污染小麦的症状影响

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本文作者：黄益宗、钟 敏、隋立华、王 玮、耿春梅、殷宝辉 单位： 中国科学院生态环境研究中心、中国环境科学研究院

近几十年来，由于人类大量使用化石燃料、含N化肥，使大气中NOx、VOCs剧增，导致大气中O3浓度日益增加，而且污染范围越来越大[1]。近地层O3作为最重要的大气污染物之一，已成为当今世界研究者及公众密切关注的重要问题[2-4]。在我国，由于经济的快速发展，人口的不断增加，土地利用方式发生了前所未有的变化，近地层O3浓度增加较快，尤其在人口密集的城市和地区其O3浓度已达到相当高的水平。比如长江三角洲地区6个O3监测点（佘山、常熟、建湖、句容、临安和嘉兴）1999—2000年日7-h平均O3浓度为34.7~47.7nL•L-1，最大1-hO3浓度为114.2~196.2nL•L-1[5]。2008年春天和2009年夏天北京城区开阔型道路平均O3浓度已超130nL•L-1以上，交叉路口道路平均O3浓度超过150nL•L-1以上[6]。O3对农业生产影响较大，欧洲、北美和许多发展中国家已有报道，O3对植物具有伤害作用，并导致农作物减产。根据美国全国农作物产量损失评估网络（NCLAN）研究，由于O3的污染，美国每年农作物经济损失超过30亿美元[7]。在英国，O3污染导致农作物产量损失达5%~15%，仅小麦损失就达2亿英镑[8]。我国也有报道，O3对作物的危害作用以及对农业生态系统的影响[9-14]。但是有关O3污染胁迫对冬小麦氮代谢的影响研究较少有报道，O3污染胁迫对冬小麦体内的脯氨酸和谷胱甘肽含量的影响也较少有研究。在逆境条件下（干旱、盐碱、热、冷、冻）植物体内的脯氨酸含量将显著提高，因此脯氨酸可作为植物抗逆性的一个重要指标，通过监测植物体内的脯氨酸含量可以看出逆境下植物的生长状况，并为作物的抗逆育种提供依据。谷胱甘肽分为还原型谷胱甘肽（GSH）及氧化型谷胱甘肽（GSSG）两类，作为抗坏血酸-谷胱甘肽体系中重要的组成部分，谷胱甘肽在清除活性氧自由基方面发挥了重要的作用。本文在大田生长条件下采用开顶式气室（OTC）法研究模拟O3浓度升高对冬小麦伤害症状、叶片氮代谢、脯氨酸和谷胱甘肽含量的影响，为我国O3污染防治、提高粮食产量和品质提供科学依据。

1材料和方法

1.1实验地点和材料实验地点位于北京市西北部昌平区种子管理站（40°12′N，116°8′E），属暖温带大陆性季风气候，全年四季分明，年均降水量为550.3mm，雨量集中在6—8月，雨热同期，年均温为11.8℃，年均日照时数2684h，无霜期为200d左右。实验用作物冬小麦品种为北农9549（TriticumaestivumL.Beinong9549），由北京农学院提供。2009年9月28日播种，2010年4月26日追施尿素（225kg•hm-2）。整个生长期田间管理方式与当地保持一致。

1.2实验设计大田实验条件下建立开顶式气室进行模拟实验。开顶式气室模拟系统主要由框架和室壁构成的气室、通风系统、过滤系统、O3发生系统、O3浓度控制系统、O3浓度自动采集监测系统等组成。开顶式气室主体为正八面柱体，底边长1.0m、总高2.7m，覆盖面积约为4.8m2。气室框架由钢筋构成，室壁材质为聚乙烯塑料膜。系统内O3通过医用纯氧（99.5%）经O3发生器（SK-CFG-3，济南）高压放电作用产生。通过质量流量计（GFC17，AalborgIndustries，Inc.，Carson，CA）和组态王工控软件（MCGS6.2，北京）调节流量，进而控制系统内O3浓度。箱内和自然大气O3浓度通过2台O3分析仪（Model49c，ThermoElectronCo.，Franklin，MA）进行连续监测。O3浓度设4个处理：不熏O3（CK）和40、80、120nL•L-1O3。每个处理3次重复。实验从2010年4月5日开始，每日熏气9h（8：00—17：00），6月12日停止熏气，共熏气50d。

1.3测定方法参考Taohibana和Konishi的方法[15]采用活体法测定硝酸还原酶活性；铵态氮和硝态氮的测定参考吕伟仙等的方法[16]；采用酸性茚三酮法测定脯氨酸含量[17]；GSH含量参照Brehe和Burch的方法测定[18]。

1.4数据统计和处理采用SPSS13.0和Origin8.0软件对数据进行分析、统计和绘图。

2结果与分析

2.1冬小麦叶片的可见伤害症状在高浓度O3（120nL•L-1）熏蒸下，冬小麦最先表现出受害症状的是叶片，先是叶片叶脉两侧、叶尖出现褐色斑点，然后斑点面积逐渐扩大，叶片出现锈斑。在O3熏气后期，冬小麦整个植株呈枯黄状，说明冬小麦受到O3的严重伤害。低浓度O3（40nL•L-1）熏蒸导致冬小麦叶片出现受害症状的时间比高浓度时晚15d左右，试验中直到冬小麦抽穗期才出现受害症状，且其症状明显轻于120nL•L-1O3处理组。O3熏气使冬小麦出穗延迟，成熟提前。图1是冬黄益宗，等：O3污染胁迫下冬小麦的伤害症状及其对叶片氮代谢脯氨酸和谷胱甘肽含量的影响1462小麦乳熟期时拍摄的照片，从图中可以看出，80、120nL•L-1O3浓度处理组冬小麦叶片已经出现干枯现象，40nL•L-1O3处理组受害症状明显轻于高浓度O3处理组，而对照组无明显受害症状，冬小麦长势明显好于O3处理组。

2.2对冬小麦叶片硝酸还原酶活性的影响图2为O3熏蒸条件下不同生长期冬小麦叶片硝酸还原酶活性的变化规律。O3污染胁迫导致冬小麦叶片硝酸还原酶活性显著低于没有受到O3胁迫的对照处理，且随着O3浓度的提高而不断地降低。当O3浓度为40、80、120nL•L-1时，冬小麦叶片硝酸还原酶活性分别比对照处理降低45.4%、68.9%和92.9%（拔节期）；58.0%、78.8%和93.5%（抽穗期）；90.9%、90.0%和93.2%（乳熟期）。

2.3对冬小麦叶片铵态氮和硝态氮含量的影响图3和图4分别为O3熏蒸下冬小麦叶片硝态氮和铵态氮含量的变化情况。可以看出，在不同的生长期内（拔节期、抽穗期和乳熟期），O3浓度为40、80nL•L-1时冬小麦叶片硝态氮含量与对照处理相比变化不大，但是当O3浓度提高到120nL•L-1时，冬小麦叶片硝态氮含量分别比对照处理显著降低18.7%、10.1%和17.0%。在冬小麦拔节期，其叶片铵态氮含量在不同O3处理间差异不明显；抽穗期除了120nL•L-1O3胁迫显著地降低冬小麦叶片铵态氮含量以外，其他O3浓度处理影响不大；乳熟期O3熏蒸均导致冬小麦叶片铵态氮含量显著降低，当O3浓度为40、80、120nL•L-1时，冬小麦叶片铵态氮含量分别比对照处理降低13.1%、28.0%和46.0%。2.4O3浓度升高对冬小麦叶片脯氨酸含量的影响图5为O3浓度升高对冬小麦叶片脯氨酸含量的影响，可以看出，O3熏蒸条件下脯氨酸含量呈现出不同的变化趋势。O3熏蒸初期（冬小麦拔节期），脯氨酸含量随O3浓度的提高而呈现出增加的趋势，80、120nL•L-1O3浓度时脯氨酸含量分别比对照处理提高13.0%和26.8%；在冬小麦抽穗期，脯氨酸含量从（对照处理）228.0μgPro•g-1FW提高到601.6μgPro•g-1FW（O3浓度40nL•L-1）和622.8μgPro•g-1FW（O3浓度80nL•L-1），分别提高163.9%和173.2%，然后急剧降低到131.4μgPro•g-1FW，降低42.4%（O3浓度120nL•L-1）；在冬小麦乳熟期，O3胁迫下的脯氨酸含量均明显低于对照处理，当O3浓度为40、80、120nL•L-1时，脯氨酸含量分别比对照处理降低44.0%、24.5%和42.9%。抽穗期冬小麦叶片脯氨酸含量均明显高于抽穗期和乳熟期，有的处理甚至高达数倍。2.5O3浓度升高对冬小麦叶片谷胱甘肽含量的影响图6为O3浓度升高对冬小麦叶片GSH含量的影响。在冬小麦拔节期，O3污染胁迫导致GSH含量显著提高（P<0.05），当O3浓度为40、80、120nL•L-1时，冬小麦叶片GSH含量分别比对照提高49.7%、48.1%和31.7%。在冬小麦抽穗期，除了O3浓度为40nL•L-1时冬小麦叶片GSH含量与对照相比有所提高外，80、120nL•L-1O3胁迫均导致GSH含量与对照相比有显著降低，降低幅度分别为14.2%和27.9%。

3讨论

O3污染胁迫导致冬小麦产生严重的伤害症状：叶脉两侧与叶尖出现褐色斑点、叶枯黄、出穗延迟、成熟提前等。O3浓度越高以及O3处理时间越长，冬小麦受害症状越严重。其他的一些研究者也报道O3污染胁迫对作物和林木有伤害影响[19-21]。研究O3浓度升高对南方35种植物（包括树木、花卉、蔬菜和室内植物）生长的影响，发现植物受害症状有：叶片散布细密点状斑，斑点的颜色呈白色、黄色、棕褐色，也有褪绿斑等[19]。尾叶桉、米兰和马尾松叶片在O3胁迫下出现褐斑、卷曲、变薄和干枯等现象[20]。O3胁迫导致菠菜叶片出现淡黄色和深褐色斑点、嫩叶的叶尖卷曲、叶片变薄变软、脱水、枯黄等受害症状[21]。硝酸还原酶是高等植物氮素同化的限速酶，可直接调节硝酸盐的还原，从而调节氮代谢，并影响到植物的光合碳代谢。本研究中O3污染胁迫导致冬小麦叶片硝酸还原酶活性降低，硝态氮和铵态氮含量发生变化，这可能是因为O3污染导致冬小麦植株生长发育受阻，各种代谢功能受到影响，从而影响植物体内硝酸还原酶的合成，进而影响植株铵态氮和硝态氮的含量。O3污染胁迫对植物硝酸还原酶活性的影响较少有报道，但是有人研究了CO2浓度升高对冬小麦氮代谢的影响，发现CO2浓度升高可导致冬小麦地上部硝酸还原酶活性、铵态氮和硝态氮含量降低，这种结果是由于植物硝态氮代谢过程增强、形成更多的含氮有机化合物所引起的[22]。脯氨酸在植物细胞适应环境胁迫的过程中起着重要的作用，它是细胞内的渗透调节剂、羟基自由基清除剂、细胞内酶的保护剂、N素储藏物质等，因此脯氨酸可作为植物抗逆性的一个重要指标。许多研究发现植物在逆境胁迫下，其体内的游离脯氨酸含量将急剧上升，比胁迫前增加数倍到数十倍[23-24]，脯氨酸的大量积累可增强植物对逆境环境的适应，因为脯氨酸可作为碳源和氮源为细胞的生长提供大量的能量。本文研究发现冬小麦叶片的脯氨酸含量，在拔节期随O浓度的增加有略微增加的趋势；抽穗期冬小麦叶片脯氨酸含量在40、80nL•L-1O3浓度下比对照急剧增加了数倍，说明作物为了抵抗和适应O3胁迫，在生理生化方面做出了积极的响应。但是当O3浓度提高到120nL•L-1时脯氨酸含量又迅速下降，这可能是因为O3浓度过高导致植物细胞和酶结构受到破坏，使脯氨酸的合成途径受阻所致。同样，到了乳熟期，冬小麦叶片脯氨酸含量随着O3浓度的增加而显著地降低，这是由于O3的长时间胁迫使冬小麦受到严重的伤害，脯氨酸的合成受阻引起的。谷胱甘肽作为抗坏血酸-谷胱甘肽体系的重要组成部分，在清除活性氧自由基方面发挥着重要的作用[25]。谷胱甘肽分为还原型谷胱甘肽（GSH）及氧化型谷胱甘肽（GSSG）两类，其中GSH含量约占99.5%。谷胱甘肽作为植物体内主要的还原态硫之一，在植物抵抗各种环境胁迫方面起着重要的作用，其含量水平的高低与植物抵抗环境胁迫的能力密切相关。本研究中，冬小麦拔节期叶片GSH含量随着O3浓度的升高而显著提高，说明在冬小麦拔节期，GSH作为电子供体在清除活性氧自由基方面发挥了重要的作用。冬小麦抽穗期，80、120nL•L-1O3胁迫均导致GSH含量比对照显著降低，这可能是因为长时间、高浓度的O3胁迫使冬小麦受到严重伤害，导致GSH合成受阻。有人研究O3浓度升高对拟南芥GSH含量的影响，也得出GSH含量表现出先升高后降低的趋势[26]。但是一些研究报道，O3污染胁迫下植物体内大部分GSH转化成为GSSG，而总的谷胱甘肽含量变化却不大[27-28]。

4小结

（1）O3污染胁迫下冬小麦产生诸如叶脉两侧与叶尖出现褐色斑点、叶枯黄、出穗延迟、成熟提前等伤害症状。（2）当O3浓度为40、80、120nL•L-1时，冬小麦拔节期叶片硝酸还原酶活性分别比对照处理降低45.4%、68.9%和92.9%；抽穗期分别降低58.0%、78.8%和93.5%；乳熟期分别降低90.9%、90.0%和93.2%。不同O3浓度、不同冬小麦生长期的叶片硝态氮和铵态氮含量变化不一样。（3）O3污染胁迫对冬小麦叶片脯氨酸和GSH含量也有影响。在冬小麦拔节期和抽穗期，脯氨酸含量基本上随着O3浓度的增加而提高，但是抽穗期当O3浓度达到120nL•L-1时脯氨酸含量却显著降低，乳熟期脯氨酸含量均随着O3浓度的增加而降低。拔节期冬小麦叶片GSH含量在O3胁迫下比对照处理提高，而抽穗期GSH含量比对照处理降低。