和膜透性的增加具有同步性，這是因?yàn)樵诔粞趺{迫下，秋楓和木棉體內(nèi)產(chǎn)生大量活性氧，而活性氧能使膜脂發(fā)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(nèi)可溶性蛋白是可轉(zhuǎn)運(yùn)氮的貯存物，是植物進(jìn)行各項(xiàng)生理生化過程的基礎(chǔ)。因此，植物體內(nèi)可溶性蛋白含量的高低能反映出植物體生理生化活動(dòng)的狀態(tài)。有研究表明，臭氧脅迫下大部分植物可溶性蛋白含量出現(xiàn)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(xiàn)出先升高再降低。本實(shí)驗(yàn)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(xiàn)為先降低而后大幅度回升。從這一指標(biāo)來看，木棉對(duì)臭氧脅迫保護(hù)性的適應(yīng)性性更強(qiáng)。

可溶性糖是植物體碳素營(yíng)養(yǎng)狀況和環(huán)境脅迫的指標(biāo)，并且具有抗氧化作用，能減少植物細(xì)胞膜脂過氧化程度，對(duì)膜透性的變化起到一定的緩和作用，從而對(duì)植物產(chǎn)生一定的防護(hù)作用。在臭氧脅迫下，可溶性糖作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來適應(yīng)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(shí)驗(yàn)中，秋楓呈上升后略為下降的趨勢(shì)，但總體上變化不明顯；而木棉則是呈先下降后升高的趨勢(shì)，表明木棉對(duì)O3濃度的敏感性較強(qiáng)。大量研究表明，逆境會(huì)影響植物的酶促系統(tǒng)。其中，POD、CAT等酶組成植物體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)的重要保護(hù)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(nèi)的活性氧，平衡活性氧的代謝，保護(hù)膜結(jié)構(gòu)。本實(shí)驗(yàn)中，秋楓和木棉POD活性均是隨臭氧濃度的增加而呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，而CAT則是隨臭氧濃度的增加而呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。說明兩樹種對(duì)O3的脅迫反映特點(diǎn)基本一致。臭氧脅迫下，植物體生理生化活動(dòng)的代謝特點(diǎn)和機(jī)制可能是：植物遭到臭氧脅迫時(shí)產(chǎn)生了大量活性氧和羥自由基，當(dāng)植物體內(nèi)活性氧的濃度積累到一定濃度時(shí)，CAT、POD、SOD等抗氧化酶被誘導(dǎo)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(jī)體內(nèi)膜保護(hù)系統(tǒng)被誘導(dǎo)而加強(qiáng)生理活動(dòng)，是對(duì)O3污染的脅迫響應(yīng)，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(duì)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(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院佛山市林業(yè)科學(xué)研究所