趙則海
肇慶學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院,廣東 肇慶 526061
模擬酸雨對(duì)五爪金龍幼苗光合生理特性的影響
趙則海
肇慶學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院,廣東 肇慶 526061
在華南地區(qū),酸雨引起的農(nóng)作物和經(jīng)濟(jì)作物生長(zhǎng)發(fā)育障礙常導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失,而一些有害入侵種在酸雨條件下仍在擴(kuò)散,危害性未受到明顯的抑制。因此,酸雨條件下入侵種生物學(xué)特性研究有助于揭示其入侵規(guī)律。在人工環(huán)境條件下(光照培養(yǎng)箱的溫度為30 ℃,相對(duì)濕度為47.6%,光合有效輻射為63.6 μmol·m-2·s-1)進(jìn)行五爪金龍(Ipomoea cairica L)盆栽試驗(yàn)。五爪金龍幼苗每天噴施營(yíng)養(yǎng)液。采用模擬酸雨(pH梯度為2、3、4、5、6)對(duì)幼苗進(jìn)行脅迫實(shí)驗(yàn),利用LI-6400便攜式光合儀和分光光度法測(cè)定其光合生理特性指標(biāo)。結(jié)果表明:五爪金龍葉片凈光合速率隨酸雨pH值的下降而降低。當(dāng)光合有效輻射(PAR)低于200 μmol·m-2·s-1時(shí),不同酸雨處理葉片的凈光合速率均隨光合有效輻射強(qiáng)度的增加而增大;當(dāng)光合有效輻射高于200 μmol·m-2·s-1時(shí),同一光合有效輻射不同pH處理葉片的凈光合速率均為:CK(對(duì)照) > pH6.0 > pH5.0 > pH4.0 > pH3.0 >pH2.0。隨著酸雨pH值的下降,光飽和點(diǎn)、光補(bǔ)償點(diǎn)、最大凈光合速率、表觀量子效率和暗呼吸速率均呈下降的趨勢(shì)。其中,pH3.0和pH2.0酸雨處理對(duì)各項(xiàng)光合特性參數(shù)的抑制作用均達(dá)到了顯著水平。酸雨脅迫導(dǎo)致五爪金龍葉片葉綠素含量下降,丙二醛含量(MDA)和可溶性糖含量均顯著增加,表明酸雨脅迫對(duì)葉片細(xì)胞膜系統(tǒng)產(chǎn)生了破壞作用。pH6.0、pH5.0和pH4.0酸雨處理對(duì)五爪金龍的光合生理特性影響較小,pH值為3.0和2.0的酸雨處理對(duì)五爪金龍的光合能力抑制顯著。酸雨脅迫導(dǎo)致五爪金龍利用強(qiáng)光能力下降,提高了其利用弱光的能力。五爪金龍光合生理特性對(duì)酸雨環(huán)境較為敏感,對(duì)酸雨脅迫具有一定的耐受性和適應(yīng)性。
模擬酸雨;光合作用;生理特性;五爪金龍
酸雨是指pH值小于5.6的降水,既包括雨水,也包括雪、霧、冰雹等其他形式的降水(鄧偉等,2009)。酸雨已成為世界環(huán)境問(wèn)題之一,其危害常導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失,并影響人類(lèi)身體健康(Shvetsova等,2002)。我國(guó)華南地區(qū)酸雨污染較為嚴(yán)重,大部分地區(qū)的降水pH值小于4.0,酸雨頻率達(dá)50.7%(張遠(yuǎn)東,1999)。酸雨對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生嚴(yán)重影響,可導(dǎo)致植物生理代謝零亂,甚至死亡(張耀民,1996;許梅德,1995)。目前,關(guān)于植物生長(zhǎng)發(fā)育的酸雨研究多涉及農(nóng)作物、經(jīng)濟(jì)作物和造林樹(shù)種等等領(lǐng)域,對(duì)酸雨條件下外來(lái)植物入侵機(jī)理的報(bào)道較少(楊志敏,1994;趙艷霞等,2006)。有學(xué)者針對(duì)入侵植物種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)以及光合特性等方面進(jìn)行了酸雨脅迫研究(宋莉英等,2013;曹欣等,2010;趙則海等,2009),但未見(jiàn)關(guān)于酸雨脅迫對(duì)入侵植物五爪金龍光合特性產(chǎn)生影響的報(bào)道。
五爪金龍(Ipomoea cairica L)為旋花科番薯屬多年生藤本植物,已成為我國(guó)南方地區(qū)危害較為嚴(yán)重的入侵植物之一(胡玉佳等,2001)。通過(guò)研究酸雨對(duì)五爪金龍光合特性和抗性生理特點(diǎn),進(jìn)一步分析五爪金龍對(duì)酸雨脅迫的耐受力和適應(yīng)性,為外來(lái)種入侵機(jī)制研究提供資料。
1.1 實(shí)驗(yàn)材料
五爪金龍種子采自廣東肇慶北嶺山下的自然種群。將收集到的種子蒸餾水浸泡8 h,置于恒溫箱內(nèi)培養(yǎng)(溫度為30 ℃)。培養(yǎng)至第7天,選擇萌發(fā)狀況良好的幼苗移入塑料花盆,盆直徑為20 cm,高為18 cm,以珍珠巖為基質(zhì),共24盆,每盆播放3顆幼苗,轉(zhuǎn)移至光照培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng),每天噴淋營(yíng)養(yǎng)液(配制方法:硝酸鈣1100 mg、硫酸鉀230 mg、磷酸二氫銨310 mg、硫酸鎂450 mg、硫酸銨210 mg用蒸餾水定容至1 L,調(diào)節(jié)pH為6.8)。光照培養(yǎng)箱設(shè)定光照時(shí)間為7:00-19:00時(shí),主要環(huán)境條件見(jiàn)表1。相對(duì)濕度為47.6%;光合有效輻射為63.6 μmol·m-2·s-1,為低輻射強(qiáng)度。移入光照培養(yǎng)箱的幼苗繼續(xù)培養(yǎng)15 d,平均株高為14.4 cm;第16天開(kāi)始酸雨脅迫實(shí)驗(yàn)。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
1.2.1 酸雨脅迫實(shí)驗(yàn)
(1)模擬酸雨溶液配制:模擬酸雨母液溶液用H2SO4和HNO3配制,按V(H2SO4):V(HNO3)=8:1的比例配制母液(蔣紅寶等,2013;劉君峰等,2006)。用蒸餾水稀釋?zhuān)渲贸蓀H分別為2、3、4、5、6的酸雨溶液。以蒸餾水為對(duì)照(CK),pH值為6.8。
(2)模擬酸雨實(shí)驗(yàn):將幼苗分6個(gè)處理組,每組4盆。所有處理組幼苗每天上午充分噴淋1次營(yíng)養(yǎng)液;每天下午分別噴淋pH值為2、3、4、5、6的酸雨溶液,每盆噴淋量約100 mL,對(duì)照組(CK)噴淋等量蒸餾水(pH值為6.8)。酸雨處理7 d后,進(jìn)行光合測(cè)定和生理指標(biāo)測(cè)定。
1.2.2 光響應(yīng)曲線測(cè)定
每個(gè)處理選取4株幼苗進(jìn)行光合測(cè)定。光響應(yīng)曲線測(cè)定在上午9:00-11:00進(jìn)行,利用LI-6400光合測(cè)定系統(tǒng)紅藍(lán)光源設(shè)置光合有效輻射(photosynthetic active radiation, PAR)為2000、1000、500、200、100、60、30、15、0 μmol·m-2·s-1。在每個(gè)處理選擇成熟葉片3片,測(cè)定光合參數(shù),取其平均值。采用低輻射強(qiáng)度0~100 μmol·m-2·s-1中凈光合速率對(duì)光合有效輻射響應(yīng)曲線的起始斜率表示表觀量子效率(apparent quantum yield, AQY, molCO2·mol-1photon)(趙則海等,2005)。擬合方程按Prado和Moraes的方法(Prado等,1997):
式中,P1為最大凈光合速率;P2為常數(shù);Pn為實(shí)測(cè)凈光合速率(net photosynthetic rate, Pn, μmol·m-2·s-1);PAR為光合有效輻射;P3是光補(bǔ)償點(diǎn)。根據(jù)擬合方程計(jì)算最大凈光合速率(the maximum net photosynthetic rate, Pnmax, μmol·m-2·s-1)、暗呼吸速率(dark respiration rate, Rd, μmol·m-2·s-1)、光補(bǔ)償點(diǎn)(light compensation point, LCP, μmol·m-2·s-1)和光飽和點(diǎn)(light saturation point, LSP, μmol·m-2·s-1)。
1.2.3 相關(guān)生理指標(biāo)的測(cè)定
將光合測(cè)定結(jié)束的五爪金龍植株拔苗,用于生理生化指標(biāo)的測(cè)定。
表1 光照培養(yǎng)箱環(huán)境條件Table 1 Environment onditions of light incubator
圖1 不同pH模擬酸雨處理的五爪金龍光響應(yīng)曲線Fig. 1 The light response curve of I. cairica under different treatments of acid rain
(1)鮮葉中葉綠素(chlorophyll)的含量測(cè)定(張志良,1990):稱(chēng)取新鮮葉片0.05 g,剪碎,加80%丙酮、CaCO3和石英砂研磨,轉(zhuǎn)入離心管后加80%丙酮定容至10 mL,離心10 min,上清液為待測(cè)液。分別測(cè)定663 nm、645 nm、440 nm的OD值,計(jì)算待測(cè)液中葉綠素a、葉綠素b的濃度,根據(jù)稀釋倍數(shù)分別計(jì)算每克鮮重葉片中葉綠素含量。
(2)鮮葉中丙二醛(malondialdehyde, MDA)和可溶性糖(soluble sugar)含量測(cè)定(張志良,1990):新鮮葉片0.05 g,加少許10%三氯乙酸(TCA)和少量石英砂研磨,用三氯乙酸定溶至5 mL,離心10 min,取上清液2 mL于帶蓋的10 mL離心管中,加2 mL 0.6%苯巴比妥酸(TBA),混勻,蓋上蓋子,沸水浴15 min,迅速冷卻,離心10 min,測(cè)450 nm,532 nm,600 nm的OD值。根據(jù)稀釋倍數(shù)分別計(jì)算每克鮮重葉片中丙二醛和可溶性糖含量。
以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用EXCEL軟件和SPSS13.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
2.1 模擬酸雨對(duì)五爪金龍葉片光合參數(shù)的影響
圖1顯示了不同pH值酸雨處理對(duì)五爪金龍幼苗光響應(yīng)的影響。當(dāng)光合有效輻射(PAR)低于200 μmol·m-2·s-1時(shí),不同酸雨處理葉片的凈光合速率與光合有效輻射呈線性關(guān)系,均隨光合有效輻射強(qiáng)度的增加而增大。當(dāng)光合有效輻射高于200 μmol·m-2·s-1時(shí),同一光合有效輻射不同處理葉片的凈光合速率有如下規(guī)律:CK(對(duì)照) > pH6.0 >pH5.0 > pH4.0 > pH3.0 > pH2.0,即對(duì)照處理凈光合速率最高,pH2.0處理最低。五爪金龍葉片凈光合速率隨著酸雨pH值的下降而降低,表明酸雨脅迫抑制了五爪金龍葉片的光合作用。與對(duì)照相比,當(dāng)光合有效輻射高于500 μmol·m-2·s-1時(shí),pH6.0和pH5.0處理的凈光合速率下降不明顯,未表現(xiàn)出明顯的強(qiáng)光抑制;而pH4.0、pH3.0 和pH2.0處理的凈光合速率下降明顯,表明受到強(qiáng)光抑制。
由表2可以看出,不同pH值酸雨處理對(duì)各個(gè)光響應(yīng)曲線參數(shù)產(chǎn)生了不同程度的抑制。隨著酸雨pH值的下降,光飽和點(diǎn)、光補(bǔ)償點(diǎn)、最大凈光合速率、表觀量子效率和暗呼吸速率均呈下降的趨勢(shì)。其中,對(duì)照處理的表觀量子效率、光飽和點(diǎn)、光補(bǔ)償點(diǎn)、最大凈光合速率、暗呼吸速率分別比pH2.0酸雨處理高7倍、4.39倍、3.71倍、3.6倍、1.78倍。與對(duì)照相比,低于pH3.0酸雨處理的光補(bǔ)償點(diǎn)和表觀量子效率下降顯著,低于pH4.0酸雨處理的光飽和點(diǎn)和暗呼吸速率下降顯著(其中pH2.0酸雨處理的光飽和點(diǎn)低至199.014 μmol·m-2·s-1),低于pH5.0酸雨處理的最大凈光合速率下降顯著??傮w看,pH2.0和pH3.0酸雨處理對(duì)葉片各項(xiàng)光合特性參數(shù)的抑制作用均達(dá)到了顯著水平。
2.2 不同pH值模擬酸雨對(duì)五爪金龍幼苗葉綠素含量的影響
由表3可以看出,隨著酸雨pH值的降低,五爪金龍葉片葉綠素含量呈下降趨勢(shì)。與對(duì)照相比,各個(gè)處理的葉綠素總量、葉綠素a含量和葉綠素b含量下降均達(dá)到了顯著水平。pH2.0酸雨處理的葉綠素a+b、葉綠素a含量和葉綠素b含量分別為1.386 mg·g-1、0.815 mg·g-1、0.571 mg·g-1,分別比對(duì)照降低54.27%、60.03%、42.49%;葉綠素a/b下降幅度最小,為30.36%。
表2 不同酸雨處理五爪金龍葉片的光合特性比較Table 2 Comparison of main photosynthetic parameters of I. cairica under different treatments of acid rain
表3 酸雨脅迫對(duì)五爪金龍葉片葉綠素含量的影響Table 3 Effects of simulated acid rain on chlorophyll content of leaves of I. cairica
2.3 模擬酸雨對(duì)五爪金龍葉片MDA含量和可溶性糖含量的影響
由圖2可知,隨著酸雨pH值的降低,五爪金龍葉片MDA含量呈增加趨勢(shì);其中,pH2酸雨處理的MDA含量最高,達(dá)0.17 μmol·g-1。pH2和pH3酸雨處理的MDA含量顯著高于對(duì)照(CK),pH4、pH5和pH6酸雨處理的MDA含量與對(duì)照差異不顯著。
圖2 模擬酸雨對(duì)五爪金龍葉片MDA含量的影響Fig. 2 Effects of simulated acid on contents of MDA of leaves of I. cairica
從圖3可知,隨著酸雨pH值的降低,五爪金龍葉片可溶性糖含量呈增加趨勢(shì);其中,pH2酸雨處理的可溶性糖含量最高,達(dá)0.784 mg·g-1。pH2和pH3酸雨處理的可溶性糖含量顯著高于對(duì)照(CK),pH4、pH5和pH6酸雨處理的可溶性糖含量與對(duì)照相比沒(méi)有顯著差異。
圖3 模擬酸雨對(duì)五爪金龍葉片可溶性糖含量的影響Fig. 3 Effects of simulated acid on contents of soluble suger of leaves of I. cairica
多數(shù)植物受酸雨脅迫后光合速率等指標(biāo)呈不同程度的下降趨勢(shì),但也有一些植物在pH為4.0左右的酸雨脅迫條件下最大凈光合速率和表觀量子效率有所提高(田大倫等,2007;陶巧靜等,2014),表明植物的光合特性對(duì)酸雨脅迫存在適應(yīng)性。本實(shí)驗(yàn)中,酸雨脅迫導(dǎo)致五爪金龍葉片的最大凈光合速率、光飽和點(diǎn)、光補(bǔ)償點(diǎn)、最大凈光合速率、表觀量子效率和暗呼吸速率降低。其中,pH值為4.0和5.0的酸雨脅迫對(duì)五爪金龍葉片光合參數(shù)的抑制未達(dá)到顯著水平;pH值為3.0和2.0的酸雨脅迫對(duì)各項(xiàng)光合參數(shù)抑制顯著,這表明pH值低于3.0的酸雨脅迫對(duì)五爪金龍葉片的光合特性產(chǎn)生了顯著影響,對(duì)pH值高于4.0的酸雨脅迫耐受性較強(qiáng)。
較弱光合有效輻射條件下(PAR低于200 μmol·m-2·s-1),由于酸雨脅迫導(dǎo)致五爪金龍葉片的光補(bǔ)償點(diǎn)、光飽和點(diǎn)下降,其凈光合速率均隨光合有效輻射強(qiáng)度的增加而增大,顯然光合作用未受到明顯的抑制。在較強(qiáng)光合有效輻射條件下(PAR高于500 μmol·m-2·s-1),五爪金龍葉片凈光合速率下降顯著,表明酸雨脅迫提高了五爪金龍對(duì)強(qiáng)光抑制的敏感性,尤其在較強(qiáng)酸雨脅迫條件下(pH值低于4.0以下)更為明顯。例如,在250~500 μmol·m-2·s-1光合有效輻射范圍內(nèi)pH2.0處理的凈光合速率受強(qiáng)光抑制明顯,且光抑制隨酸雨脅迫強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大。上述現(xiàn)象表明,酸雨脅迫降低了五爪金龍利用強(qiáng)光的能力,提高了其利用弱光的能力。
已有研究表明,酸雨可導(dǎo)致植物葉片葉綠素減少,且隨酸雨pH值降低片葉綠素的含量下降幅度越大(肖艷等,2004;王強(qiáng)等,2013)。在本實(shí)驗(yàn)中,隨著酸雨pH值的降低,五爪金龍葉片葉綠素a含量下降明顯,葉綠素b含量下降未達(dá)到顯著水平,且葉綠素a/b值下降幅度是最小的。有研究表明,植物在弱光條件下可加快葉綠素b的合成(Bailey等,2001),葉綠素b不僅吸收傳遞光能,而且在調(diào)控光合機(jī)構(gòu)、適應(yīng)各種環(huán)境等過(guò)程中都起作用(郭春愛(ài)等,2006)。酸雨脅迫條件下,五爪金龍通過(guò)加快葉綠素b的合成增強(qiáng)其對(duì)弱光利用能力。
植物在逆境條件下產(chǎn)生的質(zhì)膜損傷,常導(dǎo)致質(zhì)膜過(guò)氧化產(chǎn)物丙二醛(MDA)含量發(fā)生變化,因此MDA含量常作為植物抗逆性指標(biāo)(童貫和等,2005)。由于可溶性糖是植物細(xì)胞內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),酸雨脅迫處理導(dǎo)致植物細(xì)胞內(nèi)可溶性糖含量增加(邱新棉等,2008)。本研究結(jié)果表明,隨著酸雨pH值的降低,五爪金龍葉片MDA含量和可溶性糖含量均呈增加趨勢(shì)。與對(duì)照相比,pH4、pH5和pH6酸雨處理的MDA含量與對(duì)照差異不顯著,五爪金龍對(duì)輕度酸雨脅迫具有很強(qiáng)的耐受性。重度酸雨脅迫處理(pH值為3.0和2.0)顯著增加了五爪金龍葉片MDA含量和可溶性糖含量,表明重度酸雨脅迫對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)產(chǎn)生了破壞。
酸雨脅迫對(duì)五爪金龍葉片光合作用產(chǎn)生了不同程度的抑制,其中,pH值為3.0和2.0的酸雨脅迫對(duì)各項(xiàng)光合參數(shù)的抑制均達(dá)到了顯著水平。酸雨脅迫導(dǎo)致五爪金龍利用強(qiáng)光能力下降,提高了其利用弱光的能力。酸雨脅迫對(duì)五爪金龍葉片葉綠素a抑制明顯,對(duì)葉綠素b抑制不顯著。在弱光條件下五爪金龍葉片葉綠素b的合成增強(qiáng)其對(duì)弱光利用能力。五爪金龍葉片對(duì)輕度酸雨脅迫(pH值為6.0、5.0和4.0)具有很強(qiáng)的耐受性,光合生理特性受酸雨脅迫影響較小。重度酸雨脅迫(pH值為3.0和2.0)引起MDA含量和可溶性糖含量增加顯著,表明重度酸雨脅迫對(duì)五爪金龍細(xì)胞膜系統(tǒng)影響較大。pH值大于4.0酸雨對(duì)五爪金龍生長(zhǎng)發(fā)育的抑制作用不明顯,pH值小于4.0酸雨對(duì)五爪金龍有一定抑制,這表明五爪金龍光合生理特性對(duì)酸雨環(huán)境較為敏感,對(duì)酸雨脅迫具較強(qiáng)的耐受性。
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Effects of Simulated Acid Rain on Photosynthetic Physiology Characteristics of Ipomoea Cairica Seedling
ZHAO Zehai
Faculty of Life Sciences, Zhaoqing University, Zhaoqing 526061, China
The inhibition of acid rain on growth and development of crop and economic crop often caused serious economic lossess in the Southern China. However, some harmful invasive species was still spreading and its harmfulness was not obviously inhibited under acid rain conditions. Therefore, the study on biological characteristics of invasive species with acid rain condition will help reveal its invasion rules. The pot experiments for Ipomoea cairica seedling were implemented under artificial environmental conditions (light incubator conditions: temperature was 30℃, relative humidity was 47.6% and photosynthetic active radiation (PAR) was 63.6 μmol·m-2·s-1). And nutrient solution was spraying on leaves of I. cairica seedling every day. I. cairica seedling were continuously treated with simulated acid rain (pH value of acid rain were 2, 3, 4, 5 and 6). The photosynthetic physiology characteristics were mensurated using LI-6400 portable photosynthesis system and spectrophotometry. The results showed that: the net photosynthetic rate of leaves of I. cairica decreased with reducing the pH values of acid rain. When the photosynthetic active radiation was less than 200 μmol·m-2·s-1, the net photosynthetic rate increased with increasing of photosynthetic active radiation under different acid rain treatments. When the photosynthetic active radiation was more than 200 μmol·m-2·s-1, rules of the net photosynthetic rates with different pH values of acid rain at the same photosynthetic active radiation were as follows: CK(control check) > pH6.0 > pH5.0 > pH4.0 > pH3.0 > pH2.0. With decreasing of pH values of acid rain, light saturation point (LSP), light compensation point (LCP), maximum net photosynthetic rate, apparent quantum yield (AQY) and dark respiration rate displayed a decrease trend. Among them, the inhibitory effects on all photosynthetic characteristic parameters reached the significant level under the acid rain treatments of pH3.0 and pH2.0. The treatments of acid rain stress decreased chlorophyll contents in leaves of I cairica, and increased the contents of malondialdehyde (MDA) and soluble sugar significantly. Which indicated that acid rain stress had a destructive effect on the leaf cell membrane system. Effect of acid rain treatments of pH6.0, pH5.0 and pH4.0 was not obvious on photosynthetic physiological characteristics. But acid rain treatments of pH3.0 and pH2.0 inhibited significantly on photosynthetic capacity of I. cairica. Acid rain stress decreased ability to utilize strong light of I. cairica, and improved their ability to utilize weak light. The photosynthetic physiological characteristics of I. cairica showed sensitive on acid rain. There were certain capacitis of tolerance and adaptability against acid rain stress.
simulated acid rain; photosynthesis; physiological characteristics; Ipomoea cairica
Q948.1
A
1674-5906(2014)09-1498-05
趙則海. 模擬酸雨對(duì)五爪金龍幼苗光合生理特性的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2014, 23(9): 1498-1502.
ZHAO Zehai. Effects of Simulated Acid Rain on Photosynthetic Physiology Characteristics of Ipomoea Cairica Seedling [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(9): 1498-1502.
東北林業(yè)大學(xué)森林植物生態(tài)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究基金項(xiàng)目(KLP201101);肇慶學(xué)院優(yōu)秀科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(生態(tài)學(xué)團(tuán)隊(duì))
趙則海(1968年生),男,教授,博士,研究方向?yàn)橹参锷鷳B(tài)學(xué)。E-mail: zhzh315@sina.com
2014-07-30