CO2濃度升高對落葉松葉片抗氧化系統的影響

王騫春

(遼寧省林業科學研究院，遼寧 沈陽 110032)

CO2濃度升高對落葉松葉片抗氧化系統的影響

王騫春

(遼寧省林業科學研究院，遼寧 沈陽 110032)

在CO2濃度升高和對照處理的兩個開頂式氣室(OTC-Ⅰ型)內，研究分析了高濃度CO2對落葉松針葉抗氧化系統酶活力的影響。結果表明：短期內(2個月左右)CO2濃度升高條件下，超氧化物歧化酶(SOD)、抗壞血酸(ASA)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)、谷胱甘肽還原酶(GR)含量上升，且SOD與O2-產生速率之間呈極顯著負相關；但長期高濃度CO2處理下，ASA含量與SOD、APX、GR活性略有下降，可見，較長期高濃度CO2處理可能使此效果發生逆轉。在CO2濃度升高條件下，植物可能通過抗氧化能力的增強來減輕脅迫造成的細胞損傷，從而增強植物的抗性。

落葉松；CO2濃度；抗氧化系統

落葉松(Larixspp．)為松科落葉松屬落葉喬木，廣泛分布于27°50′—53°00′ N，86°00′—134°00′ E的北半球溫帶山區和寒溫帶地區，約有10個種和許多變種及雜種。落葉松是我國東北、內蒙古林區以及華北、西南高山針葉林的主要森林組成樹種。落葉松樹干端直、節少、心材與邊材區別顯著、材質堅韌、結構略粗、紋理直，是松科植物中耐腐性和力學性較強的木材，適宜作建筑、橋梁、礦柱、家具及木纖維工業原料等材用。

CO2是作物光合作用的原料，CO2濃度增加及其溫室效應引起的氣候變化，對植物生長發育、作物產量、形態結構、生理特性等方面影響十分顯著。[1]

活性氧是植物體內的正常代謝產物，在滲透脅迫下，活性氧含量升高從而成為氧化脅迫，同時植物也可以清除活性氧的各種抗氧化酶來保護細胞抵御活性氧的攻擊，阻抑膜脂過氧化。對活性氧的清除能力是決定植物對逆境抗性的關鍵因素之一。預計到21世紀中葉，全球CO2濃度將是現在的2倍。圍繞全球CO2濃度的升高已經進行了許多研究，但主要集中在光合反應等方面。[2]現在對高CO2濃度下體內保護系統的研究比較少，而且結論也略有不同，但總體趨勢是CO2濃度升高條件下植物抗逆性增強。除了CO2濃度升高這一環境脅迫外，在其他環境因子的脅迫作用下，植物葉片內抗氧化系統又具有各自的響應機制。

由于CO2濃度升高對植物影響的研究成果，目前主要集中在農作物等一年生草本植物，對木本植物的研究相對較少，且主要針對林木樹種，生理變化特性，尤其是關于活性氧代謝和抗氧化能力方面的研究不甚了解。落葉松是遼寧省森林的主要組成樹種，本文通過研究CO2濃度升高對落葉松抗氧化系統影響，為落葉松樹種的選育提供依據。

1 材料和方法

以10年生落葉松幼樹為試驗對象，于4月初將其移栽在開頂箱內。

1.1 試驗地點和試驗設計

1.1.1 試驗地點和設備 試驗地點位于中國科學院沈陽樹木園內，是沈陽市人口密集商業文化中心地帶。主要設備為適于木本植物生長的6個OTC-Ⅰ型開頂式氣室(Open Top Chamber)及氣體監控測試系統，用于目前條件下城市森林對全球氣候變化的響應研究。

1.1.2 試驗設計 試驗設2個處理：處理1，CO2濃度升高處理，(約為700 μmol·mol-1)。CO2來源為鋼瓶裝純CO2，采用高性能傳感器直接吸入CO2氣體，實現對CO2的監測，輸出標準電壓及電流信號，進入氣室控制系統。處理2，對照(自然CO2濃度)。6月10日開始每日24 h不間斷通氣，9月30日停止供氣。從6月20日開始，每間隔10 d取樣一次。每次取樣在9：00左右，選取落葉松2年生成熟葉片，置于保溫箱內冰浴保存。當天開始試驗，同步測定高濃度CO2處理和對照條件下落葉松葉片的抗氧化系統各項指標。每個處理各重復3次。

1.1.3 試驗數據處理 采用Microsoft Excel,對落葉松2個處理的保護性物質含量和抗氧化酶活性進行單因素方差分析，使用T檢驗比較各指標的通氣處理與對照間的差異顯著性。

1.2 試驗指標測定方法

1.2.1 抗壞血酸(ASA)含量測定 以三氯乙酸(TCA)為主要試劑，分光光度計法測定OD534值。[3]

1.2.2 超氧化物歧化酶(SOD)活性測定 測定原理采用氯化硝基四氮唑藍(NBT)，采用可見光分光光度計測定OD560nm值。[4]

1.2.3 抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性測定 以磷酸鉀緩沖液、抗壞血酸(ASA)等為主要試劑，并用分光光度計測定光密度值，并計算出APX含量。[5]

1.2.4 谷胱甘肽還原酶(GR)活性測定 以氧化型谷胱甘肽(GSSG)等為主要試劑，按照分光光度計法測定光密度值，計算出GR含量。[6]

2 結果與分析

2.1 對抗壞血酸(ASA)含量的影響

在植物對活性氧產生的酶促和非酶促兩類防御系統中，ASA是非酶促防御系統中重要的抗氧化劑。可有效清除O2·-和H2O2等多種活性氧。由圖1可見，高濃度CO2處理60 d內，落葉松葉片ASA含量高于對照植株，其增幅分別為40%、25.93%、15%、18.64%、6.25%和5%。但在60 d以后，高濃度CO2處理ASA含量逐漸低于對照植株。

由此可知，CO2濃度升高使落葉松ASA含量增加，但隨著處理天數延長，這種增加趨勢逐漸減弱。

圖1 CO2濃度升高對落葉松抗壞血酸含量的影響

2.2 對超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響

SOD是酶促防御系統中最主要的保護酶之一。其主要功能是清除細胞內的O2·-，將其轉化為H2O2。無論是對照還是高濃度CO2處理，落葉松SOD活性變化均呈明顯的單峰曲線。峰值出現在60 d內。此后，落葉松SOD含量下降。在處理65 d之內，落葉松針葉的SOD含量均高于對照植株。但在65 d之后，高濃度CO2處理下，SOD含量低于對照植株，其變幅分別為16.67%和10%(圖2)。由此可見，短時間高濃度CO2處理下，落葉松SOD活性上升，但長時間高濃度CO2處理下，SOD活性下降。

圖2 CO2濃度升高對落葉松超氧化物歧化酶活性的影響

2.3 對抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性的影響

在植物細胞中，APX能夠利用抗壞血酸的電子供體，清除H2O2，將其轉化為H2O。圖3表明，落葉松APX活性變化呈明顯的單峰曲線。峰值出現在50 d內。此后隨著處理天數增加，處理落葉松APX活性上升，且高于對照。但在45 d之后，APX活性下降。尤其在80 d和90 d內，通氣處理下，APX含量低于對照，其變幅為-7.69%和-13.33%。且在90 d時，顯著低于對照(P=0.030 9<0.05)

上述結果表明，同SOD，短時間高濃度CO2處理對APX活性變化具有正效應，長時間高濃度CO2處理可以減弱正效應，甚至產生負效應。

圖3 CO2濃度升高對落葉松抗壞血酸過氧化物酶活性的影響

2.4 對谷胱甘肽還原酶(GR)活性的影響

GR是植物細胞抗氧化酶系統中重要的保護酶。其在細胞活性氧的清除中起重要作用。圖4表明，在65 d之內，通氣處理植株與對照植株的GR含量變化較為一致。且通氣處理高于對照。增幅最大出現在第60 d內，增幅為29.09%。在處理80和90 d內，隨著GR活性下降，處理植株GR含量低于對照植株，變幅為-23.36%和-21.57%。

由此可見，較短時間和長時間高濃度CO2處理對植株GR活性的影響不同，短時間處理，可誘導GR活性上升，長時間處理，能夠使GR活性下降。

圖4 CO2濃度升高對落葉松谷胱甘肽還原酶活性的影響

3 結論與討論

高濃度CO2使落葉松針葉內ASA含量增加，其對活性氧的清除能力也相應增強。有研究表明，高活性APX是與高ASA合成能力相一致的。[7]而本試驗也證實，生長在高濃度CO2條件下的落葉松針葉內的APX活性高于對照，這與較高的ASA含量是一致的。本試驗研究表明，在短時間內CO2濃度升高條件下生長的落葉松針葉SOD、APX和GR酶活性都比對照有所升高。本試驗研究還表明，短時間(兩個月左右)CO2濃度升高可使落葉松ASA含量與SOD、APX、GR活性升高，抗氧化能力增強。但較長時間高濃度CO2條件則可能使此效果發生逆轉。植物體內的酶和非酶物質組成的保護系統可以有效地清除活性氧，減輕膜傷害。[14]落葉松葉片中保護性系統尤其是SOD酶活性的提高，可有效地清除細胞內的O2·-，提高植株的抗氧化能力，從而降低膜脂過氧化程度，減緩膜傷害。從而誘導了APX等抗氧化酶的活性。也有研究認為，CO2濃度增加導致植物抗氧化能力提高的機理可能是由于CO2是光合作用的底物，光合作用增強，促進了碳同化，從而提高了SOD和APX的活性，這與本研究結果相一致。

綜上所述，短時間CO2濃度升高對落葉松葉片抗氧化系統中各種保護酶活力的提升具有正效應，而長時間CO2濃度升高則會抑制這種效應，甚至產生負效應。這種變化趨勢值得重視。因此，有關CO2濃度升高對落葉松及其他森林樹種活性氧代謝的課題亟待深入研究。

[1] 趙天宏，黃國宏．大氣CO2濃度升高對植物影響的研究進展[J]．作物雜志，2003(3)：3-6

[2] CO2倍增對滲透脅迫下小麥葉片抗氧化酶類及細胞程序性死亡的影響[J]．植物生理學報，2000，26,(5):453-457

[3] 陳少裕.膜脂過氧化與植物逆境生理[J].植物生理學通訊,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] 尹永強，胡建斌，鄧明軍．植物葉片抗氧化系統及其對逆境脅迫的響應研究進展[J]．中國農學通報，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

國家“十二五”科技支撐項目(2012BAD01B01)

王騫春(1979—)，男，黑龍江哈爾濱人，高級工程師，主要從事林木遺傳育種研究.

S791.22

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2017.03.004