红豆杉属两种植物响应模拟酸雨胁迫的生理表现

李玲丽，李文杰，张 银，李梦希，孙 兵，费永俊

（1.长江大学园艺园林学院，湖北 荆州 434025；2.深圳园林股份有限公司，广东 深圳 518000）

0 引言

【研究意义】酸雨是指pH 值小于5.6 的大气降水[1]。在我国，由于几十年的煤炭等地下资源开采及秸秆焚烧，大量的SO2等物质排放到大气中，使得超40%的国土受到酸雨危害，是继欧洲、北美之后出现的世界第三大酸雨区，形成了华中、西南、华南和华东四大酸雨区，其中四川、安徽、湖北、湖南、江西、福建、广西和重庆的大部分地区是中国的主要酸雨分布区[2]。酸雨极强的淋溶性会降低植物体内光合色素含量[3]和水分利用效率[4]，导致光合作用受到制约，影响植物生长。不同物种对酸雨胁迫的耐受性不同[5]。红豆杉属（Taxus）植物作为世界公认的珍稀濒危抗癌树种[6]，探究其响应酸雨胁迫的生理表现，有助于进一步研究其对酸雨的抗性，这对红豆杉属植物的资源保护十分重要。【前人研究进展】目前，许多学者已对红豆杉属植物的群落结构[7-8]、遗传多样性[9-11]、紫杉醇含量[12]、原生质体培养[13]进行了研究，前人对红豆杉属植物的研究主要集中在遗传学方面。【本研究切入点】虽然对红豆杉属植物的抗酸性已有部分研究[14-15]，但尚不深入。【拟解决的关键问题】分析不同pH 值的模拟酸雨对红豆杉和云南红豆杉叶片各生理指标的影响，以期选出对酸雨耐受性较强的物种，为酸雨灾害地区红豆杉属植物的管理养护以及应用推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料为2 年生红豆杉（Taxus chinensis）和云南红豆杉（Taxus yunnanensis）幼苗，由长江大学园艺园林学院提供，栽植于长江大学西校区盆景园内。

1.2 方法

按照H2SO4与HNO3（v∶v）8∶1 的比例配制模拟酸雨母液。再用蒸馏水稀释配制成pH 值分别为3.0、3.5、4.0、4.5 的溶液。选择各100 株生长良好、长势一致的红豆杉和云南红豆杉幼苗进行模拟酸雨胁迫处理。于傍晚对供试植物幼苗叶片均匀喷雾500 mL 不同pH 值的溶液，以喷施pH 值5.6 的等体积蒸馏水作对照（CK），直至有水滴滴落为止，每处理8 株，重复3 次，随机排列于温室苗圃内培养。待酸雨胁迫处理10 d 后，立即进行取材，不同处理分别取足量叶片，放入液氮密封保存，然后放入-80 °C 冰箱备用。

1.3 项目测定

参考邹琦[16]的方法测定过氧化物酶（POD）活性、超氧化物歧化酶（SOD）活性、过氧化氢酶（CAT）活性、叶绿素（CHL）含量和类胡萝卜素（CAR）含量；参考Nakno 等[17]的方法测定抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性；参考Anderson 等[18]的方法测定多酚氧化酶（PPO）活性；参考李合生[19]的方法测定丙二醛（MDA）含量、可溶性蛋白（SP）含量和可溶性糖（SS）含量。

1.4 数据处理

数据采用SAS 9.2 统计软件进行分析，通过Duncan法多重比较，显著性水准为a=0.05，利用Excel 软件进行作图，采用模糊数学的隶属函数值法[20]对红豆杉和云南红豆杉的各项生理指标进行综合评价。

隶属函数值计算公式：

如果为负相关，计算公式为：

式中，Zij为i组别j指标的隶属函数值；Xij为i组别j指标的测定值；Xi max和Ximin分别为各组别指标值的最大值和最小值。累加各物种各指标的具体隶属值，并求出平均值后进行比较排名。

2 结果与分析

2.1 模拟酸雨对供试植物叶片抗氧化酶活性的影响

如图1 所示，随着pH 值的减小，红豆杉叶片POD 活性呈先上升后下降的趋势。当pH 值为4.5 时比对照提升72.33%，差异达显著水平（P＜0.05）；当pH 值为3.0 时比对照降低4.31%。云南红豆杉叶片POD 活性随pH 值的减小呈先下降后上升再下降的趋势。当pH 值为4.5、3.5 和3.0 时均比对照显著降低（P＜0.05），其中pH 值为3.0 时比对照降低67.52%。试验结果表明，pH 值3.0 的模拟酸雨能显著降低2 种植物叶片POD 活性，pH 值4.5 的模拟酸雨能显著提升红豆杉叶片POD 活性，显著降低云南红豆杉叶片POD 活性。

图1 酸雨胁迫对红豆杉属植物叶片抗氧化酶活性的影响Fig.1 Effects of acid rain stress on antioxidant enzyme activity in leaves of T. chinensis and T.yunnanensis

随着pH 值的减小，红豆杉叶片CAT 活性呈先上升后下降的趋势。当pH 值为4.5 时比对照提升28.63%，差异达显著水平（P＜0.05）；当pH 值为4.0、3.5 和3.0 时均比对照显著降低（P＜0.05），其中pH值为3.0 时比对照降低54.79%。云南红豆杉叶片CAT 活性整体呈先下降后上升再下降的趋势。当pH 值为4.0时比对照提升25.01%，差异达显著水平（P＜0.05）；当pH 值为4.5、3.5 和3.0 时均比对照显著降低（P＜0.05），其中pH 值为3.0 时比对照降低49.31%。试验结果表明，pH 值3.0 的模拟酸雨能显著降低2 种植物叶片CAT 活性，pH 值4.5 和pH 值4.0 的模拟酸雨分别显著提升红豆杉和云南红豆杉叶片CAT 活性。

随着pH 值的减小，红豆杉和云南红豆杉的叶片PPO 活性均呈先上升后下降的趋势。当pH 值为4.5时，相比对照分别提升107.67%和133.67%，差异均达显著水平（P＜0.05）；当pH 值为3.0 时，相比对照分别下降72.34%和74.27%，差异均达显著水平（P＜0.05）。试验结果表明，pH 值3.0 的模拟酸雨能显著降低2 种植物叶片PPO 活性，pH 值4.5 的模拟酸雨能显著提升2 种植物叶片PPO 活性。

随着pH 值的减小，红豆杉叶片APX 活性呈先下降后上升再下降的趋势。当pH 值为4.0 时比对照提升13.19%，差异达显著水平（P＜0.05）；当pH 值为4.5、3.5 和3.0 时均比对照显著降低（P＜0.05），其中pH 值为3.0 时比对照降低54.62%。随着pH 值的减小，云南红豆杉叶片APX 活性呈先上升后下降的趋势。当pH 值为4.5 时比对照提升38.17%，差异达显著水平（P＜0.05）；当pH 值为3.5 和3.0 时均比对照显著降低（P＜0.05），其中pH 值为3.0 时比对照降低34.87%。试验结果表明，pH 值3.0 的模拟酸雨能显著降低2 种植物叶片内的APX 活性，pH 值4.0 和pH 值4.5 的模拟酸雨分别显著提升红豆杉和云南红豆杉叶片APX 活性。

随着pH 值的减小，红豆杉和云南红豆杉的叶片SOD 活性呈先上升后下降的趋势。当pH 值为4.5 时，相比对照分别提升23.88%和87.02%，差异均达显著水平（P＜0.05）；当pH 值为3.0 时，相比对照分别降低7.88%和22.40%，后者与对照差异达显著水平（P＜0.05）。试验结果表明，pH 值3.0 的模拟酸雨能降低2 种植物叶片SOD 活性，pH 值4.5 的模拟酸雨能显著提升2 种植物叶片SOD 活性。

2.2 模拟酸雨对供试植物叶片MDA、CHL 和CAR含量的影响

如图2 所示，红豆杉和云南红豆杉的叶片MDA含量随pH 值的减小呈上升趋势。当pH 值为3.0 时升至最高，相比对照分别提升37.68%和79.24%，差异均达显著水平（P＜0.05）。试验结果表明，pH 值3.0 的模拟酸雨能显著增加2 种植物叶片MDA 含量。

图2 酸雨胁迫对红豆杉属植物叶片MDA、CHL、CAR 含量的影响Fig.2 Effects of acid rain stress on MDA,CHL,and CAR contents in leaves of T. chinensis and T.yunnanensis

随着pH 值的减小，红豆杉叶片CHL 含量呈先上升后下降的趋势。当pH 值为4.5 时比对照提升24.56%，差异达显著水平（P＜0.05）；当pH 值为4.0、3.5 和3.0 时均比对照显著降低（P＜0.05），其中pH 值为3.0 时比对照降低27.18%；云南红豆杉叶片CHL 含量随pH 值的减小呈下降趋势。当pH 值为3.5 和3.0 时均比对照显著降低（P＜0.05），其中pH 值为3.0时比对照降低31.27%。试验结果表明，pH 值3.0 的模拟酸雨能显著降低2 种植物叶片内的CHL 含量，pH 值4.5 的模拟酸雨能显著提升红豆杉叶片CHL 含量。

随着pH 值的减小，红豆杉叶片CAR 含量呈下降趋势。酸雨处理均比对照显著降低（P＜0.05），其中pH 值为3.0 时比对照降低19.46%；云南红豆杉叶片CAR 含量随pH 值的减小呈先上升后下降的趋势。当pH 值为4.5 时比对照提升1.06%，当pH 值为3.0 时比对照降低24.98%，差异均达显著水平（P＜0.05）。试验结果表明，pH 值4.5 的模拟酸雨能显著提升云南红豆杉叶片CAR 含量，pH 值3.0 的模拟酸雨能显著降低2 种植物叶片CAR 含量。

2.3 模拟酸雨对供试植物叶片有机渗透调节物质的影响

由图3 所示，随着pH 值的减小，红豆杉和云南红豆杉叶片SS 含量均呈先上升后下降的趋势。当pH 值为4.5 和4.0 时显著提升（P＜0.05），pH 值为3.5 和3.0 时显著降低（P＜0.05）。其中：当pH 值为4.0时红豆杉和云南红豆杉叶片SS 含量分别比对照提升48.63%和69.41%，当pH 值为3.0 时红豆杉和云南红豆杉叶片SS 含量分别比对照降低15.26%和34.11%。试验结果表明，pH 值3.5 和3.0 的模拟酸雨能显著降低2 种植物叶片SS 含量，pH 值4.5 和4.0 的模拟酸雨能显著增加2 种植物叶片SS 含量。

图3 酸雨胁迫对红豆杉属植物叶片SS、SP 含量的影响Fig.3 Effects of acid rain stress on SS and SP contents in leaves of T.chinensis and T.yunnanensis

随着pH 值的减小，红豆杉和云南红豆杉叶片SP 含量均呈先上升后下降的趋势。当pH 值为4.5 时，相比对照分别上升11.62%和29.05%，后者差异达显著水平（P＜0.05）；当pH 值为3.0 时，分别比对照降低17.01%和48.44%，差异均达显著水平（P＜0.05）。试验结果表明，pH 值3.0 的模拟酸雨能显著降低2 种植物叶片SP 含量，pH 值4.5 的模拟酸雨可增加2 种植物叶片SP 含量。

2.4 酸雨胁迫下红豆杉属植物叶片各生理指标的综合评价

如表1、2 所示，不同pH 值模拟酸雨处理对红豆杉属植物的作用效果不同，2 种植物对pH 值3.0 的重度酸雨耐受性最弱，但对轻度酸雨有一定的耐受性。其中：红豆杉对pH 值4.5 的模拟酸雨耐受性最强，而云南红豆杉对pH 值4.0 的模拟酸雨耐受性最强。经不同pH 值酸雨胁迫处理后，2 种植物叶片各生理指标的隶属函数值综合排名为：云南红豆杉第1、红豆杉第2，表明云南红豆杉对模拟酸雨的耐受性比红豆杉强。

表1 酸雨胁迫下红豆杉属植物叶片内各生理指标的隶属函数平均值Table 1 Average physiological indices on membership function of leaves of T.chinensis and T.yunnanensis under acid rain stress

表2 酸雨胁迫对不同红豆杉属植物叶片中生理指标的综合评价Table 2 Overall evaluation on physiological indices of leaves of T.chinensis and T.yunnanensis under acid rain stress

3 讨论

3.1 模拟酸雨对红豆杉属2 种植物叶片抗氧化酶活性的影响

与抗逆性有关的APX、PPO、CAT、SOD 和POD等抗氧化活性酶及其共同酶构成了抗氧化酶系统，这些抗氧化酶活性的平衡确保了和H2O2等活性氧维持在稳定和安全水平[21]。植物体内清除活性氧能力的提升需要SOD、POD 和CAT 等相互配合，在酸雨胁迫下，抗氧化酶活性会随着胁迫强度和时间增加发生变化，当出现超过植物耐受阈值的高强度酸雨时，植物体内的活性氧就会超过抗氧化系统的自净极限从而引起氧化损害，最终损伤植物[22]。在本试验中，随着胁迫强度的增加，2 种植物叶片的APX、PPO、SOD、POD 和CAT 活性整体呈先升高再降低的趋势，表明轻度酸雨胁迫激发了植物自身的抗逆体系，这与赵英[23]、赵栋[22]和孙兵[15]研究紫玉兰（Magnolia liliflora）、山茶（Camellia japonica）和曼地亚红豆杉（Taxus media）响应模拟酸雨胁迫所得出的结论相一致。但在不同酸雨胁迫处理和不同物种之间，各项酶活性指标有所差异。在pH 值4.5 的模拟酸雨胁迫下，红豆杉叶片的SOD、POD、CAT、PPO 活性和云南红豆杉叶片的PPO、APX、SOD活性显著升高；在pH 值4.0 的模拟酸雨胁迫下，红豆杉叶片的APX 活性和云南红豆杉叶片的CAT 活性显著升高；但在pH 值3.0 的酸雨胁迫下，2 种植物叶片的各项酶活性指标均显著降低，表明红豆杉和云南红豆杉分别对pH 值4.5 和pH 值4.0 的酸雨有一定的抗性，但pH 值3.0 的重度酸雨会严重影响2 种植物的抗氧化酶活性。

3.2 模拟酸雨对红豆杉属2 种植物叶片MDA、CHL 和CAR 含量的影响

CHL 是植物光合作用的物质基础，植物体内光合作用能力的高低以及光合产物的多少会因其含量的高低而不同；CAR 属于聚光色素，通过吸收多余光能阻止强光破坏CHL[24]。陶秀花[25]指出：酸雨的酸度越高，植物体内的CHL 含量越低。周原也[26]在研究酸雨胁迫对茶树（Camellia sinensis）的影响时，发现CHL 和CAR 含量会随着酸雨胁迫的增强不断减少。MDA 含量水平的高低代表了植物叶片细胞膜脂过氧化的程度和对逆境反应的强弱[22]。郭慧媛[27]和张银[14]揭示了“随着酸雨胁迫强度的增加，导致抗氧化物质过度消耗，致使MDA 含量不断提升”的规律。本试验结果也表明，在pH 值4.5 的模拟酸雨胁迫下，红豆杉叶片CHL 含量和云南红豆杉叶片CAR 含量有不同程度的增加，表明2 种植物对轻度酸雨有一定的耐受性；但在pH 值3.0 的重度酸雨胁迫下，2 种植物叶片的MDA 含量显著升高，CHL 和CAR 含量显著降低，表明2 种植物均不耐受重度酸雨。

3.3 模拟酸雨对红豆杉属2 种植物叶片有机渗透调节物质的影响

逆境会造成植物体内水分缺失，为了维持体内水分渗透平衡，植物会通过积累SS 和SP 等有机渗透调节物质，来缓解逆境胁迫给自身带来的伤害[28]。在本试验中，随着酸雨胁迫的增强，红豆杉和云南红豆杉叶片的SS 和SP 含量整体呈先上升后下降的趋势，这一结果与马兰[28]研究不同类型酸胁迫对云杉（Picea asperata）和多花黑麦草（Lolium multiflorum）抗性生理的影响时所得出的结论一致。也与廖源林[29]有关苦楝（Melia azedarachL）的研究结论相一致。但在不同酸雨胁迫处理及不同物种之间，SS 和SP 含量有所差异。在pH 值4.0～4.5 模拟酸雨胁迫下，2 种植物叶片SS 含量显著增加，在pH 值4.5 模拟酸雨胁迫下，2 种植物叶片SP 含量显著增加，表明2 种植物对轻度酸雨有一定的抗性；但在pH 值3.0 的重度酸雨胁迫下，SS 和SP 含量均降至最低（P＜0.05），表明随着酸雨胁迫的加重，对2 种植物的损伤越大。

4 结论

不同pH 值酸雨胁迫下，云南红豆杉对模拟酸雨的耐受性比红豆杉强；供试的2 种植物对轻度酸雨均有一定的耐受性，其中，红豆杉对pH 值4.5 的模拟酸雨耐受性最好，云南红豆杉对pH 值4.0 的模拟酸雨耐受性最好，但均不耐受pH 值3.0 的重度酸雨。