臭氧對水稻田土壤理化性質的影響

氧氣對植物細胞的氧化影響。過氧化（pm）是確定氧化損傷程度的可靠指標。植物體內的氧化系統(tǒng)是決定植物細胞氧化損傷程度的重要因素。它可以去除體內的生氧和過氧化的有毒產物，從而促進植物的生存。超氧化物誘導酶（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)氧的動態(tài)平衡，并阻礙過氧化。然而，當逆勢力超過一定閾值時，過度的活性氧積累將破壞植物的保護防御系統(tǒng)。臭氧對植物特別是農作物的形態(tài)、生態(tài)、生理生化影響成為國際的研究熱點,在國外有不少報道但對植物膜脂過氧化過程中生化響應機制特別是對內源抗氧化酶的誘導或抑制作用及其機理還不甚清楚,已有的文獻表達也不盡一致,國內尚未見有關報道.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實驗材料和方法1.1水稻及田間除臭材料為我國主要農作物水稻(OryzasativaL.).實驗是在中國氣象局農業(yè)氣象試驗基地中進行,OTC-1型開頂式氣室由過濾器、風機、通風管路、框架與室壁5部分組成,具體結構見文獻.臭氧由清華大學生產的QHG-1型高頻臭氧發(fā)生器產生,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,各盆之間土壤質地相同.每盆定株為20(4株×5)株.07-01移入氣室適應,07-04開始通氣,至10-01水稻成熟,停止通氣,共設4個處理,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.氣室內臭氧濃度變異系數小于5%.每天通氣時間為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驗分別于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行取樣:隨機取同一葉位的葉子數片,取葉片中部作實驗測定用,每個實驗4個重復.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型電導率測定葉浸提液的電導率占煮后電導率的百分比表示.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活性以每單位時間內抑制光化還原50%的氮藍四唑(NBT)為一個活性單位(u).2結果與分析2.1臭氧對水稻葉綠素a/b值的影響實驗結果表明(圖1,a):葉綠素含量隨著生育期進程而減少.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,二者呈顯著負相關關系(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),同時從植物外部形態(tài)看,這2個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,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相關關系(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程的作用.同時,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胞原生質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.實驗結果表明(圖2):膜透性隨著生育期進程而增加.各個生育期的葉片膜相對透性均隨臭氧濃度增加而上升,開始時上升趨勢比較平緩,到200nl·L-1處理時急劇上升,二者呈顯著正相關關系(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是膜脂過氧化的產物,是衰老生理的重要指標.實驗結果表明(圖3):葉片的MDA含量隨著生育期進程而增加.各個生育期葉片MDA含量均隨臭氧濃度增加而上升,二者呈顯著正相關關系(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,到達一個峰值后而急劇或逐漸下降,甚至可能低于對照水平.各個生育期葉片的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處理時急劇上升,二者呈顯著正相關關系(R2=0.893～0.964).在所測定的幾個生育期中,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弱有關POD活性隨著生育期進程而增加.一些研究也表明,POD活性與器官幼嫩、老化有關,它與生長速率呈負相關.這可能是POD具有IAA(生長素)氧化酶的性質所致.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,而不是以蛋白質為基準.氧自由基學說認為:植物在正常條件下的新陳代謝也產生膜脂過氧化,但在環(huán)境因子,如光、溫、水、缺乏礦質元素、有毒金屬、大氣污染(O3、SO2、NOx等)脅迫下,植物體內的活性氧(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)等產生會顯著增加,進而導致和加劇膜脂過氧化和降解,使植物膜系統(tǒng)受到傷害.在本實驗中,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(R=0.883～0.984),葉綠素含量、葉綠素a/b值與MDA含量呈顯著負相關(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)的脂質過氧化有關,還與POD-H2O2分解系統(tǒng)有密切的關系.在本實驗中,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,二者呈顯著負相關(R葉綠素,POD=-0.935～-0.996).當臭氧濃度為200nl·L-1時,SOD、CAT活性下降,使更多活性氧擴散到葉綠體中參與葉綠素降解,同時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活性氧產生以及抗氧化系統(tǒng)的酶促和非酶反應對活性氧清除的動態(tài)平衡密切相關.隨著臭氧濃度增加,當植物體內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,機體內抗氧化系統(tǒng)被誘導而加強生理活動,是對臭氧等逆境的脅迫響應,加速了活性氧清除,有效地阻止了它在體內過多地累積,阻抑了膜脂過氧化,保護了膜系統(tǒng).另一方面,當臭氧濃度為200nl·L-1時,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),植物受到嚴重損害.這表明:在較強臭氧脅迫下,當葉細胞中活性氧累積超過一定限度,對其多