模拟酸雨对五爪金龙幼苗光合生理特性的影响

赵则海

肇庆学院生命科学学院，广东 肇庆 526061

模拟酸雨对五爪金龙幼苗光合生理特性的影响

赵则海

肇庆学院生命科学学院，广东 肇庆 526061

在华南地区，酸雨引起的农作物和经济作物生长发育障碍常导致严重的经济损失，而一些有害入侵种在酸雨条件下仍在扩散，危害性未受到明显的抑制。因此，酸雨条件下入侵种生物学特性研究有助于揭示其入侵规律。在人工环境条件下（光照培养箱的温度为30 ℃，相对湿度为47.6%，光合有效辐射为63.6 μmol·m-2·s-1）进行五爪金龙(Ipomoea cairica L)盆栽试验。五爪金龙幼苗每天喷施营养液。采用模拟酸雨（pH梯度为2、3、4、5、6）对幼苗进行胁迫实验，利用LI-6400便携式光合仪和分光光度法测定其光合生理特性指标。结果表明：五爪金龙叶片净光合速率随酸雨pH值的下降而降低。当光合有效辐射(PAR)低于200 μmol·m-2·s-1时，不同酸雨处理叶片的净光合速率均随光合有效辐射强度的增加而增大；当光合有效辐射高于200 μmol·m-2·s-1时，同一光合有效辐射不同pH处理叶片的净光合速率均为：CK(对照) ＞ pH6.0 ＞ pH5.0 ＞ pH4.0 ＞ pH3.0 ＞pH2.0。随着酸雨pH值的下降，光饱和点、光补偿点、最大净光合速率、表观量子效率和暗呼吸速率均呈下降的趋势。其中，pH3.0和pH2.0酸雨处理对各项光合特性参数的抑制作用均达到了显著水平。酸雨胁迫导致五爪金龙叶片叶绿素含量下降，丙二醛含量(MDA)和可溶性糖含量均显著增加，表明酸雨胁迫对叶片细胞膜系统产生了破坏作用。pH6.0、pH5.0和pH4.0酸雨处理对五爪金龙的光合生理特性影响较小，pH值为3.0和2.0的酸雨处理对五爪金龙的光合能力抑制显著。酸雨胁迫导致五爪金龙利用强光能力下降，提高了其利用弱光的能力。五爪金龙光合生理特性对酸雨环境较为敏感，对酸雨胁迫具有一定的耐受性和适应性。

模拟酸雨；光合作用；生理特性；五爪金龙

酸雨是指pH值小于5.6的降水，既包括雨水，也包括雪、雾、冰雹等其他形式的降水(邓伟等，2009)。酸雨已成为世界环境问题之一，其危害常导致严重的经济损失，并影响人类身体健康(Shvetsova等，2002)。我国华南地区酸雨污染较为严重，大部分地区的降水pH值小于4.0，酸雨频率达50.7%(张远东，1999)。酸雨对植物生长发育产生严重影响，可导致植物生理代谢零乱，甚至死亡(张耀民，1996；许梅德，1995)。目前，关于植物生长发育的酸雨研究多涉及农作物、经济作物和造林树种等等领域，对酸雨条件下外来植物入侵机理的报道较少(杨志敏，1994；赵艳霞等，2006)。有学者针对入侵植物种子萌发、幼苗生长以及光合特性等方面进行了酸雨胁迫研究(宋莉英等，2013；曹欣等，2010；赵则海等，2009)，但未见关于酸雨胁迫对入侵植物五爪金龙光合特性产生影响的报道。

五爪金龙(Ipomoea cairica L)为旋花科番薯属多年生藤本植物，已成为我国南方地区危害较为严重的入侵植物之一(胡玉佳等，2001)。通过研究酸雨对五爪金龙光合特性和抗性生理特点，进一步分析五爪金龙对酸雨胁迫的耐受力和适应性，为外来种入侵机制研究提供资料。

1 材料与方法

1.1 实验材料

五爪金龙种子采自广东肇庆北岭山下的自然种群。将收集到的种子蒸馏水浸泡8 h，置于恒温箱内培养（温度为30 ℃）。培养至第7天，选择萌发状况良好的幼苗移入塑料花盆，盆直径为20 cm，高为18 cm，以珍珠岩为基质，共24盆，每盆播放3颗幼苗，转移至光照培养箱内培养，每天喷淋营养液（配制方法：硝酸钙1100 mg、硫酸钾230 mg、磷酸二氢铵310 mg、硫酸镁450 mg、硫酸铵210 mg用蒸馏水定容至1 L，调节pH为6.8）。光照培养箱设定光照时间为7:00-19:00时，主要环境条件见表1。相对湿度为47.6%；光合有效辐射为63.6 μmol·m-2·s-1，为低辐射强度。移入光照培养箱的幼苗继续培养15 d，平均株高为14.4 cm；第16天开始酸雨胁迫实验。

1.2 实验方法

1.2.1 酸雨胁迫实验

（1）模拟酸雨溶液配制：模拟酸雨母液溶液用H2SO4和HNO3配制，按V(H2SO4):V(HNO3)=8:1的比例配制母液(蒋红宝等，2013；刘君峰等，2006)。用蒸馏水稀释，配置成pH分别为2、3、4、5、6的酸雨溶液。以蒸馏水为对照（CK），pH值为6.8。

（2）模拟酸雨实验：将幼苗分6个处理组，每组4盆。所有处理组幼苗每天上午充分喷淋1次营养液；每天下午分别喷淋pH值为2、3、4、5、6的酸雨溶液，每盆喷淋量约100 mL，对照组(CK)喷淋等量蒸馏水(pH值为6.8)。酸雨处理7 d后，进行光合测定和生理指标测定。

1.2.2 光响应曲线测定

每个处理选取4株幼苗进行光合测定。光响应曲线测定在上午9:00-11:00进行，利用LI-6400光合测定系统红蓝光源设置光合有效辐射(photosynthetic active radiation, PAR)为2000、1000、500、200、100、60、30、15、0 μmol·m-2·s-1。在每个处理选择成熟叶片3片，测定光合参数，取其平均值。采用低辐射强度0～100 μmol·m-2·s-1中净光合速率对光合有效辐射响应曲线的起始斜率表示表观量子效率(apparent quantum yield, AQY, molCO2·mol-1photon)(赵则海等，2005)。拟合方程按Prado和Moraes的方法(Prado等，1997):

式中，P1为最大净光合速率；P2为常数；Pn为实测净光合速率(net photosynthetic rate, Pn, μmol·m-2·s-1)；PAR为光合有效辐射；P3是光补偿点。根据拟合方程计算最大净光合速率(the maximum net photosynthetic rate, Pnmax, μmol·m-2·s-1)、暗呼吸速率(dark respiration rate, Rd, μmol·m-2·s-1)、光补偿点(light compensation point, LCP, μmol·m-2·s-1)和光饱和点(light saturation point, LSP, μmol·m-2·s-1)。

1.2.3 相关生理指标的测定

将光合测定结束的五爪金龙植株拔苗，用于生理生化指标的测定。

表1 光照培养箱环境条件Table 1 Environment onditions of light incubator

图1 不同pH模拟酸雨处理的五爪金龙光响应曲线Fig. 1 The light response curve of I. cairica under different treatments of acid rain

（1）鲜叶中叶绿素（chlorophyll)的含量测定(张志良，1990)：称取新鲜叶片0.05 g，剪碎，加80%丙酮、CaCO3和石英砂研磨，转入离心管后加80%丙酮定容至10 mL，离心10 min，上清液为待测液。分别测定663 nm、645 nm、440 nm的OD值，计算待测液中叶绿素a、叶绿素b的浓度，根据稀释倍数分别计算每克鲜重叶片中叶绿素含量。

（2）鲜叶中丙二醛(malondialdehyde, MDA)和可溶性糖(soluble sugar)含量测定(张志良，1990)：新鲜叶片0.05 g，加少许10%三氯乙酸(TCA)和少量石英砂研磨，用三氯乙酸定溶至5 mL，离心10 min，取上清液2 mL于带盖的10 mL离心管中，加2 mL 0.6%苯巴比妥酸(TBA)，混匀，盖上盖子，沸水浴15 min，迅速冷却，离心10 min，测450 nm，532 nm，600 nm的OD值。根据稀释倍数分别计算每克鲜重叶片中丙二醛和可溶性糖含量。

以上实验数据均采用EXCEL软件和SPSS13.0软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 模拟酸雨对五爪金龙叶片光合参数的影响

图1显示了不同pH值酸雨处理对五爪金龙幼苗光响应的影响。当光合有效辐射(PAR)低于200 μmol·m-2·s-1时，不同酸雨处理叶片的净光合速率与光合有效辐射呈线性关系，均随光合有效辐射强度的增加而增大。当光合有效辐射高于200 μmol·m-2·s-1时，同一光合有效辐射不同处理叶片的净光合速率有如下规律：CK(对照) ＞ pH6.0 ＞pH5.0 ＞ pH4.0 ＞ pH3.0 ＞ pH2.0，即对照处理净光合速率最高，pH2.0处理最低。五爪金龙叶片净光合速率随着酸雨pH值的下降而降低，表明酸雨胁迫抑制了五爪金龙叶片的光合作用。与对照相比，当光合有效辐射高于500 μmol·m-2·s-1时，pH6.0和pH5.0处理的净光合速率下降不明显，未表现出明显的强光抑制；而pH4.0、pH3.0 和pH2.0处理的净光合速率下降明显，表明受到强光抑制。

由表2可以看出，不同pH值酸雨处理对各个光响应曲线参数产生了不同程度的抑制。随着酸雨pH值的下降，光饱和点、光补偿点、最大净光合速率、表观量子效率和暗呼吸速率均呈下降的趋势。其中，对照处理的表观量子效率、光饱和点、光补偿点、最大净光合速率、暗呼吸速率分别比pH2.0酸雨处理高7倍、4.39倍、3.71倍、3.6倍、1.78倍。与对照相比，低于pH3.0酸雨处理的光补偿点和表观量子效率下降显著，低于pH4.0酸雨处理的光饱和点和暗呼吸速率下降显著（其中pH2.0酸雨处理的光饱和点低至199.014 μmol·m-2·s-1），低于pH5.0酸雨处理的最大净光合速率下降显著。总体看，pH2.0和pH3.0酸雨处理对叶片各项光合特性参数的抑制作用均达到了显著水平。

2.2 不同pH值模拟酸雨对五爪金龙幼苗叶绿素含量的影响

由表3可以看出，随着酸雨pH值的降低，五爪金龙叶片叶绿素含量呈下降趋势。与对照相比，各个处理的叶绿素总量、叶绿素a含量和叶绿素b含量下降均达到了显著水平。pH2.0酸雨处理的叶绿素a+b、叶绿素a含量和叶绿素b含量分别为1.386 mg·g-1、0.815 mg·g-1、0.571 mg·g-1，分别比对照降低54.27%、60.03%、42.49%；叶绿素a/b下降幅度最小，为30.36%。

表2 不同酸雨处理五爪金龙叶片的光合特性比较Table 2 Comparison of main photosynthetic parameters of I. cairica under different treatments of acid rain

表3 酸雨胁迫对五爪金龙叶片叶绿素含量的影响Table 3 Effects of simulated acid rain on chlorophyll content of leaves of I. cairica

2.3 模拟酸雨对五爪金龙叶片MDA含量和可溶性糖含量的影响

由图2可知，随着酸雨pH值的降低，五爪金龙叶片MDA含量呈增加趋势；其中，pH2酸雨处理的MDA含量最高，达0.17 μmol·g-1。pH2和pH3酸雨处理的MDA含量显著高于对照（CK），pH4、pH5和pH6酸雨处理的MDA含量与对照差异不显著。

图2 模拟酸雨对五爪金龙叶片MDA含量的影响Fig. 2 Effects of simulated acid on contents of MDA of leaves of I. cairica

从图3可知，随着酸雨pH值的降低，五爪金龙叶片可溶性糖含量呈增加趋势；其中，pH2酸雨处理的可溶性糖含量最高，达0.784 mg·g-1。pH2和pH3酸雨处理的可溶性糖含量显著高于对照（CK），pH4、pH5和pH6酸雨处理的可溶性糖含量与对照相比没有显著差异。

图3 模拟酸雨对五爪金龙叶片可溶性糖含量的影响Fig. 3 Effects of simulated acid on contents of soluble suger of leaves of I. cairica

3 讨论

多数植物受酸雨胁迫后光合速率等指标呈不同程度的下降趋势，但也有一些植物在pH为4.0左右的酸雨胁迫条件下最大净光合速率和表观量子效率有所提高(田大伦等，2007；陶巧静等，2014)，表明植物的光合特性对酸雨胁迫存在适应性。本实验中，酸雨胁迫导致五爪金龙叶片的最大净光合速率、光饱和点、光补偿点、最大净光合速率、表观量子效率和暗呼吸速率降低。其中，pH值为4.0和5.0的酸雨胁迫对五爪金龙叶片光合参数的抑制未达到显著水平；pH值为3.0和2.0的酸雨胁迫对各项光合参数抑制显著，这表明pH值低于3.0的酸雨胁迫对五爪金龙叶片的光合特性产生了显著影响，对pH值高于4.0的酸雨胁迫耐受性较强。

较弱光合有效辐射条件下(PAR低于200 μmol·m-2·s-1)，由于酸雨胁迫导致五爪金龙叶片的光补偿点、光饱和点下降，其净光合速率均随光合有效辐射强度的增加而增大，显然光合作用未受到明显的抑制。在较强光合有效辐射条件下(PAR高于500 μmol·m-2·s-1)，五爪金龙叶片净光合速率下降显著，表明酸雨胁迫提高了五爪金龙对强光抑制的敏感性，尤其在较强酸雨胁迫条件下（pH值低于4.0以下）更为明显。例如，在250～500 μmol·m-2·s-1光合有效辐射范围内pH2.0处理的净光合速率受强光抑制明显，且光抑制随酸雨胁迫强度的增强而增大。上述现象表明，酸雨胁迫降低了五爪金龙利用强光的能力，提高了其利用弱光的能力。

已有研究表明，酸雨可导致植物叶片叶绿素减少，且随酸雨pH值降低片叶绿素的含量下降幅度越大(肖艳等，2004；王强等，2013)。在本实验中，随着酸雨pH值的降低，五爪金龙叶片叶绿素a含量下降明显，叶绿素b含量下降未达到显著水平，且叶绿素a/b值下降幅度是最小的。有研究表明，植物在弱光条件下可加快叶绿素b的合成(Bailey等，2001)，叶绿素b不仅吸收传递光能，而且在调控光合机构、适应各种环境等过程中都起作用(郭春爱等，2006)。酸雨胁迫条件下，五爪金龙通过加快叶绿素b的合成增强其对弱光利用能力。

植物在逆境条件下产生的质膜损伤，常导致质膜过氧化产物丙二醛（MDA）含量发生变化，因此MDA含量常作为植物抗逆性指标(童贯和等，2005)。由于可溶性糖是植物细胞内重要的渗透调节物质，酸雨胁迫处理导致植物细胞内可溶性糖含量增加(邱新棉等，2008)。本研究结果表明，随着酸雨pH值的降低，五爪金龙叶片MDA含量和可溶性糖含量均呈增加趋势。与对照相比，pH4、pH5和pH6酸雨处理的MDA含量与对照差异不显著，五爪金龙对轻度酸雨胁迫具有很强的耐受性。重度酸雨胁迫处理（pH值为3.0和2.0）显著增加了五爪金龙叶片MDA含量和可溶性糖含量，表明重度酸雨胁迫对细胞膜系统产生了破坏。

4 结论

酸雨胁迫对五爪金龙叶片光合作用产生了不同程度的抑制，其中，pH值为3.0和2.0的酸雨胁迫对各项光合参数的抑制均达到了显著水平。酸雨胁迫导致五爪金龙利用强光能力下降，提高了其利用弱光的能力。酸雨胁迫对五爪金龙叶片叶绿素a抑制明显，对叶绿素b抑制不显著。在弱光条件下五爪金龙叶片叶绿素b的合成增强其对弱光利用能力。五爪金龙叶片对轻度酸雨胁迫（pH值为6.0、5.0和4.0）具有很强的耐受性，光合生理特性受酸雨胁迫影响较小。重度酸雨胁迫（pH值为3.0和2.0）引起MDA含量和可溶性糖含量增加显著，表明重度酸雨胁迫对五爪金龙细胞膜系统影响较大。pH值大于4.0酸雨对五爪金龙生长发育的抑制作用不明显，pH值小于4.0酸雨对五爪金龙有一定抑制，这表明五爪金龙光合生理特性对酸雨环境较为敏感，对酸雨胁迫具较强的耐受性。

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传统机械设计作业中主要存在的问题之一即为：设计成本较高。具体分析设计成本高主要体现为：设计产品通过生产线进行生产制造，并基于实际生产的机械设备进行性能，质量等基础参数的测试。实际测试中如出现问题则需重新生产制造，从而造成了设计成本高的现象。分析自动化技术在应用中通过在线模拟测试的方式，有效的对机械装置的力学性能，结构安全性，进行了完善的测试和评估。后期结合3D打印技术进行相关设计成果的制造，有效的降低了生产线生产产生的高设计成本现象。

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Effects of Simulated Acid Rain on Photosynthetic Physiology Characteristics of Ipomoea Cairica Seedling

ZHAO Zehai
Faculty of Life Sciences, Zhaoqing University, Zhaoqing 526061, China

The inhibition of acid rain on growth and development of crop and economic crop often caused serious economic lossess in the Southern China. However, some harmful invasive species was still spreading and its harmfulness was not obviously inhibited under acid rain conditions. Therefore, the study on biological characteristics of invasive species with acid rain condition will help reveal its invasion rules. The pot experiments for Ipomoea cairica seedling were implemented under artificial environmental conditions (light incubator conditions: temperature was 30℃, relative humidity was 47.6% and photosynthetic active radiation (PAR) was 63.6 μmol·m-2·s-1). And nutrient solution was spraying on leaves of I. cairica seedling every day. I. cairica seedling were continuously treated with simulated acid rain (pH value of acid rain were 2, 3, 4, 5 and 6). The photosynthetic physiology characteristics were mensurated using LI-6400 portable photosynthesis system and spectrophotometry. The results showed that: the net photosynthetic rate of leaves of I. cairica decreased with reducing the pH values of acid rain. When the photosynthetic active radiation was less than 200 μmol·m-2·s-1, the net photosynthetic rate increased with increasing of photosynthetic active radiation under different acid rain treatments. When the photosynthetic active radiation was more than 200 μmol·m-2·s-1, rules of the net photosynthetic rates with different pH values of acid rain at the same photosynthetic active radiation were as follows: CK(control check) ＞ pH6.0 ＞ pH5.0 ＞ pH4.0 ＞ pH3.0 ＞ pH2.0. With decreasing of pH values of acid rain, light saturation point (LSP), light compensation point (LCP), maximum net photosynthetic rate, apparent quantum yield (AQY) and dark respiration rate displayed a decrease trend. Among them, the inhibitory effects on all photosynthetic characteristic parameters reached the significant level under the acid rain treatments of pH3.0 and pH2.0. The treatments of acid rain stress decreased chlorophyll contents in leaves of I cairica, and increased the contents of malondialdehyde (MDA) and soluble sugar significantly. Which indicated that acid rain stress had a destructive effect on the leaf cell membrane system. Effect of acid rain treatments of pH6.0, pH5.0 and pH4.0 was not obvious on photosynthetic physiological characteristics. But acid rain treatments of pH3.0 and pH2.0 inhibited significantly on photosynthetic capacity of I. cairica. Acid rain stress decreased ability to utilize strong light of I. cairica, and improved their ability to utilize weak light. The photosynthetic physiological characteristics of I. cairica showed sensitive on acid rain. There were certain capacitis of tolerance and adaptability against acid rain stress.

simulated acid rain; photosynthesis; physiological characteristics; Ipomoea cairica

Q948.1

A

1674-5906（2014）09-1498-05

赵则海. 模拟酸雨对五爪金龙幼苗光合生理特性的影响[J]. 生态环境学报, 2014, 23(9): 1498-1502.

ZHAO Zehai. Effects of Simulated Acid Rain on Photosynthetic Physiology Characteristics of Ipomoea Cairica Seedling [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(9): 1498-1502.

东北林业大学森林植物生态学教育部重点实验室开放研究基金项目(KLP201101)；肇庆学院优秀科研创新团队项目(生态学团队)

赵则海(1968年生)，男，教授，博士，研究方向为植物生态学。E-mail: zhzh315@sina.com

2014-07-30