CO_2 和O_3 体积分数升高对银杏希尔反应活力和叶绿体ATP 酶活性的

CO_2 和O_3 体积分数升高对银杏希尔反应活力和叶绿体ATP 酶活性的 CO2 和 O3 体积分数升高对银杏希尔反应活力 和叶绿体 ATP 酶活性的影响 郭 丹 1，赵天宏 1，张兆伟 1，王美玉 1，付士磊 2，何兴元 2 1. 沈阳农业大学农学院，辽宁 沈阳 110161;2. 中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁 沈阳 110016摘要:近年来，随着温室气体体积分数不断上升，研究 CO2 和 O3 体积分数升高对植物的影响已取得一定进展，但二者对植物的复合作用及生理研究不够深入。文章利用开顶式气室研究了大气 CO2 和 O3 体积分数升高对银杏Ginkgo biloba L.光合特性的影响。结果明，在整个生长季内，与对照相比，在大气 CO2 体积分数为 700×10-6 条件下，银杏叶片净光合速率显著增加(Plt0.05)，希尔反应活力增大，Ca2/Mg2-ATPase 活性增强，光合产物可溶性糖和淀粉含量增多;而在 O3 体积分数为 80×10-9 的情况下，银杏叶片净光合速率下降，希尔反应活力减小，Ca2/Mg2-ATPase 活性减弱，光合产物可溶性糖和淀粉含量减少;在 CO2 和 O3 复合作用(700×10-680×10-9)条件下，银杏叶片净光合速率、希尔反应活力、可溶性糖和淀粉均有所增加，且淀粉含量增加极显著Plt0.01，而 Ca2-ATPase 活性先增强后减弱，Mg2-ATPase 活性先减弱后增强。说明CO2 可缓解 O3 对银杏的负效应，而 O3 亦对 CO2 的正效应有削弱作用。关键词:CO2 体积分数升高;O3 体积分数升高;复合作用;银杏;希尔反应活力;Ca2/Mg2-ATP 酶活性中图分类号:X171.5;Q945.78 文献标识码:A 文章编号:1672-2175(2007)05-1406-05 随着20世纪后期各国工业的迅猛发展，大气中 物的伤害，增加的CO2可以缓解O3对小麦叶片组织CO2、O3及其它温室气体体积分数不断上升导致温 带来的压力11。Finnan等 12认为CO2体积分数升高室效应增强进而造成了全球变暖和气候变化等一 使气孔部分关闭从而阻止O3的进入。银杏Ginkgo系列问题。全球变化研究已成为当前生态学研究的 biloba L.是沈阳市城市森林的主要组成树种和常热点之一。 用绿化树种之一，其变化必然对这一地区城市森林 工业革命以来 ，大气中 CO2 体积分 数上升近 群落产生重要影响 13。因此，本文通过研究CO2和38，现在已达到约370×10-6，预计本世纪中叶达 O3体积分数升高对银杏希尔反应活力和叶绿体ATP到550×10-6，本世纪末将超过700×10-6 1。大气CO2 酶活性的影响，为未来全球气候变化条件下沈阳市体积分数的升高除了通过温室效应导致全球气候 城市森林树种的选育提供依据。变化对作物产生间接影响外，也会直接影响作物光 1 材料与方法合作用以及生长发育和产量形成 2。白莉萍等 3对 1.1 试验材料与设计冬小麦的研究表明，CO2体积分数递增使其生物总 试验区坐落于中国科学院沈阳生态所树木园量与经济产量均增加。 H.Eichelmanned等 4认为CO2 (41?46′N ，123?26′E ) ，是沈阳市人口密集的商业文体积分数增加会使植物叶面积和叶干质量增加。陈 化中心地带。德祥等 5认为CO2体积分数使盘壳栎的光合作用加 试验主要设备为12个开顶箱 高3 (直径4 m， m，强。杨书运等 6认为CO2对茶树有较强的气肥作用。 玻璃室壁的正八边形)及与其配套的通气、通风控 O3是一种强氧化剂，据统计，北半球中纬度地 制设备，主要包括CO2红外传感器(森尔，瑞典)区，地球表面的O3体积分数已从工业化前的10×10-9 实 时 监 控 开 顶 箱 内 CO2 体 积 分 数 ， 臭 氧 发 生 器上升到今天平均区域体积分数接近60×10-9 1。白月 (GP-5J，国产) 、臭氧传感器(S-900，新西兰)用明等 7认为O3体积分数增加对叶片有伤害作用， 并 于监控开顶箱内O3体积分数，温湿度传感器采集开能加速油菜叶片老化。 王春乙等 研究表明O3体积 8 顶箱内温湿度数据，以及数据分析与自动控制 充气分数增加导致叶片气孔关闭，气孔阻力增大，使冬 系统。小麦和水稻的总生物量及产量下降。 试验设四个处理:CO2 体积分数升高(700× 对大气CO2和O3体积分数同时升高的研究多停 ;O 10 ) 3 体积分数升高(80×10-9) -6 ;CO2 和 O3 体积留在品质与产量上 9，10，而对植物的生理指标研究 分数同时升高(700×10 80×10 )和对照(OTC -6 -9不够深入。一定时期内CO2可一定程度缓解O3对作 中的自然条件) 。每个处理设三次重复。选取 6 年 学习考研资料生银杏为试验对象，于 2006 年 4 月初将其移栽至 CK O3 CO2 CO2O3开顶箱内，常规管理。6 月 17 日开始每日 24 h 不 净光合速率μmolm -2 s - 16.00间断通气，9 月 30 日停止供气，每间隔 20 d 取样 1 净光合速率/molm-2s-1 14.00次。每次取样在上午 9 时左右，选取银杏上部全展 12.00 10.00叶片，保温箱冰浴保存。当天开始试验，同步测定 8.00 1了各处理银杏光合作用的相关生理指标。 6.00 4.001.2 测定方法 2.00 (1)净光合速率 利用 LI-6400 系列便携式光 0.00合作用测定仪在各处理生长环境和对照环境中于 0 20 40 60 80 100上午 9:00—11:00 测定完成。 处理天数/d 处理天数 (2)希尔反应活力的测定 邻菲罗啉盐酸盐比 图 1 不同处理银杏净光合速率的变化色法 14 。 Fig. 1 Effect of different treatments on net photosynthetic (3)Ca2 /Mg2-ATPase 活性的测定15 Ca2 - rates of Ginkgo biloba L.ATPase 的测定:取已制备好的叶绿体悬浮液 0.1mL，加入 1 mL 激活液，摇匀后 64 ?水浴中保温 CK O3 CO2 CO2O34 min。冷却后吸取 0.5 mL，加入 0.5 mL 反应液， /MK4FeCN6mg Chlh MK 4 FeCN 6 mg -1 Chlh- -1 600在 37 ?水浴保温 10 min 后进入终止反应阶段。 希尔反应活力μ 500 希尔反应活为 Mg2 -ATPase 的测定:取已制备好的叶绿体悬 -1 400浮液 0.1 mL，加入 0.8 mL 激活液。摇匀后光照活 1 300 200化 5 min，再加入 0.1 mL ATP 摇匀，于 37 ?水浴 100保温 5 min 后进入终止反应阶段。 0 终止反应阶段:加入 20的三氯乙酸 0.2 mL 0 20 40 60 80 100终止反应，然后 3000 rmin-1 离心 5 min。吸取上清 处理天数/d 处理天数液 0.5 mL， 加入硫酸亚铁-钼酸铵 2 mL，蒸馏水 2.5 图 2 不同处理银杏希尔反应活力变化ml。摇匀后放置 30 min，在 660 nm 波长下测定吸 Fig. 2 Effect of different treatments on Hill activity of Ginkgo biloba L.光度。 (4)可溶性糖和淀粉含量 蒽酮法 16 。 数升高提高了植株的光合能力;相反，O3 体积分数2 结果分析 升高则使植株光合功能下降，其降幅范围为2.1 对银杏叶片净光合速率的影响 6.4615.68。 在银杏一个生长周期内，在连续通气状态下， 2.3 对银杏叶片 Ca 2/Mg2 ATPase 的影响叶片净光合速率变化如图 1 所示，叶片光合速率由 从图 3 可 知， 不 同气 体处 理 下银 杏 叶片的大到小的次序为:CO2 处理，CO2×O3 处理，CK 处 Ca -ATP 酶活性由大到小的次序为:CO2 处理， 2理，O3 处理。在 CO2 体积分数升高的情况下，银杏 CO2×O3 处理，CK 处理，O3 处理;其中 CO2 处理叶片的净光合速率显著增加P,0.05，其增加幅度 的最大增幅分别为 39.06，而 O3 处理的最大降幅在 14.90101.53之间。而在 O3 体积分数升高的 为 17.41。当处理少于 60 d 时，CO2 和 O3 复合作情况下，银杏叶片的净光合速率低于对照，其减少的幅度在 7.3954.52之间。在 O3 和 CO2 复合作 CK O3 CO2 CO2O3用的情况下银杏叶片的净光合速率介于二者之间， - Chlh Ca 2 -ATPase活性μ 30 /molPimg Chlh-1但不是二者简单的叠加。与对照相比，其增加幅度 25 Ca2-ATPase 活性 20介于 14.3770.95。 molPimg -1 15 -1 1 2.2 对银杏叶片希尔反应活力的影响 10 不同气体处理下银杏叶片的希尔 反应活力如 5 0图 2 所示。银杏叶片的希尔反应活力由大到小的次 0 20 40 60 80 100序为: 2 处理， 2×O3 处理， 处理，O3 处理。 CO CO CK 处理天数/d 处理天数这说明 CO2 处理和 CO2×O3 处理提高了银杏叶片的希尔反应活力，提升幅度分别在 10.5546.59和 图 3 不同处理银杏 Ca2-ATPase 活性变化17.3529.30的范围内，进一步说明 CO2 体积分 Fig. 3 Effect of different treatments on Ca2-ATPase of Ginkgo biloba L. 学习考研资料用下银杏叶片的 Ca2 -ATP 酶活性大于对照，当处 CO2 的正效应大于 O3 的负效应，即 CO2 和 O3 复合理多于 60 d 时，其活性小于对照，且 CO2 和 O3 复 作用使植物叶内可溶性糖含量增加，增幅为合作用下银杏叶片的 Ca2 -ATP 酶活性介于 CO2 处 2.3947.19。理和 O3 处理之间。 2.4.2 对淀粉含量的影响 如图4所示，银杏叶片Mg2 -ATP酶活性由大到 从图 6 中可以看出，银杏叶片淀粉含量由大到小的次序为:CO2处理，CK处理，CO2×O3处理， 小的次序为:CO2 处理，CO2×O3 处理，CK 处理，O3处理。其中CO2处理的最大增幅为23.85，O3处 O3 处理，表明在 CO2 体积分数升高条件下，银杏叶理的最大降幅28.58。当CO2和O3复合作用少于80 ， 片淀粉含量增加，且增加极显著(P,0.01) 增 幅d时，银杏叶片Mg2-ATP酶活性小于对照，当CO2 范围为 44.4278.25，而在 O3 体积分数升高条件和O3复合作用多于80 d时， 其活性大于对照，且CO2 下，银杏叶片淀粉含量下降，其降幅范围为和 O3 复 合 作 用 下 银 杏 叶 片 Mg -ATP酶 活 性 介 于 2 2.9821.07。而在 CO2 和 O3 复合作用下，银杏CO2处理和O3处理之间。 叶片淀粉含量增加，且极显著(P,0.01) ，其增幅2.4 对银杏叶片光合产物的影响 范围为 48.9075.27。2.4.1 对可溶性糖的影响 .