模擬酸雨對(duì)3種本地草本植物的脅迫效應(yīng)

柯展鴻， 王遠(yuǎn)智， 宋莉英， 孫蘭蘭， 彭長(zhǎng)連*

(1.華南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，廣州 510631； 2.廣州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，廣州 510006)

酸雨污染對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類(lèi)生存環(huán)境造成嚴(yán)重影響，已成為全球性重要的環(huán)境問(wèn)題. 目前，對(duì)酸雨的研究，大多涉及酸雨成因、時(shí)空分布和治理對(duì)策，對(duì)農(nóng)作物、經(jīng)濟(jì)作物和針葉樹(shù)種等植物的傷害機(jī)理以及對(duì)水陸生態(tài)系統(tǒng)的影響等方面[1]. 但是，關(guān)于酸雨危害程度的大小和作用機(jī)理方面仍有許多未了解，如酸雨危害下植物的光合生理和適應(yīng)性反應(yīng)就是其中的問(wèn)題[2]；在酸雨高發(fā)區(qū)，環(huán)境綠化及生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中還有許多問(wèn)題亟待解決，如土壤酸化，土壤鹽基離子大量淋失、土壤微生物生長(zhǎng)受到影響以及植物難以生長(zhǎng)等. 因此，找到適應(yīng)性強(qiáng)、緩沖能力高的植物無(wú)疑具有重要意義.

華澤蘭(EupatoriumchinenseLinn.)、雞矢藤[Paederiascandens(Lour.) Merr.]和蟛蜞菊[Wedeliachinensis(Osbeck.)Merr.]為華南地區(qū)常見(jiàn)的幾種本地藥用草本植物[3-5]，具有草本植物典型的生長(zhǎng)迅速, 莖葉繁茂，根系發(fā)達(dá)等特點(diǎn)，對(duì)水土保持和環(huán)境綠化具有重要作用.

本研究通過(guò)比較3種草本植物在光合生理和抗性生理方面對(duì)酸雨脅迫的響應(yīng)差異，探討草本植物對(duì)酸雨脅迫的敏感性和耐受能力，闡明酸雨對(duì)植物光合生理和抗性生理的影響機(jī)制，為酸雨地區(qū)開(kāi)展植物綠化及生態(tài)恢復(fù)提供理論參考依據(jù).

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)所用植物材料華澤蘭(EupatoriumchinenseLinn.)采自廣州市華南植物園內(nèi)的自然種群，雞矢藤[Paederiascandens(Lour.) Merr.]和蟛蜞菊[Wedeliachinensis(Osbeck.)Merr.]采自華南師范大學(xué)標(biāo)本園.

選取扦插2～4周后生長(zhǎng)健壯、長(zhǎng)勢(shì)一致的再生小苗移栽到小花盆中(直徑10 cm, 高5 cm, 容積250 mL)，基質(zhì)采用營(yíng)養(yǎng)土、河沙和塘泥(體積比為1∶1∶1)的混合物，設(shè)置3個(gè)酸雨濃度梯度，每個(gè)梯度6盆，每盆移栽1株小苗.

1.2 方法

1.2.2 葉片傷斑面積測(cè)定及受害等級(jí)劃分 酸雨處理30 d后，每個(gè)處理選取4株植物，摘取同一葉位的成熟葉片，用透明方格坐標(biāo)紙測(cè)得葉片傷斑面積和總面積，以傷斑面積占總?cè)~面積的百分比表征葉片的受傷害程度；參考宋莉英等[7]的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將葉片受酸雨脅迫傷害分為5個(gè)等級(jí)：N:葉片沒(méi)有可見(jiàn)傷害；Ⅰ:葉片受害輕微，受害葉面積<5%；Ⅱ:葉片受害較明顯，受害面積約5%～10%；Ⅲ:葉片受害明顯，受害面積約10%左右；Ⅳ:葉片受害較重，受害面積約10%～20%.

1.2.3 光合特性測(cè)定 酸雨處理30 d后，每個(gè)處理選取4株，每株1片成熟葉，于晴天上午9：00—11:30測(cè)定葉片凈光合速率(Pn)-光強(qiáng)響應(yīng)曲線.設(shè)定進(jìn)入葉室的CO2濃度(Ca)為 380 μmol/mol，光量子通量密度(photosynthetic photon quanta flux density, PPFD)依次為1 500、1 200、800、600、300、150、100、80、50、20、0 μmol/(m2·s)，自高光強(qiáng)開(kāi)始測(cè)定. 依據(jù) Bassman和Zwier[8]的方法擬合Pn-PPFD的曲線方程，并計(jì)算最大光合速率(the maximum net photosynthetic rate,Pmax)、光飽和點(diǎn)(light saturati on point, LSP)、光補(bǔ)償點(diǎn)(light compensation point, LCP)、表觀量子效率(apparent quantum yield, AQY)和暗呼吸速率(dark respiration rate, Rd).

1.2.4 葉綠素含量測(cè)定 葉綠素含量參照Arnon[9]的方法測(cè)定.

1.2.5 酶活性測(cè)定 超氧化物歧化酶(SOD)活性參考李合生[10]的方法測(cè)定，過(guò)氧化物酶(POD)活性參考張志良等[11]的方法測(cè)定.

1.2.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 數(shù)據(jù)用SPSS 11.5 One Way ANOVA進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,對(duì)同一測(cè)定指標(biāo)在不同處理間的差異進(jìn)行方差分析,并用LSD法檢驗(yàn)各處理與對(duì)照組的差異顯著性.

2 結(jié)果與分析

2.1 酸雨脅迫對(duì)3種草本植物葉片的傷害作用

隨著酸雨pH的降低，3種植物受傷害程度逐漸加深且受害面積逐漸增大(表1). 其中，重度酸雨(pH 2.5)下，華澤蘭和雞矢藤葉片受害明顯，受害葉面積約5%～10%左右，而蟛蜞菊葉片受害最輕，受害葉面積<5%，說(shuō)明華澤蘭和雞矢藤對(duì)酸雨脅迫的敏感性更高，而蟛蜞菊對(duì)酸雨脅迫的耐受性更強(qiáng).

表1酸雨脅迫下3種草本植物葉片的傷害程度

Table 1 Injury degree of leaves treated with simulated acid rain at various pH values

pH華澤蘭雞屎藤蟛蜞菊5.6NNN4.5ⅠⅠN2.5ⅢⅢⅠ

注: N: 葉片沒(méi)有可見(jiàn)傷害; Ⅰ: 葉片受害輕微,受害葉面積<5%; Ⅱ: 葉片受害較明顯,受害面積約為5%～10%; Ⅲ: 葉片受害明顯,受害面積約為10% 左右; Ⅳ: 葉片受害較重,受害面積約為10%～20%.

2.2 酸雨脅迫對(duì)3種草本植物光合特性的影響

酸雨脅迫對(duì)3種草本植物葉片凈光合速率(Pn)-光強(qiáng)響應(yīng)曲線的影響不同(圖1)：重度酸雨(pH 2.5)條件下，當(dāng)光合有效輻射大于200 μmol/(m2·s)時(shí)，華澤蘭(圖1A)和雞矢藤(圖1B)的Pn與對(duì)照相比明顯降低，表明重度酸雨脅迫抑制了這2種植物的光合作用；相反，蟛蜞菊(圖1C)的Pn在重度酸雨條件下與對(duì)照相比則明顯升高，說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)中隨著酸雨pH值的降低，蟛蜞菊的Pn有升高的趨勢(shì).

重度酸雨脅迫(pH 2.5)條件下，華澤蘭和雞矢藤的最大凈光合速率(Pmax)與對(duì)照相比均顯著下降(表2)，相反，蟛蜞菊的Pmax與對(duì)照相比顯著升高. 華澤蘭和雞矢藤的光飽和點(diǎn)(LSP)在各酸雨濃度條件下沒(méi)有顯著性變化、而光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)逐漸升高，說(shuō)明酸雨脅迫降低了華澤蘭和雞矢藤的光適應(yīng)范圍，而蟛蜞菊的LSP隨酸雨濃度的降低而逐漸上升，但其LCP在各酸雨濃度條件下沒(méi)有顯著性變化，其光適應(yīng)范圍仍隨酸雨濃度的降低而呈逐漸上升的趨勢(shì). 此外，中度(pH 4.5)和重度酸雨還顯著增加了華澤蘭的暗呼吸速率(Rd)(P<0.05).

華澤蘭葉片葉綠素a+b含量隨著酸雨濃度的降低而逐漸降低(表3)，雞矢藤葉片葉綠素a+b含量在各酸雨濃度下差異沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而蟛蜞菊葉片葉綠素a+b含量則隨著酸雨濃度的降低反而呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì).此外，3種植物葉片葉綠素a/b在各酸雨濃度下有不同的差異，說(shuō)明受試植物體內(nèi)葉綠素a和葉綠素b對(duì)酸雨脅迫的敏感性不同.

圖1 不同酸雨處理下華澤蘭(A)、雞矢藤(B)和蟛蜞菊(C)的光響應(yīng)曲線(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差n=4)

Figure 1 The light response curves ofEupatoriumchinense(A),Paederiascandens(B) andWedeliachinensis(C) under different treatments of simulated acid rain (mean±SEn=4)

表2 酸雨脅迫對(duì)3種草本植物光合特性的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，n=4)

注:表中同一參數(shù)同一物種后相同字母表示在0.05水平上經(jīng)LSD檢驗(yàn)差異沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(下同).

2.3 酸雨脅迫對(duì)3種草本植物葉片SOD和POD酶活性的影響

模擬酸雨處理后，3種植物葉片的SOD活性和POD活性均有不同程度的上升(圖2). 重度酸雨處理下，雞矢藤葉片SOD活性和POD活性與對(duì)照相比分別上升了236.78%和875.28%，且與對(duì)照的差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)，說(shuō)明酸雨脅迫強(qiáng)烈的激發(fā)了雞矢藤抗氧化酶系統(tǒng)，雞矢藤具有較強(qiáng)的抗氧化脅迫能力.

表3 酸雨脅迫對(duì)3種草本植物葉片葉綠素含量的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，n=5)Table 3 Effects of simulated acid rain on chlorophyll contents of three herbaceous plants leaves(mean±SE, n=5)

圖2 酸雨脅迫對(duì)3種草本植物葉片SOD(A)、POD(B)活性的影響 (平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差n=5)

Figure 2 Effects of simulated acid on activities of SOD (A) and POD (B) of three herbaceous plants leaves (mean±SEn=5)

3 討論

研究表明酸雨會(huì)對(duì)植物的葉片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生傷害，使植物葉片出現(xiàn)黑斑和枯斑，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致植物葉片壞死等[12]. 造成這種危害影響的原因可能是酸雨水附著于葉面時(shí)，損傷了葉表皮，破壞了細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)與功能，造成細(xì)胞內(nèi)電解質(zhì)大量外滲，最終形成小的壞死斑[13]. 試驗(yàn)中蟛蜞菊葉片受酸雨脅迫的影響小于華澤蘭和薇苷菊(表1)，可能原因是蟛蜞菊葉片兩面密被伏毛[14]，酸雨無(wú)法直接通過(guò)葉片氣孔進(jìn)入葉肉細(xì)胞，進(jìn)而減少了酸雨對(duì)其本身的傷害作用.

當(dāng)酸雨突破植物葉片表層的防御(如角質(zhì)層和蠟質(zhì)層)后，能夠通過(guò)植物葉片氣孔或表皮擴(kuò)散進(jìn)入到植物體內(nèi)進(jìn)而影響植物正常的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程，這種影響存在一定的復(fù)雜性.如有研究報(bào)道酸雨能夠降低髯毛箬竹(Indocalamusbarbatus)葉片葉綠素含量并抑制其光合速率[15]，也有研究得到相反的結(jié)果[16]. 造成這種差異的原因，可能與植物光合色素含量的變化和光合機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性有關(guān)[17]. 本試驗(yàn)表明蟛蜞菊光合結(jié)構(gòu)對(duì)酸雨的耐受能力較華澤蘭和雞矢藤更強(qiáng)(表2、表3)，因此酸雨脅迫下仍能維持較高的光合作用. 此外，中度和重度酸雨顯著增加了華澤蘭的暗呼吸速率(P<0.05)，可能是酸雨破壞了葉片線粒體的結(jié)果[17].

酸雨與植物互作是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，一方面酸雨破壞植物葉片表皮和細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，一方面植物在受到酸雨脅迫時(shí)，體內(nèi)的抗氧化酶系統(tǒng)受到激活，進(jìn)而清除體內(nèi)由于酸雨脅迫引起的過(guò)量的活性氧(ROS). 模擬酸雨處理后3種植物葉片的SOD活性和POD活性均有不同程度的上升，可能是參與抵抗酸雨脅迫過(guò)程的調(diào)節(jié)的結(jié)果.

綜上所述，蟛蜞菊對(duì)酸雨的敏感程度較華澤蘭和雞矢藤更低，而華澤蘭和雞矢藤雖然對(duì)酸雨脅迫表現(xiàn)出一定的抵抗能力，但隨著酸雨酸度增強(qiáng)，其抵抗能力逐漸減弱. 生產(chǎn)應(yīng)用上，在酸雨污染嚴(yán)重的地方，如果要用草本植物進(jìn)行綠化或生態(tài)恢復(fù)，建議種植抗性較強(qiáng)的蟛蜞菊等本地草本植物.

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