張一帆，黃文尉，王紫雯，徐曉瑩

(山東農(nóng)業(yè)大學園藝科學與工程學院，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，導致產(chǎn)量和品質(zhì)下降。研究臭氧脅迫對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)性有機化合物(VOCs)等含量不斷增加，導致對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世紀以來增加量超過1倍，其中北半球中緯度地區(qū)最為嚴重[1]。中國對流層臭氧濃度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激反應，嚴重威脅了農(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)生物學指標以及田間暴露法，自然大氣條件下田間小區(qū)法等來判斷臭氧對葡萄的影響程度。而在田間許多研究者常利用化學防護劑進行研究，如利用抗氧化劑監(jiān)測臭氧等。開頂式氣室(OTCs)被廣泛應用于臭氧對葡萄的危害性研究，在氣室內(nèi)通常利用自動觀測儀檢測臭氧體積分數(shù)，對于敏感型品種，一般空氣中臭氧體積分數(shù)達到50～120 nL/L時可使其受害。泰安地區(qū)一天中有大約70%的時間臭氧濃度處于50 ppb(μg/kg)以上。目前評估臭氧對作物的風險主要采用計算AOT40暴露指數(shù)的方法，AOT40是指在一個生長季節(jié)內(nèi)積累的每小時臭氧濃度超過40 ppb的閾值，通過這種方法，可以對某地區(qū)臭氧危害做出有效判斷。

目前，雖然有一些生產(chǎn)者認識到了臭氧對農(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)臭氧脅迫對葡萄生長的影響進行綜述，并對緩解臭氧脅迫的措施進行總結(jié)，為保護葡萄、減少葡萄種植者的經(jīng)濟損失提供參考。

1 臭氧脅迫對葡萄生長的影響

1.1 臭氧脅迫對葡萄葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

臭氧由氣孔進入葉片通過周邊細胞、海綿細胞空隙等抵達柵欄組織，對葉片造成細胞內(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)會降低氣孔導度，從而限制二氧化碳流入葉片。保衛(wèi)細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借助氣孔進入葉片后溶解在細胞壁的水相中，與細胞的非原質(zhì)體和原質(zhì)體的成分發(fā)生反應。在非原質(zhì)體中，O3與水、維生素等反應生成活性氧物質(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)生反應引發(fā)膜脂過氧化作用，破壞細胞膜系統(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，臭氧的強氧化性導致高濃度臭氧環(huán)境中植物的光合效率下降，因除氣孔導度降低外，臭氧經(jīng)過化學作用產(chǎn)生的活性氧也發(fā)揮了重要作用。細胞對高濃度臭氧最顯著的反應是清除ROS，植株中一些蛋白無法消除ROS，導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最大光化學效率(Fv/Fm)，出現(xiàn)光抑制作用，導致葡萄葉片的光化學效率降低，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個月每天處理2 h的試驗中，隨著處理時間的增加，臭氧脅迫下葡萄葉片的光合作用性能顯著降低。葉綠素熒光分析表明，O3脅迫導致最大熒光強度(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，從而降低了對光系統(tǒng)的壓力[9]。Pellegrini等[5]對兩個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行功能性葉片處理和光合過程的日動態(tài)比較研究，在臭氧處理結(jié)束時，兩個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，減少二氧化碳的進入，抑制碳同化過程，導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的轉(zhuǎn)運，抑制了葡萄植株及果實的生長[8]。

1.4 臭氧脅迫對葡萄產(chǎn)量品質(zhì)的影響

將維達爾葡萄，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不同。郝玉梅[13]探究夏黑、早巨峰、阿考龍等8個葡萄品種對臭氧脅迫的敏感性、葉片抗氧化性以及活性氧代謝體系的響應，遴選出臭氧耐受能力最強的品種為阿考龍。為探究高濃度臭氧對葡萄光合原初反應的影響機制，以5BB、赤霞珠、Frontenac(?？?3個葡萄品種為材料，在321 μg/m3濃度的臭氧條件下，通過連續(xù)激發(fā)式熒光儀測定并解析了葡萄葉片葉綠素快速熒光誘導曲線參數(shù)的變動，發(fā)現(xiàn)高濃度臭氧對葡萄葉片原初光合反應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)有活性的反應中心的數(shù)量來對光合原初反應產(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?；?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的光呼吸增強可以作為一種保護機制耗散過剩光能，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，達到提高葉綠素含量和光合能力，促進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，促進了果實成熟。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轉(zhuǎn)導過程是褪黑素處理后最顯著的三個生物過程。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，進而提高了漿果的抗氧化能力，部分通過乙烯信號轉(zhuǎn)導實現(xiàn)[19]。說明臭氧脅迫下褪黑素的作用機理可能與乙烯的生物合成和信號傳導有密切聯(lián)系。劉闖[20]通過對比褪黑素、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，進一步推測出褪黑素通過調(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，具體影響機制還有待于進一步研究。

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，果實的可溶性固形物、還原糖和Vc的含量，提高了葡萄果實品質(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葡萄傷害，提高葉片光合能力。

3 展望

應加大優(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、強光和臭氧3種脅迫，研究綜合措施緩解臭氧脅迫對葡萄的損害。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葡萄的傷害，研究各種措施結(jié)合來提高葡萄對臭氧的適應性和抗性，使臭氧危害降到最低點，是今后深入研究的內(nèi)容之一。隨著現(xiàn)代分子生物學和分子遺傳學的深入發(fā)展，研究臭氧傷害機理與葡萄響應臭氧脅迫的分子機制，探索葡萄內(nèi)部抗氧化以及呼吸代謝機制，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵信號轉(zhuǎn)導分子以及它們在響應臭氧脅迫中的功能和調(diào)控機制中的作用，為探尋消除臭氧對葡萄的損傷提供理論基礎(chǔ)，同時，利用基因工程技術(shù)選育對臭氧脅迫抗性較強的葡萄新品種，可指導預防和減輕葡萄因臭氧脅迫而帶來的負面影響。