臭氧胁迫对葡萄的影响研究进展

张一帆，黄文尉，王紫雯，徐晓莹

(山东农业大学园艺科学与工程学院，山东泰安 271018)

葡萄(VitisviniferaL.)是葡萄科葡萄属藤本植物，被广泛地种植于世界各地。其中95%的葡萄种植于北半球。葡萄部分品种易受到臭氧(O3)胁迫，导致产量和品质下降。研究臭氧胁迫对葡萄的影响并探索缓解臭氧胁迫的措施具有重要意义。

随着工业的发展和人类活动的增加，地表的臭氧前体物质如氮氧化物(NOx)和挥发性有机化合物(VOCs)等含量不断增加，导致对流层的臭氧水平不断提升。研究表明，全球对流层臭氧浓度自20世纪以来增加量超过1倍，其中北半球中纬度地区最为严重[1]。中国对流层臭氧浓度2005—2010年增加了约7%，主要原因是温室气体的大量排放和平流层臭氧向下输送的增加[2]。作为对流层中最普遍的空气污染物之一，高浓度臭氧限制了植物的光合作用并刺激植物的氧化应激反应，严重威胁了农作物和园艺作物的产量和品质。目前生产上主要利用作物的表现生物学指标以及田间暴露法，自然大气条件下田间小区法等来判断臭氧对葡萄的影响程度。而在田间许多研究者常利用化学防护剂进行研究，如利用抗氧化剂监测臭氧等。开顶式气室(OTCs)被广泛应用于臭氧对葡萄的危害性研究，在气室内通常利用自动观测仪检测臭氧体积分数，对于敏感型品种，一般空气中臭氧体积分数达到50～120 nL/L时可使其受害。泰安地区一天中有大约70%的时间臭氧浓度处于50 ppb(μg/kg)以上。目前评估臭氧对作物的风险主要采用计算AOT40暴露指数的方法，AOT40是指在一个生长季节内积累的每小时臭氧浓度超过40 ppb的阈值，通过这种方法，可以对某地区臭氧危害做出有效判断。

目前，虽然有一些生产者认识到了臭氧对农作物的危害，但如何通过有效措施缓解臭氧胁迫仍然没有较完善的阐述。就国内外相关臭氧胁迫对葡萄生长的影响进行综述，并对缓解臭氧胁迫的措施进行总结，为保护葡萄、减少葡萄种植者的经济损失提供参考。

1 臭氧胁迫对葡萄生长的影响

1.1 臭氧胁迫对葡萄叶片形态结构的影响

臭氧由气孔进入叶片通过周边细胞、海绵细胞空隙等抵达栅栏组织，对叶片造成细胞内质壁分离的伤害[3]。有研究表明，臭氧在50～75 ppb的范围内会降低气孔导度，从而限制二氧化碳流入叶片。保卫细胞离子通道的激活是气孔关闭的关键，也是限制臭氧流入叶片的关键[4]。

O3借助气孔进入叶片后溶解在细胞壁的水相中，与细胞的非原质体和原质体的成分发生反应。在非原质体中，O3与水、维生素等反应生成活性氧物质比如超氧自由基、氢氧自由基、H2O2等，此类活性氧物质能与膜脂发生反应引发膜脂过氧化作用，破坏细胞膜系统。研究表明，随着臭氧浓度的增加，葡萄叶片叶绿体减少变形，叶绿体膜溶解，叶绿体数、叶绿体基粒数和基粒片层数下降，叶绿素含量降低[3]。

1.2 臭氧胁迫对葡萄叶片光合作用的影响

植物光合作用是地球上最基本的能量转化过程，臭氧的强氧化性导致高浓度臭氧环境中植物的光合效率下降，因除气孔导度降低外，臭氧经过化学作用产生的活性氧也发挥了重要作用。细胞对高浓度臭氧最显著的反应是清除ROS，植株中一些蛋白无法消除ROS，导致赤霞珠葡萄叶片中ROS的积累和光损伤。臭氧胁迫降低了PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)，出现光抑制作用，导致葡萄叶片的光化学效率降低，光能更多地被用于散热[7]。以3年生赤霞珠葡萄为试材，以75 nL/L的O3浓度连续3个月每天处理2 h的试验中，随着处理时间的增加，臭氧胁迫下葡萄叶片的光合作用性能显著降低。叶绿素荧光分析表明，O3胁迫导致最大荧光强度(Fm)和最大光氧化P700 (Pm)显著降低，这表明长期臭氧胁迫下PSI、PSII活性也有所下降[8]。

葡萄叶片在臭氧胁迫下激活了电子流循环(CEF)，以缓解用作还原作用的多余电子，从而降低了对光系统的压力[9]。Pellegrini等[5]对两个葡萄品种阿利亚提科(Aleatico)和黄色特雷比亚诺(Trebbiano giallo)2年生盆栽植株用臭氧进行功能性叶片处理和光合过程的日动态比较研究，在臭氧处理结束时，两个品种在完全展开的叶片上表现出典型的可见损伤，光合活性发生显著变化。

1.3 臭氧胁迫对葡萄植株生长发育的影响

高浓度臭氧使植物叶片气孔关闭，减少二氧化碳的进入，抑制碳同化过程，导致植物器官的碳分配不平衡，影响植物的生长发育。一些研究表明,高浓度臭氧使植物根部的生物量、根系相对生长速率(RGR)、根系长度、根与枝的生物量比率和根系呼吸作用下降10～60%[10]。在葡萄上的研究发现，长期的臭氧胁迫显著减少赤霞珠地上部分生长。在臭氧胁迫下，种子硬化期(4周)和果期(8周)的果实横径和纵径均显著小于正常条件下植株的。另外，长期的臭氧胁迫显著降低了碳氮向叶片和果实的转运，抑制了葡萄植株及果实的生长[8]。

1.4 臭氧胁迫对葡萄产量品质的影响

将维达尔葡萄，分别置于臭氧浓度为18 ppb和30 ppb的开顶式气室中，每天处理12 h，发现两个浓度的臭氧降低了其果粒大小，增加了果汁的总酸度[11]。Fumagalli等[12]研究发现高浓度O3胁迫下，葡萄果糖、总多酚含量、总酸度、总花青素均显著降低，对葡萄口感与品质产生影响。

2 缓解葡萄臭氧胁迫的措施

2.1 品种和砧木

不同的葡萄品种在臭氧胁迫下生理响应不同。郝玉梅[13]探究夏黑、早巨峰、阿考龙等8个葡萄品种对臭氧胁迫的敏感性、叶片抗氧化性以及活性氧代谢体系的响应，遴选出臭氧耐受能力最强的品种为阿考龙。为探究高浓度臭氧对葡萄光合原初反应的影响机制，以5BB、赤霞珠、Frontenac(福克)3个葡萄品种为材料，在321 μg/m3浓度的臭氧条件下，通过连续激发式荧光仪测定并解析了葡萄叶片叶绿素快速荧光诱导曲线参数的变动，发现高浓度臭氧对葡萄叶片原初光合反应的影响主要在于降低了叶片光合性能指数PIABS、Fv/Fm、单位面积吸收的光能ABS/CSm、反应中心的数量RC/CSm及将电子传递到QA以后的其它电子受体的比率ψO，敏感性最高品种为福克，赤霞珠次之，5BB最小[14]。进一步证明臭氧胁迫通过降低单位面积吸收的光能，抑制电子从QA向下的电子传递和减少单位面积内有活性的反应中心的数量来对光合原初反应产生的影响。综上，在今后葡萄栽植中可以综合选择更耐臭氧胁迫的品种。

张付春等[15]探究了3种葡萄砧木品种(5BB、SO4、101-14MG)对赤霞珠叶片光合作用的影响，发现选择5BB做砧木的赤霞珠单叶重和单叶面积均有提升，赤霞珠光合速率和叶片质量，耐强弱光性能均有不同程度提高，光合潜力得到提升。而选择砧木SO4降低叶面积，对叶片光合作用影响较小。说明选用砧木5BB能通过提高叶片的光合作用能力来缓解臭氧的胁迫作用。

2.2 施加外源物质

褪黑素。褪黑素(N-乙酰基-5-甲氧基色胺，MT)是一种通过5-羟色胺代谢合成的吲哚类胺类物质，具有良好的抗氧化能力[16]。耿庆伟等[17]研究发现发现施用褪黑素显著提升了臭氧胁迫下赤霞珠葡萄的叶绿素a、b和类胡萝卜素的含量，提高了叶片净光合速率(Pn)、单位面积叶片活性反应中心的数量，缓解了臭氧胁迫下的光抑制程度，降低了叶片的伤害作用。褪黑素提高叶绿素含量和光合作用能力的原因在于褪黑素诱导的光呼吸增强可以作为一种保护机制耗散过剩光能，最大限度地减少了葡萄光合碳同化以及叶片光呼吸的损伤，达到提高叶绿素含量和光合能力，促进叶片淀粉积累的目的[18]。外源褪黑素处理增加了葡萄浆果的内源褪黑素含量，促进了果实成熟。通过转录分析，发现多酚代谢、碳水化合物代谢、乙烯生物合成和信号转导过程是褪黑素处理后最显著的三个生物过程。褪黑素处理可以提高浆果中总花青素、酚类、类黄酮类和原花青素的含量，进而提高了浆果的抗氧化能力，部分通过乙烯信号转导实现[19]。说明臭氧胁迫下褪黑素的作用机理可能与乙烯的生物合成和信号传导有密切联系。刘闯[20]通过对比褪黑素、乙烯合成抑制剂、臭氧和乙烯利处理发现，褪黑素、乙烯合成抑制剂以及两者复合处理葡萄叶片，都可以减少臭氧胁迫下葡萄叶片的黄化面积，减轻叶片伤害，进一步推测出褪黑素通过调控乙烯途径缓解O3胁迫。

抗坏血酸。存在于细胞壁中的抗坏血酸是抵御臭氧的第一道防线[21]。喷施外源抗坏血酸后缓解了田间臭氧胁迫对葡萄叶片光合电子传递链的抑制，改善光能的分配和利用，缓解臭氧胁迫对叶片的伤害。外源抗坏血酸可以明显的提高臭氧胁迫下阿白葡萄叶绿素含量、净光合速率和荧光参数，可以用于缓解大田葡萄臭氧胁迫。

尿素。尿素属酰胺态氮肥,含氮量44～46%,是当前农业生产中普遍施用的含氮量最高的固体氮肥。叶片中叶绿体中的氮占叶片含氮总量的75～80%[22]。对一年生藜草和反枝苋两种植物的研究中发现，其光合作用与单位面积叶片氮呈线性关系[23]，在臭氧胁迫下喷施尿素可以显著提高阿白葡萄叶片的净光合速率[24]。推断外源氮素可能通过增加叶片叶绿素含量和1,5-二磷酸核酮糖羧化酶的含量来抵御臭氧的胁迫。这为葡萄生产中喷施尿素克服臭氧胁迫提供了新方法，具体影响机制还有待于进一步研究。

亚硫酸氢钠。亚硫酸氢钠是生产上常用的一种光呼吸抑制剂。郭修武等[25]以4个浓度梯度的亚硫酸氢钠溶液处理香悦葡萄，发现均可提高叶片叶绿素含量,并且亚硫酸氢钠浓度越高,叶片的叶绿素含量越高，由此提高了叶片净光合速率，有利于葡萄植株的生长。亚硫酸氢钠可以作为光呼吸抑制剂，抑制夏黑葡萄叶片的光呼吸，提高了光合速率，果实的可溶性固形物、还原糖和Vc的含量，提高了葡萄果实品质[24]。山东省果树研究所[26]发现，采用一定浓度的亚硫酸氢钠溶液可以显著缓解臭氧胁迫对葡萄叶片膜脂过氧化程度。所以在葡萄种植过程中在叶片上喷洒亚硫酸氢钠溶液，可以缓解大气臭氧对葡萄伤害，提高叶片光合能力。

3 展望

应加大优良砧木选育力度，选育具有高抗性的优良砧木品种，葡萄生长旺盛的夏季要经受高温、强光和臭氧3种胁迫，研究综合措施缓解臭氧胁迫对葡萄的损害。采用合理的栽培管理措施，如喷施外源生长调节剂褪黑素、抗坏血酸、尿素、亚硫酸氢钠能够显著减轻臭氧对葡萄的伤害，研究各种措施结合来提高葡萄对臭氧的适应性和抗性，使臭氧危害降到最低点，是今后深入研究的内容之一。随着现代分子生物学和分子遗传学的深入发展，研究臭氧伤害机理与葡萄响应臭氧胁迫的分子机制，探索葡萄内部抗氧化以及呼吸代谢机制，发现关键信号转导分子以及它们在响应臭氧胁迫中的功能和调控机制中的作用，为探寻消除臭氧对葡萄的损伤提供理论基础，同时，利用基因工程技术选育对臭氧胁迫抗性较强的葡萄新品种，可指导预防和减轻葡萄因臭氧胁迫而带来的负面影响。