从一种用于城市绿化的树种（Quercus myrsinifolia）中鉴定出极低萜类化合物排放的变异株

《Science of The Total Environment》：Identification of extremely low-terpene-emitting variants from an urban greening tree species Quercus myrsinifolia

通过筛选高单萜烯排放的漆树品种Quercus myrsinifolia，发现两个自然低或无单萜烯排放的个体，其克隆后代仍保持低排放特性，表明基因型差异是关键原因，为开发环保型绿化品种提供基础。

　　

张廷伟|望月春香|增井昇|谷亮

台湾大学生物资源与农业学院林业与资源保护系，台北106319，中国台湾地区

摘要

释放萜烯的植物可能会通过增加对流层臭氧和氮氧化物来威胁空气质量及农业产量。然而，非萜烯或低萜烯释放的物种数量有限，因此在优先考虑空气质量的情况下进行造林和城市绿化时，可能会导致物种多样性的损失。为了扩大选择范围，从高萜烯释放的物种中培育出非萜烯或极低萜烯释放的品种可能是一个可行的解决方案。在这项研究中，我们观察了亚洲一种常见造林树种——Quercus myrsinifolia（具有较高单萜烯释放率的树种）的萜烯释放情况，以寻找天然的低单萜烯释放变体。筛选结果显示，在30°C的温度和1000 μmol m^?2 s^?1的光合光子通量密度下，47个个体中的单萜烯总释放量从无检测到8.8 nmol m^?2 s^?1不等，其中有两个个体没有检测到单萜烯释放。通过几个月的进一步验证（使用叶片比色法），在温暖月份发现了仅由β-ocimene组成的极低单萜烯释放情况，而在后续月份则未检测到单萜烯。同时，这两个候选个体的净光合速率与其他个体相当。随后对这些变体进行的克隆观察也未检测到单萜烯释放。这些发现表明，它们的极低单萜烯释放特性是可重复的，并归因于其基因型。这些变体有望成为用于造林和城市绿化的、对空气质量影响较小的品种的基础。

引言

植被释放的非甲烷生物挥发性有机化合物（非甲烷BVOCs）主要是萜烯，包括异戊二烯、单萜烯和倍半萜烯，占排放总量的70%以上（Sindelarova等人，2022年）。萜烯可以与羟基自由基反应生成有机过氧化物（Atkinson和Arey，2003年）。在含有氮氧化物的环境中，有机过氧化物还可以作为NO-NO₂循环中的氧化剂，从而减少臭氧消耗，导致对流层臭氧浓度升高（Atkinson和Arey，2003年；Fitzky等人，2019年）。在非甲烷BVOCs中，异戊二烯和单萜烯等萜烯具有显著的臭氧生成潜力（Carter，2010年）。多项研究表明，萜烯释放会导致空气污染（例如，Curci等人，2009年；Papiez等人，2009年；Llusià等人，2012年；Fierravanti等人，2017年）。一项模拟研究还表明，即使人为VOC和氮氧化物排放量减少，如果使用高萜烯释放的物种进行城市绿化，仍会导致对流层臭氧污染（Schlaerth等人，2023年）。

Fagaceae科，特别是Quercus属（橡树），天然分布于世界各处的阔叶林中。它们也被广泛用作造林物种或种植在道路两旁、作为绿篱和城市绿化植物。在Quercus属中，Q. myrsinifolia是一种耐插枝能力很强的常绿物种，是日本最受欢迎的路边绿化树种之一（Iizuka和Matsumoto，2023年）。已知Quercus属的多个物种具有较高的异戊二烯或单萜烯释放能力。该属中的大多数落叶物种具有强烈的异戊二烯释放能力（例如Quercus aliena、Quercus mongolica var. crispula、Quercus dentata、Quercus mongolica和Quercus serrata）（Tani和Kawawata，2008年），而常绿物种通常会释放多种单萜烯（例如Quercus glauca、Quercus phillyraeoides和Quercus ilex）（Mochizuki等人，2020a；Staudt和Seufert，1995年）。有些物种不释放异戊二烯或单萜烯（例如Quercus acuta、Quercus acutissima、Quercus salicina和Quercus sessilifolia）（Tani和Kawawata，2008年；Lim等人，2011年；Mochizuki等人，2020a）。作为常绿物种，Q. myrsinifolia在东亚亚热带地区广泛种植，据报道其在不同地区的单萜烯释放量显著（Matsunaga等人，2017年；Mochizuki等人，2020a；Yuan等人，2020年），其常绿叶片特性使其在整个季节都能产生排放。通常释放单萜烯的常绿橡树没有专门的储存器官（Delfine等人，2000年；Niinemets等人，2002年）。因此，单萜烯在产生后几乎立即被释放，没有缓冲能力来调节排放峰值。考虑到路边绿化植物经常暴露在包括氮氧化物在内的交通气体中，Q. myrsinifolia作为绿化植物可能会导致严重的光氧化污染。

先前的研究表明，尽管环境条件相似，同一物种内的个体间非甲烷BVOC排放率可能存在很大差异（例如，Faiola等人，2015年；Persson等人，2016年；Tani等人，2024年）。多项研究表明基因组在调控异戊二烯和单萜烯生成中起作用（Rosenkranz和Schnitzler，2013年；Li等人，2021年）。也有报道指出，常规高萜烯释放的橡树品种中也存在非单萜烯释放的个体（Chang等人，2024年），这表明基于普通萜烯释放物种培育出非萜烯或极低萜烯释放的品种是可行的。

为了减少Q. myrsinifolia的单萜烯释放，我们旨在识别不释放或极低释放单萜烯的变体，作为培育可行品种的基础材料。需要大量观察来确定“极低单萜烯释放”的标准，并在Q. myrsinifolia的个体中识别出这些变体。为了在观察的时间效率和数据可靠性之间取得良好平衡，我们将识别过程分为两个阶段：首先，为了快速收集单萜烯释放数据，我们在Q. myrsinifolia上测试并调整了一种快速测量协议进行初步筛选；随后，利用筛选出的潜在低释放个体，使用可靠的测量方法在几个月内多次重复观察其释放情况。

部分内容摘录

筛选

为了识别Q. myrsinifolia中潜在的非单萜烯或极低单萜烯释放个体，2022年7月4日至8月9日期间，我们观察了种植在静冈县静冈大学附近道路上的47个Q. myrsinifolia个体（QM1–QM47）的异戊二烯和单萜烯释放情况（坐标：34.99° N, 138.44° E）。由于定期修剪，这47个个体的高度相似（大约5米）。根据日本气象局的气象数据，

Q. myrsinifolia的单萜烯释放率变异性

根据结果，Q. myrsinifolia的非甲烷BVOC排放主要由α-蒎烯、β-蒎烯、β-ocimene等单萜烯组成。在任何叶片中均未检测到异戊二烯释放。

在快速测量方法的校准阶段，四种主要化合物在总排放中的比例在QM1–QM3之间以及同一个体内的叶片之间差异很大（表1）。无论何种情况，QM1都表现出较高的β-ocimene比例

Q. myrsinifolia的单萜烯释放率和组成的变化

通常，为了量化植物叶片中的单萜烯释放量，使用完整的叶片而不是切下的叶片，以避免可能对释放率或化合物组成造成的影响。例如，Kim等人（2011年）指出，Eucalyptus sideroxylon在受伤后单萜烯释放率增加了11倍；Loreto等人（2000年）报告称Pinus pinea的针叶在受伤后柠檬烯和α-蒎烯的释放量激增。然而，这些现象

结论

在这项研究中，我们观察了多个Q. myrsinifolia个体的萜烯释放率，以识别不释放或极低释放单萜烯的个体。我们应用了一种已用于多种植物物种（包括橡树）的快速萜烯释放测量协议进行快速筛选。单萜烯的释放率和组成在个体间存在很大差异。考虑到这些个体之间的生长历史相似，这种差异可能是

CRediT作者贡献声明

张廷伟：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、正式分析。望月春香：撰写——原始草稿、调查、数据管理。增井昇：撰写——审稿与编辑、验证、方法论、调查、数据管理。谷亮：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。

资助

本研究得到了JSPS KAKENHI [资助编号19H04257, 19H05666, 24H02131]的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。