臭氧對水稻田土壤理化性質(zhì)的影響

臭氧對水稻田土壤理化性質(zhì)的影響

氧氣對植物細(xì)胞的氧化影響。過氧化（pm）是確定氧化損傷程度的可靠指標(biāo)。植物體內(nèi)的氧化系統(tǒng)是決定植物細(xì)胞氧化損傷程度的重要因素。它可以去除體內(nèi)的生氧和過氧化的有毒產(chǎn)物，從而促進(jìn)植物的生存。超氧化物誘導(dǎo)酶（sod）、過氧化氫酶（cat）和過氧化酶（pod）是氧化系統(tǒng)中三種重要的酶誘系統(tǒng)保護(hù)酶。這些抗逆酶可以去除身體中的生氧，幫助植物維持生態(tài)氧的動(dòng)態(tài)平衡，并阻礙過氧化。然而，當(dāng)逆勢力超過一定閾值時(shí)，過度的活性氧積累將破壞植物的保護(hù)防御系統(tǒng)。臭氧對植物特別是農(nóng)作物的形態(tài)、生態(tài)、生理生化影響成為國際的研究熱點(diǎn),在國外有不少報(bào)道但對植物膜脂過氧化過程中生化響應(yīng)機(jī)制特別是對內(nèi)源抗氧化酶的誘導(dǎo)或抑制作用及其機(jī)理還不甚清楚,已有的文獻(xiàn)表達(dá)也不盡一致,國內(nèi)尚未見有關(guān)報(bào)道.本研究以水稻為材料,研究臭氧對水稻葉片膜脂過氧化和抗氧化系統(tǒng)的影響.1實(shí)驗(yàn)材料和方法1.1水稻及田間除臭材料為我國主要農(nóng)作物水稻(OryzasativaL.).實(shí)驗(yàn)是在中國氣象局農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)基地中進(jìn)行,OTC-1型開頂式氣室由過濾器、風(fēng)機(jī)、通風(fēng)管路、框架與室壁5部分組成,具體結(jié)構(gòu)見文獻(xiàn).臭氧由清華大學(xué)生產(chǎn)的QHG-1型高頻臭氧發(fā)生器產(chǎn)生,采用日本崛場(HORIBA)公司的臭氧監(jiān)測儀對各氣室中的臭氧濃度進(jìn)行監(jiān)控.水稻于1999-05-01播種于大田,06-09秧苗移入頂口直徑36cm、深26cm的瓦盆,土壤為大田表土,各盆之間土壤質(zhì)地相同.每盆定株為20(4株×5)株.07-01移入氣室適應(yīng),07-04開始通氣,至10-01水稻成熟,停止通氣,共設(shè)4個(gè)處理,臭氧濃度依次為:處理1:對照,5±3nl·L-1(活性碳過濾空氣,CFA);處理2:50±4nl·L-1;處理3:100±6nl·L-1;處理4:200±8nl·L-1.氣室內(nèi)臭氧濃度變異系數(shù)小于5%.每天通氣時(shí)間為9∶00～16∶00,其中11∶00～11∶15,14∶00～14∶15停止通氣30min,下雨天停止通氣.對水稻施肥、澆水以及防病蟲害措施各氣室保持一致,并使水肥條件不成為限制因子.1.2葉片葉綠素活性測定實(shí)驗(yàn)分別于07-14(分蘗期)、08-03(孕穗初期)、08-22(開花末期)、08-31(灌漿普遍期)、09-01(乳熟期)對各處理的水稻葉片進(jìn)行取樣:隨機(jī)取同一葉位的葉子數(shù)片,取葉片中部作實(shí)驗(yàn)測定用,每個(gè)實(shí)驗(yàn)4個(gè)重復(fù).葉綠素用80%丙酮提取,采用ArnonD.I法測定,單位為mg·g-1(FW).膜透性用DDS-11型電導(dǎo)率測定葉浸提液的電導(dǎo)率占煮后電導(dǎo)率的百分比表示.含量以硫代巴比妥酸(TBA)法測定,單位為n·md·g-1(FW).POD活性采用愈創(chuàng)木酚法測定,單位為OD470·min-1·g-1(FW).CAT活性采用高錳酸鉀滴定法測定,單位為H2O2mg·min-1·g-1(FW).SOD活性以每單位時(shí)間內(nèi)抑制光化還原50%的氮藍(lán)四唑(NBT)為一個(gè)活性單位(u).2結(jié)果與分析2.1臭氧對水稻葉綠素a/b值的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(圖1,a):葉綠素含量隨著生育期進(jìn)程而減少.各生育期葉片葉綠素含量(葉綠素a+葉綠素b)均隨著臭氧處理濃度增加而逐漸下降,二者呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2=0.885～0.997).臭氧濃度為100nl·L-1和200nl·L-1處理與其他處理差異均極顯著(P<0.01),同時(shí)從植物外部形態(tài)看,這2個(gè)處理系列的葉片較對照和50nl·L-1處理的葉片褪綠發(fā)黃.在葉片衰老的進(jìn)程中,葉綠素a比葉綠素b下降速率更快,葉綠素a/b值可作為葉片衰老的指標(biāo),從圖1(b)可看出,隨著臭氧濃度增加,葉片葉綠素a/b值逐漸下降,二者在各生育期都呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2=0.842～0.950),50nl·L-1處理與對照差異不顯著,100nl·L-1和200nl·L-1的處理與其他處理差異均極顯著(P<0.01).這表明臭氧具有加速水稻葉片衰老進(jìn)程的作用.同時(shí),由于受到臭氧傷害,葉片老化加速,水稻發(fā)育期提前、生育期縮短.田間觀察顯示,100nl·L-1和200nl·L-1處理的水稻,開花期、乳熟期、成熟期比對照提前1～4d.在所測定的幾個(gè)生育期中,葉綠素a/b在孕穗期最大,其變化幅度也大;在乳熟期最小,其變化幅度也最小.2.2對膜透性的影響植物細(xì)胞原生質(zhì)膜的選擇透性是植物最重要的功能之一,其大小可反映環(huán)境脅迫對植物的傷害程度.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(圖2):膜透性隨著生育期進(jìn)程而增加.各個(gè)生育期的葉片膜相對透性均隨臭氧濃度增加而上升,開始時(shí)上升趨勢比較平緩,到200nl·L-1處理時(shí)急劇上升,二者呈顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.895～0.934).100nl·L-1和200nl·L-1處理與其他處理差異均極顯著(P<0.01).說明在臭氧脅迫下,水稻葉片的膜系統(tǒng)受到了傷害.2.3臭氧處理對水稻dna含量的影響MDA是膜脂過氧化的產(chǎn)物,是衰老生理的重要指標(biāo).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(圖3):葉片的MDA含量隨著生育期進(jìn)程而增加.各個(gè)生育期葉片MDA含量均隨臭氧濃度增加而上升,二者呈顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.950～0.998).各濃度處理之間差異均極顯著(P<0.01).說明了臭氧加劇水稻葉片的膜脂過氧化作用加速了葉片的衰老進(jìn)程.2.4不同生育期葉片pod活性的變化隨著臭氧濃度增加,抗氧化酶活性發(fā)生了明顯變化(圖4).在各生育期中,葉片的CAT、SOD活性開始均隨臭氧濃度增加而迅速增加,到達(dá)一個(gè)峰值后而急劇或逐漸下降,甚至可能低于對照水平.各個(gè)生育期葉片的POD活性均隨臭氧濃度增加而持續(xù)上升,開始上升趨勢相對比較平緩,到200nl·L-1處理時(shí)急劇上升,二者呈顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.893～0.964).在所測定的幾個(gè)生育期中,CAT、SOD活性在孕穗期、開花期較大,在乳熟期較小.這與植物在不同生育期生理活性抗逆性強(qiáng)弱有關(guān)POD活性隨著生育期進(jìn)程而增加.一些研究也表明,POD活性與器官幼嫩、老化有關(guān),它與生長速率呈負(fù)相關(guān).這可能是POD具有IAA(生長素)氧化酶的性質(zhì)所致.3臭氧脅迫對葉綠素含量、葉綠素a/b值和葉綠素活性的影響考慮到在臭氧等氧化劑脅迫下,植物葉片的蛋白質(zhì)含量將有不同程度的增加,所以本文葉綠素、MDA含量、酶含量均以鮮重為基準(zhǔn),而不是以蛋白質(zhì)為基準(zhǔn).氧自由基學(xué)說認(rèn)為:植物在正常條件下的新陳代謝也產(chǎn)生膜脂過氧化,但在環(huán)境因子,如光、溫、水、缺乏礦質(zhì)元素、有毒金屬、大氣污染(O3、SO2、NOx等)脅迫下,植物體內(nèi)的活性氧(reactiveoxygenspices,ROS)如超氧自由基(O2-)、氫氧自由基(·OH)、單態(tài)氧(1O2)、過氧化氫(H2O2)等產(chǎn)生會(huì)顯著增加,進(jìn)而導(dǎo)致和加劇膜脂過氧化和降解,使植物膜系統(tǒng)受到傷害.在本實(shí)驗(yàn)中,隨著臭氧濃度的增加,水稻葉片的MDA含量增加,膜透性上升,葉綠素含量下降,葉綠素a/b值下降,膜透性與MDA含量二者呈顯著正相關(guān)(R=0.883～0.984),葉綠素含量、葉綠素a/b值與MDA含量呈顯著負(fù)相關(guān)(R葉綠素,MDA=-0.937～-0.995,Ra/b,MDA=-0.813～-0.981).表明了在臭氧脅迫下,植物產(chǎn)生了大量活性氧,并由此加劇了膜脂過氧化,造成了膜系統(tǒng)損害,葉綠素降解,葉片老化.葉綠素降解不僅與葉綠體膜系統(tǒng)的脂質(zhì)過氧化有關(guān),還與POD-H2O2分解系統(tǒng)有密切的關(guān)系.在本實(shí)驗(yàn)中,在臭氧脅迫下,葉綠素含量及葉綠素a/b值下降,POD活性上升,二者呈顯著負(fù)相關(guān)(R葉綠素,POD=-0.935～-0.996).當(dāng)臭氧濃度為200nl·L-1時(shí),SOD、CAT活性下降,使更多活性氧擴(kuò)散到葉綠體中參與葉綠素降解,同時(shí)POD活性急劇上升也加劇葉綠素降解,使葉片葉綠素含量迅速下降(圖1).膜脂過氧化作用與植物體內(nèi)活性氧產(chǎn)生以及抗氧化系統(tǒng)的酶促和非酶反應(yīng)對活性氧清除的動(dòng)態(tài)平衡密切相關(guān).隨著臭氧濃度增加,當(dāng)植物體內(nèi)活性氧累積超過正常水平,CAT、POD、SOD等抗氧化酶由于底物濃度增加而被誘導(dǎo)加速生物合成.SOD清除O2-形成H2O2,CAT、POD催化H2O2形成H2O.這些酶活性增加,機(jī)體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)被誘導(dǎo)而加強(qiáng)生理活動(dòng),是對臭氧等逆境的脅迫響應(yīng),加速了活性氧清除,有效地阻止了它在體內(nèi)過多地累積,阻抑了膜脂過氧化,保護(hù)了膜系統(tǒng).另一方面,當(dāng)臭氧濃度為200nl·L-1時(shí),水稻葉片CAT、SOD活性下降(圖4),MDA含量和膜透性急劇上升(圖2,3),植物受到嚴(yán)重?fù)p害.這表明:在較強(qiáng)臭氧脅迫下,當(dāng)葉細(xì)胞中活性氧累積超過一定限度,對其多