大氣增溫對杉木幼樹葉片及細根生理特征的影響

葉旺敏,熊德成,*,楊智杰,張秋芳,劉小飛,高艷麗,胥 超,楊玉盛

1 福建師范大學地理科學學院, 福州 350007 2 濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室培育基地, 福州 350007

自工業(yè)革命以來,由于CO2等溫室氣體的大量排放,導致全球氣候變暖日漸加劇。據(jù)IPCC第五次報告指出,預計到21世紀末,全球大氣溫度可能升高0.3—4.8 ℃[1]。森林是地球陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組分,具有較高的生物生產力和生物多樣性[2],研究森林生態(tài)系統(tǒng)對全球氣候變暖響應模式已成為當代生態(tài)學研究的熱點問題之一。

以往研究結果顯示,由于高緯度及高寒地區(qū)植物所處環(huán)境溫度普遍低于最適生長溫度值,適當增溫可以增加其凈光合速率,加快物候生長節(jié)律并延長生長季,以促進植物地上地下生物量的積累[3- 4]。而就亞熱帶地區(qū)而言,由于本身溫度較高,該地區(qū)森林所處的環(huán)境溫度可能已接近閾值,在未來全球變暖的趨勢下,可能對亞熱帶植物的生長及生理學特性造成劇烈影響,進而影響森林生產力[5- 6],但有關亞熱帶森林對氣候變暖的響應報道仍十分有限。

抗氧化特征和滲透調節(jié)是植物對外界環(huán)境適應的綜合體現(xiàn)。正常環(huán)境下,植物細胞進行有氧代謝生成的活性氧類物質與抗氧化防御機制(酶促抗氧化劑和非酶促抗氧化劑)對其的清除能力處在氧化還原的動態(tài)平衡[7]。但當外界環(huán)境脅迫程度超過植物抗氧化防御系統(tǒng)清除能力,便會引起活性氧的大量積累,導致植物細胞脂質、蛋白質、核酸、光合色素及酶的氧化損傷,影響植物正常代謝功能[8- 9]。目前,關于植物在溫度升高下生理響應和適應策略的研究已有很多,但多數(shù)研究都局限于植物單個器官或組織上。植物不同器官組織結構不同,所處的微環(huán)境亦有所差異,因此,對逆境響應機制可能不同,甚至相反。例如：Roessner等[10]研究發(fā)現(xiàn),大麥(Hordeumvulgare)同一品種不同器官間生理代謝差異大于品種間差異。Skliros等[11]認為,植物不同器官能夠合成各種特異代謝化合物,它們之間相互協(xié)作,共同抵御外界環(huán)境脅迫。白羽扇豆(Lupinusalbus)莖對其耐旱策略的貢獻最大[12],而細根則是杠柳(Periplocasepium)適應干旱環(huán)境的重要器官[13]。由此可見,僅對植物單一器官進行研究,很難全面地揭示植物適應高溫環(huán)境的策略,有必要對高溫條件下植物體不同器官同時進行研究,以更好地理解植物適應增溫的機制和策略。

杉木(Cunninghamialanceolata)作為亞熱帶地區(qū)主要造林樹種之一,廣泛分布于我國南方16個省區(qū),面積占世界人工林面積的6%,我國人工林面積的19%、蓄積量的25%,在我國人工林生產中占有重要地位[14]。為此,本文以杉木為研究對象,通過在福建三明森林生態(tài)系統(tǒng)與全球變化研究站——陳大觀測點內開展開頂式(OTC)模擬增溫實驗,以探究增溫對杉木地上部分(葉片)和地下部分(細根)的滲透調節(jié)物質、保護酶活性及丙二醛含量的影響,以深入認識亞熱帶經濟樹種生理代謝特征對未來全球變暖的響應。

1 材料與方法

1.1 樣地基本概況

本試驗地點位于福建三明森林生態(tài)系統(tǒng)與全球變化研究站—陳大觀測點(26.19°N,117.36°E),該地區(qū)平均海拔300 m,年均氣溫19.1 ℃,年均降水量1749 mm,年均蒸發(fā)量1580 mm,相對濕度81%,屬中亞熱帶季風氣候,土壤為黑云母花崗巖發(fā)育的紅壤。

1.2 研究方法

實驗設置增溫(W)和對照(CT)兩種處理,每種處理共6個重復,共計12個小區(qū)。每個小區(qū)面積2.5 m×2.5 m,深0.5 m。小區(qū)內土壤均取自觀測站附近杉木人工林 (0—40 cm),填土過程主要是將取回的土壤去除根系和沙石,充分混合均勻后分別填入各小區(qū)內,以此盡可能的消除土壤的異質性。

增溫處理采用開頂式(OTC)大氣增溫,于2014年10月份在各個實驗小區(qū)周邊建立增溫室,增溫室采用不銹鋼管架設而成,頂部半敞開,底部面積16 m2,頂部露天面積約10 m2,高度4.8 m,框架搭建完成后采用進口塑料薄膜覆蓋,依次相連建立6個大氣增溫室。于各個實驗小區(qū)地表下10 cm處布設一個土壤溫、濕度傳感器用以監(jiān)測土壤溫度及水分變化,大氣溫度監(jiān)測主要采用大氣溫度記錄儀(MicroLite5032P-RH),降雨量采用氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)。于2015年1月,將5棵一年生三代杉木幼苗種植于各小區(qū),用號碼牌標記各個樹苗,并每半個月對杉木樹高、地徑、冠幅等指標進行觀測。

于2016年11月,在對照(CT)和OTC增溫(W),選取杉木幼樹健康且向陽葉片進行隨機采集,陽生葉片取樣主要參照等Huang等[15]的方法。細根取樣采用土芯法,于每個實驗小區(qū)各取6個土鉆,土鉆直徑3.5 cm,取樣深度為10 cm,盡量保證在小區(qū)中心和邊緣均有取樣點以做到隨機取樣,將所取葉片和細根用液氮保存并迅速帶回實驗室進行測定。

表1 不同處理杉木初始生長特征參數(shù)

1.3 測定項目與方法

1.3.1葉片和細根活性氧類物質的測定

超氧陰離子自由基的測定采用羥氨氧化法,利用紫外分光光度計于550 nm下測定吸光度,具體操作參照柯德森等[16]。過氧化氫含量的測定參照Prochazkova等[17]方法,

1.3.2葉片和細根抗氧化酶的測定

超氧化物歧化酶活性的測定采用黃嘌呤氧化酶法,每毫克蛋白抑制1mL反應液的50%時對應的SOD量作為1個酶活性單位(U),具體操作參照Giannopolitis和Ries[18]方法。過氧化物酶活性采用愈創(chuàng)木酚法測定,于波長420nm處測定吸光值,具體操作參照Kochhar等[19]方法。過氧化氫酶活性參照Trevor等[20]方法進行測定。抗壞血酸含量和抗壞血酸過氧化物酶活性采用2,4-二硝基苯肼法,具體操作參照Nakano和Asada[21]方法。

1.3.3葉片和細根丙二醛、滲透調節(jié)物質含量的測定

丙二醛含量采用硫代巴比妥酸(TBA)法測定, 根據(jù)532 nm下的吸光值減去600 nm下最小吸光值從而計算丙二醛含量[22]。可溶性蛋白濃度采用考馬斯亮藍法進行測定[23]。脯氨酸(Pro)含量的測定:采用酸性茚三酮顯色法,具體操作參照Walter和Lindsley[24]方法。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2013對所有數(shù)據(jù)進行處理計算,使用統(tǒng)計軟件SPSS 20.0中單因素方差分析,對增溫和對照處理中杉木葉片和細根活性氧類物質、抗氧化酶活性以及滲透調節(jié)物質進行顯著性分析,并比較同種處理葉片和細根生理的特征差異,顯著性水平設定為P=0.05。采用Origin 9.0完成制圖。

2 結果與方法

2.1 空氣溫度及土壤溫濕度

由圖1可以看出,OTC處理使大氣溫度(4—11月)平均增加1.12℃,土壤溫度平均增加0.26℃,土壤含水量相對比例降低為12.10%。

圖1 大氣溫度,土壤溫度及土壤水分變化Fig.1 Air temperature, soil temperature and moistureCT：對照Control；W：增溫處理 Warming treatment

2.2 增溫對杉木幼樹生長特征的影響

增溫對杉木生長特征均無顯著影響(圖2)。對照處理中杉木幼樹樹高和地徑分別為297.3 cm、54.7 mm；增溫處理中杉木幼樹樹高和地徑分別為處理分別為310.9 cm、51 mm。

圖2 增溫和對照處理杉木生長特征Fig.2 The growth characteristic of Cunninghamia lanceolate誤差線上的不同大寫字母表示兩種處理杉木樹高和地徑差異顯著(P<0.05)

2.3 增溫對杉木幼樹葉片和細根活性氧類物質的影響

活性氧類物質是植物進行有氧代謝的必然產物,包括超氧陰離子自由基、羥自由基和過氧化氫等,具有超強的氧化能力。由圖3可以看出,增溫處理均未對杉木葉片、細根超氧陰離子自由基和過氧化氫濃度產生顯著影響(P>0.05)。另外,無論增溫還是對照處理下,杉木幼樹葉片超氧陰離子自由基和過氧化氫濃度均顯著高于細根(P<0.05)。

圖3 增溫對杉木幼樹葉片、細根活性氧類物質的影響Fig.3 Effects of warming on leaves and fine root active oxygenic species of Cunninghamia lanceolata saplings誤差線上的不同大寫字母表示同種處理杉木葉片和細根差異顯著(P<0.05)；誤差線上不同小寫字母表示杉木葉片和細根在不同處理差異顯著(P<0.05)

2.4 增溫對杉木幼樹葉片和細根抗氧化酶活性的影響

超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶、抗壞血酸過氧化物酶是植物體內重要的4種保護酶,抗壞血酸則能直接清除植物體內活性氧。由圖4可知,增溫較對照相比,杉木葉片過氧化氫酶、抗壞血酸過氧化物酶活性和抗壞血酸含量分別提高了13.9%(P>0.05)、9.2%(P>0.05)和4.2%(P>0.05),過氧化物酶顯著提高42.4%(P<0.05),但超氧化物歧化酶活性相比于對照則降低9.2%(P>0.05)；細根超氧化物歧化酶和抗壞血酸過氧化物歧化酶活性較對照均有增加的趨勢,分別增加9.2%(P>0.05)和8.9%(P>0.05),增溫后杉木細根過氧化氫酶和過氧化物酶活性分別降低了20.7%(P>0.05)和15.3(P>0.05),細根抗壞血酸含量無顯著差異(P>0.05)。同種處理下,杉木細根抗壞血酸過氧化物酶活性和抗壞血酸含量均高于葉片(P>0.05),過氧化氫酶顯著高于葉片(P<0.05),細根過氧化物酶活性則顯著低于葉片(P<0.05),另外,對照處理中,杉木葉片和細根超氧化物歧化酶活性無顯著差異。增溫后,細根超氧化物歧化酶活性顯著大于葉片(P<0.05)。

圖4 增溫對杉木幼樹葉片、細根抗氧化酶活性的影響Fig.4 Effects of warming on antioxidant enzyme activities in leaves and fine roots of Cunninghamia lanceolata saplings

2.5 增溫對杉木幼樹葉片、細根滲透調節(jié)物質及丙二醛含量的影響

可溶性蛋白和脯氨酸含量是植物體內重要的兩種滲透調節(jié)物質,由圖5看出,增溫后杉木葉片可溶性蛋白和脯氨酸含量均降低,分別降低5.5%(P>0.05)和10.3%(P>0.05),細根可溶性蛋白和脯氨酸含量則分別增加了9.2%(P>0.05)和9.2%(P>0.05)；增溫和對照處理下杉木葉片可溶性蛋白和脯氨酸均顯著高于葉片；本研究中,增溫顯著增加杉木葉片和細根丙二醛含量(P<0.05),其中葉片提高了19.7%,細根提高25.5%(P<0.05)；增溫和對照處理下杉木葉片丙二醛含量顯著高于細根(P<0.05),說明杉木葉片氧化損傷程度高于細根。

圖5 增溫對杉木幼樹葉片、細根滲透調節(jié)物質和丙二醛含量的影響Fig.5 Effects of warming on leaf and fine roots osmotic adjustment substance substances and malondialdehyde content in Cunninghamia lanceolata saplings

3 討論

3.1 增溫對杉木葉片、細根活性氧代謝和丙二醛含量的影響

植物進行有氧代謝時體內通常會積累大量活性氧類物質,該類物質會引起植物細胞膜酯和蛋白的氧化損傷,破壞植物細胞膜的結構及功能的穩(wěn)定性[25- 26]。丙二醛是植物細胞膜脂過氧化作用的最終產物,用以表征細胞膜受損程度以及植物抗逆性強弱[27]。本研究發(fā)現(xiàn),增溫處理并未導致杉木葉片和細根超氧陰離子自由基和過氧化氫濃度發(fā)生顯著變化(圖3),但杉木葉片和細根丙二醛含量均顯著增加(圖5)。可能原因在于夏季高溫脅迫降低了杉木葉片光合能力,使蛋白質合成受限及抗氧化酶活性降低,加劇葉片氧化損傷,進而影響光合碳向地下部分輸送過程,導致可供杉木細根代謝生長的能源物質降低,亦使細根膜脂過氧化加劇。而至11月份,高溫脅迫程度降低,杉木可以通過自身物質合成以及誘導激活抗氧化防御系統(tǒng),使體內活性氧類物質維持在原有水平。本研究還發(fā)現(xiàn)無論增溫還是對照處理下,杉木葉片超氧陰離子自由基和過氧化氫濃度均顯著高于細根(圖3),且葉片丙二醛含量亦顯著高于細根(圖5),這與肖群英等[28]和周瑞蓮等[29]研究結果相似。可見,杉木葉片氧化損傷程度高于細根。在光照輻射下,杉木葉片光合和呼吸強度較高產生的活性氧類物質較多是導致其丙二醛含量顯著高于細根的主要原因。同時也表明細根是杉木適應高溫環(huán)境的重要器官,器官間的生理整合作用與協(xié)調使其能有效地適應的高溫環(huán)境。

3.2 增溫對杉木葉片、細根滲透調節(jié)物質的影響

滲透調節(jié)被認為是植物對逆境脅迫的一種重要生理適應策略[30],可溶性蛋白和脯氨酸是植物體內主要滲透調節(jié)物質。在遭受高溫脅迫時,植物體內通常積累較多的脯氨酸和可溶性蛋白,以平衡細胞滲透勢,維持細胞正常膨壓,從而適應外界條件的變化[31- 32]。本研究中,增溫較對照相比,杉木細根脯氨酸和可溶性蛋白均有所提高(圖5),這可能是由于增溫引起土壤含水量降低,杉木細根通過合成較多的脯氨酸和可溶性蛋白,來維持正常的滲透調節(jié)功能[33]。另外,增溫對杉木葉片脯氨酸和可溶性蛋白的積累卻存在一定的抑制作用(圖5),一方面可能因為葉片直接與空氣接觸,大氣增溫引起的葉溫增幅較大,使其蛋白水解酶活性增加。另一方面則可能是由于杉木葉片在經歷過夏季高溫脅迫后,葉片體內碳水化合物的供應受阻,影響了谷氨酸的合成,進一步抑制脯氨酸的積累[34]。另外,本研究發(fā)現(xiàn),無論增溫還是對照下,杉木葉片可溶性蛋白和脯氨酸含量均顯著高于細根(圖5),可見杉木葉片滲透調節(jié)能力高于細根。

3.3 增溫對杉木葉片、細根抗氧化酶活性的影響

植物體內抗氧化系統(tǒng)由酶促和非酶促抗氧化劑共同組成[35]。超氧化物歧化酶通常被認為是植物抗氧化系統(tǒng)的第一道防線,超氧陰離子先由超氧化物歧化酶歧化為過氧化氫和氧氣,再由過氧化氫酶、過氧化物酶及抗壞血酸過氧化物酶等聯(lián)合作用將過氧化氫轉化為水和氧氣,另外抗壞血酸則能直接清除植物體內活性氧[36]。吳永波和葉波[37]發(fā)現(xiàn)構樹幼苗在高溫脅迫下,葉片超氧化物歧化酶、過氧化物酶及過氧化氫酶活性均顯著提高,但過度高溫脅迫則破壞抗氧化酶活性,抑制酶表達。郭盈添[38]等亦發(fā)現(xiàn)金露梅幼苗葉片能通過增強過氧化物酶、過氧化氫酶和抗壞血酸過氧化物酶活性以清除因高溫脅迫積累的活性氧類物質,但隨高溫脅迫時間延長,各項抗氧化酶活性呈下降趨勢。本研究中,增溫后杉木葉片過氧化物酶活性顯著提高(圖4),葉片過氧化氫酶、抗壞血酸過氧化物酶活性和抗壞血酸含量(圖4)也均有不同程度的增加趨勢,超氧化物歧化酶活性則略微降低(圖4),表明植物葉片不同種類抗氧化酶活性對溫度的敏感性存在差異。增溫后杉木葉片過氧化物酶活性顯著提高是導致葉片活性氧類物質無顯著變化的主導因素。細根是植物吸收養(yǎng)分和水分的主要器官,也是植物根系中最敏感的部分[39]。本研究中,增溫后杉木細根超氧化物歧化酶和抗壞血酸過氧化物酶活性和抗壞血酸含量均有增加趨勢(圖4),過氧化氫酶和過氧化物酶活性則降低(圖4),但總體而言變化并不顯著。這可能是由于地上增溫方式并未對根區(qū)環(huán)境造成明顯影響,這與李偉成等[40]模擬高溫對髯毛箬竹根系保護酶系統(tǒng)的研究結果一致。增溫后杉木細根超氧化物歧化酶和抗壞血酸過氧化物酶活性提高,與較高的脯氨酸含量共同作用,增加了細根抗氧化能力,使細根活性氧物質維持在原有水平。由此可見,杉木葉片和細根清除活性氧自由基的方式存在一定差異,這可能是由于葉片和細根功能和代謝不同所致。另外,本研究中,無論增溫還是對照處理,杉木細根過氧化氫酶、抗壞血酸過氧化物酶活性和抗壞血酸含量均高于葉片,其中過氧化氫酶達顯著水平(圖4),僅過氧化物酶顯著低于葉片(圖4)。由此可推斷,杉木細根活性氧和丙二醛含量顯著低于葉片的原因可能在于較葉片相比細根超氧化物歧化酶和過氧化氫酶顯著高于葉片,亦說明了細根在抗氧化能力可能更優(yōu)于葉片。

溫度幾乎影響植物所有的代謝過程,植物對增溫的響應是植物各器官之間通過代謝和信號事件進行復雜的互動交流的結果[41]。若只考慮葉片在增溫后的表現(xiàn),顯然無法深入解釋杉木整體生理代謝過程對未來全球變暖的響應機制。對杉木地上(葉片)和地下部分(細根)同時進行研究,可以更好的揭示杉木適應增溫的機制和策略。在增溫條件下,杉木細根靈活高效地調節(jié)保護酶系統(tǒng)的能力,是杉木適應高溫環(huán)境的重要的生理生態(tài)機制,這與Dichio等[42]研究結果類似。

4 結論

綜上所述,研究發(fā)現(xiàn)增溫后杉木葉片和細根丙二醛含量顯著升高,但二者活性氧物質均無顯著變化,這可能是由于夏季高溫脅迫加劇杉木葉片和細根的氧化損傷,而隨著高溫脅迫程度降低,杉木葉片和細根可以通過誘導激活自身的抗氧化系統(tǒng)以及增強其滲透調節(jié)能力使其活性氧物質維持在穩(wěn)定水平。另外,本研究還發(fā)現(xiàn),無論增溫還是對照處理下,杉木葉片活性氧類物質均顯著高于細根,即葉片氧化損傷高于細根,可能歸因于細根超氧化物歧化酶和過氧化氫酶活性顯著高于葉片。雖然在本文中,增溫后杉木可以通過自身物質合成和誘導較高的抗氧化酶活性來平衡體內活性氧含量,但夏季增溫引起的極端高溫環(huán)境可能對杉木產生氧化損傷。因此,今后的研究還應重點關注增溫對不同季節(jié)杉木活性氧代謝及抗氧化系統(tǒng)的影響。