模擬酸雨對大麥幼苗部分生理特性的影響

李曉科

（晉中學院生物科學與技術(shù)學院，山西晉中030600）

酸雨是指由于空氣中的SO2，NOx等引起的pH值小于5.6的酸性降水[1]。近年來，隨著我國國民經(jīng)濟和工業(yè)的迅猛發(fā)展，對化石燃料的需求日益增加，其在燃燒后產(chǎn)生的酸性物質(zhì)嚴重影響了大氣質(zhì)量，導致我國酸雨問題日趨嚴重，酸雨面積超過國土面積的29%，而且面積仍在擴大，降水酸性繼續(xù)升高[2]。由于酸雨為害，我國國民經(jīng)濟受到了較大影響，尤其是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到的影響更為突出。

大麥是一種適應性廣、抗逆性強、產(chǎn)量較高的禾谷類作物，在保健食品和釀造工業(yè)中廣泛使用，在世界各大洲均有種植[3]。目前，酸雨對作物的研究主要集中在水稻[4]、小麥[4-5]、油菜[4-5]及園林樹木[6-7]等方面，而酸雨對大麥幼苗生長影響的研究少見報道。

本試驗通過研究模擬酸雨條件下大麥幼苗葉片細胞膜透性、丙二醛含量、抗氧化酶活性及葉綠素含量等生理特性的變化，初步探討了酸雨影響大麥幼苗部分生理特性的機理，為進一步開展酸化環(huán)境對植物生長發(fā)育的脅迫研究提供一定的參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本研究所用的試驗材料為大麥（Hordeum vulgare），品種為晉科571，由山西省農(nóng)業(yè)科學院品種資源研究所提供。

1.2 試驗方法

1.2.2 材料的處理 將比較飽滿、大小基本一致的大麥種子在NaClO溶液中處理0.5 h后，用蒸餾水洗2～3次，放入溫水中浸泡5 h左右，然后在恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，控制溫度為28℃，使大麥種子萌發(fā)。在種子露白后，將40粒大小一致的種子鋪在培養(yǎng)皿中，且在培養(yǎng)皿中放幾層濾紙，用Hoagland營養(yǎng)液培養(yǎng)，白天用自然光，溫度控制在25℃，晚上溫度控制在20℃。每個處理3次重復。

1.2.3 噴淋方法 采用噴霧法模擬酸雨，用噴霧器向受試材料葉面噴灑不同pH值的模擬酸雨，對照噴灑等量去離子水。根據(jù)預備試驗的脅迫效應表現(xiàn)程度，噴灑頻率為每1d噴1次，共噴5次，每次均噴至葉片滴液為度，在8：00—10：00進行噴淋。

1.2.4 測定方法 模擬酸雨處理5 d后，分別取大麥幼苗上部生長一致的葉片測定生理指標，每個測定3個重復，結(jié)果取平均值。細胞膜透性、丙二醛含量、葉綠素含量采用李合生[8]的方法測定；過氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法，在725型分光光度計470 nm波長處測光密度值；超氧化物歧化酶（SOD）活性采用南京建成生物工程研究所研制的超氧化物歧化酶活性測定試劑盒（黃嘌呤氧化酶法）進行測定；過氧化氫酶（CAT）活性采用南京建成生物工程研究所研制的過氧化氫酶活性測定試劑盒（可見光法）進行測定。

1.2.5 統(tǒng)計方法 試驗結(jié)果采用SPSS 16.0和Excel 2003軟件進行統(tǒng)計。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬酸雨對大麥幼苗葉片細胞膜透性（CMP）和丙二醛（MDA）含量的影響

植物細胞外滲液的電導率可作為植物細胞膜透性（CMP）的變化及損傷的生理指標之一。并且不良環(huán)境下的植物器官常會發(fā)生膜脂過氧化，最終會產(chǎn)生丙二醛，而它的含量可以反映植物遭受逆境傷害的程度[9]。從圖1、圖2可以看出，與對照相比，不同pH值的模擬酸雨處理5 d后，大麥幼苗葉片的MDA含量及相對電導率均隨各酸雨處理pH值的減小而上升，有一定的劑量效應關(guān)系。統(tǒng)計學分析表明，pH值為5.0酸雨處理的丙二醛（MDA）含量及相對電導率與對照之間無明顯差異，而pH≤4.0的酸雨處理使這2項生理指標與對照之間差異達顯著水平。而且，二者達極顯著水平，R2＝0.997，但各處理的MDA含量變幅大于相對電導率的變幅，說明MDA含量的積累先于膜透性的增加。

2.2 模擬酸雨對大麥幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

SOD，POD，CAT是生物體內(nèi)重要的活性氧清除酶，它們的重要作用是消除超氧化物自由基、減輕脂質(zhì)過氧化和膜損傷[10]。從圖3可以看出，大麥幼苗葉片中SOD酶的活性隨酸雨脅迫程度的增加而上升，表現(xiàn)為酸雨使大麥葉片積累大量自由基O2-，從而SOD酶的活性迅速增加，增強大麥抗逆境的能力，在pH值為4.0～2.0時，大麥幼苗葉片SOD酶的活性增加幅度變小。同時，CAT酶的活性在酸雨強度較小時增加，后隨酸雨強度增加而下降，而另一種保護酶POD的活性卻一直在增強。

2.3 模擬酸雨對大麥幼苗葉片中葉綠素含量的影響

在植物的光合作用過程中，葉綠素能夠吸收并傳遞光能，同時發(fā)生一系列的化學反應。而一些不良環(huán)境條件會抑制葉綠素的合成，環(huán)境特別惡劣時，葉綠素會加快分解[11-13]。圖4表明，大麥幼苗葉片中葉綠素含量隨酸雨強度的提高而減小，并在pH≤4.0時，與對照相比，差異達顯著水平。此外，Chl a的含量和Chl b的含量相比，隨相應各處理酸雨強度的升高，Chl b下降的幅度大于Chl a，表明在酸雨脅迫下，Chl b比Chl a更易降解。可能是由于葉綠素a/b蛋白復合體含量下降，從而降低了光系統(tǒng)Ⅱ捕獲光能的效率，光抑制程度得到一定的減輕。

3 討論

SOD，POD，CAT均是廣泛存在于植物體內(nèi)的氧化還原酶，主要生理功能是清除因各種原因產(chǎn)生的細胞內(nèi)活性氧自由基的含量，抑制膜內(nèi)不飽和脂肪酸的過氧化作用，維持細胞膜的穩(wěn)定性和完整性，提高植物的抗逆性。植物通過加強抗氧化作用提高其對酸雨的抗性，從而防止自由基毒害[14-15]。本試驗表明，在不同強度的酸雨脅迫下，誘發(fā)大麥幼苗葉片膜脂過氧化，產(chǎn)生大量MDA，并且使細胞膜透性增大，膜功能受損。此時，大麥幼苗葉片中3種保護酶SOD，POD，CAT在酸度低時活性表現(xiàn)為上升趨勢，加強對氧自由基的清除。但隨酸雨脅迫強度增加，CAT活性急劇下降和SOD活性上升變慢，從而更加劇了氧自由基的積累。但值得注意的是，POD作為一種保護酶，在本試驗中其活性持續(xù)增強，與在其他植物中得到的結(jié)果相似[9]，其中的機理還有待進一步研究。

酸雨對植物膜系統(tǒng)的損傷必然會引起光合器官的傷害和功能的下降。呂均良等[9]模擬酸雨對葡萄葉片的研究也表明，重度酸雨脅迫（pH≤3.5）下，葉片葉綠素含量明顯減少。本試驗也發(fā)現(xiàn)，模擬酸雨處理下，大麥幼苗葉片葉綠素含量下降，這可能是因為酸雨通過破壞植物葉片表面的蠟質(zhì)和角質(zhì)層，損害植物的表皮結(jié)構(gòu)，損傷植物細胞膜結(jié)構(gòu)與功能，使細胞膜透性增大，細胞內(nèi)電解質(zhì)大量外滲，造成離子平衡失調(diào)，酸性物質(zhì)擴散進入植物，H+取代卟啉環(huán)中的Mg2+，破壞葉綠素合成與分解過程的平衡，降低葉綠素的組成，導致其含量降低。

［1］袁志忠，曾碩，周耀渝.模擬酸雨對玉米種子萌發(fā)和幼苗生長的影響[J].山西農(nóng)業(yè)科學，2011，39（11）：1161-1164.

［2］郭軍.天津市酸雨變化特征及其影響因素[J].城市環(huán)境與城市生態(tài)，2007，20（4）：34-37.

［3］顧自奮，黃志仁，許如根，等.近10年世界大麥生產(chǎn)概況[J].大麥科學，2001（1）：1-4.

［4］周青，曾慶玲，黃曉華，等.三類抗性種子萌發(fā)對酸雨脅迫響應[J].生態(tài)學報，2004，24（9）：2029-2036.

［5］曾慶玲，黃曉華，周青.酸雨對水稻、小麥和油菜種子萌發(fā)的影響[J].環(huán)境科學，2005，26（1）：181-184.

［6］黃益宗，李志先，黎向東，等.模擬酸雨對華南典型樹種生長及營養(yǎng)元素含量的影響[J].生態(tài)環(huán)境，2006，15（2）：331-336.

［7］Hou Bac Fan，Yi Hong Wang.Effects of simulated acid rain on germination，foliar damage，chlorophyll contents and seedling growth of five hardwood species growing in China[J].Forest Ecologyand Management，2000，123（3）：321-329.

［8］李合生.植物生理生化實驗原理和技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2000：258-261.

［9］呂均良，李三玉，黃壽波，等.模擬酸雨對葡萄葉片和花粉的影響[J].應用與環(huán)境生物學報，1999，5（5）：459-463.

［10］吳濟南，王麗玲，王惟帥，等.阿特拉津和乙草胺混用對夏玉米葉片生理指標的影響[J].河南農(nóng)業(yè)科學，2011，40（8）：142-144.

［11］周莉，劉莉.類胡蘿卜素生物合成的調(diào)控因素及其對光合作用的影響[J].天津農(nóng)業(yè)科學，2011，17（5）：5-8.

［12］董建力，許興，李樹華，等.旱脅迫對不同春小麥葉綠素含量的影響及與抗旱性的關(guān)系[J].華北農(nóng)學報，2011，26（3）：120-123.

［13］王小兵，李元清，崔國惠，等.不同類型小麥品種（系）光合生理特性差異研究[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技，2011（2）：31-32.

［14］何忠效.生物化學試驗技術(shù) [M].北京：化學工業(yè)出版社，2004：122-126.

［15］郭興，潘登奎，羅曉麗.植物超氧化物歧化酶的研究及其在基因工程中的應用[J].山西農(nóng)業(yè)科學，2008，36（3）：3-6.