当前世界环境

介绍

全球气候变化的两个方面直接影响植物生理学，增长和生产力;浓度的环境臭氧（O_3.)和二氧化碳(CO₂）.^1，2大气有限公司₂预计到2050年将继续上升到至少550 PPB。^3.目前的年平均值(O_3.）预计下个世纪将继续下降0.5-2％，主要是由于人为来源的前体排放量增加。^4,5

温室效应是当前全球变化的重要问题之一，而温室气体浓度的增加是导致温室效应增强的主要原因。二氧化碳是植物光合作用最重要的温室和碳源。对流层中的O3本质上是一种污染物⁶严重地限制了植物的生长。CO2和O3的浓度不断增加，植物对它们的响应越来越受到重视。

臭氧通过气孔扩散到叶质内，在那里它迅速转化为其他活性氧(ROS)，这是一个不同的代谢反应的信号(Long和Naidu, 2002;Kangasjarvi等等。,2005;哈桑,2006)。应激可促进有害活性氧(ROS)的形成，ROS能够启动叶绿素漂白、脂质过氧化、蛋白质氧化和对核酸(Kangasjarvi)的损伤等, 2005)。CO2和O3对植物生长和生产力的影响已经分别对大量植物物种进行了测定，但很少有人关注它们的相互作用。^2,6,7,8.

CO2与温度、水分组合效应的研究^6、7O3与SO2或NO2的作用^8，9关于植物的报道。CO2和O3交互作用对冬小麦的影响¹⁰土豆,^11,12.阿斯彭和桦树。¹³然而，关于CO2、O3与干旱相互作用的研究却很少。¹⁵虽然很多研究都解决了CO的影响₂阿,_3.和/或干旱对发达国家植物的影响，据我所知，没有在发展中国家进行过这样的研究。

研究了CO2和O3浓度倍增对小麦产量和生物量、光合作用、气孔导度、抗氧化能力和叶片细胞膜脂过氧化的影响。

尽管之前的一些研究报道了小麦水分亏缺胁迫引起氧化应激^4、9,26岁在个体层面上，缺乏关于他们对相同程度应激反应的应激敏感性和功能变异的信息。为了填补这一知识空白，本研究旨在评估氧化反应对O_3.，CO.₂和/或干旱单独或结合小麦植株。本研究的假设是，植物对水分胁迫的敏感性可能与不同的固碳能力有关，这些胁迫可能通过影响气孔导度和抗氧化酶来影响净同化。

因此，本研究的目的是描述增强的O_3.、高有限公司₂光合色素、谷胱甘肽(GR)、过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)等抗氧化酶和分子生物标记物(Triticum Aestivum.l .)植物。此外，研究光合色素积累的重要性，光合色素积累在多重胁迫下可能发生变化，这是本实验的新颖之处，研究上述因素的三重互作。

材料和方法

植物材料、生长条件及试验设计

小麦谷物（Triticum Aestivum.L.)植株播种在20x20cm的花盆中²填满从地里的表层土壤中收集的土壤。有五棵植物/花盆。他们被转移到四个开放式房间(OTCS)¹⁹当第二个叶子出现时。各处理分别为:(a)对照(FA)_3.没有公司₂(O_3.)， (c) FA和CO₂(有限公司₂), (d) O_3.和co.₂(O_3.+有限公司₂）.

该实验分配了绘图拉丁方形，一个腔室配备了炭过滤器（FA），另一个腔室用FA +靶o通风_3.(78 ppb/h)，第三次用FA +Target CO通气₂(450ppm)_3.(78 ppb)和CO₂（450 ppm）。

有12个锅/室。花盆按完全随机区组设计(CRBD)进行分配。一半的罐子灌满了田间的水量，另一半灌满了0.5 MP的水。^10、12他们每周在每个房间轮流。

生物质与粮食产量

每盆收获5株，以确定籽粒和种子产量及产量属性。收获的谷物在80â " ƒfor 72h风干，嫩枝、叶和根晾干。计算每穗粒数。测定穗产量、单株产量和千粒重，测定气孔导度和净光合速率₂同化速率(A)和气孔导度(g_年代)用红外气体分析仪(IRGA,ciras-1PP System, Hitchin UK)测定。每周对10片附着叶片进行光合色素、光合色素、叶绿素测定一个＆b从旗叶中提取类胡萝卜素，并用紫外分光光度计(LKB, UK.)测定。^35、36

抗氧化酶测定

进行来自四种处理叶片的抗氧化酶的提取。²¹每一种处理方法的叶片都被切下来，浸泡在液氮中，并保存在80度的深冰箱中⁰直到英国纽卡斯尔大学进行了分析。

样品在大约⁰C在25米Tris-HCl缓冲液含有3毫米氯化镁₂， 20 000离心15 min (17s /RS离心，贺利氏分离机)。上清液用于酶的测定，结果以蛋白为基础进行表达。³⁵

使用最终体积为1mL进行所有测定，至少在每个样品上进行的一式两份测定。此外，测定是终点测定。

检测SOD (EC 1.15.1.1)活性。²¹提取液中含有50 mM磷酸缓冲液(pH 7.8)、13 mM l -蛋氨酸、63 lM硝基蓝四唑和2 lM核黄素。在560 nm处(Schimadzu UV-1201分光光度计)测定了该提取物对硝基蓝四唑的光化学还原抑制能力。对硝基蓝四唑反应有50%抑制作用的提取物的量被定义为SOD活性的一个单位。

在含有50 mM磷酸缓冲液(pH 7.4)的酶提取物反应混合物中测定过氧化氢酶(EC, 1.11.1.6)活性。反应开始时加入10mm H₂O₂，在240 nm处测定吸光度的还原。^14日,36

通过将50mM磷酸盐缓冲液（pH6.1），1％H 2 O 2和1％Guaiacol添加到提取物中，测定GPX（EC，1.11.1.7）活性，并且在470nm处测定吸光度。

APX（EC，1.11.1.11）活动根据Maehly＆Chane（1954）确定。反应混合物含有50mM磷酸钾，0.5mM抗坏血酸，0.1mM乙二甲基酒石酸（EDTA）和0.1mm H₂O₂，在290 nm处测定吸光度。叶提取物的蛋白质浓度的测定如前所述。^26日,37

数据分析

数据进行三方面方差分析(ANOVA)，使用O_3.，CO.₂和干旱处理为影响因素，其次进行最小显著性差异检验，P值≤0.05为显著性(使用STATGRAPHICS统计软件包，package 3, UK)，基于plot均数。

结果

对可见损伤症状的影响

到试验结束时，旗叶上表面出现明显的点褐斑。

氧化铁皮石斛损伤叶片数量增加2倍_3.虽然接触到两个公司₂和O_3.增加了31%(表1)。两种CO均无显著影响(p > 0.05)₂或干旱压力及其对受伤叶片数量和伤害程度的互动。暴露于O时，损伤程度增加了6倍_3.由于暴露于两种O_3.和co.₂．干旱胁迫与CO₂受保护的植物对o的毒性效果_3.暴露于D的植物叶片损伤比暴露于两种co的植物少39%₂D对叶片的伤害比O低50%_3.(表1)。

表1 CO2和O3、干旱、单独和联合处理对小麦叶片损伤症状的影响 在2005年。（意思是没有及其信函 每一行都有显著的不同 在P≤0.05)(n = 40)。 点击这里查看表格

对生长和产量的影响

O_3.与干旱相比，干旱对单株穗数和穗粒数的影响更大，因为这些参数分别降低了20和26%(表2)₂在这些参数中，造成的损失分别增加了26%和18%。此外，千粒重百分比下降的原因是O_3.(40%)大于干旱(29%)₂单独增加了23%，压力之间的相互作用小于累加性。O_3.干旱导致本试验测定的所有产量参数均显著降低(最大降幅为干质量63%和千粒重54%)。

表2：不同治疗对产量参数的影响 小麦（Triticum aestivium L.）植物在敞开的顶部腔室（OTC）中的场地生长。FA（346ppm CO2 + CFA）;O3（环境CO2 + 75 PPB O3 7HD-1（10.00-17.00小时）;升高的CO 2（702ppm1CO2 + CFA）升高的CO 2 + O 3（升高的CO 2 + 78 ppb O3 7HD-1）。收获植物 转移到开启上腔室(OTCs)后70 d。(*指 P≤0.05; ** p <0.01; *** p <0.001）。 点击这里查看表格

对气孔导度和光合速率的影响

很明显o_3.干旱对气孔导度的影响最大(g_年代)导致分别减少41%和50%(在整个实验期间)(图1)。此外，O_3.干旱的降低幅度大于加性(58%)。另一方面，CO₂具有协同作用，它导致增加到12％，而它会改善o的毒性效果_3.以及其他压力下的干旱。CO的相互作用₂和O_3.矛盾会导致g更大的减少吗_年代比有限公司₂干旱分别减少了17%和11%。不同处理之间的相互作用低于添加剂(减少21%)。10周后_3.干旱对小麦气孔导度的影响显著，气孔导度下降了58% (g_年代）.

图1：影响0F对小麦植物的气孔电导（GS）Mmol M-2S-1的不同治疗 在敞顶室(OTCS)的野外条件下。 值是10重复±1se的手段。一个箭头 表示水性植物灌溉的数据。 点击这里查看图

很明显，O_3.干旱对净光合速率的负影响最大(A)(图2)。O_3.和干旱导致净光合速率(A)分别下降70%和80%。另一方面，CO₂净光合速率A增加了6%O之间的相互作用_3.和co.₂降低了8%_3.干旱使其降至12%。小麦对O_3.同时干旱对净光合速率A的影响最大，下降88%。干旱的负面影响比其他参数更为明显。有限公司₂缓解干旱和O_3.它减轻了O_3.降低了23%的毒性，降低了19%的干旱。不同处理间的相互作用小于相加处理。

图2:不同处理对大田条件下开放顶室(OTCS)下小麦(Triticum aestivum L.)净光合速率(A)µmol m-2 s-1的影响。图例如图1所示。 点击这里查看图

对抗氧化酶的影响

CO浓度升高后，小麦过氧化物酶(POD)含量显著增加1.5倍₂；相反，一氧化碳升高₂对GR和SOD的抑制作用分别为11%和9%。各处理对APX的影响均不显著(P≤0.05)。

O_3.引起GR，POD的活动的增加，分别为18％和36％，而SOD的降低率为11％。干旱对这些酶的影响更加明显，因为它引起的豆荚增加了21％，而GR和SOD分别降低了11％和15％。抗氧化酶;在暴露于升高的CO中的小麦植物中，GR和SOD显着降低₂+高啊_3.分别比正常条件下生长的植物增加了15%和50%。有限公司₂遵循同样的O模式_3.．O之间的相互作用_3.有限公司₂干旱和它们的多重相互作用比加性的少。

表3:谷胱甘肽还原酶(GR)活性 愈创木酚过氧化物酶(POD)，超氧化物歧化酶 (SOD)和抗坏血过氧化物酶(APX) 小麦叶片(70 DAP)。 点击这里查看表格

讨论

结果支持上一份报告^{22日,23日,24日,25岁}高CO2水平下，作物的生物量和产量显著增加，而高O3水平下则显著降低。在我们的研究中，CO2浓度加倍时产量和生物量的增加足以消除CO2和O3浓度加倍时产量的下降。

众所周知，高浓度的二氧化碳会增加光合作用^1、12通过提供更多碳源。这是产量和生物质增加的基础。增加的光合作用还提供更低的叶绿素和类胡萝卜素的能量和更多的生物合成以及抗氧化剂肾癌的增强。这将提高植物对环境应力的抵抗力，例如暴露于高o3。由于O3本身是一种强氧化剂，因此抗氧化能力的增强尤为重要。富集的二氧化碳也降低了叶子的气孔电导。这将使o3的磁通量减少到叶子中的叶子。将这两个因素携带在一起，富集二氧化碳在改善O3的有害效果中的效果是合理的。

O_3.作为一种强氧化剂，对植物组织有很强的伤害。它能抑制光合作用,^1、2、12降低产量和生物量产量。^35,36,38它直接攻击细胞膜，诱导脂质过氧化增加和离子泄漏。通过抑制光合作用，抗氧化剂或活性氧清除剂的生物合成也可能受到影响。活性氧生成与清除的不平衡会降低植物的抗逆性。

有趣的是要注意，当植物暴露于o时_3.在20天内，它们的反应是SOD活性升高，叶绿素和类胡萝卜素含量升高。这说明小剂量O_3.或者短时间的暴露可能不会造成损害，但会引起植物的驯化反应。但随着SOD活性和色素含量的迅速下降，MDA积累和离子泄漏量的增加，累积剂量很快就达到了植物无法耐受的水平，并对植物造成了伤害。^3、5、31高氧诱导的抗氧化能力下降和产量增加_3.暴露是衰老的迹象。这与植物暴露在双倍的O_3.落叶时间比其他植物早7-8天。

本研究发现CO₂提供一些保护以防止O_3.很明显，压力是由一氧化碳引起的₂使叶片容易受到O_3.反之亦然，这就解释了它们是如何相互作用以减轻叶面伤害的。³⁹

在本研究中，环境空气中GR浓度和POD活性的增加可以解释为对O_3.（Chernkova.ET. 艾尔。2000)。但在环境空气中SOD和AA活性没有明显变化，其他O_3.研究中,⁴⁰与这些酶的活动增加响应o的研究不同_3. ⁴¹抗氧化剂对O_3.和co.₂这些研究反映了感知氧化应激的大小、参与氧化还原状态变化的物种特异性机制、植物应对额外应激的能力、实验方案和环境条件的差异。因此，进一步了解抗氧化代谢对O水平升高的响应还需要进一步的研究_3.，CO.₂单独或联合干旱。^{17,18,24,25,27,30}

结论

臭氧暴露响应0的玉米籽粒产量降低_3.开花过程中的损害。两个啊_3.和co.₂对独立于PAR吸收的生理过程有重要影响。因此，小麦对气体处理的辐射利用效率(RUE)对CO的响应显著增加₂富集和响应o的富集和显着减少_3.全身的压力。水分利用效率(WUE)降低_3.在水分胁迫和CO升高下生长的植物₂．在对照处理和高氧处理中观察到类似的结果_3./ enriched-CO₂说明0_3.CO的有益作用抵消了空气污染₂在第一次小麦实验中，两种气体对测量变量没有任何交互作用，但谷物产量除外₂-丰富的环境比克服O_3.全身的压力。

水分胁迫下，气孔关闭，O流入减少_3.和co._3.，这将影响两种作物的生长、产量和生理。气孔关闭有利于O的减少_3.但CO的减少₂流入会降低这两种作物的光合速率，从而降低产量

确认

这项工作的一部分是由联合国教科文组织向RHB提供的研究金资助的。感谢已故亚历山德里亚大学教授阿德尔·阿尔(Adel Aal)在工作的早期阶段提供的建议和帮助。

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