CO2浓度升高对落叶松叶片抗氧化系统的影响

王骞春

(辽宁省林业科学研究院，辽宁 沈阳 110032)

CO2浓度升高对落叶松叶片抗氧化系统的影响

王骞春

(辽宁省林业科学研究院，辽宁 沈阳 110032)

在CO2浓度升高和对照处理的两个开顶式气室(OTC-Ⅰ型)内，研究分析了高浓度CO2对落叶松针叶抗氧化系统酶活力的影响。结果表明：短期内(2个月左右)CO2浓度升高条件下，超氧化物歧化酶(SOD)、抗坏血酸(ASA)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱甘肽还原酶(GR)含量上升，且SOD与O2-产生速率之间呈极显著负相关；但长期高浓度CO2处理下，ASA含量与SOD、APX、GR活性略有下降，可见，较长期高浓度CO2处理可能使此效果发生逆转。在CO2浓度升高条件下，植物可能通过抗氧化能力的增强来减轻胁迫造成的细胞损伤，从而增强植物的抗性。

落叶松；CO2浓度；抗氧化系统

落叶松(Larixspp．)为松科落叶松属落叶乔木，广泛分布于27°50′—53°00′ N，86°00′—134°00′ E的北半球温带山区和寒温带地区，约有10个种和许多变种及杂种。落叶松是我国东北、内蒙古林区以及华北、西南高山针叶林的主要森林组成树种。落叶松树干端直、节少、心材与边材区别显著、材质坚韧、结构略粗、纹理直，是松科植物中耐腐性和力学性较强的木材，适宜作建筑、桥梁、矿柱、家具及木纤维工业原料等材用。

CO2是作物光合作用的原料，CO2浓度增加及其温室效应引起的气候变化，对植物生长发育、作物产量、形态结构、生理特性等方面影响十分显著。[1]

活性氧是植物体内的正常代谢产物，在渗透胁迫下，活性氧含量升高从而成为氧化胁迫，同时植物也可以清除活性氧的各种抗氧化酶来保护细胞抵御活性氧的攻击，阻抑膜脂过氧化。对活性氧的清除能力是决定植物对逆境抗性的关键因素之一。预计到21世纪中叶，全球CO2浓度将是现在的2倍。围绕全球CO2浓度的升高已经进行了许多研究，但主要集中在光合反应等方面。[2]现在对高CO2浓度下体内保护系统的研究比较少，而且结论也略有不同，但总体趋势是CO2浓度升高条件下植物抗逆性增强。除了CO2浓度升高这一环境胁迫外，在其他环境因子的胁迫作用下，植物叶片内抗氧化系统又具有各自的响应机制。

由于CO2浓度升高对植物影响的研究成果，目前主要集中在农作物等一年生草本植物，对木本植物的研究相对较少，且主要针对林木树种，生理变化特性，尤其是关于活性氧代谢和抗氧化能力方面的研究不甚了解。落叶松是辽宁省森林的主要组成树种，本文通过研究CO2浓度升高对落叶松抗氧化系统影响，为落叶松树种的选育提供依据。

1 材料和方法

以10年生落叶松幼树为试验对象，于4月初将其移栽在开顶箱内。

1.1 试验地点和试验设计

1.1.1 试验地点和设备 试验地点位于中国科学院沈阳树木园内，是沈阳市人口密集商业文化中心地带。主要设备为适于木本植物生长的6个OTC-Ⅰ型开顶式气室(Open Top Chamber)及气体监控测试系统，用于目前条件下城市森林对全球气候变化的响应研究。

1.1.2 试验设计 试验设2个处理：处理1，CO2浓度升高处理，(约为700 μmol·mol-1)。CO2来源为钢瓶装纯CO2，采用高性能传感器直接吸入CO2气体，实现对CO2的监测，输出标准电压及电流信号，进入气室控制系统。处理2，对照(自然CO2浓度)。6月10日开始每日24 h不间断通气，9月30日停止供气。从6月20日开始，每间隔10 d取样一次。每次取样在9：00左右，选取落叶松2年生成熟叶片，置于保温箱内冰浴保存。当天开始试验，同步测定高浓度CO2处理和对照条件下落叶松叶片的抗氧化系统各项指标。每个处理各重复3次。

1.1.3 试验数据处理 采用Microsoft Excel,对落叶松2个处理的保护性物质含量和抗氧化酶活性进行单因素方差分析，使用T检验比较各指标的通气处理与对照间的差异显著性。

1.2 试验指标测定方法

1.2.1 抗坏血酸(ASA)含量测定 以三氯乙酸(TCA)为主要试剂，分光光度计法测定OD534值。[3]

1.2.2 超氧化物歧化酶(SOD)活性测定 测定原理采用氯化硝基四氮唑蓝(NBT)，采用可见光分光光度计测定OD560nm值。[4]

1.2.3 抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性测定 以磷酸钾缓冲液、抗坏血酸(ASA)等为主要试剂，并用分光光度计测定光密度值，并计算出APX含量。[5]

1.2.4 谷胱甘肽还原酶(GR)活性测定 以氧化型谷胱甘肽(GSSG)等为主要试剂，按照分光光度计法测定光密度值，计算出GR含量。[6]

2 结果与分析

2.1 对抗坏血酸(ASA)含量的影响

在植物对活性氧产生的酶促和非酶促两类防御系统中，ASA是非酶促防御系统中重要的抗氧化剂。可有效清除O2·-和H2O2等多种活性氧。由图1可见，高浓度CO2处理60 d内，落叶松叶片ASA含量高于对照植株，其增幅分别为40%、25.93%、15%、18.64%、6.25%和5%。但在60 d以后，高浓度CO2处理ASA含量逐渐低于对照植株。

由此可知，CO2浓度升高使落叶松ASA含量增加，但随着处理天数延长，这种增加趋势逐渐减弱。

图1 CO2浓度升高对落叶松抗坏血酸含量的影响

2.2 对超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响

SOD是酶促防御系统中最主要的保护酶之一。其主要功能是清除细胞内的O2·-，将其转化为H2O2。无论是对照还是高浓度CO2处理，落叶松SOD活性变化均呈明显的单峰曲线。峰值出现在60 d内。此后，落叶松SOD含量下降。在处理65 d之内，落叶松针叶的SOD含量均高于对照植株。但在65 d之后，高浓度CO2处理下，SOD含量低于对照植株，其变幅分别为16.67%和10%(图2)。由此可见，短时间高浓度CO2处理下，落叶松SOD活性上升，但长时间高浓度CO2处理下，SOD活性下降。

图2 CO2浓度升高对落叶松超氧化物歧化酶活性的影响

2.3 对抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性的影响

在植物细胞中，APX能够利用抗坏血酸的电子供体，清除H2O2，将其转化为H2O。图3表明，落叶松APX活性变化呈明显的单峰曲线。峰值出现在50 d内。此后随着处理天数增加，处理落叶松APX活性上升，且高于对照。但在45 d之后，APX活性下降。尤其在80 d和90 d内，通气处理下，APX含量低于对照，其变幅为-7.69%和-13.33%。且在90 d时，显著低于对照(P=0.030 9<0.05)

上述结果表明，同SOD，短时间高浓度CO2处理对APX活性变化具有正效应，长时间高浓度CO2处理可以减弱正效应，甚至产生负效应。

图3 CO2浓度升高对落叶松抗坏血酸过氧化物酶活性的影响

2.4 对谷胱甘肽还原酶(GR)活性的影响

GR是植物细胞抗氧化酶系统中重要的保护酶。其在细胞活性氧的清除中起重要作用。图4表明，在65 d之内，通气处理植株与对照植株的GR含量变化较为一致。且通气处理高于对照。增幅最大出现在第60 d内，增幅为29.09%。在处理80和90 d内，随着GR活性下降，处理植株GR含量低于对照植株，变幅为-23.36%和-21.57%。

由此可见，较短时间和长时间高浓度CO2处理对植株GR活性的影响不同，短时间处理，可诱导GR活性上升，长时间处理，能够使GR活性下降。

图4 CO2浓度升高对落叶松谷胱甘肽还原酶活性的影响

3 结论与讨论

高浓度CO2使落叶松针叶内ASA含量增加，其对活性氧的清除能力也相应增强。有研究表明，高活性APX是与高ASA合成能力相一致的。[7]而本试验也证实，生长在高浓度CO2条件下的落叶松针叶内的APX活性高于对照，这与较高的ASA含量是一致的。本试验研究表明，在短时间内CO2浓度升高条件下生长的落叶松针叶SOD、APX和GR酶活性都比对照有所升高。本试验研究还表明，短时间(两个月左右)CO2浓度升高可使落叶松ASA含量与SOD、APX、GR活性升高，抗氧化能力增强。但较长时间高浓度CO2条件则可能使此效果发生逆转。植物体内的酶和非酶物质组成的保护系统可以有效地清除活性氧，减轻膜伤害。[14]落叶松叶片中保护性系统尤其是SOD酶活性的提高，可有效地清除细胞内的O2·-，提高植株的抗氧化能力，从而降低膜脂过氧化程度，减缓膜伤害。从而诱导了APX等抗氧化酶的活性。也有研究认为，CO2浓度增加导致植物抗氧化能力提高的机理可能是由于CO2是光合作用的底物，光合作用增强，促进了碳同化，从而提高了SOD和APX的活性，这与本研究结果相一致。

综上所述，短时间CO2浓度升高对落叶松叶片抗氧化系统中各种保护酶活力的提升具有正效应，而长时间CO2浓度升高则会抑制这种效应，甚至产生负效应。这种变化趋势值得重视。因此，有关CO2浓度升高对落叶松及其他森林树种活性氧代谢的课题亟待深入研究。

[1] 赵天宏，黄国宏．大气CO2浓度升高对植物影响的研究进展[J]．作物杂志，2003(3)：3-6

[2] CO2倍增对渗透胁迫下小麦叶片抗氧化酶类及细胞程序性死亡的影响[J]．植物生理学报，2000，26,(5):453-457

[3] 陈少裕.膜脂过氧化与植物逆境生理[J].植物生理学通讯,1989,6(4):211-217

[4] E.Beyer.Einfluss des laserinduzierten Plasmas beim Schweissen mit CO2-Lasern,Ph.D.these (in German),DVS GmbH,Düsserldorf,1985:57-75

[5] Nakano,Y and K: Asada: Hydrogen peroxide is scavenged by as corbate-specific per-oxidasein spinach chloroplasts[J].Plant and cell physiology,1981,22(5):867-880

[6] Krivosheeva A,Tao D L,Ottander C,et al.Cold acclimation and photo inhibition of photosynthesis in Scots pine[J].Planta,1996,200:296-305

[7] 尹永强，胡建斌，邓明军．植物叶片抗氧化系统及其对逆境胁迫的响应研究进展[J]．中国农学通报，2007，23(1)：105-110

Effects of High-Concentrated CO2on Antioxidant System of Leaves forLarixspp.

Wang Qianchun

(Academy of Liaoning Forestry Sciences,Shenyang 110032,China)

In two open top chambers(OTC-Ⅰtype)within the treatment (high-concentrated CO2& Natural CO2concentration),effects of vigor of enzyme for antioxidant system of needle ofLarixspp.were studied.Result shows that,in short terms (two months or so),under the condition of increase of CO2concentration,the activities of super-oxide dismutase (SOD),ascorbic acid (ASA),ascorbate peroxidase (APX) and glutathione reductase (GR) increased.And the contents of SOD and O2-were negatively correlated.But the activity of ASA,SOD,APX & GR decreased slightly under long-term high-concentrated CO2treatment; this effect can be reversed by the long-term high-concentrated CO2treatment.Under the condition of high-concentrated CO2,plants may reduce the damage caused by stress through increasing antioxidant capacity,thereby enhancing plant resistance.

Larixspp.; CO2concentration; antioxidant system

1005-5215(2017)03-0011-03

2017-02-15

国家“十二五”科技支撑项目(2012BAD01B01)

王骞春(1979—)，男，黑龙江哈尔滨人，高级工程师，主要从事林木遗传育种研究.

S791.22

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2017.03.004