大气臭氧浓度升高的生理响应范文

《中南林业科技大学学报》2015年第二期

1材料和方法

1.1实验设备采用自制的模拟自然动态的、开顶式熏气室，体积约1.5m3。O3由广东省中山市聪明人环保科技有限公司生产的YIDAB-8D型号臭氧发生器产生，采用美国ECO公司生产的A-21ZX便携式臭氧分析仪（灵敏度0.01×10-6，量程为0～10×10-6）对熏气室中O3浓度进行实时测量。本试验参照前人研究成果设置臭氧浓度和熏气时间[16]，并根据本次的试验材料和研究目的进行相应的调整，此外，在正式试验开始前进行了预备试验，综合考虑制定如下试验设计方案：试验设4个处理：高浓度O3处理-E200（臭氧体积分数为200×10-9）、中浓度O3处理-E100（臭氧体积分数为100×10-9）、低浓度O3处理-E50（臭氧体积分数为50×10-9）和自然大气处理-NF（臭氧体积分数为10×10-9～20×10-9）。每个处理设置3次重复，每次重复的熏气时间为3d，选取10株苗木作为实验对象。试验时分别将秋枫和木棉的苗木各10盆放入熏气室中，关闭气室门，留出空隙以补充自然空气，控制好臭氧发生器产生的O3的浓度和气室空隙的大小，利用室内风扇搅动空气使气体处于流动状态，使熏气室内的O3浓度保持稳定。从2010年4月16日起正式熏气，每天熏气时间为9:30～16:30，每小时测定一次O3浓度看其是否保持稳定。4月19日停止供气，试验过程中水肥条件、温度和病虫害等因素可能有一定影响，但不成为主要限制因子。

1.2测定指标4月19日对4个处理的秋枫和木棉取样，选取每株实验苗自下而上的第2、3片叶片数片，用蒸馏水洗净，滤纸吸干，去除叶片中脉测定各项生理指标。膜透性以相对电导率表示，相对电导率测定采用DDS-11A型电导仪，电导率为试验苗叶片初始电导率与煮沸后电导率的比值；丙二醛（MDA）含量测定采用硫代巴比妥酸（TBA）法；可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定；可溶性蛋白质含量采用考马斯亮蓝染色法测定[21]，以牛血清蛋白为标准蛋白；过氧化氢酶（CAT）活性采用紫外分光光度计法测定，以每分钟每毫克蛋白氧化的H2O2毫摩尔数表示酶活性；过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法测定，以mg•min-1为单位[25]。

1.3数据处理方法应用MicrosoftExcel2003与R语言等软件分析程序对试验数据进行统计分析。

2结果与分析

2.1O3对膜脂过氧化程度的影响由图1可知，木棉和秋枫叶片的MDA含量均随臭氧浓度增加而上升，两种植物的MDA含量与臭氧浓度呈显著正相关关系（秋枫R2=0.889、木棉R2=0.7996），同种植物不同浓度处理之间差异极其显著（p＜0.05）。这表明臭氧浓度升高，加剧了木棉和秋枫叶片的膜脂过氧化作用，加速了叶片的衰老进程。由图2可知，木棉和秋枫叶片的膜相对透性均随臭氧浓度增加而上升，且两种植物的膜相对透性均与臭氧浓度呈显著正相关关系（秋枫R2=0.995、木棉R2=0.7943），同种植物不同浓度处理之间差异显著（p＜0.05）。这说明在高浓度臭氧暴露下，木棉和秋枫叶片的膜系统受到伤害。

2.2O3对可溶性蛋白和可溶性糖含量的影响图3表明，臭氧胁迫下，秋枫叶片可溶性蛋白含量随臭氧浓度的升高而逐渐降低，在E50、E100、E200处理时，分别较对照（NF）降低14.07%、74.40%和96.93%；木棉叶片可溶性蛋白含量在E50、E100处理时分别降低19.00%和1.00%，而在E200处理时上升至7.46mg•g-1，较对照上升幅度达120.00%。如图4所示，随臭氧浓度的增加，木棉和秋枫叶片的可溶性糖含量变化一致。均是随臭氧浓度的增加而上升，E50处理时达到最高值，分别为18.92mg•g-1、21.62mg•g-1，分别较对照升高18.16%和12.14%。而后在E100、E200处理时有小幅下降。

2.3O3对保护酶活性的影响由图5可知，秋枫和木棉叶片POD活性随臭氧浓度的增加先降低后升高，秋枫在E100处理时达到最低点，POD活性为0.24mg•min-1，在E200处理时则突然升高，POD活性为1.53mg•min-1；木棉叶片POD活性则在E50处理时达到最低值，为7.18mg•min-1，在E100和E200处理时分别较对照提高了109.24%和208.57%。图6表明，秋枫叶片的过氧化氢酶活性呈先升高后降低的趋势，在E100浓度处理时达到最高值，较对照升高161.86%；木棉叶片CAT活性随臭氧浓度增加而降低。较对照分别降低16.67%（E50）、12.50%（E100）和68.33%（E200）。

2.42种植物适应O3胁迫能力的综合评价采用主成分分析对2种苗木的耐臭氧胁迫能力做综合评价。选E50、E100两个浓度进行处理，其综合得分排序均为秋枫＞木棉，表明秋枫耐臭氧胁迫的能力比木棉强。

3结论和讨论

MDA是叶细胞代谢过程中产生的过氧化产物，其含量的高低是判定叶片衰老程度的重要指标，它反映了膜脂过氧化的程度，植物衰老进程的改变也能反映了植物受害程度，这在酸雨、二氧化硫及重金属污染等研究中已得到证明。细胞膜是植物受臭氧胁迫时的原初反应基地[28]，如果植物在胁迫下还能保持其细胞膜结构和性质的稳定性，则其内部发生的变化也是微弱的，并且危害通常也是可逆的。相反，如果膜的性质和结构遭到严重破坏，植物的局部和整体都可能受害，最后死亡。因此，臭氧含量超过一定浓度时，植物可能受到伤害。在本研究中，随着臭氧浓度的增加，秋枫和木棉两种植物叶片MDA的含量均显著增加（p＜0.05），膜的相对透性也均显著上升（p＜0.05）。说明两种植物对臭氧胁迫均比较敏感，并且两种植物体内MDA和膜透性的增加具有同步性，这是因为在臭氧胁迫下，秋枫和木棉体内产生大量活性氧，而活性氧能使膜脂发生过氧化作用或脂膜脱脂作用(形成MDA),从而引起膜透性的增加。植物体内可溶性蛋白是可转运氮的贮存物，是植物进行各项生理生化过程的基础。因此，植物体内可溶性蛋白含量的高低能反映出植物体生理生化活动的状态。有研究表明，臭氧胁迫下大部分植物可溶性蛋白含量出现下降，而在部分重金属污染的胁迫下植物体可溶性蛋白含量则表现出先升高再降低。本实验研究中，随臭氧浓度的增加，秋枫可溶性蛋白的含量逐渐降低，木棉则表现为先降低而后大幅度回升。从这一指标来看，木棉对臭氧胁迫保护性的适应性性更强。

可溶性糖是植物体碳素营养状况和环境胁迫的指标，并且具有抗氧化作用，能减少植物细胞膜脂过氧化程度，对膜透性的变化起到一定的缓和作用，从而对植物产生一定的防护作用。在臭氧胁迫下，可溶性糖作为渗透调节物质来适应胁迫，通常情况下，随O3浓度的升高，植物体可溶性糖含量降低。本实验中，秋枫呈上升后略为下降的趋势，但总体上变化不明显；而木棉则是呈先下降后升高的趋势，表明木棉对O3浓度的敏感性较强。大量研究表明，逆境会影响植物的酶促系统。其中，POD、CAT等酶组成植物体内抗氧化酶系统的重要保护酶，CAT、POD催化H2O2形成H2O，能够在逆境胁迫中有效地清除植物体内的活性氧，平衡活性氧的代谢，保护膜结构。本实验中，秋枫和木棉POD活性均是随臭氧浓度的增加而呈现先降低后升高的趋势，而CAT则是随臭氧浓度的增加而呈现先升高后降低的趋势。说明两树种对O3的胁迫反映特点基本一致。臭氧胁迫下，植物体生理生化活动的代谢特点和机制可能是：植物遭到臭氧胁迫时产生了大量活性氧和羟自由基，当植物体内活性氧的浓度积累到一定浓度时，CAT、POD、SOD等抗氧化酶被诱导加速生成，SOD清除O2-•和OH•形成H2O2，CAT、POD催化H2O2形成H2O。这些酶活性的增加，机体内膜保护系统被诱导而加强生理活动，是对O3污染的胁迫响应，更有利于活性氧的清除。另一方面，POD具有IAA氧化酶的活性，在臭氧胁迫下POD活性的增加和CAT活性的降低都不利于植物对活性氧的清除。

作者：郭雄飞黎华寿杨宝仪陈红跃王志云单位：华南农业大学资源环境学院华南农业大学林学与风景园林学院佛山市林业科学研究所