模拟酸雨对吊竹梅生长及抗氧化能力的影响

张远兵，汪建飞，刘爱荣，夏海东

（1．安徽科技学院城建与环境学院，安徽 凤阳233100；2．安徽科技学院生命科学院，安徽 凤阳233100）

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［6－10］和草本植物［11－14］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［6－14］。吊竹梅（Zebrinapendula），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。

1 材料与方法

1．1 材料

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11cm，直径8cm）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，10d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，30d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%。

1．2 模拟酸雨的配制及喷洒

据安徽省酸雨污染特征及酸沉降水平［24］，用分析纯 H2SO4、HNO3以SO42－与NO3－摩尔比5．9∶1．0配成酸雨母液。在母液中加入适量自来水分别配制pH 值为5．6、4．5、3．5、2．5、1．5的模拟酸雨供试液，并用 HK－3C型台式精密酸度计进行标定。试验设6个处理，其pH 值分别为6．7（对照）、5．6、4．5、3．5、2．5、1．5，每处理10个重复。模拟酸雨喷雾采用小型喷雾器喷雾法，于2012年10月下旬开始喷洒，分别用pH值为5．6、4．5、3．5、2．5、1．5的酸雨对吊竹梅植株进行喷雾，对照喷等量的自来水（pH值为6．7）；每隔3d喷1次，每次均喷至叶片滴液为度，喷雾在16：00－19：00进行。为防止相互干扰，用塑料薄膜将不同处理间吊竹梅植株隔开。在喷施酸雨期间，每隔3d浇灌等量的Hoagland营养液。处理24d后，对吊竹梅干质量进行测定，每处理3次重复，每重复8株苗；生理指标测定均取同一叶位样品，每处理重复3次；以上各指标结果均取3次重复的平均值。

1．3 生物量测定

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15min，后将温度调至65℃烘干，称干质量。

1．4 花青素相对浓度、叶绿素含量、硝酸还原酶活性、脯氨酸含量的测定

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］。

1．5 SOD、POD、CAT活性的测定

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］。

1．6 MDA含量和质膜透性测定

叶片丙二醛含量测定参照 Hodges等［28］方法。用电导率法测定质膜透性［27］。

1．7 数据分析

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。

2 结果与分析

图1 模拟酸雨对吊竹梅干质量的影响Fig．1 Effects of simulated acid rain on dry weight of Z． pendula

2．1 模拟酸雨对吊竹梅干质量的影响

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）。

2．2 模拟酸雨对吊竹梅花青素相对浓度、叶绿素含量、硝酸还原酶（NR）活性、脯氨酸含量的影响

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）。

图3 模拟酸雨对吊竹梅硝酸还原酶活性和脯氨酸含量的影响Fig．3 Effects of simulated acid rain on nitrate reductase activity and proline content of Z． pendula

2．3 模拟酸雨对吊竹梅SOD、POD和CAT活性的影响

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1．8 1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）。

2．4 模拟酸雨对吊竹梅丙二醛（MDA）含量和质膜透性的影响

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）。

3 讨论

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（Vetiveriazizanioiaes）叶绿素含量下降［30］的结果一致。

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

图4 模拟酸雨对吊竹梅丙二醛含量和质膜透性的影响Fig．4 Effects of simulated acid rain on MDA content and membrane permeability of Z． pendula

硝酸还原酶（NR）是植物体内NO3－还原的第一个重要的调节酶和限速酶，催化NO3－还原成NO2－的反应，可反映植物对硝态氮肥的利用能力［31－32］。pH值为5．6～3．5处理，其活性下降幅度小于11．92%，显示吊竹梅对硝态氮的利用能力影响较小；pH值为2．5～1．5处理，其活性下降幅度急剧增大，表明对硝态氮的利用严重受抑制，因此酸雨抑制吊竹梅对硝态氮利用也是抑制其生长的原因。有报道植物受干旱和盐渍等非生物胁迫，脯氨酸（Pro）含量增加十几倍、几十倍甚至上百倍［33］。边才苗和王锦文［34］报道pH值为5．5～2．5酸雨处理，西葫芦（Cucurbitapepo）Pro含量增加，但其增加幅度不超过100%，与干旱和盐胁迫相比，其含量增加幅度较小。本试验中，模拟酸雨pH值为5．6～1．5处理，吊竹梅叶片Pro含量呈上升趋势，但增加幅度较小，这与对西葫芦喷淋酸雨的研究结果［34］一致；在酸雨胁迫下Pro含量增加幅度远小于干旱和盐胁迫，这可能是酸雨引起植物体内水分减少的幅度低于重度干旱和盐胁迫导致的水分减少幅度的缘故。有研究认为Pro既是一种渗透调节物质，又是一种非常有效的抗氧化剂，可以清除活性氧（reactive oxygen species，ROS），调控植物细胞中 ROS的平衡［35－36］，可能酸雨胁迫下吊竹梅Pro含量的增加也具有这两种作用。

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。

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