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叶绿素是光合作用中支持植物生长的必需物质,也是各种环境胁迫对叶片功能和健康损害的敏感指标[1-2]。酸雨直接通过破坏质膜、降解叶绿素、破坏叶绿体超微结构和使植物关键酶失活而抑制植物的生长发育[3]。酸雨可使植物细胞中氢离子(H+)浓度升高[4],引起过氧化氢(H2O2)和超氧阴离子自由基(O2·-)等活性氧(reactive oxygen species, ROS)的过度积累,高水平的ROS会对细胞结构造成包括脂质过氧化在内的显著损害[5-6]。植物抗氧化系统,包括抗氧化酶和非酶抗氧化剂,是ROS的清除和细胞膜稳定性的维持重要的防御机制[7]。其中超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)是抗氧化的第1道防线,它催化超氧阴离子歧化生成过氧化氢和氧气,过氧化氢酶(catalase, CAT)是公认的第2道防线,能够清除细胞中产生的过氧化氢[8],过氧化物酶(peroxidase, POD)能在高浓度氧的情况下保持较高的氧化还原活性,保护细胞免受高浓度氧的伤害[9]。非结构性碳水化合物(nonstructural carbohydrate, NSC)主要包括果糖、葡萄糖、蔗糖和淀粉等,是重要的渗透调节物质和能量物质[10]。李天红等[11]对苹果Malus domestica研究发现:适度水分胁迫处理使叶片和根系中蔗糖含量升高,淀粉含量显著降低;BOLOURI-MOGHADDAM等[12]研究认为葡萄糖代谢可以通过清除ROS从而防止细胞程序性死亡。环境胁迫导致初级代谢紊乱,影响可溶性糖的积累。可溶性糖除了作为代谢物质和能量来源外,还充当信号分子,协调合成代谢和分解代谢过程,促进植物生长发育。酸雨被认为是一种世界性的污染物,尤其是在北欧、北美和中国。中国酸雨污染面积占国土面积的40%以上,强酸雨区(pH≤4.5)面积居世界三大酸雨区之首,其中长江以南地区已成为全球强酸雨中心[13-14]。长江中下游地区受副热带高压影响,梅雨季节过后常常伴随着高温,导致该地区植物易遭受酸雨和高温双重胁迫。桂花品种‘杭州黄’Osmanthus fragrans ‘Hangzhou Huang’是木犀科Oleaceae木犀属Osmanthus的常绿乔木,是新培育的珍贵品种。为了研究‘杭州黄’对酸雨高温双重胁迫的响应,模拟酸雨高温胁迫对非结构性碳质量分数、ROS及抗氧化酶活性的影响,揭示‘杭州黄’抵御酸雨高温胁迫的生理生化指标响应机制,以及‘杭州黄’抗酸雨高温胁迫的适应对策,同时为植物多样性保护、园林植物合理利用及可持续发展提供参考。
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由表 1看出:随着酸雨强度的增加,叶绿素a(Chl a)质量分数,总叶绿素(Chl t)质量分数和Chl a/b均呈降低趋势,pH 2.0处理分别比对照降低了16.9%,16.0%和4.8%(P<0.05)。高温胁迫后,叶绿素a质量分数,总叶绿素质量分数和Chl a/b分别比对照降低了12.4%,10.8%和7.7%(P<0.05)。酸雨高温协同胁迫后,叶绿素a质量分数,总叶绿素质量分数和Chl a/b进一步降低,pH 2.0时分别比对照降低了27.7%,23.8%和19.5%(P<0.05)。
T/℃ pH值 wChl a/(mg·g-1) wChl b/(mg·g-1) wChl t/(mg·g-1) Chl a/b 28 5.6(ck) 1.24 ± 0.03 A 0.36 ± 0.05 A 1.60 ± 0.07 A 3.49 ± 0.37 A 4.0 1.17 ± 0.10 A 0.35 ± 0.02 A 1.52 ± 0.12 AB 3.30 ± 0.20 B 3.0 1.09 ± 0.11 B 0.33 ± 0.09 A 1.42 ± 0.16 AB 3.50 ± 0.81 B 2.0 1.03 ± 0.04 B 0.31 ± 0.01 A 1.33 ± 0.05 B 3.36 ± 0.04 B 40 5.6(ck) 1.09 ± 0.04 a 0.34 ± 0.01 a 1.43 ± 0.04 a 3.21 ± 0.16 a 4.0 0.98 ± 0.03 ab 0.31 ± 0.03 a 1.29 ± 0.03 ab 3.17 ± 0.34 a 3.0 0.97 ± 0.01 ab 0.32 ± 0.02 a 1.29 ± 0.02 ab 3.06 ± 0.15 a 2.0 0.90 ± 0.03 b 0.32 ± 0.03 a 1.22 ± 0.04 b 2.81 ± 0.25 b 说明:不同大写字母表示28 ℃时不同处理差异显著;不同小写字母表示40 ℃时不同处理差异显著 Table 1. Effects of acid rain and heat stress on pigment contents in leaves of Osmanthus fragrans 'Hangzhou Huang'
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由表 2可见:随着酸雨强度的增加,过氧化氢和O2·-质量摩尔浓度逐渐增加,在pH 2.0时分别比对照增加了94.5%和140.9%(P<0.05);MDA先增加后降低,pH 3.0时比对照增加了75.0%(P<0.05)。高温胁迫后,过氧化氢、O2·-和MDA质量摩尔浓度分别比对照增加了87.3%,120.9%和75.8%(P<0.05)。酸雨高温协同胁迫后,随着pH值的增加,过氧化氢质量摩尔浓度呈先增加后降低的趋势,在pH 3.0时达最大值,比对照增加了180.1%(P<0.05);O2·-和MDA质量摩尔浓度呈上升趋势,pH 2.0时分别比对照增加了158.3%和142.0%(P<0.05)。
T/℃ pH值 bO2·-/(mol·g-1) bH2O2 bMDA/(nmol·g-1) 28 5.6(ck) 0.48 ± 0.06 C 24.36 ± 2.90 D 3.29 ± 0.25 C 4.0 0.55 ± 0.05 C 30.32 ± 1.03 C 4.00 ± 0.35 B 3.0 0.67 ± 0.07 B 42.48 ± 2.23 B 5.76 ± 0.28 A 2.0 1.17 ± 0.04 A 47.32 ± 3.17 A 5.62 ± 0.39 A 40 5.6(ck) 1.07 ± 0.07 b 45.61 ± 5.15 c 5.78 ± 0.25 c 4.0 1.13 ± 0.05 b 53.36 ± 7.67 b 7.05 ± 0.42 b 3.0 1.24 ± 0.07 a 68.16 ± 6.10 a 7.26 ± 0.35 b 2.0 1.28 ± 0.09 a 27.18 ± 2.10 d 7.96 ± 0.21 a 说明:不同大写字母表示28 ℃时不同处理差异显著;不同小写字母表示40 ℃时不同处理差异显著 Table 2. Effects of acid rain and heat stress on ROS and MDA contents in leaves of O. fragrans 'Hangzhou Huang'
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从图 1A可以看出:随着酸雨强度的增加,‘杭州黄’叶片的SOD活性先增加后降低,在pH 3.0时比对照增加了48.9%(P<0.05),随后略微降低。由图 1B和图 1C可知:POD和CAT活性随酸雨胁迫强度加强均逐渐增加,pH 2.0处理分别比对照增长了79.6%和118.2%(P<0.05)。高温胁迫后SOD,CAT和POD活性分别比对照增加了54.5%,64.1%和43.8%(P<0.05)。
Figure 1. Effects of acid rain and heat stress on activity of antioxidant enzymes in leaves of O. fragrans 'Hangzhou Huang'
酸雨高温协同胁迫下,随胁迫强度的增加,SOD和CAT活性呈先增加后降低趋势,均在pH 4.0处理达最大值,分别比对照增加了60.3%和92.9%(P<0.05);POD活性仍逐渐增强,pH 2.0处理比对照增加了107.3%(P<0.05),说明酸雨高温胁迫后主要靠POD发挥抗氧化作用减少自由基对植物造成的伤害。
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由图 2可见:‘杭州黄’叶片葡萄糖质量分数在酸雨胁迫后变化不显著;高温胁迫后,葡萄糖质量分数比对照降低了10.2%(P<0.05);酸雨高温协同胁迫后,葡萄糖质量分数随着酸雨强度的增加而减小,pH 2.0处理比对照降低了22.4%(P<0.05)。
Figure 2. Effects of acid rain and heat stress on non-structural carbohydrate contents in leaves of Osmanthus fragrans 'Hangzhou Huang'
果糖质量分数随着pH值的降低呈先升高后降低趋势,pH 2.0处理较pH 4.0降低了18.6%(P<0.05);高温胁迫后,果糖质量分数比对照降低了13.5%(P<0.05);酸雨高温协同胁迫后,果糖质量分数随着酸雨强度的增加而减小,pH 2.0处理比对照降低了38.1%(P<0.05)。可以看出,胁迫程度较轻时,果糖质量分数较稳定,重度胁迫后则显著降低。
蔗糖质量分数在pH 2.0胁迫后显著降低,比对照减少了18.9%(P<0.05);高温胁迫后,蔗糖质量分数比对照降低了13.8%(P<0.05);酸雨高温协同胁迫后,蔗糖质量分数随着pH值的降低而减少,pH 2.0处理比对照降低了41.6%(P<0.05)。由此可见,单一酸雨和高温胁迫时,蔗糖质量分数降幅较低;随着协同胁迫程度的加深,蔗糖质量分数显著降低。
淀粉质量分数随pH值的降低呈下降趋势,pH 2.0处理比对照减少了26.8%(P<0.05);高温胁迫后,淀粉质量分数比对照降低了25.3%(P<0.05)。酸雨高温协同胁迫后,淀粉质量分数逐渐减少,pH 2.0处理比对照降低了40.1%(P<0.05)。