張一帆，黃文尉，王紫雯，徐曉瑩

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院，山東泰安 271018)

葡萄(VitisviniferaL.)是葡萄科葡萄屬藤本植物，被廣泛地種植于世界各地。其中95%的葡萄種植于北半球。葡萄部分品種易受到臭氧(O3)脅迫，導(dǎo)致產(chǎn)量和品質(zhì)下降。研究臭氧脅迫對(duì)葡萄的影響并探索緩解臭氧脅迫的措施具有重要意義。

隨著工業(yè)的發(fā)展和人類活動(dòng)的增加，地表的臭氧前體物質(zhì)如氮氧化物(NOx)和揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)等含量不斷增加，導(dǎo)致對(duì)流層的臭氧水平不斷提升。研究表明，全球?qū)α鲗映粞鯘舛茸?0世紀(jì)以來增加量超過1倍，其中北半球中緯度地區(qū)最為嚴(yán)重[1]。中國對(duì)流層臭氧濃度2005—2010年增加了約7%，主要原因是溫室氣體的大量排放和平流層臭氧向下輸送的增加[2]。作為對(duì)流層中最普遍的空氣污染物之一，高濃度臭氧限制了植物的光合作用并刺激植物的氧化應(yīng)激反應(yīng)，嚴(yán)重威脅了農(nóng)作物和園藝作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。目前生產(chǎn)上主要利用作物的表現(xiàn)生物學(xué)指標(biāo)以及田間暴露法，自然大氣條件下田間小區(qū)法等來判斷臭氧對(duì)葡萄的影響程度。而在田間許多研究者常利用化學(xué)防護(hù)劑進(jìn)行研究，如利用抗氧化劑監(jiān)測(cè)臭氧等。開頂式氣室(OTCs)被廣泛應(yīng)用于臭氧對(duì)葡萄的危害性研究，在氣室內(nèi)通常利用自動(dòng)觀測(cè)儀檢測(cè)臭氧體積分?jǐn)?shù)，對(duì)于敏感型品種，一般空氣中臭氧體積分?jǐn)?shù)達(dá)到50～120 nL/L時(shí)可使其受害。泰安地區(qū)一天中有大約70%的時(shí)間臭氧濃度處于50 ppb(μg/kg)以上。目前評(píng)估臭氧對(duì)作物的風(fēng)險(xiǎn)主要采用計(jì)算AOT40暴露指數(shù)的方法，AOT40是指在一個(gè)生長季節(jié)內(nèi)積累的每小時(shí)臭氧濃度超過40 ppb的閾值，通過這種方法，可以對(duì)某地區(qū)臭氧危害做出有效判斷。

目前，雖然有一些生產(chǎn)者認(rèn)識(shí)到了臭氧對(duì)農(nóng)作物的危害，但如何通過有效措施緩解臭氧脅迫仍然沒有較完善的闡述。就國內(nèi)外相關(guān)臭氧脅迫對(duì)葡萄生長的影響進(jìn)行綜述，并對(duì)緩解臭氧脅迫的措施進(jìn)行總結(jié)，為保護(hù)葡萄、減少葡萄種植者的經(jīng)濟(jì)損失提供參考。

1 臭氧脅迫對(duì)葡萄生長的影響

1.1 臭氧脅迫對(duì)葡萄葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

臭氧由氣孔進(jìn)入葉片通過周邊細(xì)胞、海綿細(xì)胞空隙等抵達(dá)柵欄組織，對(duì)葉片造成細(xì)胞內(nèi)質(zhì)壁分離的傷害[3]。有研究表明，臭氧在50～75 ppb的范圍內(nèi)會(huì)降低氣孔導(dǎo)度，從而限制二氧化碳流入葉片。保衛(wèi)細(xì)胞離子通道的激活是氣孔關(guān)閉的關(guān)鍵，也是限制臭氧流入葉片的關(guān)鍵[4]。

O3借助氣孔進(jìn)入葉片后溶解在細(xì)胞壁的水相中，與細(xì)胞的非原質(zhì)體和原質(zhì)體的成分發(fā)生反應(yīng)。在非原質(zhì)體中，O3與水、維生素等反應(yīng)生成活性氧物質(zhì)比如超氧自由基、氫氧自由基、H2O2等，此類活性氧物質(zhì)能與膜脂發(fā)生反應(yīng)引發(fā)膜脂過氧化作用，破壞細(xì)胞膜系統(tǒng)。研究表明，隨著臭氧濃度的增加，葡萄葉片葉綠體減少變形，葉綠體膜溶解，葉綠體數(shù)、葉綠體基粒數(shù)和基粒片層數(shù)下降，葉綠素含量降低[3]。

1.2 臭氧脅迫對(duì)葡萄葉片光合作用的影響

植物光合作用是地球上最基本的能量轉(zhuǎn)化過程，臭氧的強(qiáng)氧化性導(dǎo)致高濃度臭氧環(huán)境中植物的光合效率下降，因除氣孔導(dǎo)度降低外，臭氧經(jīng)過化學(xué)作用產(chǎn)生的活性氧也發(fā)揮了重要作用。細(xì)胞對(duì)高濃度臭氧最顯著的反應(yīng)是清除ROS，植株中一些蛋白無法消除ROS，導(dǎo)致赤霞珠葡萄葉片中ROS的積累和光損傷。臭氧脅迫降低了PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)，出現(xiàn)光抑制作用，導(dǎo)致葡萄葉片的光化學(xué)效率降低，光能更多地被用于散熱[7]。以3年生赤霞珠葡萄為試材，以75 nL/L的O3濃度連續(xù)3個(gè)月每天處理2 h的試驗(yàn)中，隨著處理時(shí)間的增加，臭氧脅迫下葡萄葉片的光合作用性能顯著降低。葉綠素?zé)晒夥治霰砻?，O3脅迫導(dǎo)致最大熒光強(qiáng)度(Fm)和最大光氧化P700 (Pm)顯著降低，這表明長期臭氧脅迫下PSI、PSII活性也有所下降[8]。

葡萄葉片在臭氧脅迫下激活了電子流循環(huán)(CEF)，以緩解用作還原作用的多余電子，從而降低了對(duì)光系統(tǒng)的壓力[9]。Pellegrini等[5]對(duì)兩個(gè)葡萄品種阿利亞提科(Aleatico)和黃色特雷比亞諾(Trebbiano giallo)2年生盆栽植株用臭氧進(jìn)行功能性葉片處理和光合過程的日動(dòng)態(tài)比較研究，在臭氧處理結(jié)束時(shí)，兩個(gè)品種在完全展開的葉片上表現(xiàn)出典型的可見損傷，光合活性發(fā)生顯著變化。

1.3 臭氧脅迫對(duì)葡萄植株生長發(fā)育的影響

高濃度臭氧使植物葉片氣孔關(guān)閉，減少二氧化碳的進(jìn)入，抑制碳同化過程，導(dǎo)致植物器官的碳分配不平衡，影響植物的生長發(fā)育。一些研究表明,高濃度臭氧使植物根部的生物量、根系相對(duì)生長速率(RGR)、根系長度、根與枝的生物量比率和根系呼吸作用下降10～60%[10]。在葡萄上的研究發(fā)現(xiàn)，長期的臭氧脅迫顯著減少赤霞珠地上部分生長。在臭氧脅迫下，種子硬化期(4周)和果期(8周)的果實(shí)橫徑和縱徑均顯著小于正常條件下植株的。另外，長期的臭氧脅迫顯著降低了碳氮向葉片和果實(shí)的轉(zhuǎn)運(yùn)，抑制了葡萄植株及果實(shí)的生長[8]。

1.4 臭氧脅迫對(duì)葡萄產(chǎn)量品質(zhì)的影響

將維達(dá)爾葡萄，分別置于臭氧濃度為18 ppb和30 ppb的開頂式氣室中，每天處理12 h，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)濃度的臭氧降低了其果粒大小，增加了果汁的總酸度[11]。Fumagalli等[12]研究發(fā)現(xiàn)高濃度O3脅迫下，葡萄果糖、總多酚含量、總酸度、總花青素均顯著降低，對(duì)葡萄口感與品質(zhì)產(chǎn)生影響。

2 緩解葡萄臭氧脅迫的措施

2.1 品種和砧木

不同的葡萄品種在臭氧脅迫下生理響應(yīng)不同。郝玉梅[13]探究夏黑、早巨峰、阿考龍等8個(gè)葡萄品種對(duì)臭氧脅迫的敏感性、葉片抗氧化性以及活性氧代謝體系的響應(yīng)，遴選出臭氧耐受能力最強(qiáng)的品種為阿考龍。為探究高濃度臭氧對(duì)葡萄光合原初反應(yīng)的影響機(jī)制，以5BB、赤霞珠、Frontenac(福克)3個(gè)葡萄品種為材料，在321 μg/m3濃度的臭氧條件下，通過連續(xù)激發(fā)式熒光儀測(cè)定并解析了葡萄葉片葉綠素快速熒光誘導(dǎo)曲線參數(shù)的變動(dòng)，發(fā)現(xiàn)高濃度臭氧對(duì)葡萄葉片原初光合反應(yīng)的影響主要在于降低了葉片光合性能指數(shù)PIABS、Fv/Fm、單位面積吸收的光能ABS/CSm、反應(yīng)中心的數(shù)量RC/CSm及將電子傳遞到QA以后的其它電子受體的比率ψO，敏感性最高品種為?？?，赤霞珠次之，5BB最小[14]。進(jìn)一步證明臭氧脅迫通過降低單位面積吸收的光能，抑制電子從QA向下的電子傳遞和減少單位面積內(nèi)有活性的反應(yīng)中心的數(shù)量來對(duì)光合原初反應(yīng)產(chǎn)生的影響。綜上，在今后葡萄栽植中可以綜合選擇更耐臭氧脅迫的品種。

張付春等[15]探究了3種葡萄砧木品種(5BB、SO4、101-14MG)對(duì)赤霞珠葉片光合作用的影響，發(fā)現(xiàn)選擇5BB做砧木的赤霞珠單葉重和單葉面積均有提升，赤霞珠光合速率和葉片質(zhì)量，耐強(qiáng)弱光性能均有不同程度提高，光合潛力得到提升。而選擇砧木SO4降低葉面積，對(duì)葉片光合作用影響較小。說明選用砧木5BB能通過提高葉片的光合作用能力來緩解臭氧的脅迫作用。

2.2 施加外源物質(zhì)

褪黑素。褪黑素(N-乙酰基-5-甲氧基色胺，MT)是一種通過5-羥色胺代謝合成的吲哚類胺類物質(zhì)，具有良好的抗氧化能力[16]。耿慶偉等[17]研究發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)施用褪黑素顯著提升了臭氧脅迫下赤霞珠葡萄的葉綠素a、b和類胡蘿卜素的含量，提高了葉片凈光合速率(Pn)、單位面積葉片活性反應(yīng)中心的數(shù)量，緩解了臭氧脅迫下的光抑制程度，降低了葉片的傷害作用。褪黑素提高葉綠素含量和光合作用能力的原因在于褪黑素誘導(dǎo)的光呼吸增強(qiáng)可以作為一種保護(hù)機(jī)制耗散過剩光能，最大限度地減少了葡萄光合碳同化以及葉片光呼吸的損傷，達(dá)到提高葉綠素含量和光合能力，促進(jìn)葉片淀粉積累的目的[18]。外源褪黑素處理增加了葡萄漿果的內(nèi)源褪黑素含量，促進(jìn)了果實(shí)成熟。通過轉(zhuǎn)錄分析，發(fā)現(xiàn)多酚代謝、碳水化合物代謝、乙烯生物合成和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程是褪黑素處理后最顯著的三個(gè)生物過程。褪黑素處理可以提高漿果中總花青素、酚類、類黃酮類和原花青素的含量，進(jìn)而提高了漿果的抗氧化能力，部分通過乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)實(shí)現(xiàn)[19]。說明臭氧脅迫下褪黑素的作用機(jī)理可能與乙烯的生物合成和信號(hào)傳導(dǎo)有密切聯(lián)系。劉闖[20]通過對(duì)比褪黑素、乙烯合成抑制劑、臭氧和乙烯利處理發(fā)現(xiàn)，褪黑素、乙烯合成抑制劑以及兩者復(fù)合處理葡萄葉片，都可以減少臭氧脅迫下葡萄葉片的黃化面積，減輕葉片傷害，進(jìn)一步推測(cè)出褪黑素通過調(diào)控乙烯途徑緩解O3脅迫。

抗壞血酸。存在于細(xì)胞壁中的抗壞血酸是抵御臭氧的第一道防線[21]。噴施外源抗壞血酸后緩解了田間臭氧脅迫對(duì)葡萄葉片光合電子傳遞鏈的抑制，改善光能的分配和利用，緩解臭氧脅迫對(duì)葉片的傷害。外源抗壞血酸可以明顯的提高臭氧脅迫下阿白葡萄葉綠素含量、凈光合速率和熒光參數(shù)，可以用于緩解大田葡萄臭氧脅迫。

尿素。尿素屬酰胺態(tài)氮肥,含氮量44～46%,是當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍施用的含氮量最高的固體氮肥。葉片中葉綠體中的氮占葉片含氮總量的75～80%[22]。對(duì)一年生藜草和反枝莧兩種植物的研究中發(fā)現(xiàn)，其光合作用與單位面積葉片氮呈線性關(guān)系[23]，在臭氧脅迫下噴施尿素可以顯著提高阿白葡萄葉片的凈光合速率[24]。推斷外源氮素可能通過增加葉片葉綠素含量和1,5-二磷酸核酮糖羧化酶的含量來抵御臭氧的脅迫。這為葡萄生產(chǎn)中噴施尿素克服臭氧脅迫提供了新方法，具體影響機(jī)制還有待于進(jìn)一步研究。

亞硫酸氫鈉。亞硫酸氫鈉是生產(chǎn)上常用的一種光呼吸抑制劑。郭修武等[25]以4個(gè)濃度梯度的亞硫酸氫鈉溶液處理香悅葡萄，發(fā)現(xiàn)均可提高葉片葉綠素含量,并且亞硫酸氫鈉濃度越高,葉片的葉綠素含量越高，由此提高了葉片凈光合速率，有利于葡萄植株的生長。亞硫酸氫鈉可以作為光呼吸抑制劑，抑制夏黑葡萄葉片的光呼吸，提高了光合速率，果實(shí)的可溶性固形物、還原糖和Vc的含量，提高了葡萄果實(shí)品質(zhì)[24]。山東省果樹研究所[26]發(fā)現(xiàn)，采用一定濃度的亞硫酸氫鈉溶液可以顯著緩解臭氧脅迫對(duì)葡萄葉片膜脂過氧化程度。所以在葡萄種植過程中在葉片上噴灑亞硫酸氫鈉溶液，可以緩解大氣臭氧對(duì)葡萄傷害，提高葉片光合能力。

3 展望

應(yīng)加大優(yōu)良砧木選育力度，選育具有高抗性的優(yōu)良砧木品種，葡萄生長旺盛的夏季要經(jīng)受高溫、強(qiáng)光和臭氧3種脅迫，研究綜合措施緩解臭氧脅迫對(duì)葡萄的損害。采用合理的栽培管理措施，如噴施外源生長調(diào)節(jié)劑褪黑素、抗壞血酸、尿素、亞硫酸氫鈉能夠顯著減輕臭氧對(duì)葡萄的傷害，研究各種措施結(jié)合來提高葡萄對(duì)臭氧的適應(yīng)性和抗性，使臭氧危害降到最低點(diǎn)，是今后深入研究的內(nèi)容之一。隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)的深入發(fā)展，研究臭氧傷害機(jī)理與葡萄響應(yīng)臭氧脅迫的分子機(jī)制，探索葡萄內(nèi)部抗氧化以及呼吸代謝機(jī)制，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子以及它們?cè)陧憫?yīng)臭氧脅迫中的功能和調(diào)控機(jī)制中的作用，為探尋消除臭氧對(duì)葡萄的損傷提供理論基礎(chǔ)，同時(shí)，利用基因工程技術(shù)選育對(duì)臭氧脅迫抗性較強(qiáng)的葡萄新品種，可指導(dǎo)預(yù)防和減輕葡萄因臭氧脅迫而帶來的負(fù)面影響。