4种樟科幼树叶片对汽车尾气胁迫的生理响应

燕一波

（漳州城市职业学院园林园艺系，福建漳州 363000）

4种樟科幼树叶片对汽车尾气胁迫的生理响应

燕一波

（漳州城市职业学院园林园艺系，福建漳州 363000）

【目的】研究4种樟科树木对汽车尾气胁迫的生理响应，为逆境生理和抗污绿化树种选择提供参考。【方法】采用不同浓度的汽车尾气（0.0、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 mg/m3）对樟树、阴香、天竺桂、红楠4种盆栽2年生实生苗进行熏气处理24 h，研究汽车尾气对4种苗木叶片的相对电导率、脯氨酸含量、MDA含量、叶绿素含量、SOD和POD酶活性的影响。利用模糊数学隶属度公式对各项指标测定值进行定量转换，对4种苗木的抗污染能力进行综合评价。【结果】随着处理浓度的增加，4个树种叶片各指标变化模式不同。叶绿素含量、SOD、POD酶活性变化趋势相似，均先上升后下降；MDA和相对电导率的变化趋势均总体上升；脯氨酸含量的变化未表现出规律性。【结论】受试树种耐尾气污染能力的大小依次为：樟树>天竺桂>阴香>红楠。

汽车尾气；樟树；天竺桂；红楠；叶片；生理指标

汽车尾气是80多种化学成分的混合物，有害成分主要为CO、SO2、氮氧化合物、含铅化合物、苯并芘等烃类物质、醛类及固体颗粒物等[1]。这种复合有害气体的排放改变了交通繁忙区的大气成分[2]，直接降低了城市空气质量。随着我国汽车保有量的上升，部分城市大气污染正在由煤烟型向汽车尾气型转变[3]。已有研究表明汽车尾气形成的有害物质已经广泛存在于城市生活环境中[4-6]。虽然光催化纳米材料可有效降解汽车尾气的有害氮氧化物[7]，但是尾气的扩散受城市空间结构影响大[8]，光催化纳米材料的应用受城市空间特征和经济性制约仍未推广。为防治汽车尾气污染，引入生态修复技术[9]，利用城市植物对汽车尾气的吸附、吸收、降解和转化作用，研究抗污绿化树种的筛选和应用是一个健康、环保、经济和操作性强的措施。已有研究报道[10-12]，植物对尾气成分中的有害气体会产生生理响应，尾气胁迫下植物的质膜透性、净光合速率、蒸腾速率和气孔导度均出现不同程度的下降，叶绿素a/b、MDA含量、脯氨酸含量、可溶性蛋白含量多呈下降趋势，SOD活性和POD活性基本呈先上升后下降的趋势。植物各项生理指标变化因植物种类不同而有较大差异[13]。植物的受害程度与抗性相反，但与敏感性没有线性关系[14]，而与植物对有害成分的吸收、同化和耐受阈值有关。植物对逆境胁迫的应答调控机理认为，是氮氧化物、硫化物等改变了细胞pH值、作用于胞压、诱发氧化损伤和作为气体信号分子激发了各种植物激素及其他信号分子的相互作用[15]。

樟科大部分种类是热带及亚热带森林的表征种，多种树木树体高大、树形美观、叶色常绿，多可做行道树；新叶红色，景观价值强；具香味、驱蚊虫，生态园林应用潜力大。目前，研究樟科植物对逆境胁迫，多针对一两个种独立分析，少有近缘种比较。本文选取了樟科可用作景观路行道树的樟树、阴香、天竺桂、红楠4个树种，研究其对汽车尾气的抗性适应能力，为逆境胁迫理论、植物修复生态环境、抗污绿化树种选择等方面提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验选取同种类地径、苗高和冠幅基本一致，无病虫害、生长状况相对均匀的樟树（Cinnamomum camphora）、阴香（Cinnamomumburmann）、天竺桂（Cinnamomum pedunculatum）、红楠（Machilus thunbergii）的2 a生实生苗，塑料盆单株盆栽培养。盆顶部边缘直径30 cm，高25 cm。容器内普通园土∶营养土=3∶1。4种幼苗试验前基本情况见表1，以相同的条件进行管理。

表1 4种幼苗的基本情况（平均值±标准差）Table 1 General characteristics of four seedlings(mean±SD) cm

1.2 试验设计

正方形熏气室边长3.2 m，高2 m，以木板条为框架支撑，周边罩聚氯乙烯塑料薄膜，可开顶式设计。试验每个处理设3次重复，取平均值。在无阴影遮挡的开阔地，每次重复设置6个相同的可开顶式气室，5个为熏气室，1个为对照室。以93号汽油为燃料，利用凯博KAIBO四冲程汽油发动机提供尾气，尾气经发动机排气筒与鼓风机并联，由具有阀门的PPR管连接至水浴冷却管，冷却至室温后，进入1个边长为0.8 m的正立方体玻璃箱内进行光化学反应，最后经螺旋式布气法的管道通入熏气室内，对照同样以螺旋式布气法通入空气。熏气室的控制条件为：温度24～31℃，湿度55%～75%。气室内气体被小风扇搅拌，以NO2浓度代表气室内尾气处理浓度（实验室条件下，认为同一型号发动机稳定工作产生的尾气混合气体成分相对体积比恒定）。设置处理浓度分别为 0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 mg/m3和对照（自然大气）0 mg/m3，各植株以均匀距离随机分布于气室内。熏气前于气室内适应1周，选择晴好天气对植物进行熏气处理。每种植物每个处理均设置5盆，对照同样数目同时进行。每次试验处理时间为9：00—17：00，3 d共24 h。熏气结束后对试验材料进行采样，对每种植物均采高度相同长势相近的叶片，并立即运至生理实验室进行预处理及生理指标的测定。

1.3 测定指标及方法

参照《植物生理学实验指导》和《植物生理生化实验原理和技术》，超氧化物酶（SOD）活性、丙二醛（MDA）含量、细胞膜透性分别采用氮蓝四唑法[16]211-213、硫代巴比妥酸比色法[16]210-211、DDS-11A型电导仪测定浸出液电导率[16]208-209；过氧化物酶（POD）活性、叶绿素含量、脯氨酸含量测定分别采用愈创木酚法[17]164-165、722型分光光度计测定[17]134-137、酸性茚三酮法[17]258-260。

1.4 数据处理

使用Excel 2007进行数据初步处理和SPSS 17.0方差分析（P≤0.05），采用新复极差法进行显著性分析。对各指标采用模糊数学隶属函数计算公式进行定量转换。叶绿素含量、叶绿素a/b、SOD活性、POD活性和脯氨酸含量通过下列公式计算：U（Xi）=（Xij-Xjmin）/（Xjmax-Xjmin），Δ=1/6∑U（Xi）；MDA含量、相对电导率用反隶属函数计算，即：U（Xi）=1-（Xij-Xjmin）/（Xjmax-Xjmin），Δ=1/6∑U（Xi）。

2 结果与分析

2.1 尾气胁迫对樟科4种幼树叶片叶绿素含量及a/b值的影响

从图1可知，尾气胁迫后，叶绿素在4种樟科幼树叶片中的含量均呈先上升后下降的趋势。在尾气浓度0.5 mg/m3时，4个树种叶片叶绿素总量略有增加，后迅速减少。至4 mg/m3浓度处理时，4个树种叶片叶绿素含量值比对照分别减少了34.6%、50.8%、45.7%和50.6%。在所有处理中，樟树的叶绿素总量一直高于其他3个树种。

从图2可知，尾气胁迫后，在处理浓度增大的过程中，叶绿素a/b值在4种樟科幼树叶片中均呈先上升后下降再上升的趋势，但不同树种的变化规律不同。樟树、天竺桂在0.5 mg/m3时叶绿素a/b值增大，比对照分别增加了28.1%、20.8%，后浓度减小至1.0 mg/m3时出现低峰值，但该低峰值仍大于对照值；阴香在0.5 mg/m3时叶绿素a/b值增大，比对照增加了27.2%，后浓度减少至1.0 mg/m3时出现低峰值且小于对照值；红楠在0.5 mg/m3时叶绿素a/b值上升，比对照增加了51.4%，在2.0 mg/m3时出现低峰值，但该低峰值大于对照值。

图1 不同熏气浓度对叶绿素含量的影响Figure 1 Effect of different concentrations automobile exhaust on the chlorophyll（a+b）

图2 不同熏气浓度对叶绿素a/b的影响Figure 2 Effect of different concentrations automobile exhaust on the chlorophyll a/b

2.2 汽车尾气胁迫对樟科4种幼树叶片SOD含量的影响

从图3可知，汽车尾气胁迫后，4种苗木叶片SOD酶活性的走势是先上升后下降。各树种在0.5 mg/m3处理时SOD酶活性均最强，具体数值分别为235、295、205和187 U/g。阴香、红楠达到峰值后，SOD酶活性迅速下降，樟树、天竺桂SOD酶活性下降相对平缓。

2.3 尾气胁迫对樟科4种幼树叶片POD含量的影响

从图4可知，尾气胁迫后，随处理浓度的增加，4种幼树叶片POD酶活性呈先上升后下降趋势。樟树、阴香、天竺桂、红楠在0.5 mg/m3时POD酶活性均达到最大值，具体数值分别为 72.30、70.54、80.15 和65.36U/g，之后活性开始下降。樟树在0.5～2 mg/m3时，POD酶活性下降趋势缓和，3 mg/m3时酶活性迅速下降。

2.4 尾气胁迫对樟科4种幼树叶片MDA含量的影响

从图5可知，尾气胁迫后，随处理浓度的增加，4种幼树叶片的MDA含量总体上呈增加趋势，但不同树种变化进程不同。樟树叶片MDA含量先降后升，而阴香、天竺桂、红楠表现为逐渐升高。阴香的本底值较高，含量也一直较高。红楠的MDA含量本底值较樟树和阴香低，但在0.5 mg/m3后超过樟树，在2 mg/m3后超过阴香并保持在所有树种中处于最高水平。

2.5 尾气胁迫对樟科4种幼树叶片电导率的影响

从图6可知，尾气胁迫后，随处理浓度的增加，4种樟科幼树叶片电导率增大。其中，尾气胁迫对红楠电导率影响较大，在0.5mg/m3时电导率增加了58.3%。相比对照，樟树、阴香、天竺桂、红楠电导率最后分别增加了42.3%、71.4%、45.8%、191.7%。

2.6 尾气胁迫对樟科4种幼树叶片脯氨酸含量的影响

图3 不同熏气浓度对SOD活性的影响Figure 3 Effect of different concentrations automobile exhaust on SOD activity

图4 不同熏气浓度对POD活性的影响Figure 4 Effect of different concentrations automobile exhaust on POD activity

从图7可知，尾气胁迫后，4种樟科幼树叶片脯氨酸含量变化无明显规律。随尾气浓度的增加，樟树的脯氨酸含量在0.5 mg/m3时略有减少，后逐渐增加；阴香的脯氨酸含量在0.5 mg/m3时比对照减少，多次波动后，3.0 mg/m3后比对照增加；天竺桂的脯氨酸含量在0.5～1 mg/m3时比对照增加，在浓度达2.0 mg/m3时略有减少，在3.0 mg/m3时再增加；红楠脯氨酸含量一直在增加。

2.7 模糊隶属度评定的结果

植物在逆境时其生理变化是错综复杂的，不能用单一指标评价其抗污染能力[18]。用模糊数学隶属度公式进行定量转换，可综合评定各种苗木的抗污染能力。由表2可知，4个树种对尾气污染抗性的综合顺序为：樟树＞天竺桂＞阴香＞红楠。

3 讨论与结论

3.1 尾气胁迫下叶片叶绿素含量

汽车尾气胁迫下，樟科4个树种幼树各种生理过程都受到影响。叶绿素的降解必须是一个受到精密调控和高效有序的过程，以保障衰老进程中的细胞免受光损伤，进而保障营养物质再动员的效率[19]。叶绿素变化可反映植物对环境胁迫的响应[20]。马树华等[21-23]研究证明，植物叶片叶绿素含量在污染气体环境中呈下降趋势，污染气体的浓度与叶绿素含量的下降幅度呈正相关。这与本试验中4种幼树叶片随尾气胁迫浓度的增加（1.0～4.0 mg/m3），叶绿素含量均比对照明显逐渐减少的结果一致。但本试验发现，在低浓度（0.5 mg/m3）尾气胁迫下，叶绿素含量不仅没有下降，反而上升。王冰冰等[14，24]在研究气体胁迫时也有类似发现。这是植物感知外界刺激后能量物质迅速调动的动态调节[25]。但这种迫高调节是有限的，超过一定限度后叶绿素分解占优势，导致含量显著降低[26]。

图5 不同熏气浓度对MDA含量的影响Figure 5 Effect of different concentrations automobileexhaust on the malondialdehyde content

图6 不同熏气浓度对相对电导率的影响Figure 6 Effect of different concentrations automobile exhaust on the relative conductivity

陈俊毅等[27]提出叶绿素的降解过程中叶绿素a与叶绿素b的降解是不同步的，叶绿素b应该是被转化为叶绿素a后再被进一步降解的。尾气胁迫初期，4种樟科幼树叶片的叶绿素a/b值均呈上升趋势，说明可能叶绿素b转化为了叶绿素a。污染气体对叶绿素a和叶绿素b组成的影响与植物种类有直接关系[28]。本研究显示，在0.5 mg/m3尾气浓度下，樟树、阴香、天竺桂、红楠叶绿素a/b值分别比对照增加了28.1%、27.2%、21.8%、51.4%。4个树种的变化趋势相同，但变化幅度不同。通常认为叶绿素a/b变化幅度大的树种，耐污染气体能力较差[29]。红楠叶绿素a/b值增加最大，对低浓度尾气反应最敏感，可能相对其他树种叶绿素a合成多，叶绿素b分解快，耐尾气能力最差；樟树、阴香、天竺桂叶绿素a/b值增加没有红楠迅速，耐尾气能力却强于红楠。这说明叶绿素a/b值的变化可作为植物逆境胁迫的一个灵敏指标。

图7 不同熏气浓度对脯氨酸含量的影响Figure 7 Effect of different concentrations autombile exhaust on the proline

表2 4个树种苗木对尾气污染抗性综合评定指数及排序Table 2 Synthetical evaluated result of four species under autombile exhaust pollution

3.2 尾气胁迫下幼苗叶片保护酶活性

植物在受污染气体胁迫下，其体内保护酶活性会被激活[30]。本研究表明，在0.5 mg/m3尾气浓度下，樟树、阴香、天竺桂、红楠4个树种叶绿素含量、SOD、POD活性增加。陈海燕等[31-32]研究发现低强度的大气污染，植物保护酶活性可能变化不明显甚至有所增加。随着增高胁迫浓度，植物会出现不同程度的伤害[30]。在3.0 mg/m3尾气浓度时，SOD保护酶活性下降幅度大，说明随胁迫浓度的增加，酶活性受到明显抑制。马树华等[21]认为保护酶存在一个剂量阈值。这与本研究的结果是一致的。樟树在0.5 mg/m3时POD、SOD 活性达到最大值，0.5～2 mg/m3时下降趋势最缓和，耐尾气能力也最强，这说明达到剂量阈值后，叶片酶活性变化率越小树种的耐尾气能力越强。

3.3 尾气胁迫下叶片膜透性及蛋白质变化

逆境胁迫下MDA含量总体上增加、电导率增加，说明膜系统受破坏，细胞质渗漏。红楠在本试验中MDA含量处于较高水平，电导率增加最大，耐尾气能力最差。脯氨酸可调节细胞内膨压，使植物对逆境环境有一定适应能力[20]。王彤等[33]研究发现，随着尾气处理时间的延长，茶条槭、卫矛和榆叶梅的脯氨酸含量呈先上升后下降的趋势。本试验中4种樟科树木脯氨酸含量总体上增加，具体变化规律不明显。王冰冰等[24]在研究丁香对汽车尾气的抗性能力时，也发现脯氨酸的积累规律不明显。樟树脯氨酸含量比对照增加了0.05 μg/g，红楠脯氨酸含量比对照增加了0.26 μg/g，耐尾气能力樟树＞红楠，这说明脯氨酸变化量与耐尾气能力更相关。

3.4 不同树种耐尾气能力的综合评价

汽车尾气是一种成分复杂的混合气体，4种树木的耐尾气能力是一个综合性状，受多种因素影响，各因素又相互关联。对耐尾气能力的评价，考察多个种类时，单一指标得出的评价结果不确切。模糊隶属函数可以综合多个指标比较多个种类。本试验用模糊隶属函数把每个树种各项指标隶属度的平均值作为树种耐尾气能力综合鉴定指标，既克服片面性又具有可比性。4个树种耐尾气污染能力大小顺序分别为：樟树>天竺桂>阴香>红楠。

综上所述，0.5 mg/m3浓度尾气胁迫对4种树种幼树各种生理过程短期影响较小，甚至可激发保护酶活性增强；3.0 mg/m3以上尾气浓度对4种树种幼树各种生理过程有明显的抑制作用。4种树木抗性都较强（综合评定结果≥0.480），樟树耐汽车尾气能力相对最强，可做交通繁忙地段城市行道树、基调树；红楠耐汽车尾气能力较弱，可在车流量小的园林景观路上应用，具有一定的潜力，可考虑遗传后代变异和适应性驯化后扩大使用范围。

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Physiological Response of Four Lauraceae Species Leaves to Automobile Exhaust Stress

YAN Yi-bo
（Department of Horticulture and Landscape，Zhangzhou City College，Zhangzhou 363000，Fujian，China）

【Objective】The aim of the study was to examine the physiological response of four lauraceae species leaves to automobile exhaust stress and to provide a reference for selection of antipollution tree species.【Method】2-year-old seedlings of camphortree，Cinnamomum burmann，Cinnamomum pedunculatum and Machilus thunbergii were fumigated for 24 h with different concentrations（0.0，0.5，1.0，2.0，3.0 and 4.0 mg/m3）of automobile exhaust.The relative conductivity，proline content，MDA content，chlorophyllcontent，SODandPODactivitiesinleavesof4plantseedlingsweremeasured.Thecomprehensive evaluation of the 4 plant seedlings in response to automobile exhaust pollution was analyzed according to quantitative conversion of measured values by fuzzy mathematics subordinate function formula.【Results】With the increase of treatment concentration，the change patterns in leaf indexes were different among 4 tree species.The change trend was similar in chlorophyll content，SOD and POD activities，with first increasing then decreassing.Both MDA and relative conductivity often increased with treatment time.The change of proline content showed no regularity.【Conclusion】The tolerance of tested tree species to automobile exhaust was in order of camphortree>C.pedunculatum>C.burmann>M.thunbergii.

automobileexhaust；camphortree；Cinnamomumpedunculatum；Machilusthunbergii；leaves；physiological indexes

S688.9 文献标志码：A 文章编号：1000-2650（2017）02-0234-07

10.16036/j.issn.1000-2650.2017.02.015

2016-11-07

福建省中青年教师教育科研项目（JAT160916）；漳州城市职业学院科研项目（YKY201507）。

燕一波，讲师，高级工程师，硕士，主要从事园林植物生理及生态应用研究，E-mail：1531918701@qq.com。

（本文审稿：徐振锋；责任编辑：巩艳红；英文编辑：徐振锋）