第28卷第11期
2008年11月
环 境 科 学 学 报 Acta Scientiae Circu m stantiae
Vol .28,No .11Nov .,2008
基金项目：国家林业局“948”项目(No .2001240)；河北农业大学科学研究基金项目
Supported by the p r ogra m s of 948of the State Forestry Adm inistrati on (No .2001240)and the Scientific rearch of Agriculture Unversity of Hebei
好笑的故事作者简介：李彦慧(1971—)，女，副教授,E 2mail:;3通讯作者(责任作者),E 2mail:yangj m @hebau .edu
B i ography:L I Yanhui (1971—),fe male,ass ociate p r ofess or;E 2mail:;3Correspond i n g author ,E 2mail:yangj m @hebau .edu
李彦慧，孟庆瑞，李向应，等.2008.紫叶李叶片色素含量及叶绿素荧光动力学参数对S O 2胁迫的响应[J ].环境科学学报,28(11):2236-2242
L i Y H,Meng Q R,L i X Y,et al .2008.Contents of phot osynthetic p ig ments and chl or ophyll fluorescence para meters in P runus cerasifera var .atropurea leaves under S O 2stress[J ].Acta Scientiae Circum stantiae,28(11):2236-2242
紫叶李叶片色素含量及叶绿素荧光动力学参数对S O 2
胁迫的响应
李彦慧1
，孟庆瑞1
，李向应2
，李保国1
，杨建民
1,3
1.河北农业大学，保定071000
2.乌兰察布职业学院生物技术系，集宁012000
收稿日期:2007212210 修回日期:2008204218 录用日期:2008208205
学习不好摘要：以盆栽紫叶李的2年生嫁接苗为试材，采用人工静态熏气装置分析了不同浓度S O 2(0～22.8mg ・m -3)胁迫条件下(16d )紫叶李叶片光合色素含量及荧光动力学参数的变化情况.研究结果显示：在S O 2浓度为5.7mg ・m -3的胁迫下，叶绿素a (Chla )、叶绿素b (Chlb )、Chla /Chlb 、总叶绿素和类胡萝卜素(Car )含量均比对照增加，在其它浓度处理下均减小，且与对照间差异显著(11.4mg ・m -3胁迫下叶绿素a 和类胡萝卜素除外).在S O 2浓度小于11.4mg ・m -3时，紫叶李叶片花青苷和类黄酮含量随着胁迫强度的增强而增加(与对照间差异显著,p <0.01)；而在S O 2浓度大于11.4mg ・m -3时则随着胁迫强度的增强而降低(与对照间差异显著,p <0.01).荧光动力学参数中,PS Ⅱ原初光能转化效率F v /F m 随着胁迫强度的增强呈现先增加后降低的变化趋势,PS Ⅱ潜在活性F v /F o 、光化学淬灭效率q P 随着胁迫强度的增强而减小，而荧光非光化学淬灭效率q N 却随着胁迫强度的增强而增加.研究结果表明，紫叶李苗木在低浓度S O 2(小于11.4mg ・m -3)胁迫下通过自身较强的保护系统使机体免受伤害；而在高浓度S O 2(大于11.4mg ・m -3)胁迫下通过增加N 耗散过剩的光能和提高ΦPS Ⅱ消耗多余能量来保护光合器官免受损伤，但叶片的光合色素含量和其它荧光参数均受到不同程度的影响，紫叶李叶片受到伤害与PS Ⅱ反应中心失活有关.关键词：紫叶李;S O 2；光合色素；花青苷；荧光参数
文章编号:025322468(2008)1122236207 中图分类号:X171 文献标识码:A
Con ten ts of photosyn theti c p i gm en ts and chlorophyll fluorescence param eters i n P runus cerasifera var.a tropu rea leaves under S O 2stress
L I Yanhui 1
,ME NG Q ingrui 1
,L I Xiangying 2
,L IBaoguo 1
,Y ANG J ian m in
1,3
1.Agriculture Unversity of Hebei,Baoding 071000
2.B i otechnol ogy Depart m ent,W ulancltabu Vocati onal College,J ining 012000
Rece i ved 10Dece mber 2007; rece i ved in revid f or m 18Ap ril 2008; accepted 5August 2008
Abstract:T wo 2year 2old pot 2p lanted edlings of P runus cerasifera var .atropurea were studied t o deter m ine the effect of S O 2stress on phot osynthetic p ig ments,anthocyanin and chl or ophyll fluorescence para meters .Under S O 2treat m ent in a cl od chamber at a rate of 5.7mg ・m -3,the contents of chl or ophyll a,chl or ophyll b,chl or ophyll a +chl or ophyll b,car otenoid incread,but the differences were not significant compared with the contr ol .However for higher levels of S O 2,the para meters decread significantly compared with the contr ol (excep t chl or ophyll a and car otenoid under 11.4mg ・m -3S O 2stress ).A s the stress incread,the content of anthocyanin and flavonoids incread at S O 2concentrati ons bel ow 11.4mg ・m -3,and decread significantly at concentrati ons higher than 11.4mg ・m -3.Considering the chl or ophyll fluorescence para meters,F v /F m first incread and then decread as the S O 2concentrati on incread,while q N incread at greater S O 2concentrati ons .F v /F o and q P decread accordingly with the increa of S O 2concentrati on .W e conclude that Prunus cerasifera var .atropurea could p r otect itlf fr om damage thr ough a highly active p r otecti on syste m under l ow S O 2concentrati ons (l ower than 11.4mg ・m -3),while under higher S O 2concentrati ons (higher than 11.4mg ・m -3)the p r otecti on mechanis m could p r otect the phot osynthetic apparatus fr om da mage resulting fr om sur p lus light energy thr ough increasing q N and ΦPS Ⅱ,but the phot osynthetic p ig ments and the other chl or ophyll fluorescence para meters were negatively affected .The results de monstrate that damage t o the leaves of Prunus cerasifera var .
11期李彦慧等：紫叶李叶片色素含量及叶绿素荧光动力学参数对S O 2胁迫的响应atropurea is related t o the inactivati on of the PS Ⅱreacti on center .
Keywords:P runus cerasifera var .atropurea ,S O 2stress,phot osynthetic p ig ments,anthocyanin ,chl or ophyll fluorescence para meters
1 引言(I ntr oducti on )由于经济发展和社会进步，众多工业活动产生了大量的有害气体.S O 2气体是主要空气污染物质之一，由煤和石油燃烧产生的S O 2约占大气中S O 2含量的70%1中国是燃煤大国，煤炭占总能源结构的75%，由燃煤产生的S O 2占其排放总量的80%以上.
煤中所含硫的90%将转化为S O 2的形式排放，由于S O 2排放带来的是广泛的、全球性的空气污染，因
此，已引起世界各国政府的高度重视(刘玉香,2007).S O 2是我国主要大气污染物之一.2002年S O 2排放量为119×107
t,2006年S O 2排放量高达216
×107
t (国家环境保护总局,2006).S O 2污染对农作物、森林、湖泊、建筑物都会产生不良影响(廖飞勇等,2004)，因此,S O 2的污染问题已成为当前控制和改善环境质量的重点研究课题.在我国，大气污染物对植物影响的研究是从20世纪70年代开始的，大多数学者主要是以农作物和绿叶树木为试材，集中在大气污染物造成的植物伤害症状(徐玉梅等,2006；唐鸿寿等,2005)、对生理生化指标的影响(李
成等,2006；胡丁猛等,2005)、对植物组织结构的影响(廖飞勇等,2004;He,1997)，以及对光合作用的影响(刘楠等,2003)等方面，对彩叶树种的研究未见相关报道.
随着城市园林绿化事业的发展，彩叶树种的应用越来越多.彩叶植物具有色彩鲜艳、观赏期长、易于形成大色块景观的特点，可以调节城市淡花季节的色彩.紫叶李(P runus cerasifera var .atropurea )又名红叶李，叶为紫红色，是良好的彩色观叶树种.叶绿素荧光动力学是近年来发展起来的一种快速、简便、精确且整体无损伤检测植物光合作用生理状况的新技术(吴楚等,2005;Max well K,2000).目前叶绿素荧光诱导动力学在干旱、高温和低温等方面报道的较多(Zhao,2003;Col om ,2003.)，且多为绿色叶植物.为了探讨紫叶李对城市污染的适应性，用人工熏气的方法，研究S O 2污染对紫叶李叶绿素、花青苷含量、叶绿素荧光动力学特性等的影响，旨在为城市彩叶树种的合理选择、科学应用提供基础数据和理论依据.
2 材料与方法(Materials and methods )2.1 试验材料
以2年生紫叶李嫁接苗为试材，砧木为毛桃
(Am ygdalu persica Franch )，苗木由满城绿龙绿化公司提供.选取长势一致的苗木，采用盆栽的方法进行试验.盆的规格为26c m ×21c m ，盆栽基质为过筛的园土和草炭土(体积比为2∶1)混合而成.于2006年的3月份上盆，每盆1株.苗木于河北农业大学园林与旅游学院试验基地内露地正常养护管理.2.2 熏气处理
苗木在露地正常养护管理3个月(3～6月份)，选择长势均匀、无病虫害的盆栽苗木放入气室中适应室内环境1周后进行熏气处理.采用简易静态熏气系统进行熏气处理.熏气装置是以钢筋为骨架焊结而成，其高1.5m 、长3.6m 、宽2.0m ，室壁为3mm 厚的无色透明玻璃，由水帘和电扇控制日光温室内的温度为25～32℃，湿度为80%±5%.气源为北京氦普北分气体有限公司生产的国家级标准S O 2气体，气体浓度为1%,N 2为平衡气.气体从钢瓶经减压阀、流量计等装置进入熏气室，入口处用8V 小风扇搅匀.试验设4个S O 2熏气浓度(5.7、11.4、1711、22.8mg ・m
-3
)，每个熏气室设1种浓度处理,
每天早8:00开始熏气，每天熏气1h，处理时间为16d .熏气室内S O 2浓度采用PG M 21130二氧化硫监测仪进行监测，通过调节流量控制熏气室内S O 2的浓度使其维持在(设定浓度±0.02)mg ・m -3
的范围内.以相同条件下不熏气的气室中紫叶李为对照.所有处理均为6株1小区,3次重复.S O 2气体熏气结束后，每小区、每处理、每盆取高度相近，东、西、南、北4个方位的新梢中部功能叶片各1片，共24片组成混合叶样进行各项指标测定.2.3 测定方法
叶绿素测定：采用乙醇丙酮法(50%乙醇+50%丙酮)，测定663n m 、645n m 、470nm 处的光密度值(李合生,2001)；花青苷含量测定：按徐金瑞(2006)报道的方法；类黄酮含量的测定：按胡位荣
等(2004)报道的方法.
叶绿素荧光动力学参数测定：采用OS52F L 型便携式调制荧光分析仪(OS L52F L,OPTI SC I,US A )测定叶绿素荧光动力学参数.上午9时取胁迫处理
7
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环 境 科 学 学 报28卷
16d 的叶片进行测定.叶片暗适应15m in 后用弱测
量光测定初始荧光(F o )和测得最大荧光(F m ).计
算荧光参数：可变荧光(F v =F m -F o )、光系统Ⅱ(PS Ⅱ)最大光化学效率(F v /F m )(汪良驹等,2005)；光化学淬灭系数q P 和非光化学淬灭系数q N 是荧光动力学稳态时的平均值；每小区测定3～4个相同部位的功能叶片.2.4 数据分析
采用Excel 2003和DPS v7.55进行数据处理.3 结果(Results )
3.1 S O 2熏气处理对紫叶李色素含量的影响
花色素苷广泛地存在于植物体中，使水果、蔬菜、花卉和叶片呈现粉红、紫色以及紫红色等不同的颜色.S O 2处理后紫叶李叶片花青苷含量状况如图1a 所示.由图可见，在试验处理的浓度范围内，随S O 2处理浓度的升高，花青苷含量呈先升高后降低的变化趋势，且各处理与对照间差异显著(p <
0101)；在S O 2浓度为5.7～11.4mg ・m -3
时，花青苷含量与对照相比显著增加，观赏性更好；当S O 2浓度高于11.4mg ・m -3
时，花青苷的合成就受到明显的抑制.类黄酮含量随S O 2处理浓度的变化与花青苷含量的变化基本一致(图1b )，在S O 2浓度为5.7～11.4mg ・m
-3
时，类黄酮含量明显高于对照(p <
0101)，而当S O 2浓度高于11.4mg ・m -3
时，其含量明显低于对照(p <0.01)
.图1 S O 2处理后紫叶李叶片花青苷和类黄酮含量(不同字母
表示差异显著,p <0.01)
Fig .1 Content of anthocyanin and flavonoids in Prunus cerasifera
var .atropurea leaves under S O 2stress (D ifferent letters indicate significance at the 0.01level )
不同浓度S O 2熏气处理后紫叶李叶片光合色素含量见表1.由表1可知，经5.7mg ・m -3
S O 2熏气处
理16d 后，紫叶李叶片的叶绿素a (Chla )、叶绿素b (Chlb )、Chla /Chlb 、总叶绿素和类胡萝卜素(Car )含量与比对照相比均增加，其中叶绿素a (Chla )、叶绿素b (Chlb )、总叶绿素含量与对照间差异显著(p <0105);
表1 不同浓度S O 2处理紫叶李叶片的光合色素含量
Table 1 Chl or ophyll content in P runus cerasifera var atropurea leaves under S O 2stress
处理浓度
/(mg ・m -3)
叶绿素aChla
/(mg ・g -1)
叶绿素bChlb
/(mg ・g -1)
总叶绿素Chla +Chlb
/(mg ・g -1)
类胡萝卜素Car
/
(mg ・g -1)
Chla /Chlb 00.850±0.119Ab 0.357±0.068Ab 1.207±0.187ABb 0.663±0.080Aa 2.391±0.1235.70.988±0.065Aa 0.419±0.020Aa 1.407±0.078Aa 0.731±0.039Aa 2.532±0.27311.40.818±0.091Ab 0.332±0.040ABb 1.050±0.131BCb 0.640±0.073Aa 2.394±0.01017.10.578±0.024Bc 0.242±0.012Bc 0.820±0.035Cc 0.419±0.096Bb 2.385±0.02622.8
0.553±0.005Bc
0.231±0.002Bc
0.784±0.004Cc
0.397±0.001Bb
2.358±0.032
注：同一列不同大写字母表示在0.01水平的差异显著，不同小写字母表示在0105水平有显著差异.D ifferent cap ital letters indicate
significance at 0.01level,different s mall letters indicate significance at 0.05level .
当处理浓度高于5.7mg ・m -3
我恋爱的一切时，随着S O 2熏气浓度
的增加，叶绿素a (Chla )、叶绿素b (Chlb )、Chla /Chlb 、总叶绿素和类胡萝卜素(Car )含量逐渐下降.从表中还可看出,S O 2熏气处理对紫叶李叶片叶绿素b 破坏程度要高于叶绿素a，各处理叶绿素a 和叶绿素b 分别为对照的116%、96.3%、68.0%、6511%和117%、9219%、67.8%、64.6%.
3.2 S O 2熏气处理对紫叶李叶绿素荧光特性的
影响
3.2.1 S O 2熏气处理对紫叶李叶片PS Ⅱ活性的影
响 F v /F m 、F v /F o 值常用于度量植物叶片原初光能转化效率和PS Ⅱ潜在活性，是表征光化学反应状况的2个重要参数.在不同浓度的S O 2熏气处理下，紫叶李叶片的F v /F m 、F v /F o 和S O 2处理浓度呈非线性
8322
11期李彦慧等：紫叶李叶片色素含量及叶绿素荧光动力学参数对S O 2胁迫的响应关系，结果见图2.F v /F m 随处理浓度的增加表现出先增加后降低的变化趋势,17.1mg ・m -3
和22.8
mg ・m -3
期末小结浓度处理与对照间差异显著(p <0.05).F v /F o 随胁迫强度的增强而逐渐减小，且各处理与对照间达显著差异(p <0.01).在S O 2处理浓度为2218mg ・m -3
时,F v /F m 、F v /F o 分别为对照的94.5%
和76.
0%.
图2 S O 2处理后紫叶李叶片F v /F m 、F v /F o 的变化
Fig .2 Values of F v /F m 、F v /F o in P runus cerasifera var .
atropurea leaves under S O 2stress
3.2.2 S O 2熏气处理对紫叶李叶片荧光淬灭的影
响 q P 表示PS Ⅱ反应中心开放部分的比例，因而它
与光合电子传递、光合放氧等过程直接相关，其值越大，说明PS Ⅱ具有高的电子传递活性.图3a 为不同浓度S O 2胁迫下q P 稳定值的变化.q P 与S O 2浓度呈线性关系，随着处理浓度的升高，紫叶李叶片q P 逐渐下降，但各处理间差异不显著；在0～11.4
mg ・m -3
浓度范围内,q P 几乎没有什么变化，在17.4mg ・m -3
和22.8mg ・m
-3
2个处理中，分别比对照降
低了4.3%和8.2%.以上结果表明，紫叶李叶片的光化学淬灭受到一定程度的影响，但降低幅度不大，说明PS Ⅱ仍能维持较高的光合电子传递活性.q N 为荧光非光化学猝灭系数，其值大小反映的是PS Ⅱ反应中心对天线色素吸收过量光能后的热耗散能力及光合机构的损伤程度，是一种保护机制.
PS Ⅱ通过提高非辐射性热耗散，可以消耗PS Ⅱ吸收
的过剩的光能，从而保护PS Ⅱ反应中心免受因吸收
过多光能而引起的光氧化伤害.q N 随时间变化的动力学过程表现为先上升后下降，直到一个较稳定的值,q N 稳定时紫叶李对S O 2胁迫的反应见图3b .由图3b 可以看出，在S O 2胁迫下紫叶李叶片的q N 值均随S O 2浓度的增加而上升，二者呈非线性关系，但各处理间差异不显著
.
图3 S O 2处理后紫叶李叶片q P 、q N 的变化
Fig .3 Values of q P 、q N in P runus cerasifera var .atropurea
leaves under S O 2stress
4 讨论(D iscussi on )
花青苷对植物具有多方面的保护作用，如光保
护(Mendez,1999;Jayakumar,1999)、低温(Pietrini,2002;Tsuda,1996)、抗氧化(Ayl ,2004)，对植物在逆境下的生长发育具有十分重要的作用.对于观赏植物，花青苷是叶片颜色或花颜色的重要形成色素.前人对花青苷的研究主要集中在荔枝(J iang,2000)和桃(齐建勋等,2002)等水果果皮、番茄的叶片(陈静等,2004)上，而对彩叶树种花青苷含量的研究只限于遮荫(丁廷发,2005；张琰,2006)、温度和光照强度等(吕福梅,2005)逆境条件下的几种彩叶树种.这些研究结果显示，花青苷含量随胁迫程度的加强而逐渐减小，而本研究结果为随S O 2处理浓度的升高，花青苷和类黄酮含量呈先升高后降低的变化趋势，这可能是由于在低浓度S O 2处理过程中，紫叶李通过提高机体的酶活性(PP O 、P OD 、P AL 和花色素苷酶等)来增加叶片花青苷含量，而在高
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浓度处理过程中由于叶片细胞膜透性增大，细胞区域化被解除，导致花色素苷从液泡中渗漏致使含量降低.
叶绿素在植物光合作用的原初光反应过程中起着关键作用，其含量的变化与叶片的生理活性、
植物对环境的适应性和抗逆性有关(苏行等,2002).S O 2通过气孔进入叶片细胞后快速溶于细胞
液中，浓度增加超过植物自控范围时对植物形成毒害，叶绿体活性被认为是S O 2攻击的最初目标
(Nouchi,2002).不同植物对S O 2污染的抵抗能力不同，对污染物的反应也不一样(李成等,2006).低浓度有害物质对生物的刺激效应广泛存在(Shelburne,1993；樊后保等,2005).本试验研究结果表明，随S O 2浓度的增加，光合色素含量呈先增加后降低的变化趋势.这是由于S 元素的生理作用所致，低浓度处理刺激了紫叶李的生长，叶片吸收了S 元素，可将其同化为含硫氨基酸，这些氨基酸有利于色素蛋白的合成致使色素含量增加；但植物对S 的需要量和耐性是有一定限度的，随着熏气浓度的增加，吸
收、积累的S O 2超过紫叶李叶片的需要量和清除机制时,S O 2对叶绿素产生漂白作用，从而显著降低了光合色素的含量.S O 2熏气处理对紫叶李叶片叶绿素b 破坏程度高于叶绿素a，这可能是由于S O 2破坏了光系统(PS Ⅱ)的捕光色素蛋白复合物(LHCP )，而LHCP 是叶绿体中唯一含有叶绿素b 的
买房流程
色素蛋白复合物，其在光能的吸收、传递和激发能在光系统中的分配等方面具有重要的功能.
植物的荧光参数与大气污染程度之间具有一定的相关性，不同植物的荧光参数对大气污染的响
应存在显著差别，可作为环境评价的重要依据(苏行等,2002).本试验研究显示，在高浓度S O 2熏气处理下，紫叶李叶片的F v /F m 值和F v /F o 值都显著降低，说明叶片PS Ⅱ的原初光化学效率和从天线色素到PS Ⅱ反应中心的传能效率均明显受到S O 2的影响；而且F v /F o 的下降幅度大于F v /F m 的下降幅度，说明S O 2胁迫对紫叶李传能效率的抑制比对其光能转化效率的抑制更为显著.这与苏行(2002)、马树华(2005)、Burger (1996)的研究结果一致.关于q P 和q N 2个参数在逆境条件下的变化情况前人做了大量研究，但研究结果不同.本试验的研究结果显示，随着处理浓度的增加紫叶李叶片的q P 值逐渐降低，表明S O 2胁迫导致光合电子传递能力减弱(Krauxe,1991)；但q P 值变幅较小，最高浓度处理为
对照的91.2%，说明紫叶李能够保持较多数目的开放的PS Ⅱ反应中心，即光化学猝灭过程比较稳定和保守.q P 值降低伴随着q N 值的上升，这表明,S O 2胁迫使叶绿体吸收的光能用于有效的光化学转换
的比例减少，而用于非光化学反应的耗散能量的比例增加.这与苏行(2002)、马树华(2005)等的研究结果相似，而与邱栋梁(2000)和余春珠(2005)的研究结果不同.邱栋梁(2000)认为，随着酸雨pH 值的降低龙眼叶片的q N 值逐渐降低；而余春珠(2005)研究认为，酸污染会导致马尾松和荷木当年生叶q N 下降，而使1年生叶q N 出现不同程度的增高.这些研究结果的差异可能是试验所用植物不同或生育期不同使其本身有不同适应逆境的机制所致.5 结论(Conclusi ons )
1)人工S O 2熏气处理使紫叶李叶片色素含量受
到不同程度的影响，在S O 2浓度为0～11.4mg ・m -3
(含)时，花青苷和类黄酮量比对照显著提高，而当S O 2浓度高于11.4mg ・m -3
时，比对照显著降低；叶
绿素a 、叶绿素b 和类胡萝卜素的含量在S O 2浓度为517mg ・m -3
时高于对照，其它处理均低于对照1这
说明叶绿素是S O 2伤害的最初色素，而花青苷对植物有保护作用.
青年会2)当S O 2胁迫浓度小于11.4mg ・m -3
的时，紫叶李苗木通过自身的保护系统使机体免受伤害，而当
胁迫浓度高于11.4mg ・m -3
时，通过增加q N 耗散过剩的光能和提高ΦPS Ⅱ消耗多余的能量保护光合器官免受损伤，增强机体抗S O 2的能力.在S O 2污染严重的地区(如工厂、公路两侧)进行绿化时可以选择紫叶李这一彩叶树种，不仅可以美化环境，还能改善环境.
责任作者简介：杨建民，教授，博士生导师，河北农业大学园林与旅游学院院长，主要从事果树和园林植物栽培生理及抗逆性研究.
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