紅豆杉屬兩種植物響應模擬酸雨脅迫的生理表現(xiàn)

李玲麗，李文杰，張 銀，李夢希，孫 兵，費永俊

（1.長江大學園藝園林學院，湖北 荊州 434025；2.深圳園林股份有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

【研究意義】酸雨是指pH 值小于5.6 的大氣降水[1]。在我國，由于幾十年的煤炭等地下資源開采及秸稈焚燒，大量的SO2等物質(zhì)排放到大氣中，使得超40%的國土受到酸雨危害，是繼歐洲、北美之后出現(xiàn)的世界第三大酸雨區(qū)，形成了華中、西南、華南和華東四大酸雨區(qū)，其中四川、安徽、湖北、湖南、江西、福建、廣西和重慶的大部分地區(qū)是中國的主要酸雨分布區(qū)[2]。酸雨極強的淋溶性會降低植物體內(nèi)光合色素含量[3]和水分利用效率[4]，導致光合作用受到制約，影響植物生長。不同物種對酸雨脅迫的耐受性不同[5]。紅豆杉屬（Taxus）植物作為世界公認的珍稀瀕?？拱浞N[6]，探究其響應酸雨脅迫的生理表現(xiàn)，有助于進一步研究其對酸雨的抗性，這對紅豆杉屬植物的資源保護十分重要?！厩叭搜芯窟M展】目前，許多學者已對紅豆杉屬植物的群落結構[7-8]、遺傳多樣性[9-11]、紫杉醇含量[12]、原生質(zhì)體培養(yǎng)[13]進行了研究，前人對紅豆杉屬植物的研究主要集中在遺傳學方面?！颈狙芯壳腥朦c】雖然對紅豆杉屬植物的抗酸性已有部分研究[14-15]，但尚不深入。【擬解決的關鍵問題】分析不同pH 值的模擬酸雨對紅豆杉和云南紅豆杉葉片各生理指標的影響，以期選出對酸雨耐受性較強的物種，為酸雨災害地區(qū)紅豆杉屬植物的管理養(yǎng)護以及應用推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料為2 年生紅豆杉（Taxus chinensis）和云南紅豆杉（Taxus yunnanensis）幼苗，由長江大學園藝園林學院提供，栽植于長江大學西校區(qū)盆景園內(nèi)。

1.2 方法

按照H2SO4與HNO3（v∶v）8∶1 的比例配制模擬酸雨母液。再用蒸餾水稀釋配制成pH 值分別為3.0、3.5、4.0、4.5 的溶液。選擇各100 株生長良好、長勢一致的紅豆杉和云南紅豆杉幼苗進行模擬酸雨脅迫處理。于傍晚對供試植物幼苗葉片均勻噴霧500 mL 不同pH 值的溶液，以噴施pH 值5.6 的等體積蒸餾水作對照（CK），直至有水滴滴落為止，每處理8 株，重復3 次，隨機排列于溫室苗圃內(nèi)培養(yǎng)。待酸雨脅迫處理10 d 后，立即進行取材，不同處理分別取足量葉片，放入液氮密封保存，然后放入-80 °C 冰箱備用。

1.3 項目測定

參考鄒琦[16]的方法測定過氧化物酶（POD）活性、超氧化物歧化酶（SOD）活性、過氧化氫酶（CAT）活性、葉綠素（CHL）含量和類胡蘿卜素（CAR）含量；參考Nakno 等[17]的方法測定抗壞血酸過氧化物酶（APX）活性；參考Anderson 等[18]的方法測定多酚氧化酶（PPO）活性；參考李合生[19]的方法測定丙二醛（MDA）含量、可溶性蛋白（SP）含量和可溶性糖（SS）含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SAS 9.2 統(tǒng)計軟件進行分析，通過Duncan法多重比較，顯著性水準為a=0.05，利用Excel 軟件進行作圖，采用模糊數(shù)學的隸屬函數(shù)值法[20]對紅豆杉和云南紅豆杉的各項生理指標進行綜合評價。

隸屬函數(shù)值計算公式：

如果為負相關，計算公式為：

式中，Zij為i組別j指標的隸屬函數(shù)值；Xij為i組別j指標的測定值；Xi max和Ximin分別為各組別指標值的最大值和最小值。累加各物種各指標的具體隸屬值，并求出平均值后進行比較排名。

2 結果與分析

2.1 模擬酸雨對供試植物葉片抗氧化酶活性的影響

如圖1 所示，隨著pH 值的減小，紅豆杉葉片POD 活性呈先上升后下降的趨勢。當pH 值為4.5 時比對照提升72.33%，差異達顯著水平（P＜0.05）；當pH 值為3.0 時比對照降低4.31%。云南紅豆杉葉片POD 活性隨pH 值的減小呈先下降后上升再下降的趨勢。當pH 值為4.5、3.5 和3.0 時均比對照顯著降低（P＜0.05），其中pH 值為3.0 時比對照降低67.52%。試驗結果表明，pH 值3.0 的模擬酸雨能顯著降低2 種植物葉片POD 活性，pH 值4.5 的模擬酸雨能顯著提升紅豆杉葉片POD 活性，顯著降低云南紅豆杉葉片POD 活性。

圖1 酸雨脅迫對紅豆杉屬植物葉片抗氧化酶活性的影響Fig.1 Effects of acid rain stress on antioxidant enzyme activity in leaves of T. chinensis and T.yunnanensis

隨著pH 值的減小，紅豆杉葉片CAT 活性呈先上升后下降的趨勢。當pH 值為4.5 時比對照提升28.63%，差異達顯著水平（P＜0.05）；當pH 值為4.0、3.5 和3.0 時均比對照顯著降低（P＜0.05），其中pH值為3.0 時比對照降低54.79%。云南紅豆杉葉片CAT 活性整體呈先下降后上升再下降的趨勢。當pH 值為4.0時比對照提升25.01%，差異達顯著水平（P＜0.05）；當pH 值為4.5、3.5 和3.0 時均比對照顯著降低（P＜0.05），其中pH 值為3.0 時比對照降低49.31%。試驗結果表明，pH 值3.0 的模擬酸雨能顯著降低2 種植物葉片CAT 活性，pH 值4.5 和pH 值4.0 的模擬酸雨分別顯著提升紅豆杉和云南紅豆杉葉片CAT 活性。

隨著pH 值的減小，紅豆杉和云南紅豆杉的葉片PPO 活性均呈先上升后下降的趨勢。當pH 值為4.5時，相比對照分別提升107.67%和133.67%，差異均達顯著水平（P＜0.05）；當pH 值為3.0 時，相比對照分別下降72.34%和74.27%，差異均達顯著水平（P＜0.05）。試驗結果表明，pH 值3.0 的模擬酸雨能顯著降低2 種植物葉片PPO 活性，pH 值4.5 的模擬酸雨能顯著提升2 種植物葉片PPO 活性。

隨著pH 值的減小，紅豆杉葉片APX 活性呈先下降后上升再下降的趨勢。當pH 值為4.0 時比對照提升13.19%，差異達顯著水平（P＜0.05）；當pH 值為4.5、3.5 和3.0 時均比對照顯著降低（P＜0.05），其中pH 值為3.0 時比對照降低54.62%。隨著pH 值的減小，云南紅豆杉葉片APX 活性呈先上升后下降的趨勢。當pH 值為4.5 時比對照提升38.17%，差異達顯著水平（P＜0.05）；當pH 值為3.5 和3.0 時均比對照顯著降低（P＜0.05），其中pH 值為3.0 時比對照降低34.87%。試驗結果表明，pH 值3.0 的模擬酸雨能顯著降低2 種植物葉片內(nèi)的APX 活性，pH 值4.0 和pH 值4.5 的模擬酸雨分別顯著提升紅豆杉和云南紅豆杉葉片APX 活性。

隨著pH 值的減小，紅豆杉和云南紅豆杉的葉片SOD 活性呈先上升后下降的趨勢。當pH 值為4.5 時，相比對照分別提升23.88%和87.02%，差異均達顯著水平（P＜0.05）；當pH 值為3.0 時，相比對照分別降低7.88%和22.40%，后者與對照差異達顯著水平（P＜0.05）。試驗結果表明，pH 值3.0 的模擬酸雨能降低2 種植物葉片SOD 活性，pH 值4.5 的模擬酸雨能顯著提升2 種植物葉片SOD 活性。

2.2 模擬酸雨對供試植物葉片MDA、CHL 和CAR含量的影響

如圖2 所示，紅豆杉和云南紅豆杉的葉片MDA含量隨pH 值的減小呈上升趨勢。當pH 值為3.0 時升至最高，相比對照分別提升37.68%和79.24%，差異均達顯著水平（P＜0.05）。試驗結果表明，pH 值3.0 的模擬酸雨能顯著增加2 種植物葉片MDA 含量。

圖2 酸雨脅迫對紅豆杉屬植物葉片MDA、CHL、CAR 含量的影響Fig.2 Effects of acid rain stress on MDA,CHL,and CAR contents in leaves of T. chinensis and T.yunnanensis

隨著pH 值的減小，紅豆杉葉片CHL 含量呈先上升后下降的趨勢。當pH 值為4.5 時比對照提升24.56%，差異達顯著水平（P＜0.05）；當pH 值為4.0、3.5 和3.0 時均比對照顯著降低（P＜0.05），其中pH 值為3.0 時比對照降低27.18%；云南紅豆杉葉片CHL 含量隨pH 值的減小呈下降趨勢。當pH 值為3.5 和3.0 時均比對照顯著降低（P＜0.05），其中pH 值為3.0時比對照降低31.27%。試驗結果表明，pH 值3.0 的模擬酸雨能顯著降低2 種植物葉片內(nèi)的CHL 含量，pH 值4.5 的模擬酸雨能顯著提升紅豆杉葉片CHL 含量。

隨著pH 值的減小，紅豆杉葉片CAR 含量呈下降趨勢。酸雨處理均比對照顯著降低（P＜0.05），其中pH 值為3.0 時比對照降低19.46%；云南紅豆杉葉片CAR 含量隨pH 值的減小呈先上升后下降的趨勢。當pH 值為4.5 時比對照提升1.06%，當pH 值為3.0 時比對照降低24.98%，差異均達顯著水平（P＜0.05）。試驗結果表明，pH 值4.5 的模擬酸雨能顯著提升云南紅豆杉葉片CAR 含量，pH 值3.0 的模擬酸雨能顯著降低2 種植物葉片CAR 含量。

2.3 模擬酸雨對供試植物葉片有機滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

由圖3 所示，隨著pH 值的減小，紅豆杉和云南紅豆杉葉片SS 含量均呈先上升后下降的趨勢。當pH 值為4.5 和4.0 時顯著提升（P＜0.05），pH 值為3.5 和3.0 時顯著降低（P＜0.05）。其中：當pH 值為4.0時紅豆杉和云南紅豆杉葉片SS 含量分別比對照提升48.63%和69.41%，當pH 值為3.0 時紅豆杉和云南紅豆杉葉片SS 含量分別比對照降低15.26%和34.11%。試驗結果表明，pH 值3.5 和3.0 的模擬酸雨能顯著降低2 種植物葉片SS 含量，pH 值4.5 和4.0 的模擬酸雨能顯著增加2 種植物葉片SS 含量。

圖3 酸雨脅迫對紅豆杉屬植物葉片SS、SP 含量的影響Fig.3 Effects of acid rain stress on SS and SP contents in leaves of T.chinensis and T.yunnanensis

隨著pH 值的減小，紅豆杉和云南紅豆杉葉片SP 含量均呈先上升后下降的趨勢。當pH 值為4.5 時，相比對照分別上升11.62%和29.05%，后者差異達顯著水平（P＜0.05）；當pH 值為3.0 時，分別比對照降低17.01%和48.44%，差異均達顯著水平（P＜0.05）。試驗結果表明，pH 值3.0 的模擬酸雨能顯著降低2 種植物葉片SP 含量，pH 值4.5 的模擬酸雨可增加2 種植物葉片SP 含量。

2.4 酸雨脅迫下紅豆杉屬植物葉片各生理指標的綜合評價

如表1、2 所示，不同pH 值模擬酸雨處理對紅豆杉屬植物的作用效果不同，2 種植物對pH 值3.0 的重度酸雨耐受性最弱，但對輕度酸雨有一定的耐受性。其中：紅豆杉對pH 值4.5 的模擬酸雨耐受性最強，而云南紅豆杉對pH 值4.0 的模擬酸雨耐受性最強。經(jīng)不同pH 值酸雨脅迫處理后，2 種植物葉片各生理指標的隸屬函數(shù)值綜合排名為：云南紅豆杉第1、紅豆杉第2，表明云南紅豆杉對模擬酸雨的耐受性比紅豆杉強。

表1 酸雨脅迫下紅豆杉屬植物葉片內(nèi)各生理指標的隸屬函數(shù)平均值Table 1 Average physiological indices on membership function of leaves of T.chinensis and T.yunnanensis under acid rain stress

表2 酸雨脅迫對不同紅豆杉屬植物葉片中生理指標的綜合評價Table 2 Overall evaluation on physiological indices of leaves of T.chinensis and T.yunnanensis under acid rain stress

3 討論

3.1 模擬酸雨對紅豆杉屬2 種植物葉片抗氧化酶活性的影響

與抗逆性有關的APX、PPO、CAT、SOD 和POD等抗氧化活性酶及其共同酶構成了抗氧化酶系統(tǒng)，這些抗氧化酶活性的平衡確保了和H2O2等活性氧維持在穩(wěn)定和安全水平[21]。植物體內(nèi)清除活性氧能力的提升需要SOD、POD 和CAT 等相互配合，在酸雨脅迫下，抗氧化酶活性會隨著脅迫強度和時間增加發(fā)生變化，當出現(xiàn)超過植物耐受閾值的高強度酸雨時，植物體內(nèi)的活性氧就會超過抗氧化系統(tǒng)的自凈極限從而引起氧化損害，最終損傷植物[22]。在本試驗中，隨著脅迫強度的增加，2 種植物葉片的APX、PPO、SOD、POD 和CAT 活性整體呈先升高再降低的趨勢，表明輕度酸雨脅迫激發(fā)了植物自身的抗逆體系，這與趙英[23]、趙棟[22]和孫兵[15]研究紫玉蘭（Magnolia liliflora）、山茶（Camellia japonica）和曼地亞紅豆杉（Taxus media）響應模擬酸雨脅迫所得出的結論相一致。但在不同酸雨脅迫處理和不同物種之間，各項酶活性指標有所差異。在pH 值4.5 的模擬酸雨脅迫下，紅豆杉葉片的SOD、POD、CAT、PPO 活性和云南紅豆杉葉片的PPO、APX、SOD活性顯著升高；在pH 值4.0 的模擬酸雨脅迫下，紅豆杉葉片的APX 活性和云南紅豆杉葉片的CAT 活性顯著升高；但在pH 值3.0 的酸雨脅迫下，2 種植物葉片的各項酶活性指標均顯著降低，表明紅豆杉和云南紅豆杉分別對pH 值4.5 和pH 值4.0 的酸雨有一定的抗性，但pH 值3.0 的重度酸雨會嚴重影響2 種植物的抗氧化酶活性。

3.2 模擬酸雨對紅豆杉屬2 種植物葉片MDA、CHL 和CAR 含量的影響

CHL 是植物光合作用的物質(zhì)基礎，植物體內(nèi)光合作用能力的高低以及光合產(chǎn)物的多少會因其含量的高低而不同；CAR 屬于聚光色素，通過吸收多余光能阻止強光破壞CHL[24]。陶秀花[25]指出：酸雨的酸度越高，植物體內(nèi)的CHL 含量越低。周原也[26]在研究酸雨脅迫對茶樹（Camellia sinensis）的影響時，發(fā)現(xiàn)CHL 和CAR 含量會隨著酸雨脅迫的增強不斷減少。MDA 含量水平的高低代表了植物葉片細胞膜脂過氧化的程度和對逆境反應的強弱[22]。郭慧媛[27]和張銀[14]揭示了“隨著酸雨脅迫強度的增加，導致抗氧化物質(zhì)過度消耗，致使MDA 含量不斷提升”的規(guī)律。本試驗結果也表明，在pH 值4.5 的模擬酸雨脅迫下，紅豆杉葉片CHL 含量和云南紅豆杉葉片CAR 含量有不同程度的增加，表明2 種植物對輕度酸雨有一定的耐受性；但在pH 值3.0 的重度酸雨脅迫下，2 種植物葉片的MDA 含量顯著升高，CHL 和CAR 含量顯著降低，表明2 種植物均不耐受重度酸雨。

3.3 模擬酸雨對紅豆杉屬2 種植物葉片有機滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

逆境會造成植物體內(nèi)水分缺失，為了維持體內(nèi)水分滲透平衡，植物會通過積累SS 和SP 等有機滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，來緩解逆境脅迫給自身帶來的傷害[28]。在本試驗中，隨著酸雨脅迫的增強，紅豆杉和云南紅豆杉葉片的SS 和SP 含量整體呈先上升后下降的趨勢，這一結果與馬蘭[28]研究不同類型酸脅迫對云杉（Picea asperata）和多花黑麥草（Lolium multiflorum）抗性生理的影響時所得出的結論一致。也與廖源林[29]有關苦楝（Melia azedarachL）的研究結論相一致。但在不同酸雨脅迫處理及不同物種之間，SS 和SP 含量有所差異。在pH 值4.0～4.5 模擬酸雨脅迫下，2 種植物葉片SS 含量顯著增加，在pH 值4.5 模擬酸雨脅迫下，2 種植物葉片SP 含量顯著增加，表明2 種植物對輕度酸雨有一定的抗性；但在pH 值3.0 的重度酸雨脅迫下，SS 和SP 含量均降至最低（P＜0.05），表明隨著酸雨脅迫的加重，對2 種植物的損傷越大。

4 結論

不同pH 值酸雨脅迫下，云南紅豆杉對模擬酸雨的耐受性比紅豆杉強；供試的2 種植物對輕度酸雨均有一定的耐受性，其中，紅豆杉對pH 值4.5 的模擬酸雨耐受性最好，云南紅豆杉對pH 值4.0 的模擬酸雨耐受性最好，但均不耐受pH 值3.0 的重度酸雨。