酸雨對大豆影響的研究進展

李麗麗,劉 博，李紅鐵

(1.邯鄲市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河北 邯鄲 056001；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 小麥研究所，山西 臨汾 041000；)

1 酸雨的成因與界定

酸雨是一個普遍且嚴重的環(huán)境問題。據(jù)報道，酸雨已覆蓋我國國土面積的40%。酸雨的危害突出表現(xiàn)在許多方面，例如：建筑物、文物古跡、水生生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)田系統(tǒng)等[1]。對農(nóng)田系統(tǒng)而言，農(nóng)作物作為農(nóng)田系統(tǒng)的主體，在遭遇酸雨時，會引起生長發(fā)育不良，影響產(chǎn)量和品質(zhì)。酸雨既可直接作用于植物表面，破壞植物形態(tài)結(jié)構(gòu)，損傷植物細胞，抑制植物代謝功能，減弱植物葉綠體的光合作用以及影響種子的發(fā)芽率；又可進入土壤，改變土壤理化性質(zhì)，間接的影響植物生長[2]。

一般認為，酸雨是人類活動排放的含硫、含氮化合物經(jīng)過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)而成，這些含硫、含氮化合物會在大氣中被氧化成硫酸和硝酸溶于水中并降落至地面。起初研究認為，pH值<5.6的大氣降水為酸雨，但考慮到各地水文、地質(zhì)和生態(tài)等環(huán)境條件的不同，降水pH背景值存在差異，使用同一標準界定酸雨并不科學(xué)和準確。后來研究認為，海洋降水以pH值4. 8，內(nèi)陸降水以pH值5.0作為定義酸雨的閾值更為合理[2]。

2 酸雨對大豆的影響

2.1 酸雨對大豆生產(chǎn)和生長的影響

張國正等[3]利用1992-2013年江蘇省酸雨觀測資料和大豆的產(chǎn)量，計算酸雨致災(zāi)損失率，篩選大豆酸雨敏感期，依據(jù)酸雨災(zāi)害損失率和酸雨發(fā)生頻率確定風(fēng)險指數(shù)模型，對淮北地區(qū)的大豆生產(chǎn)進行酸雨影響的風(fēng)險性區(qū)劃。結(jié)果顯示，大豆受酸雨影響平均災(zāi)損率為8%～20%，各生育期的降水pH與大豆產(chǎn)量災(zāi)損率呈現(xiàn)顯著負相關(guān)趨勢，其中，開花-結(jié)莢期和播種-出苗期是大豆的酸雨敏感期。而當(dāng)酸雨pH為3.0時，會引起大豆籽粒重下降，從而造成大豆的產(chǎn)量減低[4]。

酸雨除了造成大豆生產(chǎn)中產(chǎn)量下降外，還會影響種子萌發(fā)和大豆苗生長。當(dāng)pH值為2.5時，大豆的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)和異狀發(fā)芽率等5個參數(shù)均為0，即無法萌發(fā)；當(dāng)pH值為3.5時，大豆的發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均顯著下降[5]。對于大豆幼苗，當(dāng)pH≥3時，酸雨對大豆幼苗的生長發(fā)育影響不大，而pH<3時，則影響顯著[6]。此外，酸雨可抑制大豆幼苗根系生長，阻礙根系對營養(yǎng)元素(NO3-、P、K、Mg、Zn和Mo)的吸收，導(dǎo)致根系膜的滲透性增加，以pH為3.0時抑制作用較明顯，當(dāng)pH為2.0時，處理大豆幼苗3d會造成其根系死亡[7,8]。經(jīng)過酸雨的處理，大豆苗株高降低，鼓粒期單株葉數(shù)下降，單株葉面積下降，葉柄長降低。而且，酸雨脅迫會引起大豆的葉綠素a、葉綠素b及葉綠素總量降低，進而影響大豆的光合作用，造成大豆葉片的凈光合速率逐漸下降，且大豆葉片凈光合速率隨酸雨的酸度增強而降低[9]。酸雨脅迫下，大豆產(chǎn)量構(gòu)成因素單株莢數(shù)、每株莢粒數(shù)、百粒重和單株產(chǎn)量均顯著降低。在品質(zhì)方面，隨酸雨酸度的增強，大豆籽粒中蛋白質(zhì)含量降低，脂肪含量變化不顯著，籽粒中不同微量元素含量的變化差異較大。其中，鐵、銅含量上升，且銅的含量增幅較大；鈣、鉀和鋅含量下降；鎂和鈉含量隨酸雨酸度的增強變化不顯著[10]。

2.2 酸雨與其他脅迫因子對大豆的復(fù)合效應(yīng)

酸雨與鉛復(fù)合處理會引起凈光合速率(Pn)、葉綠素(Chl)質(zhì)量比、Hill反應(yīng)活性以及Mg2+-ATPase活性的降幅較單一酸雨脅迫增大，表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)[11,12]。酸雨和La3+共同作用下會明顯破壞細胞的葉綠體超微結(jié)構(gòu)，且對大豆根系細胞質(zhì)膜造成的傷害程度較單一酸雨脅迫明顯[13,14]。而且，在酸雨和Cd2+聯(lián)合處理中觀察到類似的毒性作用，并且聯(lián)合處理較單一處理表現(xiàn)出更大的毒性效應(yīng)[15]。酸雨與UV-B輻射的復(fù)合處理，降低了大豆幼苗的株高、葉數(shù)、葉面積、干質(zhì)量、葉綠素和蒸騰速率，復(fù)合脅迫的下降幅度明顯高于單一因子的脅迫。因而，UV-B輻射與酸雨處理在抑制大豆幼苗生長上表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)[16]。

2.3 酸雨對大豆生理生化代謝活動的影響

大豆糖代謝各項指標和淀粉酶活性之間的關(guān)系表明，可溶性糖、還原糖以及蔗糖含量的變化幅度隨酸雨脅迫強度的增大而增加，可視為大豆對酸雨脅迫的反應(yīng)[17]。在種子萌發(fā)方面，酸雨脅迫會引起大豆種子萌發(fā)過程中積累大量的自由基，并分散呼吸鏈底物的電子，抑制萌發(fā)種子的呼吸[18]，進一步分析發(fā)現(xiàn)，酸雨對淀粉酶活性的影響是導(dǎo)致萌發(fā)改變的內(nèi)在因素之一[19]。利用pH值為2.5的酸雨單次處理大豆，抗氧化系統(tǒng)遭到破壞，并引起過氧化物酶和過氧化氫酶的活性降低，損傷細胞膜結(jié)構(gòu)，進而降低了大豆種子的發(fā)芽率[15,20]。經(jīng)過酸雨處理，大豆幼苗的葉綠素含量、Hill反應(yīng)速率、Mg2+-ATPase活性和最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)降低，而 F0和最大量子產(chǎn)率Y增加[21]。

2.4 酸雨對大豆基因調(diào)控的影響

模擬酸雨條件下，利用RNA-seq測序，研究了大豆苗期對酸雨脅迫的響應(yīng)。通過構(gòu)建cDNA表達文庫，在5個生長階段中共找到表達基因73 320個，差異表達基因2 016個，其中與酸雨脅迫響應(yīng)密切相關(guān)的基因有385個。在酸雨條件下，大豆光合作用光反應(yīng)I、光反應(yīng)II和光合電子傳遞相關(guān)基因表達均受到明顯抑制，多數(shù)與碳代謝相關(guān)的基因表現(xiàn)下調(diào)，在氮代謝和硫代謝途徑中，許多與谷胱甘肽合成相關(guān)的基因均表現(xiàn)為上調(diào)，與谷胱甘肽降解相關(guān)的酶類均受到抑制，所有與活性氧降解相關(guān)的超氧化物歧化酶、過氧化氫酶以及過氧化物酶合成基因表達均受到明顯促進作用。因此，該研究探索了酸雨脅迫下大豆苗期基因調(diào)控及其作用機制，為探尋大豆抗酸雨脅迫相關(guān)的關(guān)鍵基因和大豆抗酸雨育種提供了參考[22]。

2.5 酸雨對大豆及大豆田土壤N運轉(zhuǎn)的影響

氧化亞氮(N2O)是一種重要的溫室氣體，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是其重要的排放源。張寒等模擬酸雨條件，設(shè)置4個pH值為6.7(CK)、4.0(T1)、3.0(T2)和2.0(T3)處理，采用靜態(tài)箱-氣相色譜法測定N2O排放通量，研究了酸雨對大豆田土壤N2O排放通量及植株與土壤氮含量的影響，結(jié)果顯示，與CK相比，在大豆鼓粒期，T1和T3處理使土壤N2O的平均排放通量分別增加了35.1%和71.2%；經(jīng)酸雨處理顯著降低了開花-結(jié)莢期大豆植株地下的生物量，T1和T3處理使地下生物量顯著下降了31.93%和24.30%；在分枝期、開花-結(jié)莢期和鼓粒期，酸雨處理降低了葉片可溶性蛋白質(zhì)含量；在開花-結(jié)莢期，酸雨處理降低了葉片全氮和硝態(tài)氮含量。然而，酸雨處理未顯著改變土壤有機碳及全氮含量，但在分枝期和開花-結(jié)莢期，酸雨處理顯著減少了土壤硝態(tài)氮含量[23]。崔海羚[24]研究表明，酸雨處理可顯著增加土壤-大豆系統(tǒng)N2O平均排放量，增加N2O累積排放量。

2.6 酸雨對大豆及大豆田土壤CO2和CH4運轉(zhuǎn)的影響

史艷姝等[25]通過模擬酸雨處理冬小麥-大豆輪作農(nóng)田，發(fā)現(xiàn)pH為2.0的模擬酸雨降低了大豆田土壤呼吸速率以及CO2的產(chǎn)生速率。周迎平[26]采用pH值為1.0的模擬酸雨，每2周澆灌大豆苗一次，通過田間試驗測定土壤-作物系統(tǒng)、土壤CO2和CH4通量，結(jié)果表明，酸雨處理顯著增加了開花-結(jié)莢期的土壤CH4通量。

3 減緩酸雨對大豆影響的方法和機理

3.1 外源鈣對酸雨脅迫的緩解效應(yīng)

鈣是植物生長和發(fā)育的必需元素之一，作為信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的第二信使，通過調(diào)節(jié)植物細胞生理變化和細胞對環(huán)境的反應(yīng)，增強植物非生物脅迫條件下的抗逆性。施用外源鈣是植物上抵御酸雨危害的一種常見方法。經(jīng)過外源鈣(5 mM)處理大豆后，pH為4.5的酸雨對大豆有關(guān)參數(shù)影響不顯著。分析表明，外源鈣可減緩酸雨對質(zhì)膜H+-ATPase活性和轉(zhuǎn)錄水平GmPHA1表達的抑制作用，有利于維持營養(yǎng)物質(zhì)(NO3-、P、K 、Mg和Zn)的吸收，進而緩解干重生物量和葉綠素含量的降低。然而，外源鈣對質(zhì)膜H+-ATPase活性的調(diào)節(jié)作用會受酸雨脅迫強度的限制[8]。而且，外源Ca2+(5 mM CaCl2)也可通過調(diào)節(jié)質(zhì)膜H+-ATPase的活性減輕大豆根中的銨鹽增加，抑制硝酸鹽和磷的減少，進而減輕酸雨的危害，促進大豆產(chǎn)量和品質(zhì)提升。值得一提的是，外源Ca2+對大豆所受酸雨危害的緩解作用在苗期表現(xiàn)最顯著[27]。此外，外施Ca2+可通過調(diào)節(jié)質(zhì)膜質(zhì)子泵的活性，緩解酸雨對大豆生長的影響。經(jīng)過外施Ca2+的處理，酸雨脅迫下大豆的質(zhì)膜質(zhì)子泵活性提高，加速ATP的水解，并調(diào)控大豆對NO3-、P、K、Mg和Zn的吸收。Ca2+對質(zhì)膜質(zhì)子泵活性能力影響由強到弱的時期為:幼苗期>鼓粒期>結(jié)莢期，此順序跟酸雨危害敏感性以及Ca2+緩解有效性一致。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，Ca2+調(diào)節(jié)酸雨脅迫下大豆質(zhì)子泵活性的機制在于Ca2+對GmPHA1基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控[28]。

3.2 耐酸雨大豆品種的篩選

緩解酸雨脅迫對大豆生產(chǎn)的不利影響，除施用外源鈣(外因-環(huán)境因素)調(diào)控外，還可以利用品種自身耐酸雨特性(內(nèi)因-基因)來培育耐酸雨大豆品種?？赏ㄟ^設(shè)置不同的pH值來模擬不同程度的酸雨，對不同的大豆資源進行耐酸雨性鑒定。孫金月等[29]研究指出，pH值2 .0 的酸雨是篩選耐酸雨性大豆品種較為合理的指標，并且利用這一指標對我國不同來源的1 033份大豆種質(zhì)資源進行了耐酸雨性鑒定，篩選出1級耐酸雨性大豆品種68份，其中6份為強耐酸雨性品種。

4 展望

隨著社會的高速發(fā)展，人類在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活等各方面排放污染物(特別是硫、氮化合物)的量增長。酸雨對建筑物、文物古跡、水生生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田系統(tǒng)和人體健康等造成了巨大損失，該現(xiàn)象越來越受到許多專家的關(guān)注和重視。應(yīng)以管理、科技為抓手，逐漸減輕或解決酸雨所產(chǎn)生的問題。在管理方面，重視政策、法律和法規(guī)，嚴格控制硫、氮化合物的排放總量。在科技方面，一方面，逐步改善煤、石油等化石燃料為主的能源結(jié)構(gòu)，增加水能、風(fēng)能、太陽能和核能等潔凈能源或新能源比重，實現(xiàn)排放源頭的控制；另一方面，通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)提升，工藝升級，治污設(shè)備改造，精準生產(chǎn)避免浪費等途徑實現(xiàn)酸雨產(chǎn)生過程中的控制。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，通過外源物質(zhì)調(diào)控(如外源鈣)，培育耐酸雨植物(內(nèi)因)等實現(xiàn)酸雨終端控制。在育種方面，需要加強耐酸雨種質(zhì)資源的發(fā)掘、鑒定、應(yīng)用和推廣等，研發(fā)快速、大通量以及準確篩選耐酸雨性大豆種質(zhì)資源的方法。

對于大豆而言，一方面，通過遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、生物信息學(xué)、基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、代謝組和表型組學(xué)等多學(xué)科相結(jié)合，重視耐酸雨性大豆基因的鑒定、轉(zhuǎn)化、編輯和應(yīng)用；另一方面，重視從野生大豆中發(fā)掘抗源材料并鑒定和利用，實現(xiàn)抗酸雨品種或種質(zhì)的創(chuàng)新，并應(yīng)用于市場來減緩酸雨帶來的危害。此外，也可研發(fā)出高效新型的抗酸雨性外源物質(zhì)，通過外源物質(zhì)的調(diào)控減緩酸雨對大豆的危害。