作者简介:张远兵(1966-),男,安徽六安人,教授,硕士。E-mail:zyb2246@163.com
采用盆栽方法,对吊竹梅用pH值为6.7(对照)、5.6、4.5、3.5、2.5、1.5的模拟酸雨进行喷雾处理,测定其生物量、花青素相对浓度、叶绿素含量、硝酸还原酶活性(nitrate reductase, NR)、脯氨酸含量、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD) 活性、过氧化物酶 (peroxidase, POD)活性、过氧化氢酶(catalase, CAT)活性、丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量和质膜透性等指标。结果显示,吊竹梅单株干质量、叶绿素含量、NR活性、花青素相对浓度、CAT活性均呈下降趋势;SOD活性呈先上升后下降趋势;脯氨酸含量、POD活性、MDA含量和质膜透性均呈上升趋势。综合分析表明,模拟酸雨pH值为5.6~3.5处理,吊竹梅生长和抗氧化能力受影响较小,而观赏性不受影响;模拟酸雨pH值为2.5处理,其生长受抑制程度和抗氧化能力下降幅度增大,对其观赏性几乎无影响;模拟酸雨pH值为1.5处理,其生长和抗氧化能力严重受抑制,有明显伤害症状,观赏性急剧下降。
Zebrina pendula plants were sprayed with simulated acid rain at different pH values (6.7, 5.6, 4.5, 3.5, 2.5, 1.5) in pot experiments, and the biomass, relative anthocyanin concentration, chlorophyll content, nitrate reductase activity, proline content, antioxidase activity (including superoxide dismutase, peroxidase and catalase), malondialdehyde content, and membrane permeability were determined. With decreased pH value from simulated acid rain, the dry weight, relative anthocyanin concentration, chlorophyll content, nitrate reductase activity and CAT activity decreased. SOD activity showed a trend of initial increase and then decrease. Proline content, POD activity, MDA content and membrane permeability increased with decreasing pH value. An integrated analysis indicated that under simulated acid rain-induced pH values 5.6-3.5, the growth and antioxidant activity of Z. pendula was only slightly inhibited and there was no effect on ornamental quality; under a simulated acid rain-induced pH value 2.5, the inhibition effect on growth and antioxidant activity became heavier and there was a slight effect on ornamental quality; under simulated acid rain-induced stress of pH value 1.5, the inhibition effect was large and there were visible injury symptoms on leaves, with a sharp decline in ornamental quality.
酸雨是指pH 值小于5.6的雨水、冻雨、雪、雹、露等大气降水, 其形成最主要是SO2和氮氧化物(NOX)在大气或水滴中转化为硫酸和硝酸所致[1]。习惯上称酸雨, 科学上称酸沉降, 包括湿沉降如酸雨、酸雪、酸雾、酸雹和干沉降如二氧化硫、氮氧化物、氯氧化物等气体酸性物[2]。我国的酸雨污染以城市局地污染为主, 并以城市为核心呈现多中心分布, 尤其在我国南方城市区域是酸雨的频发区[3, 4]。酸雨危害城市的建筑物材料、市政设施、人们身体健康及生态环境[5], 而园林绿化植物在改善城市环境、维护生态平衡, 打造生态城市建设中起重要作用。目前关于酸雨胁迫对园林绿化木本植物[6, 7, 8, 9, 10]和草本植物[11, 12, 13, 14]等已有相关报道, 并提出酸雨使植物保护酶活性下降, 活性氧代谢失调, 加剧膜脂过氧化作用, 进一步使植物的光合、呼吸以及氮代谢和矿质营养代谢等正常的生理活动受影响, 从而使植物受害[6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14]。吊竹梅(Zebrina pendula), 鸭跖草科, 吊竹梅属, 为多年生常见绿化草本植物, 适应能力很强, 在我国广泛栽培[15, 16]。其叶面具紫色、绿色及银白色相间条纹[16], 叶背紫红色, 株型飘逸, 是一种良好的悬垂观叶植物, 还可用于花坛镶边, 以及替代草坪形成地被植物多样化的绿化风格[17]。关于吊竹梅解剖结构[18]、核型分析[19]、气孔分布[20]、水培繁殖[21]、光合特性[22]、净化能力[23]等已有相关研究, 而吊竹梅抗酸雨能力的研究鲜见报道。为此, 本研究采用模拟酸雨胁迫方法, 研究酸雨对盆栽吊竹梅生长和抗氧化能力的影响, 旨在为探究酸雨对园林绿化草本植物生长生理的伤害机制提供资料, 同时也为筛选抗酸雨的优质绿化草本植物, 改善城市环境、增强景观多样性、维护生态平衡提供参考。
吊竹梅由安徽科技学院生命科学学院花卉实习基地提供。2012年9月10日选取生长势一致吊竹梅嫩枝, 扦插于装有等量干净细沙的塑料盆(高11 cm, 直径8 cm)中, 每盆8株, 共60盆。将塑料盆置于荫棚中, 每天喷自来水2次, 10 d后将塑料盆转移至自然光照下, 并用完全Hoagland营养液浇灌培养, 30 d后, 将供试吊竹梅植株移至日光温室中, 温室内自然光强, 温度为昼(25~30℃)/夜(12~18℃), 相对湿度为70%~80%。
据安徽省酸雨污染特征及酸沉降水平[24], 用分析纯 H2SO4、HNO3以S
将吊竹梅植株从培养盆中完整取出, 先用自来水清洗, 后用蒸馏水冲洗, 再将鲜样放入电热恒温干燥箱中105℃杀青15 min, 后将温度调至65℃烘干, 称干质量。
分光光度法测定花青素含量, 当OD值为0.1时的花青素浓度为1个单位, 即将测得的OD值乘以10, 用以代表花青素的相对浓度单位[25]。分光光度法测定叶绿素含量[25]。磺胺比色法测定硝酸还原酶活性[25]。磺基水杨酸法测定脯氨酸含量[25]。
氯化硝基四氮唑蓝(NBT)法测定SOD活性, 以抑制NBT光化还原的50%为1个酶活性单位(U)表示[26]。愈创木酚法测定过氧化物酶(POD)活性, 以每分钟A470变化0.01为1个过氧化氢酶活性单位(U)[25], 用U/(g· min)表示。紫外吸收法测定过氧化氢酶(CAT)活性, 以每分钟A240下降0.1表示1个酶活性单位(U), 以U/(g· min)表示[27]。
用Microsoft Office Excel 2003 软件对数据作预处理, 再用DPS软件进行单因素方差分析(P< 0.05), 并对平均数作Duncan新复极差法多重比较。
随模拟酸雨pH值下降, 吊竹梅单株干质量比对照下降了3.24%~41.44%。pH值为5.6处理, 单株干质量与对照相比差异不显著; pH值为4.5~3.5处理, 单株干质量下降了5.57%~7.80%, 与对照相比差异显著; pH值为2.5~1.5处理, 单株干质量下降幅度急剧增大, 分别比对照下降了18.53%和41.44%(图1)。
随着pH值下降, 吊竹梅叶片花青素相对浓度比对照下降了3.03%~43.55%。pH值为5.6~4.5处理, 与对照相比, 其相对浓度差异不显著; pH值为3.5~1.5处理, 相对浓度下降幅度急剧增加, 比对照下降了15.81%~43.55%(图2)。随模拟酸雨pH值下降, 吊竹梅叶片叶绿素含量呈下降趋势。pH值为5.6处理, 其含量比对照下降了3.36%, 差异不显著; pH值为4.5~1.5处理, 其含量比对照下降了7.23%~50.37%, 与对照相比差异显著(图2)。
| 图2 模拟酸雨对吊竹梅叶绿素含量和花青素相对浓度的影响Fig.2 Effects of simulated acid rain on chlorophyll content and anthocyanin relative concentration of Z. pendula |
随模拟酸雨pH值下降, 吊竹梅叶片NR活性比对照下降了3.48%~42.39%。pH值为5.6~4.5处理, 其活性下降幅度为3.48%~6.39%, 与对照相比, 差异不显著; pH值为3.5~1.5处理, 其活性比对照下降了11.92%~42.39%, 差异显著(图3)。随模拟酸雨pH值下降, 吊竹梅叶片脯氨酸含量呈上升趋势。pH值为5.6处理, 其脯氨酸含量高于对照10.27%, 差异不显著; pH值为4.5~1.5处理, 其脯氨酸含量分别高于对照29.00%~112.07%, 差异显著(图3)。
植物对逆境的不同抵抗能力常与体内抗氧化酶活性水平有关[8]。随模拟酸雨pH值下降, SOD活性呈先上升后下降趋势。pH值为5.6处理, SOD活性比对照增加了5.82%, 但差异不显著; pH值为4.5处理, SOD活性低于对照6.30%, 但差异不显著; pH值为3.5~1.5处理, SOD活性低于对照15.61%~46.33%, 且差异显著(表1)。随模拟酸雨pH值下降, POD活性呈上升趋势。pH值为5.6处理, POD活性比对照增加了20.51%, 但差异不显著; pH值为4.5~2.5处理, POD活性比对照增加了35.82%~54.61%, 差异显著; pH值为1.5处理, POD活性比对照增加了1.81倍(表1)。随模拟酸雨pH值下降, CAT活性呈下降趋势。pH值为5.6处理, CAT活性比对照下降8.36%, 但差异不显著; pH值为4.5~1.5处理, POD活性比对照下降11.30%~41.51%, 且差异显著(表1)。
| 表1 模拟酸雨对吊竹梅SOD、CAT和POD活性的影响 Table 1 Effect of simulated acid rain on SOD, CAT and POD activities in leaves of Z. pendula |
随模拟酸雨pH值下降, MDA含量和质膜透性均呈上升趋势。pH值为5.6处理, MDA含量和质膜透性分别比相应对照增加了10.32%和6.10%, 但差异均不显著; pH值为4.5~1.5处理, MDA含量和质膜透性分别比相应对照增加了24.32%~65.61%和9.21%~55.87%, 且差异显著(图4)。
吊竹梅属于彩叶植物, 是因其叶片呈紫色、绿色及银白色相间条纹, 紫色、绿色是由花青素和叶绿素决定的, 故花青素和叶绿素含量是衡量其观赏品质的指标, 同时在光合作用中, 叶绿素还起着吸收、传递光能及光化学反应的作用, 因此植物叶绿素含量与光合速率有着密切的关系[29]。在模拟酸雨pH值为5.6~3.5胁迫下, 吊竹梅单株干质量下降7.80%, 但下降幅度较小; 花青素相对浓度和叶绿素含量下降幅度分别不超过15.81%和13.17%, 试验中观察到与对照相比, 吊竹梅叶片表面无伤害症状, 表明酸雨可能抑制了其光合作用, 使其生长受抑制, 但对其观赏性无影响。pH值为2.5处理, 单株干质量下降幅度增大, 两类色素含量下降幅度增大, 其嫩叶有极少量斑点, 功能叶无明显变化, 显示酸雨可能对光合作用抑制增强, 使其生长受抑制程度也增加, 而对其观赏性几乎无影响; pH值为1.5处理, 单株干质量和两类色素含量均大幅度下降, 显示酸雨可能严重抑制光合作用, 使其生长严重受抑制, 叶片大面积受伤害, 有褐黄色斑块, 呈水渍状, 甚至腐烂, 其观赏品质也急剧下降。本试验中模拟酸雨胁迫下吊竹梅叶绿素下降的结果与模拟酸雨胁迫下香根草(Vetiveria zizanioiaes)叶绿素含量下降[30]的结果一致。
硝酸还原酶(NR)是植物体内N
植物体的氧代谢是指活性氧(ROS)生成与清除反应, 在非逆境情况下, 两类反应处于平衡状态。植物细胞内清除ROS的保护酶系统包括SOD、POD、CAT等[37], 三者协同作用降低ROS积累减轻了氧化伤害。但是植物在逆境中, 这种平衡状态受破坏, 引起氧化伤害[37, 38]。在模拟酸雨胁迫下, 吊竹梅叶片SOD活性呈先上升后下降趋势, POD 活性呈上升趋势, CAT活性呈下降趋势的结果显示, pH值为5.6~4.5的酸雨处理, SOD、CAT和POD协同作用, 降低ROS积累, 氧化伤害较小; 在pH值为3.5酸雨处理, SOD、CAT和POD协同作用能力减弱, 氧化伤害增加, 外观上仍无明显伤害症状; 在pH值为2.5~1.5强度酸雨下, POD活性急剧增强, SOD和CAT活性显著下降, 三者协同作用清除ROS能力继续减弱, 氧化伤害加重, 同时也进一步验证了仅依赖POD是不能完全清除ROS积累, 消除氧化伤害。本试验中, 随模拟酸雨胁迫强度增加, 吊竹梅叶片MDA含量及质膜透性均增大(r=0.96), 显示酸雨胁迫引起了膜质过氧化加剧, 导致了质膜透性增加, 尤其是在pH值为2.5~1.5强酸雨下, 膜质过氧化所引起的膜损伤加重。因此, 酸雨伤害吊竹梅的又一原因在于酸雨降低了保护酶SOD和CAT的活性, 清除ROS反应能力下降, 使氧代谢平衡失调, 过剩的ROS启动或加强了膜质过氧化作用而使吊竹梅受害。
总之, 模拟酸雨pH值为5.6~3.5处理, 吊竹梅叶绿素含量、利用硝态氮能力、抗氧化能力随着pH值的下降而下降, 但仍具抵抗酸雨胁迫能力, 因此其生长受抑制程度较轻, 对其观赏性无影响; pH值为2.5处理, 叶绿素含量、利用硝态氮能力和抗氧化能力继续下降, 其生长受抑制程度增大, 对其观赏性几乎无影响; pH值为1.5处理, 其生长严重受抑制, 有明显伤害症状, 观赏性急剧下降。
The authors have declared that no competing interests exist.
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