臭氧濃度升高對竹類植物葉片光合色素的影響

顏送寶，王麗云，仇水龍，潘文婷

(中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)實驗中心，江西分宜 336600)

隨著快速工業(yè)化和城市化的進程，人為活動導(dǎo)致氮氧化物(NOx)和揮發(fā)性有機物(VOCs)含量增加，進而導(dǎo)致地表臭氧(O3)濃度增加[1]。研究表明，目前全球O3濃度以每年0.5%～2.0%速度持續(xù)增加，年平均已達35～40 μg/L[2]。目前大量研究證實O3濃度顯著增加對植物生長產(chǎn)生顯著負面影響[3-4]，如降低作物和森林植物的生物量[4-6]，加速植物葉片衰老，降低光合速率[6]，造成膜脂過氧化和破壞抗氧化系統(tǒng)[7-8]，改變養(yǎng)分元素吸收[9-10]等。在研究的眾多指標(biāo)中，葉片光合色素對植物光合作用起到了至關(guān)重要的作用，其含量不僅決定了植物對光能的吸收效率，而且還影響植物的同化過程。研究普遍認為臭氧濃度升高降低葉綠素含量(葉綠色a和葉綠素b和類胡蘿卜素含量[7])，如香樟(Cinnamomumcamphora)[11]、濕地松(Pinuselliottii)[12]、青岡(Cyclobalanopsisglauca)[13]、白樺(Betulaplatyphylla)[14]、白蠟樹(Fraxinuschinensis)和三球懸鈴木(Platanusorientalis)[15]等。然而，隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)有些植物并不符合上述現(xiàn)象，如臭氧濃度升高增加了銀中楊葉綠素b和類胡蘿卜素的含量[14]。上述研究結(jié)果表明不同植物光合色素對臭氧濃度響應(yīng)的復(fù)雜性。葉綠素組分也會隨臭氧濃度的升高而發(fā)生變化，而葉綠素a/b的變化會改變植物對紅藍光和藍紫光的吸收和利用，進而可能會影響光能利用率，植物葉片衰老進程中可能得到不同的結(jié)果：Chla比Chlb下降速率快，相同或者更慢的情況都可能存在[16-17]。此外，目前很少研究同時開展臭氧濃度升高對相同地區(qū)多種植物光合色素的影響，也在一定程度上影響了上述結(jié)果的比較和可靠性以及抗逆植物品種。因此，迫切需要開展不同植物光合色素對O3濃度升高的響應(yīng)，有利于篩選出抗性較強的植物品種以應(yīng)對近地層O3濃度升高所帶來的負效應(yīng)，也可為植物的栽培管理提供理論指導(dǎo)。

竹林生態(tài)系統(tǒng)不僅在水源涵養(yǎng)、固碳釋氧、減緩氣候變化和園林綠化等方面發(fā)揮巨大的生態(tài)保護作用，而且也是竹農(nóng)的主要經(jīng)濟收入，對區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展具有重要作用。為此，筆者以亞熱帶主要竹種：毛竹(Phyllostachysedulis)、四季竹(Oligostachyumlubricum)、美麗箬竹(Indocalamusdecorus)、黃條金剛竹(Pleioblastuskongosanensis)和白縞椎谷笹竹(Sasaglabra)為研究對象，運用開頂式氣室(OTCs)模擬不同O3濃度升高的情景，測定不同O3濃度條件下5個竹種葉片葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量及其計算相對應(yīng)的比值，分析不同竹種光合色素對臭氧濃度升高的響應(yīng)，旨在為氣候變化背景下抗逆竹種的篩選和適應(yīng)性栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1試驗材料試驗于2009—2010年在浙江省臨安市(118°51′～119°72′E,29°56′～30°23′N)太湖源觀賞竹種園中進行。毛竹，1年生立竹，地徑為(18.15±1.75) mm，高度為(2.5～3.0) m；四季竹，1年生立竹，地徑為(12.15±1.25) mm，高度為(2.0～3.0) m；美麗箬竹，1年生立竹，地徑為(4.54±0.08) mm，高度為(37.28～37.43) cm；黃條金剛竹，1年生立竹，地徑為(4.28±0.29)mm，高度為(36.23～37.11) cm；白縞椎谷笹竹，1年生立竹，地徑為(3.23±0.03)mm，高度為(35.86～36.12) cm，5個竹種均進行不帶宿土的全稍竹盆栽，栽植盆上端直徑38 cm，下端直徑32 cm，高35 cm，毛竹和四季竹每盆栽植1株，美麗箬竹、黃條金剛竹和白縞椎谷笹竹(叢生竹類)每盆為15株，于2010年3月進行不帶宿土的盆栽，每個竹種盆栽60盆。盆栽基質(zhì)為紅壤與細沙3∶1均勻混合而成，pH 5.8，水解氮、速效磷和速效鉀分別為198.47、67.25、74.16 mg/kg。盆栽試驗竹苗定期人工補充水分，及時去除筍芽等，至2010年8月開始進行O3脅迫處理。

1.2試驗設(shè)計開頂式同化箱(OTCs)主要由不銹鋼管和白色透明玻璃構(gòu)成，主要包括過濾系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)以及基本框架等，每個氣室邊長1.5 m，高4.0 m，室壁上部向內(nèi)部傾斜45°成斜面，玻璃室壁為正八邊形。O3主要通過CFG-20型臭氧發(fā)生器產(chǎn)生；用美國生產(chǎn)的Model 205雙光束紫外O3分析儀監(jiān)測每一個OTCs內(nèi)O3濃度在允許誤差范圍內(nèi)。

試驗共設(shè)4個O3濃度水平，分別為環(huán)境背景大氣 (CK，O3濃度為40～45 nL/L)、3個臭氧升高濃度 (50、100和150 nL/L)。每個處理重復(fù)3次。2010年8月6日開始熏氣，于2010年11月8日停止熏氣。上述試驗時間內(nèi)，每天熏氣時間為07:00—17:00，熏氣時間為10 h。

1.3葉綠素的測定葉綠素的測定方法采用丙酮乙醇提取法[18]。

1.3.1葉綠素的提取。在試管中加入5 mL 1∶1(5 mL丙酮∶5 mL無水乙醇)混合液，擦凈葉片表面污物，把被測植物葉片剪成寬度小于1 mm細絲，混勻，用電子天平稱取0.05 g樣品放入試管，把試管置室溫避光處浸泡提取24 h。測量時取1 mL提取液加4 mL丙酮與無水乙醇(1∶1)混合液。

1.3.2葉綠素含量測定。將葉綠素提取液置玻璃比色皿中，用1∶1混合液做參比，采用分光光度計在470、645、663 nm處分別測定葉綠素a、b吸光度。并由下列公式計算：

Ca=12.72OD663-2.59OD645

Cb=22.88OD645-4.67OD663

Car=(1 000OD470-3.27Ca-104Cb)/229

式中，Ca為葉綠素a濃度(mg/L)；Cb為葉綠素b濃度(mg/L)；Car為類胡蘿卜素濃度(mg/L)。

1.4數(shù)據(jù)處理在Excel 2007統(tǒng)計軟件中進行試驗數(shù)據(jù)的整理與制圖，在SPSS 17.0統(tǒng)計軟件中進行單因素方差分析，在0.05水平下進行LSD多重比較。試驗數(shù)據(jù)均為均值±標(biāo)準差。

2 結(jié)果與分析

2.1不同O3濃度對5種竹類植物葉片葉綠素a含量的影響由圖1可知，5種竹類植物葉片葉綠素a含量均隨著O3濃度的升高而降低，其降低幅度與臭氧濃度和竹種有關(guān)，表明不同竹類植物葉綠素a含量對O3濃度升高的響應(yīng)存在差異。與CK相比，臭氧濃度為50和100 nL/L時，葉綠素a含量毛竹則表現(xiàn)為顯著下降趨勢，而其他4種竹類植物則無明顯變化，這在一定程度上說明毛竹對O3濃度升高較為敏感；當(dāng)臭氧濃度為150 nL/L時，除美麗箬竹外，其余4種竹類植物均顯著下降。從葉綠素a含量變化可以看出，毛竹對O3濃度升高敏感性較強，美麗箬竹則抗逆性較強。

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)Note:Different lowercases stand for significant differences at 0.05 level圖1 不同臭氧濃度條件下5種竹類葉片葉綠素a含量Fig.1 Chlorophyll a content of five bamboo leaves under different ozone concentrations conditions

2.2不同O3濃度對5種竹類植物葉片葉綠素b含量的影響由圖2可知，竹類植物葉片葉綠素b對O3濃度升高的響應(yīng)較為復(fù)雜。與CK相比，葉綠素b含量，在O3濃度為50 nl/L時，除黃條金剛竹葉綠素b含量顯著下降外，其余竹類植物變化不顯著；在O3濃度為100 nL/L時，美麗箬竹葉綠素b含量顯著升高，毛竹和黃條金剛竹葉綠素b含量顯著下降，其余2種竹類植物葉綠素b含量無顯著變化；在O3濃度為150 nL/L時，5種竹類植物葉綠素b含量均顯著下降，下降幅度竹種間存在差異。

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)Note:Different lowercases stand for significant differences at 0.05 level圖2 不同臭氧濃度脅迫下5種竹類葉片葉綠素b含量Fig.2 Chlorophyll b content of five bamboo leaves under different ozone concentrations stress

2.3不同O3濃度對5種竹類植物葉片葉綠素a+b含量的影響由圖3可知，與CK相比，葉綠素a+b含量在O3濃度為50和100 nL/L時，毛竹和黃條金剛竹均顯著下降，而其他3種竹類植物則無顯著變化；在O3濃度為150 nL/L時，5種竹類植物葉綠素a+b含量均顯著下降，下降幅度與竹種有關(guān)。

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)Note:Different lowercases stand for significant differences at 0.05 level圖3 不同臭氧濃度脅迫下5種竹類葉片葉綠素a+b含量Fig.3 Chlorophyll a+b content of five bamboo leaves under different ozone concentrations stress

2.4不同O3濃度對5種竹類植物葉片葉綠素a/b的影響由圖4可知，5種竹類植物葉綠素a/b對O3濃度升高的響應(yīng)較為復(fù)雜。與CK相比，葉綠素a/b在O3濃度為50 nL/L時，黃條金剛竹和白縞椎谷笹竹顯著上升，而其他3種竹類植物則無顯著變化；在O3濃度為100和150 nL/L時，除美麗箬竹在O3濃度為100 nL/L時顯著下降外，其余竹類植物均顯著升高。

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)Note:Different lowercases stand for significant differences at 0.05 level圖4 不同臭氧濃度脅迫下5種竹類葉片葉綠素a/bFig.4 Chlorophyll a/b of five bamboo leaves under different ozone concentrations stress

2.5不同O3濃度對5種竹類植物葉片葉綠素/類胡蘿卜素的影響由圖5可知，與CK相比，毛竹葉綠素/類胡蘿卜素，在O3濃度為50、100和150 nL/L時均顯著下降；白縞椎谷笹竹則在O3濃度為100和150 nL/L時顯著下降；其余3種竹類植物僅在O3濃度為150 nL/L時則顯著下降，在其他O3濃度時無顯著變化。

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)Note:Different lowercases stand for significant differences at 0.05 level圖5 不同臭氧濃度脅迫下5種竹類葉片葉綠素/類胡蘿卜素Fig.5 Chlorophyll / Carotenoid value of five bamboo leaves under different ozone concentration stress

3 討論

植物光合色素對大氣O3濃度升高的反應(yīng)十分敏感，其含量及其組分不僅是反映光合能力的重要指標(biāo)，而且與植物對環(huán)境的適應(yīng)性和抗性有密切關(guān)系[13,19]。該研究發(fā)現(xiàn)，不同竹類的葉綠素a和b含量變化與竹種和O3濃度存在一定的關(guān)系，在O3濃度為40～100 nL/L時，表現(xiàn)為毛竹光合色素對O3濃度升高較為敏感，O3濃度升高至50 nL/L時有明顯變化；美麗箬竹光合色素對O3濃度升高抗性較強，其余3種竹類植物變化相對一致。然而，當(dāng)O3濃度升高至150 nL/L時，5種竹類植物光合色素含量及其組分均顯著下降，下降幅度存在差異，這很大程度歸因于受到高濃度O3脅迫，葉綠體類囊體膜上的光合結(jié)構(gòu)造成不同程度的損傷，致使葉綠素組分及其含量發(fā)生變化，導(dǎo)致植物的光合作用受阻，致使光合作用降低，加快葉片衰老。葉綠素降解的機制可能與葉綠體膜的脂質(zhì)過氧化有關(guān)[11,20]。研究表明，5種竹類植物在高濃度O3條件下發(fā)生膜脂過氧化[21-22]，其結(jié)果改變膜通透性，活性氧分子通過膜通道或以滲透方式進入葉綠體內(nèi)，要么直接作用于葉綠素分子要么通過進攻Rubisco活性位點間接介導(dǎo)葉綠素的降解[20]；另一個機制認為是與核酮糖1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)的降解過程相偶聯(lián)[23]。

葉綠素a/b一方面可作為葉片衰老的指標(biāo)[24]，另一方面與電子傳遞和最大光合能力呈正相關(guān)[25-26]。該研究在高濃度O3條件下5種竹類葉綠素a/b總體明顯上升，表明在光合鏈相對完好的前提下，植物通過加快鏈上的傳遞速度和通過增加紅光的利用進而提高其光能利用效率來抵御不良環(huán)境，這是植物進行自我保護的一種體現(xiàn)[26]。同時研究發(fā)現(xiàn)，5種竹類植物葉綠素/類胡蘿卜素在O3濃度為40～100 nL/L時下降幅度較小，很可能與類胡蘿卜的功能有關(guān)，即在逆境條件下，類胡蘿卜素能有效地避免葉綠素受光氧化的破壞。而O3濃度為150 nL/L時，葉綠素/類胡蘿卜素顯著下降，說明5種竹類植物未能通過增加葉片 Car 含量這一途徑來起到保護葉綠素的作用。

4 結(jié)論

低O3濃度(50 nL/L)對竹類植物(除毛竹外)影響較小，表明竹類植物對O3濃度具有一定的適應(yīng)性；高O3濃度(≥100 nL/L)顯著影響竹類植物的光合色素組分及其比值，進而影響植物的生長。此外，不同竹類植物光合色素對O3濃度升高的響應(yīng)不一致，毛竹葉片光合色素對大氣O3濃度升高較為敏感，在一定程度上可作為臭氧污染的指示植物；而美麗箬竹表現(xiàn)出較強的抗逆性，可以作為抗逆植物。