模擬酸雨對吊竹梅生長及抗氧化能力的影響

張遠兵，汪建飛，劉愛榮，夏海東

（1．安徽科技學院城建與環境學院，安徽 鳳陽233100；2．安徽科技學院生命科學院，安徽 鳳陽233100）

酸雨是指pH值小于5．6的雨水、凍雨、雪、雹、露等大氣降水，其形成最主要是SO2和氮氧化物（NOX）在大氣或水滴中轉化為硫酸和硝酸所致［1］。習慣上稱酸雨，科學上稱酸沉降，包括濕沉降如酸雨、酸雪、酸霧、酸雹和干沉降如二氧化硫、氮氧化物、氯氧化物等氣體酸性物［2］。我國的酸雨污染以城市局地污染為主，并以城市為核心呈現多中心分布，尤其在我國南方城市區域是酸雨的頻發區［3－4］。酸雨危害城市的建筑物材料、市政設施、人們身體健康及生態環境［5］，而園林綠化植物在改善城市環境、維護生態平衡，打造生態城市建設中起重要作用。目前關于酸雨脅迫對園林綠化木本植物［6－10］和草本植物［11－14］等已有相關報道，并提出酸雨使植物保護酶活性下降，活性氧代謝失調，加劇膜脂過氧化作用，進一步使植物的光合、呼吸以及氮代謝和礦質營養代謝等正常的生理活動受影響，從而使植物受害［6－14］。吊竹梅（Zebrinapendula），鴨跖草科，吊竹梅屬，為多年生常見綠化草本植物，適應能力很強，在我國廣泛栽培［15－16］。其葉面具紫色、綠色及銀白色相間條紋［16］，葉背紫紅色，株型飄逸，是一種良好的懸垂觀葉植物，還可用于花壇鑲邊，以及替代草坪形成地被植物多樣化的綠化風格［17］。關于吊竹梅解剖結構［18］、核型分析［19］、氣孔分布［20］、水培繁殖［21］、光合特性［22］、凈化能力［23］等已有相關研究，而吊竹梅抗酸雨能力的研究鮮見報道。為此，本研究采用模擬酸雨脅迫方法，研究酸雨對盆栽吊竹梅生長和抗氧化能力的影響，旨在為探究酸雨對園林綠化草本植物生長生理的傷害機制提供資料，同時也為篩選抗酸雨的優質綠化草本植物，改善城市環境、增強景觀多樣性、維護生態平衡提供參考。

1 材料與方法

1．1 材料

吊竹梅由安徽科技學院生命科學學院花卉實習基地提供。2012年9月10日選取生長勢一致吊竹梅嫩枝，扦插于裝有等量干凈細沙的塑料盆（高11cm，直徑8cm）中，每盆8株，共60盆。將塑料盆置于蔭棚中，每天噴自來水2次，10d后將塑料盆轉移至自然光照下，并用完全Hoagland營養液澆灌培養，30d后，將供試吊竹梅植株移至日光溫室中，溫室內自然光強，溫度為晝（25～30℃）／夜（12～18℃），相對濕度為70%～80%。

1．2 模擬酸雨的配制及噴灑

據安徽省酸雨污染特征及酸沉降水平［24］，用分析純 H2SO4、HNO3以SO42－與NO3－摩爾比5．9∶1．0配成酸雨母液。在母液中加入適量自來水分別配制pH 值為5．6、4．5、3．5、2．5、1．5的模擬酸雨供試液，并用 HK－3C型臺式精密酸度計進行標定。試驗設6個處理，其pH 值分別為6．7（對照）、5．6、4．5、3．5、2．5、1．5，每處理10個重復。模擬酸雨噴霧采用小型噴霧器噴霧法，于2012年10月下旬開始噴灑，分別用pH值為5．6、4．5、3．5、2．5、1．5的酸雨對吊竹梅植株進行噴霧，對照噴等量的自來水（pH值為6．7）；每隔3d噴1次，每次均噴至葉片滴液為度，噴霧在16：00－19：00進行。為防止相互干擾，用塑料薄膜將不同處理間吊竹梅植株隔開。在噴施酸雨期間，每隔3d澆灌等量的Hoagland營養液。處理24d后，對吊竹梅干質量進行測定，每處理3次重復，每重復8株苗；生理指標測定均取同一葉位樣品，每處理重復3次；以上各指標結果均取3次重復的平均值。

1．3 生物量測定

將吊竹梅植株從培養盆中完整取出，先用自來水清洗，后用蒸餾水沖洗，再將鮮樣放入電熱恒溫干燥箱中105℃殺青15min，后將溫度調至65℃烘干，稱干質量。

1．4 花青素相對濃度、葉綠素含量、硝酸還原酶活性、脯氨酸含量的測定

分光光度法測定花青素含量，當OD值為0．1時的花青素濃度為1個單位，即將測得的OD值乘以10，用以代表花青素的相對濃度單位［25］。分光光度法測定葉綠素含量［25］?；前繁壬y定硝酸還原酶活性［25］?；腔畻钏岱y定脯氨酸含量［25］。

1．5 SOD、POD、CAT活性的測定

氯化硝基四氮唑藍（NBT）法測定SOD活性，以抑制NBT光化還原的50%為1個酶活性單位（U）表示［26］。愈創木酚法測定過氧化物酶（POD）活性，以每分鐘A470變化0．01為1個過氧化氫酶活性單位（U）［25］，用U／（g·min）表示。紫外吸收法測定過氧化氫酶（CAT）活性，以每分鐘A240下降0．1表示1個酶活性單位（U），以 U／（g·min）表示［27］。

1．6 MDA含量和質膜透性測定

葉片丙二醛含量測定參照 Hodges等［28］方法。用電導率法測定質膜透性［27］。

1．7 數據分析

用 Microsoft Office Excel 2003軟件對數據作預處理，再用DPS軟件進行單因素方差分析（P＜0．05），并對平均數作Duncan新復極差法多重比較。

2 結果與分析

圖1 模擬酸雨對吊竹梅干質量的影響Fig．1 Effects of simulated acid rain on dry weight of Z． pendula

2．1 模擬酸雨對吊竹梅干質量的影響

隨模擬酸雨pH值下降，吊竹梅單株干質量比對照下降了3．24%～41．44%。pH值為5．6處理，單株干質量與對照相比差異不顯著；pH值為4．5～3．5處理，單株干質量下降了5．57%～7．80%，與對照相比差異顯著；pH值為2．5～1．5處理，單株干質量下降幅度急劇增大，分別比對照下降了18．53%和41．44%（圖1）。

2．2 模擬酸雨對吊竹梅花青素相對濃度、葉綠素含量、硝酸還原酶（NR）活性、脯氨酸含量的影響

隨著pH值下降，吊竹梅葉片花青素相對濃度比對照下降了3．03%～43．55%。pH值為5．6～4．5處理，與對照相比，其相對濃度差異不顯著；pH值為3．5～1．5處理，相對濃度下降幅度急劇增加，比對照下降了15．81%～43．55%（圖2）。隨模擬酸雨pH值下降，吊竹梅葉片葉綠素含量呈下降趨勢。pH值為5．6處理，其含量比對照下降了3．36%，差異不顯著；pH值為4．5～1．5處理，其含量比對照下降了7．23%～50．37%，與對照相比差異顯著（圖2）。

圖2 模擬酸雨對吊竹梅葉綠素含量和花青素相對濃度的影響Fig．2 Effects of simulated acid rain on chlorophyll content and anthocyanin relative concentration of Z． pendula

隨模擬酸雨pH值下降，吊竹梅葉片NR活性比對照下降了3．48%～42．39%。pH值為5．6～4．5處理，其活性下降幅度為3．48%～6．39%，與對照相比，差異不顯著；pH值為3．5～1．5處理，其活性比對照下降了11．92%～42．39%，差異顯著（圖3）。隨模擬酸雨pH值下降，吊竹梅葉片脯氨酸含量呈上升趨勢。pH值為5．6處理，其脯氨酸含量高于對照10．27%，差異不顯著；pH值為4．5～1．5處理，其脯氨酸含量分別高于對照29．00%～112．07%，差異顯著（圖3）。

圖3 模擬酸雨對吊竹梅硝酸還原酶活性和脯氨酸含量的影響Fig．3 Effects of simulated acid rain on nitrate reductase activity and proline content of Z． pendula

2．3 模擬酸雨對吊竹梅SOD、POD和CAT活性的影響

植物對逆境的不同抵抗能力常與體內抗氧化酶活性水平有關［8］。隨模擬酸雨pH值下降，SOD活性呈先上升后下降趨勢。pH值為5．6處理，SOD活性比對照增加了5．82%，但差異不顯著；pH值為4．5處理，SOD活性低于對照6．30%，但差異不顯著；pH值為3．5～1．5處理，SOD活性低于對照15．61%～46．33%，且差異顯著（表1）。隨模擬酸雨pH值下降，POD活性呈上升趨勢。pH值為5．6處理，POD活性比對照增加了20．51%，但差異不顯著；pH值為4．5～2．5處理，POD活性比對照增加了35．82%～54．61%，差異顯著；pH值為1．5處理，POD活性比對照增加了1．8 1倍（表1）。隨模擬酸雨pH值下降，CAT活性呈下降趨勢。pH值為5．6處理，CAT活性比對照下降8．36%，但差異不顯著；pH值為 4．5～1．5 處 理，POD 活 性 比 對 照 下降11．30%～41．51%，且差異顯著（表1）。

2．4 模擬酸雨對吊竹梅丙二醛（MDA）含量和質膜透性的影響

隨模擬酸雨pH值下降，MDA含量和質膜透性均呈上升趨勢。pH值為5．6處理，MDA含量和質膜透性分別比相應對照增加了10．32%和6．10%，但差異均不顯著；pH值為4．5～1．5處理，MDA含量和質膜透性分別比相應對照增加了24．32%～65．61%和9．21%～55．87%，且差異顯著（圖4）。

3 討論

吊竹梅屬于彩葉植物，是因其葉片呈紫色、綠色及銀白色相間條紋，紫色、綠色是由花青素和葉綠素決定的，故花青素和葉綠素含量是衡量其觀賞品質的指標，同時在光合作用中，葉綠素還起著吸收、傳遞光能及光化學反應的作用，因此植物葉綠素含量與光合速率有著密切的關系［29］。在模擬酸雨pH值為5．6～3．5脅迫下，吊竹梅單株干質量下降7．80%，但下降幅度較小；花青素相對濃度和葉綠素含量下降幅度分別不超過15．81%和13．17%，試驗中觀察到與對照相比，吊竹梅葉片表面無傷害癥狀，表明酸雨可能抑制了其光合作用，使其生長受抑制，但對其觀賞性無影響。pH值為2．5處理，單株干質量下降幅度增大，兩類色素含量下降幅度增大，其嫩葉有極少量斑點，功能葉無明顯變化，顯示酸雨可能對光合作用抑制增強，使其生長受抑制程度也增加，而對其觀賞性幾乎無影響；pH值為1．5處理，單株干質量和兩類色素含量均大幅度下降，顯示酸雨可能嚴重抑制光合作用，使其生長嚴重受抑制，葉片大面積受傷害，有褐黃色斑塊，呈水漬狀，甚至腐爛，其觀賞品質也急劇下降。本試驗中模擬酸雨脅迫下吊竹梅葉綠素下降的結果與模擬酸雨脅迫下香根草（Vetiveriazizanioiaes）葉綠素含量下降［30］的結果一致。

表1 模擬酸雨對吊竹梅SOD、CAT和POD活性的影響Table 1 Effect of simulated acid rain on SOD，CAT and POD activities in leaves of Z． pendula

圖4 模擬酸雨對吊竹梅丙二醛含量和質膜透性的影響Fig．4 Effects of simulated acid rain on MDA content and membrane permeability of Z． pendula

硝酸還原酶（NR）是植物體內NO3－還原的第一個重要的調節酶和限速酶，催化NO3－還原成NO2－的反應，可反映植物對硝態氮肥的利用能力［31－32］。pH值為5．6～3．5處理，其活性下降幅度小于11．92%，顯示吊竹梅對硝態氮的利用能力影響較小；pH值為2．5～1．5處理，其活性下降幅度急劇增大，表明對硝態氮的利用嚴重受抑制，因此酸雨抑制吊竹梅對硝態氮利用也是抑制其生長的原因。有報道植物受干旱和鹽漬等非生物脅迫，脯氨酸（Pro）含量增加十幾倍、幾十倍甚至上百倍［33］。邊才苗和王錦文［34］報道pH值為5．5～2．5酸雨處理，西葫蘆（Cucurbitapepo）Pro含量增加，但其增加幅度不超過100%，與干旱和鹽脅迫相比，其含量增加幅度較小。本試驗中，模擬酸雨pH值為5．6～1．5處理，吊竹梅葉片Pro含量呈上升趨勢，但增加幅度較小，這與對西葫蘆噴淋酸雨的研究結果［34］一致；在酸雨脅迫下Pro含量增加幅度遠小于干旱和鹽脅迫，這可能是酸雨引起植物體內水分減少的幅度低于重度干旱和鹽脅迫導致的水分減少幅度的緣故。有研究認為Pro既是一種滲透調節物質，又是一種非常有效的抗氧化劑，可以清除活性氧（reactive oxygen species，ROS），調控植物細胞中 ROS的平衡［35－36］，可能酸雨脅迫下吊竹梅Pro含量的增加也具有這兩種作用。

植物體的氧代謝是指活性氧（ROS）生成與清除反應，在非逆境情況下，兩類反應處于平衡狀態。植物細胞內清除ROS的保護酶系統包括SOD、POD、CAT等［37］，三者協同作用降低ROS積累減輕了氧化傷害。但是植物在逆境中，這種平衡狀態受破壞，引起氧化傷害［37－38］。在模擬酸雨脅迫下，吊竹梅葉片SOD活性呈先上升后下降趨勢，POD活性呈上升趨勢，CAT活性呈下降趨勢的結果顯示，pH值為5．6～4．5的酸雨處理，SOD、CAT和POD協同作用，降低ROS積累，氧化傷害較小；在pH值為3．5酸雨處理，SOD、CAT和POD協同作用能力減弱，氧化傷害增加，外觀上仍無明顯傷害癥狀；在pH值為2．5～1．5強度酸雨下，POD活性急劇增強，SOD和CAT活性顯著下降，三者協同作用清除ROS能力繼續減弱，氧化傷害加重，同時也進一步驗證了僅依賴POD是不能完全清除ROS積累，消除氧化傷害。本試驗中，隨模擬酸雨脅迫強度增加，吊竹梅葉片MDA含量及質膜透性均增大（r＝0．96），顯示酸雨脅迫引起了膜質過氧化加劇，導致了質膜透性增加，尤其是在pH值為2．5～1．5強酸雨下，膜質過氧化所引起的膜損傷加重。因此，酸雨傷害吊竹梅的又一原因在于酸雨降低了保護酶SOD和CAT的活性，清除ROS反應能力下降，使氧代謝平衡失調，過剩的ROS啟動或加強了膜質過氧化作用而使吊竹梅受害。

總之，模擬酸雨pH值為5．6～3．5處理，吊竹梅葉綠素含量、利用硝態氮能力、抗氧化能力隨著pH值的下降而下降，但仍具抵抗酸雨脅迫能力，因此其生長受抑制程度較輕，對其觀賞性無影響；pH值為2．5處理，葉綠素含量、利用硝態氮能力和抗氧化能力繼續下降，其生長受抑制程度增大，對其觀賞性幾乎無影響；pH值為1．5處理，其生長嚴重受抑制，有明顯傷害癥狀，觀賞性急劇下降。

［1］Menza F C，Seip H M．Acid rain in Europe and the United States：an update［J］．Environmental Science and Policy，2004，7（4）：253－265．

［2］馮宗煒．中國酸雨對陸地生態系統的影響和防治對策［J］．中國工程科學，2000，2（9）：5－12．

［3］吳丹，王式功，尚可政．中國酸雨研究綜述［J］．干旱氣象，2006，24（2）：70－77．

［4］張燕，劉立進．我國酸雨分布特征及控制對策［J］．陜西環境，1998，5（4）：39－40．

［5］劉彬．酸雨的形成、危害及防治對策［J］．環境科學與技術，2001，96（4）：21－23．

［6］田大倫，黃智勇，付曉萍．模擬酸雨對盆栽樟樹幼苗礦質元素含量的影響［J］．生態學報，2007，27（3）：1099－1104．

［7］Liu E U，Liu C P．Effects of simulated acid rain on the antioxidative system inCinnamomumphilippinenseseedlings［J］．Water，Air，＆Soil Pollution，2011，215（1）：127－135．

［8］趙棟，潘遠智，鄧仕槐，等．模擬酸雨對茶梅生理生態特性的影響［J］．中國農業科學，2010，43（15）：3191－3198．

［9］王應軍，鄧仕槐，姜靜，等．酸雨對木芙蓉幼苗光合作用及抗氧化酶活性的影響［J］．核農學報，2011，25（3）：588－593．

［10］肖艷，黃建昌，劉少嫻，等．模擬酸雨對12種園林植物的傷害及敏感性反應［J］．西南農業大學學報（自然科學版），2004，26（3）：270－273，276．

［11］吳杏春，林文雄，洪清培，等．模擬酸雨對草坪草若干生理指標的影響［J］．草業科學，2004，21（8）：88－92．

［12］田如男，張培東，程澄．模擬酸雨脅迫對4種草坪草種子萌發的影響［J］．南京林業大學學報（自然科學版），2011，35（5）：5－10．

［13］張廣生．30種草本觀賞植物對模擬酸雨的反應［J］．中國農業生態學報，2007，15（2）：104－107．

［14］張光生，劉英，周青．9種草本觀賞植物葉綠素含量和細胞膜透性對酸雨脅迫的響應［J］．生態與農村環境學報，2006，22（4）：83－87．

［15］江蘇植物研究所．江蘇植物志（上）［M］．南京：江蘇人民出版社，1977：333－334．

［16］郝芹，劉海燕，劉如芳，等．觀賞草坪中吊竹梅與婆婆納的搭配［J］．山東林業科技，2006，164（3）：61．

［17］李福壽．幾種地被植物替代草坪以改變地被模式初探［J］．林業調查規劃，2004，29（增刊）：180－181．

［18］馬艷芝．幾種紅色葉植物葉的色素質量分數和解剖結構［J］．東北林業大學學報，2009，37（9）：51－53．

［19］張定成，朱學玲．吊竹梅的核型研究［J］．安徽師大學報，1989，（4）：31－34．

［20］呂洪飛．紫竹梅、吊竹梅和鴨跖草氣孔分布與比較［J］．植物學通報，2000，17（4）：375－380．

［21］孫麗，趙蘭枝，王瑤，等．吊竹梅水培繁殖研究［J］．安徽農業科學，2006，34（22）：5825，5914．

［22］申鳳娟，陳雅君，王巍，等．光照對6種室內垂吊花卉形態與生長的影響［J］．東北農業大學學報，2009，40（7）：28－33．

［23］劉棟，史寶勝，魏文欣．甲醛氣體脅迫對3種觀賞植物的形態及部分生理指標的影響［J］．河北農業大學學報，2011，34（2）：66－70．

［24］檀滿枝，閻伍玖．安徽省酸雨污染特征分析［J］．環境科學研究，2001，14（5）：13－16．

［25］張志良，瞿偉菁，李小方．植物生理學實驗指導（第4版）［M］．北京：高等教育出版社，2009．

［26］Chou H，Park J O．Mercury－induced oxidative stress in tomato seedlings［J］．Plant Science，2000，156（1）：1－9．

［27］王學奎．植物生理生化實驗原理和技術（第2版）［M］．北京：高等教育出版社，2006．

［28］Hodges D M，DeLong J M，Forney C F，etal．Improving the thiobarbituric acid－reactive－substances assay for estimating lipid peroxidation inplant tissues containing anthocyanin and other interfering compounds［J］．Planta，1999，207（4）：604－611．

［29］Kannangara C G．The Photosynthetic Apparatus［M］．California：Academic Press，1991．

［30］劉金祥，鄺宴籌，肖生鴻．模擬酸雨對種子繁殖香根草生理特性的影響［J］．草業學報，2005，14（5）：54－58

［31］Deckard E L，Lanbert R J．Nitrate reductase activity in corn leaves as related to yields of grain protein［J］．Crop Science，1973，13（4）：343－350．

［32］張智猛，萬書波，戴良香，等．施氮水平對不同花生品種氮代謝及相關酶活性的影響［J］．中國農業科學，2011，44（2）：280－290．

［33］謝虹，楊蘭，李忠光．脯氨酸在植物非生物脅迫耐性形成中的作用［J］．生物技術通報，2011，（2）：23－27，60．

［34］邊才苗，王錦文．鑭對西葫蘆幼苗模擬酸雨脅迫的緩解效應［J］．植物營養與肥料學報，2011，17（4）：1030－1034．

［35］Ashraf M，Foolad M R．Roles of glycine betaine and proline in improving plant abiotic stress resistance［J］．Environmental and Experimental Botany，2007，59（2）：206－216．

［36］Molinari H B C，Marur C J，Daros E，etal．Evaluation of the stress inducible production of proline in transgenic sugarcane（Saccharumspp．）：osmotic adjustment，chlorophyll fluorescence and oxidative stress［J］．Physiology Plant，2007，130（2）：218－229．

［37］余叔文，湯章城．植物生理學與分子生物學（第二版）［M］．北京：科學出版社，1998：366－389．

［38］王麗萍，孫錦，郭世榮，等．黃瓜砧用白籽南瓜對不同鹽脅迫的耐性評價［J］．應用生態學報，2012，23（5）：1311－1318．