NO2胁迫下两种鹅耳枥的光合生理特性变化

圣倩倩，戴安琪，宋 敏，唐 睿，祝遵凌,3*

(1.南京林业大学风景园林学院，江苏 南京 210037；2.南京林业大学南方现代林业协同创新中心,江苏 南京 210037；3.南京林业大学艺术设计学院，江苏 南京 210037)

二氧化氮(NO2)在大气环境中呈现为棕红色，并伴有刺激性臭味，对大气能见度及光的吸收有着直接的影响[1-4]，大气对流层NO2主要由工业生产和人类活动产生，目前汽车尾气、火力发电站和其他工业燃气废料生产过程产物是NO2的主要来源，为主要大气污染物之一[5-6]。园林植物具有吸收净化大气污染物的作用，是城市生态环境建设中的重要组成部分。光合作用是植物生长发育的基础[7-8]，大气环境作为影响植物光合作用的主要环境因素之一，与光合作用中各反应过程密切相关，叶绿素荧光变化可以直接反映植物光合系统对光能的吸收和利用情况，还用于检测环境变化下光合机构的响应[9-11]。因此，研究植物光合生理特征是阐明不同环境下植物生长变化的重要途径[12-14]。目前报道较多的有气态NO2对草本植物尤其蔬菜类植物叶片光合作用的影响[15-18]，探讨木本植物消减空气污染已成为近年来新的研究热点，尤其是木本植物对NOx同化力的研究备受关注。Morikawa等[19]研究了217种天然植物对NO2的吸收能力，表明吸收NO2能力较高的有茄科和杨柳科植物，而不同种类的植物吸收NO2的能力差异高达600多倍，同科植物吸收NO2的能力差异达26倍之多；Takahashi等[20]对70种行道树的抗NO2能力进行排序，发现落叶树强于常绿树。但目前的研究中少有对园林珍贵植物，尤其是鹅耳枥属木本植物抗NO2能力的报道。此外，目前已报道的缓解NO2处理对植物损伤的研究大多采用如过氧化氢[21]、抗坏血酸[22]和硫化钠[23]等一些外源物质，而不加外源物质让植物通过自身调节恢复代谢的研究鲜见报道。笔者研究两种鹅耳枥在不同NO2熏气条件下光合生理特征的差异，观察两种鹅耳枥在无外界干扰情况下是否能恢复到正常的生长发育状态，以期了解植物对NO2等大气污染物环境的适应性，为城市道路绿化树种的选择和配置提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为欧洲鹅耳枥(Carpinusbetulus)和普陀鹅耳枥(Carpinusputoensis)1年生幼苗。试验地位于南京林业大学园林实验中心(118.82°E,32.08°N)。2017年3月挑选整齐一致、无病虫害的健壮苗木盆栽，塑料花盆的规格为上口径(30 cm) ×下口径(20 cm) × 高(15 cm)，基质为泥炭土+蛭石+珍珠岩，质量比为1∶1∶1。每盆栽植2株，实验苗养护条件一致，常规管理。培养期间，每周浇水2～3次，以保持苗木湿润，为维持苗木矿质营养，每2周加1次1 L霍格兰营养液。

采用笔者自制的检测植物吸收NO2能力的熏气装置[24]，实时监测熏气室内气体的动态变化，精确控制进入熏气室的气体量。供试苗木在栽培2个月后，移入熏气室，进行NO2胁迫实验。

1.2 试验方法

设置NO2气体胁迫处理(质量浓度为12.0 mg/m3[24])，熏气时间为72 h，属于高浓度短时间处理。该浓度处理下，植物受NO2气体胁迫叶片出现伤害症状，产生应急反应，但不致死。对欧洲鹅耳枥和普陀鹅耳枥进行人工熏气试验，处理时间分别为熏气零点(0 h，CK)、1、6、12、24、48 和72 h。通过NO2气体测量仪对NO2气体浓度进行实时监测(间隔时间1 min)，并通过气体流量计实现对目标气体的设定，时间持续72 h。将花盆及盆土用保鲜膜密封包缠处理，放入熏气室的植株，除叶片、枝条和茎干裸露在熏气装置里，其余部分均用保鲜膜包裹封闭，以保证盆土和植株根系微生物等被隔离，减少实验误差。熏气室设置光照时间13 h，环境温度25～28 ℃，空气相对湿度60%～70%，光照度为26 000～29 000 lx，大气压力99.3～99.5 kPa。熏气后，将各样株从熏气装置中取出，室温培养30 d。植物生长条件同处理组一致。每组处理3个重复。

1.3 光合生理参数的测定方法

2017年5月中旬进行熏气室熏气，每个熏气室输入一种浓度的NO2进行处理，每种浓度使用3个熏气室做重复，共使用18个熏气室。当熏气室处理到对应处理时间时，将熏气室盖子打开，取出植物，以测定光合生理参数。将植物取出放在室温下培养30 d后(即6月中旬后)再次测定光合生理参数。

1.3.1 光响应曲线的测定

选择晴朗无风的天气，从9：00—11：30进行光响应测定，各处理组随机选择9株苗木，每个熏气室随机选择3株，3个重复，选择苗木自顶叶以下第3张起受光方向一致的叶片，采用CIRAS-2光合仪测定光合指标，每个叶片重复记录3次，连续测量3 d取平均值。光合仪内的气体流速设定为500 μmol/s，叶室中的CO2摩尔分数控制在(380±2) μmol/mol、空气相对湿度(65±5)%，叶片温度设(20.0±5.0) ℃，在该条件下采用1 500 μmol/(m2·s)光强活化10 min。光合有效辐射(PAR)梯度设置为1 400、1 200、1 000、800、600、400、300、200、100、50、0 μmol/(m2·s)，采用自动程序测定，每种光强值下停留150～200 s。

测定指标有净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)等[25]，最终选取平均数进行分析。采用不同光合有效辐射下的净光合速率绘制光合速率的光响应(Pn-PAR)曲线，根据实测数据点的走势，估计最大净光合速率(Pn，max)、光饱和点(LSP)、光补偿点(LCP)和暗呼吸速率(Rd)等参数。

1.3.2 叶绿素荧光动力学参数的动态测定

从各处理中随机选取9株苗木，取其顶叶下方第3片起的叶片，采用Handy PEA植物效率分析仪测定活体叶片，每株重复3片，取平均值。参考文献[25]的方法，叶片暗适应20 min，测定初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)和最大PSⅡ光能转换效率(Fv/Fm)。每片重复记录3组数据，连续测量3 d并取平均值。

1.4 数据分析

数据统计分析采用Excel 2010和SPSS 16.0统计软件，处理组与对照组的均值比较及差异显著性采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和t检验，小写字母表示差异显著(P<0.05)，大写字母表示差异极显著(P<0.01)。

2 结果与分析

2.1 NO2胁迫下两种鹅耳枥表观量子产率(AQY)的变化

表观量子产率(AQY)用于表征光合生产潜力和评价光能资源利用效率。欧洲鹅耳枥和普陀鹅耳枥表观量子产率(AQY)变化见图1。

图中的不同小写字母表示差异达显著水平(P<0.05)，不同大写字母表示差异达极显著水平(P<0.01)。下同。Different lowercase and uppercase letters in the figure represents the significant differences at P<0.05,P<0.01,respectively.The same below.图1 不同NO2胁迫处理时间和恢复后两种鹅耳枥AQY变化Fig.1 The variation of AQY in two kinds of hornbeam under different NO2 exposure time and after recovery

试验期间，欧洲鹅耳枥AQY变化范围是0.007～0.041，随着NO2处理时间的延长AQY先增加后降低；普陀鹅耳枥AQY变化范围是0.007～0.045，但随着NO2处理时间的延长AQY持续降低；两树种AQY在各NO2处理组和恢复组的表现均以恢复组的最高，72 h处理组的最低，各处理组之间AQY差异显著(P<0.01)。因此，短期(1 h)的NO2处理可以提高欧洲鹅耳枥AQY。

2.2 NO2胁迫下两种鹅耳枥4个光合参数的变化

不同浓度NO2处理下两种鹅耳枥主要光合指标的变化情况见图2。由图2A可知，欧洲鹅耳枥各处理组的最大净光合速率(Pn，max)低于胁迫0 h和恢复组，随着NO2处理时间的延长，Pn，max呈现下降趋势，变化范围为9.24～14.10 μmol/(m2·s)，且处理组间差异极显著(P<0.01)；普陀鹅耳枥各NO2处理组的Pn，max低于恢复组，随着NO2处理时间的延长，其Pn，max呈下降趋势，变化范围为9.24～12.38 μmol/(m2·s)，处理组间Pn，max差异显著(P<0.05)。

暗呼吸速率(Rd)主要受植物生长状态和温度变化的影响，不同NO2处理组变化规律不一。如图2B所示，本研究中欧洲鹅耳枥Rd的变化范围是-2.42～-0.60 μmol/(m2·s)，其中72 h处理组的Rd最高；普陀鹅耳枥Rd在不同NO2处理组变化规律不一，范围是-2.34～-0.72 μmol/(m2s)，其中72 h处理组的Rd最低。各NO2处理组之间两种鹅耳枥的Rd差异均极显著(P<0.01)。

欧洲鹅耳枥光补偿点(LCP)的变化范围是33.6～129.6 μmol/(m2·s)，处理间差异显著，但规律性不强，其中胁迫12 h和48 h处理组的LCP[分别是129.6和126.0 μmol/(m2·s)]，高于胁迫零点(0 h)和恢复组，24 h和72 h处理组的LCP差异不显著，1 h和6 h处理组LCP最低，分别为39.6和33.6 μmol/(m2·s)，由此可知12 h和48 h处理组具有更高的利用弱光的能力。欧洲鹅耳枥各NO2处理组之间光补偿点差异极显著(P<0.01)。

普陀鹅耳枥的LCP变化范围是54.4～238.4 μmol/(m2·s)，在各NO2处理间变化显著，但规律性不明显。各NO2处理组的LCP值均高于胁迫零点(0 h)和恢复组，6、24和48 h处理组的LCP高于1、12和72 h处理组。普陀鹅耳枥各NO2处理组之间LCP差异极显著(P<0.01)。

图2 不同NO2胁迫处理时间和恢复后两种鹅耳枥Pn，max、Rd、LCP和LSP的变化Fig.2 The variation of Pn，max,Rd,LCP,LSP in two kinds of hornbeam under different NO2 exposure time and after recovery

欧洲鹅耳枥1 h处理组的光饱和点(LSP)是799 μmol/(m2·s)，低于胁迫零点(0 h)和恢复组，随着NO2处理时间的延长，LSP值逐渐增加，变化范围为799.2～2 247.6 μmol/(m2·s)，且处理组间差异极显著(P<0.01)；普陀鹅耳枥各NO2处理组的LSP均高于胁迫零点(0 h)和恢复组，1 h和12 h处理组的LSP低于6、24、48和72 h处理组，变化范围为545.6～2 262.4 μmol/(m2·s)，处理组间差异极显著(P<0.01)。

2.3 NO2胁迫下欧洲鹅耳枥和普陀鹅耳枥叶绿素荧光参数的变化

欧洲鹅耳枥初始荧光(Fo)值随着NO2胁迫时间的延长变化规律不明显(图3A)，其中恢复组的Fo值(558)低于胁迫零点(0 h)和各处理组，12 h和24 h 处理组的Fo值分别为713.5和728.5，高于胁迫零点(0 h)，处理组间的Fo差异性不显著(P>0.05)。普陀鹅耳枥Fo值随着NO2胁迫时间的延长整体呈现先升高后降低的趋势，其中1 h处理组的Fo(252)显著低于胁迫零点的428，其余处理组均高于胁迫零点(0 h)和恢复组，处理组间的Fo值呈现极显著差异(P<0.01)。

欧洲鹅耳枥的最大荧光(Fm)值除了12 h处理组有轻微下降，随着NO2胁迫时间的延长整体上呈现下降趋势，1、6和24 h处理组的Fm值高于胁迫零点(0 h)；普陀鹅耳枥的Fm值随NO2胁迫时间的延长呈现先增加再降低的趋势，其中12 h处理组高于胁迫零点(0 h)。欧洲鹅耳枥和普陀鹅耳枥处理组间的Fm值呈现极显著差异(P<0.01)。

图3 不同NO2胁迫处理时间和恢复后两种鹅耳枥叶绿素荧光参数的变化Fig.3 The variation of chlorophyll fluorescence parameters in two kinds of hornbeam under different NO2 exposure time and after recovery

胁迫零点(0 h)和恢复组的欧洲鹅耳枥PSⅡ原初光能转化效率(Fv/Fm)分别是0.712和0.778，1 h和6 h处理组的Fv/Fm分别是0.759和0.775，高于胁迫零点(0 h)，低于恢复组，但无显著性差异(P>0.05)。从6 h到72 h 处理组的Fv/Fm值呈现下降趋势，变化范围是0.663～0.775。普陀鹅耳枥的Fv/Fm值在1 h 处理组相比胁迫零点(0 h)呈增加趋势，随着NO2处理时间的延长Fv/Fm值呈现下降趋势，变化范围为0.725～0.837。普陀鹅耳枥的各处理组间其Fv/Fm值差异性不显著(P>0.05)。

3 讨 论

3.1 两种鹅耳枥对NO2胁迫处理时间的响应

目前，有关NO2气体胁迫浓度的研究结果表明，1.0～18.8 mg/m3为产生胁迫效应的范围[26-31]，其中1.0～8.0 mg/m3属于低胁迫质量浓度，可进行30或60 d的处理；高浓度的NO2气体胁迫质量浓度主要为8.0 mg/m3以上，熏气时间主要集中为14或48 h等。本研究结合前期的预实验，确定两种鹅耳枥的NO2熏气为短时间高浓度处理即NO2质量浓度设置为12 mg/m3、处理时间为72 h，在该浓度NO2处理下，两种鹅耳枥叶片显示受害状态，但不至死，有利于研究NO2胁迫对两种鹅耳枥的耐性机制。

3.2 NO2胁迫下两种鹅耳枥光合特性的变化

环境和植物内部因子与植物的光合作用、呼吸作用以及其他的生理活动状况之间密切相关，其中光合有效辐射(PAR)起着主导作用[32]。有关两种鹅耳枥对NO2胁迫下光合作用的前期研究中，仅测定了植物光合速率、蒸腾速率、气孔导度及胞间CO2浓度的值[31]，未深入分析光合生理指标的变化对植物生理生长的影响，为此，本研究利用光合仪测定植物光合作用获得光响应曲线，计算出最大净光合速率(Pn，max)、光饱和点(LSP)、光补偿点(LCP)和暗呼吸速率(Rd)等参数，有助于了解光反应过程的效率，进一步搞清楚环境因子对光合产物积累的影响[32]。LSP和LCP是植物重要的光合生理指标，反映植物对光照条件的要求，对植物耐阴性强弱的判断起着重要作用。有研究认为：LSP和LCP都较低时，植物具有较强的耐阴性；LCP的高低是衡量在弱光条件下植物光合作用能力的重要指标[33]，LCP越低说明植物利用弱光能力越强，越有利于有机物质的积累；LCP低、LSP较高的植物，能适应多种光照环境[34-36]。本研究中，两种鹅耳枥在NO2胁迫不同时间处理下其LCP差异显著。6 h处理组的欧洲鹅耳枥和1 h处理组的普陀鹅耳枥其LCP最低。总体上，欧洲鹅耳枥和普陀鹅耳枥的LSP随着NO2处理时间的延长而增加。相比普陀鹅耳枥，欧洲鹅耳枥具有较高的Pn，max和Rd，较低的LCP和较高的LSP，表明欧洲鹅耳枥在较宽泛的光照强度下能够正常生长，光适应性更强。

3.3 两种鹅耳枥叶绿素荧光参数对NO2胁迫的响应

综上所述，短时间高浓度NO2胁迫下，欧洲鹅耳枥具有较高的Pn，max和Rd，较低的LCP和较高的LSP，表明欧洲鹅耳枥在较宽泛的光照强度下能够正常生长，适应性更强。欧洲鹅耳枥与普陀鹅耳枥在NO2胁迫1 h 的处理组Fv/Fm值增加，说明植物光化学效率提高，代谢增强，在经过6 h NO2处理后，仅欧洲鹅耳枥的Fv/Fm值增加，说明欧洲鹅耳枥在NO2胁迫下代谢更稳定，生长势更好，有机体能够有序适应外界不良环境，耐受性更强。