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    臭氧濃度升高和干旱對紫丁香光合生理特性的影響

    2019-07-22 01:32:45陶漢成徐勝付偉
    江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2019年11期
    關(guān)鍵詞:干旱生理指標(biāo)紫丁香

    陶漢成 徐勝 付偉

    摘要:在全球變化背景下,近地面臭氧濃度和干旱不斷加劇,共同威脅著城市樹木的生長。以我國北方常見灌木紫丁香(Syringa oblata Lindl.)為研究對象,利用開頂箱(OTC)熏蒸,研究干旱(田間持水量為30%~35%)和O3(濃度為80 nmol/mol)對紫丁香的光合作用和生理生態(tài)的影響。結(jié)果表明,干旱和O3處理降低了葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(Tr),光合作用受抑制的主要原因是氣孔限制。在O3、干旱、復(fù)合處理下,紫丁香葉片脫落酸(ABA)含量在處理90 d時分別較對照顯著升高了6.0%、38.9%、35.1%(P<0.05),可溶性蛋白含量在處理60 d時分別較對照降低了15.7%、8.8%、13.1%(P<0.05),SOD活性上升,干旱提高了ABA含量,誘導(dǎo)氣孔閉合,與O3的交互作用使得可溶性蛋白含量的降幅減緩。在O3、干旱和復(fù)合處理下,紫丁香葉片葉綠素含量、類胡蘿卜素含量無顯著變化,但是處理60 d時復(fù)合處理明顯低于單因子處理。適度干旱減緩了臭氧對紫丁香光合作用的不利影響。

    關(guān)鍵詞:O3;干旱;紫丁香;生理指標(biāo);復(fù)合脅迫

    中圖分類號: S685.260.1? 文獻標(biāo)志碼: A? 文章編號:1002-1302(2019)11-0186-05

    近地層臭氧(O3)具有強氧化性,過高的濃度往往會影響植物生長、農(nóng)作物產(chǎn)量及人類健康[1]。隨著城市化和工業(yè)化的發(fā)展,O3前體物(氮氧化物、揮發(fā)性有機化合物等)的排放量增加,導(dǎo)致近地層O3濃度急劇上升[2]。沈陽市是北方典型的重工業(yè)城市,夏季的平均O3濃度已經(jīng)超過了 80 nmol/mol[3],超出了O3對植物造成影響的臨界濃度[4]。自1950年以來,我國北方地區(qū)干旱災(zāi)害的嚴(yán)重程度、持續(xù)時間和旱災(zāi)發(fā)生范圍都呈現(xiàn)出增加的趨勢[5]。在全球變暖大背景下,O3濃度升高和干旱經(jīng)常同時期出現(xiàn),共同威脅著植物的生長[6]。

    研究表明,高濃度O3會使葉片褪綠變黃,衰老加速,破壞植物葉片結(jié)構(gòu)[7];誘導(dǎo)植物體活性氧(ROS)的累積,降解葉綠素,降低植物凈光合速率[8-9];加快氣孔閉合,限制CO2的吸收,植物生物量顯著降低,地下部分生長被抑制[10]。干旱也會對植物產(chǎn)生負(fù)面效果,減小氣孔開度,使CO2供應(yīng)受阻,降低凈光合速率[11];破壞ROS代謝平衡,傷害細胞結(jié)構(gòu),使植物加速衰老甚至死亡[12]。關(guān)于高濃度O3和干旱復(fù)合作用對植物的影響,主要觀點如下:O3作用下乙烯合成量增加,降低了脫落酸(ABA)調(diào)控氣孔的敏感性[13],加重了植物在干旱脅迫下的水分散失,造成傷害加深的協(xié)同作用[14-15];干旱誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉,減少了O3吸收劑量,起到保護植物的拮抗作用[16];也有結(jié)果表明,O3和干旱之間沒有交互作用[17]。

    紫丁香(Syringa oblata Lindl.)為木犀科丁香屬落葉灌木,其樹形優(yōu)美,花色艷麗,香味濃烈,具有耐寒、耐陰、耐干旱等特性,是北方常見的園林綠化樹種。目前,關(guān)于紫丁香逆境生理方面的研究多集中在冷害、鹽堿、澇害、SO2等方面[18-21],尚未見O3與干旱復(fù)合脅迫對其生理影響的報道。本試驗以紫丁香幼苗為例,利用開頂式氣室(OTCs)熏蒸,研究O3濃度升高和干旱對于紫丁香的光合作用及生理指標(biāo)的影響,揭示在干旱和O3濃度升高條件下紫丁香的生理變化規(guī)律,驗證干旱是否減緩了臭氧對植物光合作用的不利影響,尤其在高污染城市環(huán)境下對綠化樹種如紫丁香一類常用灌木的引種栽培養(yǎng)護等提供參考。

    1 材料與方法

    1.1 材料與方法

    試驗地點在中國科學(xué)院沈陽樹木園(41°46′N、123°26′E),屬溫帶半濕潤大陸性氣候。本試驗在開頂箱(open top chamber,OTC)內(nèi)進行。OTC(直徑4 m、高3 m的正八邊形玻璃氣室)內(nèi)有配套的通氣、通風(fēng)設(shè)備和發(fā)生傳感裝置,包括XH-2000高頻O3發(fā)生器(廣州鑫弘智能環(huán)保設(shè)備有限公司)、Series-900固定式氣體檢測儀(新西蘭Aeroqual有限責(zé)任公司)、溫濕度傳感器以及數(shù)據(jù)分析與自控式充氣系統(tǒng)。

    試驗以紫丁香為研究對象,于2016年3月在沈陽苗圃購買一年生苗木并且栽種于塑料盆(口徑20 cm、高25 cm)中,培養(yǎng)基質(zhì)為含園土、草炭土、爐灰(體積比為1 ∶ 1 ∶ 1)的勻質(zhì)混合土。6月1日選取生長狀況良好、長勢一致的苗木移入開頂箱,每個處理放置3盆作為重復(fù),在開頂箱內(nèi)的位置隨機分布。本試驗設(shè)置了4個處理,分別是CK(自然O3濃度和正常供水)處理、EO(高濃度O3和正常供水)處理、DT(自然O3濃度和干旱)處理和EO+DT(高濃度O3和干旱)處理。正常供水的土壤水分含量為75%~80%的飽和田間持水量,干旱脅迫設(shè)置為30%~35%的飽和田間持水量,通過土壤水分速測儀監(jiān)測,定量澆水來控制干旱。自然O3濃度約為 40 nmol/mol,高濃度O3設(shè)置為80 nmol/mol。于2016年6月16日至8月30日開始O3熏蒸,熏蒸時間為10 h/d(08:00—18:00)。于30、60 d后測定光合氣體交換參數(shù)并采集葉片進行生理指標(biāo)的測定。

    1.2 測定指標(biāo)

    光合氣體交換參數(shù)的測定:于晴朗天氣的09:00—11:00選擇位于植株冠層的成熟健康葉片(3張/株),在光合有效輻射(PAR)=1 000 μmol/(m2·s)下采用LI-6400便攜式光合測定儀測定植物葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)。

    葉片色素(總?cè)~綠素和類胡蘿卜素)含量的測定參考乙醇混合液法[22],取各處理植株的成熟葉片,去主脈后剪碎,稱取0.2 g,加入95%乙醇,暗處浸提48 h,以95%乙醇為對照,測定663、645、470 nm波長下的光密度(D)值。超氧化物歧化酶(SOD)活性參考抑制氮藍四唑(NBT)光還原法測定[23],以單位時間內(nèi)抑制光化還原50%的NBT為1個酶活單位(U)。采用考馬斯亮藍試劑測定可溶性蛋白含量[24]。脫落酸含量采用植物激素脫落酸酶聯(lián)免疫吸附實驗(ELISA)檢測試劑盒測定。

    1.3 數(shù)據(jù)分析

    采用Excel 2016和SPSS 16.0軟件進行統(tǒng)計分析,以O(shè)3和干旱分別作為影響因子對各指標(biāo)的作用以及交互作用進行雙因素方差分析。所有數(shù)據(jù)在處理前均進行了方差齊性和正態(tài)分布檢驗。處理組間采用Duncans多重比較法檢驗。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 對紫丁香葉片光合氣體交換參數(shù)的影響

    由圖1可知,紫丁香葉片凈光合速率(Pn)的EO處理與CK處理相比隨時間呈下降趨勢,在60 d比CK處理顯著降低了32%(P<0.05);DT、EO+DT處理的葉片凈光合速率與CK相比先升后降,60 d時分別比CK處理顯著降低了46.5%和35.6%(P<0.05),EO+DT處理的Pn低于EO處理而略高于DT處理。氣孔導(dǎo)度(Gs)在EO處理下隨時間呈下降趨勢,60 d時比CK處理顯著下降了51.4%(P<0.05);在DT、EO+DT處理下,30 d時分別比CK處理顯著下降56.22%和43.16%,60 d時分別比CK處理顯著下降55.6%和55.2%。蒸騰速率的變化趨勢與氣孔導(dǎo)度一致。

    2.2 對紫丁香葉片逆境生理的影響

    由圖2可知,與對照相比,紫丁香總?cè)~綠素含量在EO、DT處理下呈上升趨勢,60 d時分別比CK處理上升了25.5%和14.6%;EO+DT處理下在60 d時顯著低于EO、DT單因子處理(P<0.05),較CK處理呈先升后降趨勢,但無顯著性差異。類胡蘿卜素含量在30 d時各脅迫處理組比CK處理有所上升,但差異不顯著;在60 d時,DT處理比CK處理升高了19.2%,EO+DT處理比CK組下降了13.5%,其中,EO+DT處理較DT處理顯著降低了27.5%(P<0.05)。

    在30 d時,與對照相比,紫丁香可溶性蛋白含量在DT處理下顯著升高了39.4%(P<0.05),在EO、EO+DT處理下與CK處理相比呈下降趨勢,但無顯著差異;在60 d時,EO、DT、EO+DT處理的可溶性蛋白含量分別比CK處理顯著下降了15.7%、8.8%、13.1%(P<0.05),其中EO處理比DT處理顯著降低了7.6%(P<0.05),EO+DT處理下的可溶性蛋白含量介于EO、DT單因子處理之間。

    在30 d時,紫丁香SOD活性在EO、DT、EO+DT處理下較CK組有所升高,但差異不顯著;在60 d時,DT處理較CK組上升了22.8%,較EO處理顯著上升了99.6%(P<0.05),EO+DT處理與CK組接近,介于二者的單因子處理之間。

    2.3 對紫丁香ABA含量的影響

    由圖3可知,紫丁香ABA含量在EO、DT單因子處理后均顯著升高,較CK處理分別升高了6.0%和38.9%。EO+

    DT處理對ABA含量產(chǎn)生顯著交互作用,使得紫丁香ABA含量比CK處理顯著升高了35.1%(P<0.05),略低于DT處理,顯著高于EO處理。

    3 討論

    光合作用是植物生長發(fā)育中最基本、重要的生理過程。研究表明,O3和干旱會顯著降低植物凈光合速率。付偉等發(fā)現(xiàn),白樺和銀中楊在用濃度為160 nmol/mol O3熏蒸后,2種樹葉片的凈光合速率分別顯著下降了52.8%和24.3%[25];王海珍等發(fā)現(xiàn),胡楊葉片凈光合速率在干旱處理下下降,并且隨著干旱程度加劇和處理時間增長,下降幅度變大[26]。一般來說,植物光合效率下降通常分為氣孔限制因素和非氣孔限制因素[27]。氣孔限制是由于植物氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度降低,碳吸收量的不足導(dǎo)致植物凈光合速率下降[28]。非氣孔限制是由于植物的光合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)被破壞導(dǎo)致凈光合速率下降[29]。本試驗中,30 d時凈光合速率在O3處理下有所下降,而蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度變化不明顯,非氣孔限制因素抑制了紫丁香的光合作用;而在復(fù)合處理下,干旱通過調(diào)控氣孔閉合,減少了O3吸收劑量,緩解了O3對紫丁香的傷害[30]。在O3、干旱和復(fù)合處理60 d時,紫丁香凈光合速率、氣孔導(dǎo)度顯著下降,與Alonso等的研究結(jié)論[17]一致,CO2吸收量減少、氣孔限制是紫丁香凈光合速率下降的主要原因。

    光合色素具有吸收和傳遞光能的作用,干旱和干旱脅迫都會導(dǎo)致光合色素合成速度降低、分解速度加快[31-32]。但本試驗中,O3和干旱單因子處理下葉綠素含量沒有顯著下降。李芳蘭等研究表明,干旱條件下,葉片含水量降低,單位質(zhì)量葉綠素含量增加,緩解了干旱對葉綠素的降解作用[33]。而O3處理下葉綠素含量變化不明顯,可能是因為紫丁香本身具有較強的抗氧化系統(tǒng),能夠保護葉綠體結(jié)構(gòu)不被破壞[34]。而

    復(fù)合處理產(chǎn)生交互作用,使得葉綠素含量低于單因子處理,有可能是由于復(fù)合脅迫壓力大于植物體自身的調(diào)節(jié)能力上限。此外,類胡蘿卜素含量在各組處理下無太大變化,因為類胡蘿卜素除了傳遞光合能量外,還能保護受光激發(fā)的葉綠體免受氧化作用,對逆境有一定的抵抗能力[35]。

    可溶性蛋白是具有親水性的膠體,它是植物重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),能影響植物細胞的保水力;可溶性蛋白大多是參與代謝循環(huán)的酶類,因此,植物的生理生化狀態(tài)可通過葉片可溶蛋白含量的高低得到反映。王晶英等發(fā)現(xiàn),銀中楊可溶性蛋白含量在干旱脅迫下顯著下降[36];張越等發(fā)現(xiàn),山杜英幼苗可溶性蛋白含量隨著O3濃度升高逐步下降,在160 nmol/mol時顯著降低37.21%[37]。本試驗結(jié)果表明,干旱和O3都在一定程度上降低了可溶性蛋白含量。而在60 d時,復(fù)合處理下的可溶性蛋白含量介于O3和干旱單因子處理中間,說明干旱和O3有拮抗作用,干旱處理有效緩解了O3對蛋白質(zhì)的降解作用。

    植物在進行光合作用的過程中,葉綠體產(chǎn)生的氧氣通過接受光系統(tǒng)的電子形成活性氧(ROS),在穩(wěn)態(tài)條件下,ROS被各種抗氧化防御機制清除。而O3進入植物體內(nèi)會直接轉(zhuǎn)化為ROS[38],而干旱使得ROS代謝平衡紊亂,從而破壞植物抗氧化系統(tǒng),致使植物對活性氧的清除能力下降,產(chǎn)生破壞作用[39]。Xu等研究發(fā)現(xiàn),金銀忍冬在O3和干旱單因子處理下SOD活性顯著提高,復(fù)合處理下顯著高于單因子處理,SOD在復(fù)合脅迫下表現(xiàn)出更高的抗氧化水平[40]。在本試驗中,紫丁香葉片SOD活性在O3處理下隨著時間先升后降,在干旱處理下上升,說明紫丁香SOD在干旱條件下能維持較高活性,但對于O3的忍耐性較差。干旱處理能夠提高O3處理下紫丁香葉片的SOD活性,緩解O3對植物的氧化傷害。

    脫落酸是重要的植物內(nèi)源激素,不僅能夠控制植物生長、抑制種子發(fā)育和促進衰老等,而且在植物逆境時發(fā)揮重要作用[41]。有研究表明,干旱脅迫和O3會使植物體ROS水平上升,促進ABA的產(chǎn)生,驅(qū)動植物氣孔關(guān)閉[42-43],從而起到保護植物的作用。本試驗中,O3和干旱處理下紫丁香ABA含量都顯著上升,ABA與保衛(wèi)細胞受體結(jié)合,保衛(wèi)細胞的K+、Ca2+等外流通道被激活,內(nèi)流通道被抑制,保衛(wèi)細胞膨脹程度降低,導(dǎo)致氣孔關(guān)閉,減少了植物體的O3吸收劑量和水分蒸散[44]。而在復(fù)合處理下,干旱顯著提高了O3處理下的紫丁香ABA含量,研究結(jié)果與李麗等對于元寶楓早生葉和晚生葉的結(jié)論[45]一致,說明干旱通過提高ABA含量,調(diào)控氣孔閉合,減少了O3對植物的氧化傷害[46]。但是,也有研究發(fā)現(xiàn),O3處理下日本水青岡的乙烯合成量會增加,降低了ABA調(diào)控氣孔閉合的能力,氣孔關(guān)閉滯后,加深了干旱對植物水分蒸散的傷害[47]。O3和干旱交互作用對于植物ABA含量的變化情況較為復(fù)雜,這主要取決于O3和干旱發(fā)生的先后順序、強度以及植物敏感性等[48]。

    4 結(jié)論

    干旱和O3處理均對紫丁香產(chǎn)生了傷害,使凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率下降,光合作用受抑制的主要原因是氣孔限制因素。

    O3和干旱處理下紫丁香可溶性蛋白含量減少,脫落酸含量增加,SOD活性上升,復(fù)合處理有明顯的拮抗作用,干旱通過脫落酸誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉從而緩解了O3對紫丁香的傷害。

    復(fù)合脅迫對于紫丁香光合色素含量具有協(xié)同作用,60 d時復(fù)合脅迫降低了葉綠素、類胡蘿卜素含量,但與對照間差異不顯著。

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