鎘脅迫對黃瓜幼苗光合和葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/h1>
2011-06-21 07:54:26劉勁松李秧秧
水土保持研究 2011年5期
劉勁松，石 輝，李秧秧
（1.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，西安710055；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100）
鎘是一種重要的環(huán)境污染物，自20世紀(jì)50年代日本出現(xiàn)“水俁病”、“骨痛病”以來，人們就開始對鎘污染引起的生態(tài)危機(jī)予以高度重視。圍繞鎘對植物的危害方面作了很多的研究，主要集中在對植物生長和細(xì)胞分裂、光合作用、氣孔功能、酶活性、水分關(guān)系、離子外滲、激素代謝等的影響上［1－2］。其中光合作用是植物生長和產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，關(guān)于鎘對光合作用的影響也有不少研究，研究結(jié)果表明：鎘對光合作用有嚴(yán)重的抑制作用［3－7］，但抑制的原因一直存在爭議［8］。在鎘脅迫的三葉草、苜蓿和大豆上，凈光合速率和蒸騰的抑制程度呈線性關(guān)系提示光合速率降低主要是由于氣孔的關(guān)閉［3］；在矮菜豆上，鎘導(dǎo)致光合速率降低是由于氣孔阻力和葉肉細(xì)胞對CO2擴(kuò)散阻力的共同增加所致［4］；在大麥上，鎘主要通過降低光合色素含量來抑制植物的光合作用［5］；在西紅柿上觀察到鎘降低了葉片PSII的活性，但對PSI活性影響不大［6］；在菠菜上發(fā)現(xiàn)鎘對Calvin循環(huán)的影響大于對PSII活性的影響［7］。由于植物種類、鎘濃度和生長環(huán)境的差異，引起光合作用降低的主要原因并不一致。黃瓜是我國食用的主要熟菜之一，其多在城郊種植，污水灌溉、大量磷肥施用及城市廢氣等致使其鎘含量很易超標(biāo)，導(dǎo)致生長受阻，產(chǎn)量降低。為此，本文通過研究鎘脅迫對黃瓜幼苗葉片光合和熒光特性的影響，試圖揭示鎘脅迫降低黃瓜葉片光合作用的機(jī)理，為植物鎘污染生理機(jī)制的闡釋和土壤環(huán)境污染的生物修復(fù)提供理論基礎(chǔ)。
1 材料和方法
1.1 供試材料
實驗黃瓜種子為“津春四號”，由天津科潤農(nóng)業(yè)科技股份有限公司黃瓜研究所生產(chǎn)。采用水培試驗。精選的黃瓜種子，吸脹24 h后，置于鋪有雙層濾紙的培養(yǎng)皿內(nèi)，用雙層紗布覆蓋，在25～30℃室溫下萌發(fā)，萌發(fā)過程中保持濾紙濕潤。待黃瓜種子萌發(fā)后，播入裝有石英砂的白瓷盤內(nèi)，自然光照，并保持石英砂濕潤。當(dāng)幼苗長出兩片真葉時，選擇整齊一致的黃瓜幼苗移入10 L的塑料盤內(nèi)，用1／2Hoagland營養(yǎng)液進(jìn)行培養(yǎng)，并保持通氣，培養(yǎng)時光照為650μmol／（m2·s），溫度為28℃左右。培養(yǎng)5 d后，用全Hoagland營養(yǎng)液培養(yǎng)7 d，然后用含鎘的Hoagland全營養(yǎng)液進(jìn)行脅迫處理，鎘的濃度設(shè)定為：0，25，50，100，200μmol／L 5個梯度，用氯化鎘（CdCl2·21／2H2O）配置，其設(shè)置參照國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值（GB15618－995）的上限（鎘含量≤1.0 mg／kg，如土壤含水量以10%計，土壤溶液的鎘含量上限為10.0 mg／kg，接近于本研究的100μmol／L）和其它研究者在蔬菜上進(jìn)行鎘污染機(jī)理研究所設(shè)置的濃度梯度［9－10］，每個濃度梯度設(shè)置4個重復(fù)。在鎘脅迫的第4天和第8天測定其生長、光合及葉綠素?zé)晒鈪?shù)。
1.2 測定項目及方法
葉面積和生物量：葉片用掃描儀掃描后，用DT－SCAN分析軟件（英國Delta－T公司，Deltascan 2.03版）測定。地上部和根鮮樣在105℃下殺青15 min，75℃下烘干24 h稱其干重，二者干重之和即為生物量。
光合氣體交換：用Li－6400型光合儀（美國Li－Cor公司）測定最上部完全展開葉的凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、細(xì)胞間二氧化碳濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）。測定時CO2氣體采自相對穩(wěn)定的3～4 m的空中，光量子通量密度為1 000μmol／（m2·s），葉室溫度28℃左右，每次測定于上午9：00－11：30進(jìn)行。
葉綠素?zé)晒鈪?shù)：葉綠素?zé)晒獠捎萌~綠素?zé)晒獬上駜x （德國 WALZ公司的Imaging－PAM ChlorophyⅡFluorometer）進(jìn)行測定。測定前將活體植株置于暗箱內(nèi)適應(yīng)30 min，選取最上部完全展開葉，在軟件的Kinetics窗口檢測各葉綠素?zé)晒鈪?shù)的動力學(xué)變化曲線，相應(yīng)的數(shù)據(jù)可直接從Report窗口導(dǎo)出。相關(guān)的葉綠素?zé)晒鈪?shù)分別包括：PSII最大原初光能轉(zhuǎn)化效率（Fv／Fm）、PSII實際量子產(chǎn)量（Yield）、光化學(xué)熒光猝滅系數(shù)（qP）、非光化學(xué)熒光猝滅系數(shù)（NPQ）和電子傳遞速率（ETR）。
葉綠素相對含量：采用日本產(chǎn)SPAD502葉綠素計測定黃瓜植株最上部展開葉的葉綠素含量，每片葉上測定5次，取其平均值。
所有測定項目重復(fù)至少3次。數(shù)據(jù)均采用Microsoft excel作圖，并用SPSS 16.0軟件進(jìn)行方差分析和多重比較。
2 結(jié)果與分析
2.1 鎘脅迫對黃瓜幼苗生長的影響
鎘脅迫第4天，所有鎘處理的葉面積已顯著低于對照，表明鎘對葉片延伸生長有嚴(yán)重的抑制作用；25，50μmol／L的地上部干重、根干重和生物量與對照相比無明顯差異，但100μmol／L和200μmol／L處理的地上部干重和生物量則顯著低于對照。100μmol／L及其以下鎘處理的根干重之間無顯著差異，但200 μmol／L處理的根干重則顯著低于其他處理（表1）。鎘脅迫第8天，所有鎘處理的葉面積、地上部干重和生物量顯著低于對照，根干重除25μmol／L處理與對照差異不顯著外，其余處理與對照間的差異均達(dá)到了顯著水平（表1）。表明鎘對地上部生長的抑制作用要相對大于根；隨著鎘脅迫濃度的升高和脅迫時間的延長，鎘對黃瓜幼苗生長的抑制作用逐漸增大，毒害作用增強(qiáng)。
表1 鎘脅迫處理對黃瓜幼苗生長的影響
2.2 鎘脅迫對黃瓜幼苗光合氣體交換參數(shù)和葉綠素含量的影響
鎘脅迫第4天，凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率已顯著下降，但細(xì)胞間隙CO2濃度變化不大；脅迫第8天，凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均顯著下降，但細(xì)胞間隙CO2濃度則顯著上升（表2、圖1）。鎘脅迫第4天時，25，50，100，200μmol／L鎘處理的黃瓜幼苗葉凈光合速率與對照相比分別下降了22.2%，33.8%，46.6%，56.5%；脅迫第8天時，25，50，100，200μmol／L鎘處理的黃瓜幼苗葉凈光合速率與對照相比分別下降了30.5%，48.9%，60.2%，74.6%，鎘濃度愈大、脅迫時間愈長，凈光合速率下降愈嚴(yán)重（圖1）。氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率也表現(xiàn)出同樣的趨勢。25，50μmol／L鎘處理凈光合速率和氣孔導(dǎo)度的下降速率明顯大于100，200μmol／L鎘處理。
表2 光合、葉綠素相對含量和熒光參數(shù)的單因素方差分析
圖1 鎘脅迫對黃瓜幼苗葉光合氣體交換的影響
2.3 不同鎘濃度對黃瓜幼苗葉綠素含量及熒光特性的影響
鎘脅迫第4天，200μmol／L鎘處理的葉綠素含量顯著低于對照，而其它處理與對照相比無差異（表2）。脅迫第8天，25，50，100，200μmol／L鎘處理的葉綠素相對含量分別比對照下降了15%，23.9%，30.8%和60.7%（圖2）。
鎘脅迫4天時，最大光能轉(zhuǎn)化效率Fv／Fm無顯著變化；盡管PSII實際光量子產(chǎn)量Yield和表觀電子傳遞速率ETR都出現(xiàn)降低的趨勢，但其差異并不顯著；光化學(xué)熒光猝滅系數(shù)qP則顯著降低，非光化學(xué)熒光系數(shù)NPQ顯著增加，表明這時PSII原初光化學(xué)反應(yīng)受傷害并不大，葉片可通過有效的熱耗散機(jī)制來保護(hù)PSII。脅迫第8天時，非光化學(xué)熒光猝滅系數(shù)NPQ變化不大，其它熒光參數(shù)都呈現(xiàn)出顯著的下降，表明此時PSII原初光化學(xué)反應(yīng)已受到嚴(yán)重傷害。脅迫第8天，除NPQ外的所有熒光參數(shù)在50μmol／L出現(xiàn)一個明顯的V型低谷，其后隨鎘濃度增加有所恢復(fù)，200μmol／L鎘處理導(dǎo)致非光化學(xué)熒光猝滅系數(shù)NPQ除外的所有熒光參數(shù)降低（表2、圖2）。
圖2 不同鎘脅迫濃度對黃瓜幼苗葉片葉綠素及熒光特性的影響
3 討論
本研究證實：25μmol／L及其以上鎘處理對黃瓜生長有明顯的抑制作用，這與鎘對光合作用有顯著的抑制作用有關(guān)。鎘脅迫對光合作用的傷害機(jī)理一直存在爭議，可能是氣孔因素和非氣孔因素如葉綠素含量、光呼吸、Rubisco活性、RUBP的再生以及反應(yīng)中心PSII的光化學(xué)效率、Mehler反應(yīng)等在起作用。從本研究看，鎘脅迫的第4天，100μmol／L及其以下鎘處理的凈光合速率和氣孔導(dǎo)度已顯著下降，但細(xì)胞間隙CO2濃度無變化，葉綠素相對含量和葉綠素?zé)晒鈪?shù)（PSII原初光能轉(zhuǎn)化效率Fv／Fm、PSII實際光能轉(zhuǎn)化效率Yield和表觀電子傳遞速率ETR）均未隨鎘濃度增加而發(fā)生變化，表明這時導(dǎo)致光合速率降低主要是氣孔限制，而200μmol／L鎘處理凈光合速率下降的同時，葉綠素含量也在下降，表明其光合下降可能由氣孔和非氣孔因素共同決定。在脅迫第8天，所有鎘脅迫處理的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度進(jìn)一步下降，但細(xì)胞間隙CO2濃度則顯著上升，表明這時光合下降的主要原因是非氣孔限制，葉綠素含量和熒光參數(shù)也證明了這點。脅迫第8天葉綠素相對含量顯著下降，葉綠素?zé)晒鈪?shù)PSII原初光能轉(zhuǎn)化效率Fv／Fm、PSII實際光能轉(zhuǎn)化效率Yield、光化學(xué)熒光猝滅系數(shù)qP和表觀電子傳遞速率ETR均顯著下降，但熒光參數(shù)NPQ無顯著變化，NPQ反映了PSII吸收的光能不能用于光合電子傳遞而以熱的形式耗散掉的光能部分，NPQ無顯著變化可能與此時熱耗散機(jī)制受到破壞有關(guān)，葉綠素?zé)晒馓匦员砻鬟@時PSII原初光化學(xué)反應(yīng)受鎘傷害嚴(yán)重。因此此時光合速率的下降主要可能與非氣孔因素如葉綠素含量下降和PSII原初光化學(xué)反應(yīng)受到傷害等有關(guān)。在水稻、小白菜上也發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重鎘脅迫導(dǎo)致光合速率的降低與原初光化學(xué)反應(yīng)受到破壞有關(guān)［11－12］。
值得注意的是鎘脅迫第8天PSII熒光參數(shù)Fv／Fm、Yield、qP和ETR在50μmol／L鎘處理上均出現(xiàn)一低谷值，其產(chǎn)生的原因尚不清楚。鎘脅迫導(dǎo)致Fe的缺乏，且這種現(xiàn)象在低濃度鎘處理比高濃度鎘處理上表現(xiàn)得更為嚴(yán)重［13］，原因可能與低濃度鎘使生長受抑制較小，而高濃度鎘嚴(yán)重抑制生長從而降低了其養(yǎng)分需求。我們推測50μmol／L鎘處理上熒光參數(shù)的降低可能與鎘引起的嚴(yán)重Fe缺乏有關(guān)，但有待于進(jìn)一步的實驗驗證。
［1］Prasad M N V.Cadmium toxicity and tolerance in vascular plants［J］.Environmental and Experimental Botany，1995，35（4）：525-545.
［2］張金彪，黃維南.鎘對植物的生理生態(tài)效應(yīng)的研究進(jìn)展［J］.生態(tài)學(xué)報，2000，20（3）：514-523.
［3］Huang C Y，Bazzazz F A，Vanderhoeff L N.The inhibition of soyben metabolism by cadmium and lead［J］.Plant Physiology，1974，54：122-124.
［4］Krupa Z，Oquist G，Huner N P A.The effects of cadmium on photosynthesis ofPhaseolusvulgaris：a fluorescence analysis［J］.Physiologia Plantarum，1993，88：626-630.
［5］Stobart A K，Griffiths W T，Ameen-Bukhari I，et al.The effect of Cd2＋on the biosynthesis of chlorophyll in leaves of barley［J］.Physiologia Plantarum，1985，63：293-298.
［6］Siedlecka A，Krupa Z.Interaction between cadmium and iron and its effects on photosynthetic capacity of primary leaves ofPhaseoiusvulgaris［J］.Plant Physiology and Biochemistry，1996，34：833-841.
［7］Baszynski T，Wajda L，Krol M，et al.Photosynthetic activities of cadmium-treated tomato plants［J］.Physiologia Plantarum，1980，48：365-370.
［8］Clijsters H，Assche F.Inhibition of photosynthesis by heavy metals［J］.Photosynthesis Research，1985，7：31-40.
［9］馮建鵬，史慶華，王秀峰，等.鎘對黃瓜幼苗光合作用、抗氧化酶和氮代謝的影響［J］.植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2009，15（4）：970-97.
［10］López-Millán A F，Sagardoy R，Solanas M，et al.Cadmium toxicity in tomato （Lycopersiconesculentum）plants grown in hydroponics［J］.Environmental and Experimental Botany，2009，65：376-385.
［11］孫光聞，朱祝軍，方學(xué)智，等.鎘對小白菜光合作用及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響［J］.植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2005，11（5）：700-703.
［12］徐紅霞，翁曉燕，毛偉華，等.鎘脅迫對水稻光合、葉綠素?zé)晒馓匦院湍芰糠峙涞挠绊懀跩］.中國水稻科學(xué)，2005，19（4）：338-342.
［13］Larbi A，Abadía M F，Abadía J.Fe resupply to Fe-deficient sugar beet plants leads to rapid changes in the violaxanthin cycle and other photosynthetic characteristics without significant de novo chlorophyll synthesis［J］.Photosynthesis Research，2004，79：59-69.
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（1.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，西安710055；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100）
鎘是一種重要的環(huán)境污染物，自20世紀(jì)50年代日本出現(xiàn)“水俁病”、“骨痛病”以來，人們就開始對鎘污染引起的生態(tài)危機(jī)予以高度重視。圍繞鎘對植物的危害方面作了很多的研究，主要集中在對植物生長和細(xì)胞分裂、光合作用、氣孔功能、酶活性、水分關(guān)系、離子外滲、激素代謝等的影響上［1－2］。其中光合作用是植物生長和產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，關(guān)于鎘對光合作用的影響也有不少研究，研究結(jié)果表明：鎘對光合作用有嚴(yán)重的抑制作用［3－7］，但抑制的原因一直存在爭議［8］。在鎘脅迫的三葉草、苜蓿和大豆上，凈光合速率和蒸騰的抑制程度呈線性關(guān)系提示光合速率降低主要是由于氣孔的關(guān)閉［3］；在矮菜豆上，鎘導(dǎo)致光合速率降低是由于氣孔阻力和葉肉細(xì)胞對CO2擴(kuò)散阻力的共同增加所致［4］；在大麥上，鎘主要通過降低光合色素含量來抑制植物的光合作用［5］；在西紅柿上觀察到鎘降低了葉片PSII的活性，但對PSI活性影響不大［6］；在菠菜上發(fā)現(xiàn)鎘對Calvin循環(huán)的影響大于對PSII活性的影響［7］。由于植物種類、鎘濃度和生長環(huán)境的差異，引起光合作用降低的主要原因并不一致。黃瓜是我國食用的主要熟菜之一，其多在城郊種植，污水灌溉、大量磷肥施用及城市廢氣等致使其鎘含量很易超標(biāo)，導(dǎo)致生長受阻，產(chǎn)量降低。為此，本文通過研究鎘脅迫對黃瓜幼苗葉片光合和熒光特性的影響，試圖揭示鎘脅迫降低黃瓜葉片光合作用的機(jī)理，為植物鎘污染生理機(jī)制的闡釋和土壤環(huán)境污染的生物修復(fù)提供理論基礎(chǔ)。
1 材料和方法
1.1 供試材料
實驗黃瓜種子為“津春四號”，由天津科潤農(nóng)業(yè)科技股份有限公司黃瓜研究所生產(chǎn)。采用水培試驗。精選的黃瓜種子，吸脹24 h后，置于鋪有雙層濾紙的培養(yǎng)皿內(nèi)，用雙層紗布覆蓋，在25～30℃室溫下萌發(fā)，萌發(fā)過程中保持濾紙濕潤。待黃瓜種子萌發(fā)后，播入裝有石英砂的白瓷盤內(nèi)，自然光照，并保持石英砂濕潤。當(dāng)幼苗長出兩片真葉時，選擇整齊一致的黃瓜幼苗移入10 L的塑料盤內(nèi)，用1／2Hoagland營養(yǎng)液進(jìn)行培養(yǎng)，并保持通氣，培養(yǎng)時光照為650μmol／（m2·s），溫度為28℃左右。培養(yǎng)5 d后，用全Hoagland營養(yǎng)液培養(yǎng)7 d，然后用含鎘的Hoagland全營養(yǎng)液進(jìn)行脅迫處理，鎘的濃度設(shè)定為：0，25，50，100，200μmol／L 5個梯度，用氯化鎘（CdCl2·21／2H2O）配置，其設(shè)置參照國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值（GB15618－995）的上限（鎘含量≤1.0 mg／kg，如土壤含水量以10%計，土壤溶液的鎘含量上限為10.0 mg／kg，接近于本研究的100μmol／L）和其它研究者在蔬菜上進(jìn)行鎘污染機(jī)理研究所設(shè)置的濃度梯度［9－10］，每個濃度梯度設(shè)置4個重復(fù)。在鎘脅迫的第4天和第8天測定其生長、光合及葉綠素?zé)晒鈪?shù)。
1.2 測定項目及方法
葉面積和生物量：葉片用掃描儀掃描后，用DT－SCAN分析軟件（英國Delta－T公司，Deltascan 2.03版）測定。地上部和根鮮樣在105℃下殺青15 min，75℃下烘干24 h稱其干重，二者干重之和即為生物量。
光合氣體交換：用Li－6400型光合儀（美國Li－Cor公司）測定最上部完全展開葉的凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、細(xì)胞間二氧化碳濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）。測定時CO2氣體采自相對穩(wěn)定的3～4 m的空中，光量子通量密度為1 000μmol／（m2·s），葉室溫度28℃左右，每次測定于上午9：00－11：30進(jìn)行。
葉綠素?zé)晒鈪?shù)：葉綠素?zé)晒獠捎萌~綠素?zé)晒獬上駜x （德國 WALZ公司的Imaging－PAM ChlorophyⅡFluorometer）進(jìn)行測定。測定前將活體植株置于暗箱內(nèi)適應(yīng)30 min，選取最上部完全展開葉，在軟件的Kinetics窗口檢測各葉綠素?zé)晒鈪?shù)的動力學(xué)變化曲線，相應(yīng)的數(shù)據(jù)可直接從Report窗口導(dǎo)出。相關(guān)的葉綠素?zé)晒鈪?shù)分別包括：PSII最大原初光能轉(zhuǎn)化效率（Fv／Fm）、PSII實際量子產(chǎn)量（Yield）、光化學(xué)熒光猝滅系數(shù)（qP）、非光化學(xué)熒光猝滅系數(shù)（NPQ）和電子傳遞速率（ETR）。
葉綠素相對含量：采用日本產(chǎn)SPAD502葉綠素計測定黃瓜植株最上部展開葉的葉綠素含量，每片葉上測定5次，取其平均值。
所有測定項目重復(fù)至少3次。數(shù)據(jù)均采用Microsoft excel作圖，并用SPSS 16.0軟件進(jìn)行方差分析和多重比較。
2 結(jié)果與分析
2.1 鎘脅迫對黃瓜幼苗生長的影響
鎘脅迫第4天，所有鎘處理的葉面積已顯著低于對照，表明鎘對葉片延伸生長有嚴(yán)重的抑制作用；25，50μmol／L的地上部干重、根干重和生物量與對照相比無明顯差異，但100μmol／L和200μmol／L處理的地上部干重和生物量則顯著低于對照。100μmol／L及其以下鎘處理的根干重之間無顯著差異，但200 μmol／L處理的根干重則顯著低于其他處理（表1）。鎘脅迫第8天，所有鎘處理的葉面積、地上部干重和生物量顯著低于對照，根干重除25μmol／L處理與對照差異不顯著外，其余處理與對照間的差異均達(dá)到了顯著水平（表1）。表明鎘對地上部生長的抑制作用要相對大于根；隨著鎘脅迫濃度的升高和脅迫時間的延長，鎘對黃瓜幼苗生長的抑制作用逐漸增大，毒害作用增強(qiáng)。
表1 鎘脅迫處理對黃瓜幼苗生長的影響
2.2 鎘脅迫對黃瓜幼苗光合氣體交換參數(shù)和葉綠素含量的影響
鎘脅迫第4天，凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率已顯著下降，但細(xì)胞間隙CO2濃度變化不大；脅迫第8天，凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均顯著下降，但細(xì)胞間隙CO2濃度則顯著上升（表2、圖1）。鎘脅迫第4天時，25，50，100，200μmol／L鎘處理的黃瓜幼苗葉凈光合速率與對照相比分別下降了22.2%，33.8%，46.6%，56.5%；脅迫第8天時，25，50，100，200μmol／L鎘處理的黃瓜幼苗葉凈光合速率與對照相比分別下降了30.5%，48.9%，60.2%，74.6%，鎘濃度愈大、脅迫時間愈長，凈光合速率下降愈嚴(yán)重（圖1）。氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率也表現(xiàn)出同樣的趨勢。25，50μmol／L鎘處理凈光合速率和氣孔導(dǎo)度的下降速率明顯大于100，200μmol／L鎘處理。
表2 光合、葉綠素相對含量和熒光參數(shù)的單因素方差分析
圖1 鎘脅迫對黃瓜幼苗葉光合氣體交換的影響
2.3 不同鎘濃度對黃瓜幼苗葉綠素含量及熒光特性的影響
鎘脅迫第4天，200μmol／L鎘處理的葉綠素含量顯著低于對照，而其它處理與對照相比無差異（表2）。脅迫第8天，25，50，100，200μmol／L鎘處理的葉綠素相對含量分別比對照下降了15%，23.9%，30.8%和60.7%（圖2）。
鎘脅迫4天時，最大光能轉(zhuǎn)化效率Fv／Fm無顯著變化；盡管PSII實際光量子產(chǎn)量Yield和表觀電子傳遞速率ETR都出現(xiàn)降低的趨勢，但其差異并不顯著；光化學(xué)熒光猝滅系數(shù)qP則顯著降低，非光化學(xué)熒光系數(shù)NPQ顯著增加，表明這時PSII原初光化學(xué)反應(yīng)受傷害并不大，葉片可通過有效的熱耗散機(jī)制來保護(hù)PSII。脅迫第8天時，非光化學(xué)熒光猝滅系數(shù)NPQ變化不大，其它熒光參數(shù)都呈現(xiàn)出顯著的下降，表明此時PSII原初光化學(xué)反應(yīng)已受到嚴(yán)重傷害。脅迫第8天，除NPQ外的所有熒光參數(shù)在50μmol／L出現(xiàn)一個明顯的V型低谷，其后隨鎘濃度增加有所恢復(fù)，200μmol／L鎘處理導(dǎo)致非光化學(xué)熒光猝滅系數(shù)NPQ除外的所有熒光參數(shù)降低（表2、圖2）。
圖2 不同鎘脅迫濃度對黃瓜幼苗葉片葉綠素及熒光特性的影響
3 討論
本研究證實：25μmol／L及其以上鎘處理對黃瓜生長有明顯的抑制作用，這與鎘對光合作用有顯著的抑制作用有關(guān)。鎘脅迫對光合作用的傷害機(jī)理一直存在爭議，可能是氣孔因素和非氣孔因素如葉綠素含量、光呼吸、Rubisco活性、RUBP的再生以及反應(yīng)中心PSII的光化學(xué)效率、Mehler反應(yīng)等在起作用。從本研究看，鎘脅迫的第4天，100μmol／L及其以下鎘處理的凈光合速率和氣孔導(dǎo)度已顯著下降，但細(xì)胞間隙CO2濃度無變化，葉綠素相對含量和葉綠素?zé)晒鈪?shù)（PSII原初光能轉(zhuǎn)化效率Fv／Fm、PSII實際光能轉(zhuǎn)化效率Yield和表觀電子傳遞速率ETR）均未隨鎘濃度增加而發(fā)生變化，表明這時導(dǎo)致光合速率降低主要是氣孔限制，而200μmol／L鎘處理凈光合速率下降的同時，葉綠素含量也在下降，表明其光合下降可能由氣孔和非氣孔因素共同決定。在脅迫第8天，所有鎘脅迫處理的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度進(jìn)一步下降，但細(xì)胞間隙CO2濃度則顯著上升，表明這時光合下降的主要原因是非氣孔限制，葉綠素含量和熒光參數(shù)也證明了這點。脅迫第8天葉綠素相對含量顯著下降，葉綠素?zé)晒鈪?shù)PSII原初光能轉(zhuǎn)化效率Fv／Fm、PSII實際光能轉(zhuǎn)化效率Yield、光化學(xué)熒光猝滅系數(shù)qP和表觀電子傳遞速率ETR均顯著下降，但熒光參數(shù)NPQ無顯著變化，NPQ反映了PSII吸收的光能不能用于光合電子傳遞而以熱的形式耗散掉的光能部分，NPQ無顯著變化可能與此時熱耗散機(jī)制受到破壞有關(guān)，葉綠素?zé)晒馓匦员砻鬟@時PSII原初光化學(xué)反應(yīng)受鎘傷害嚴(yán)重。因此此時光合速率的下降主要可能與非氣孔因素如葉綠素含量下降和PSII原初光化學(xué)反應(yīng)受到傷害等有關(guān)。在水稻、小白菜上也發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重鎘脅迫導(dǎo)致光合速率的降低與原初光化學(xué)反應(yīng)受到破壞有關(guān)［11－12］。
值得注意的是鎘脅迫第8天PSII熒光參數(shù)Fv／Fm、Yield、qP和ETR在50μmol／L鎘處理上均出現(xiàn)一低谷值，其產(chǎn)生的原因尚不清楚。鎘脅迫導(dǎo)致Fe的缺乏，且這種現(xiàn)象在低濃度鎘處理比高濃度鎘處理上表現(xiàn)得更為嚴(yán)重［13］，原因可能與低濃度鎘使生長受抑制較小，而高濃度鎘嚴(yán)重抑制生長從而降低了其養(yǎng)分需求。我們推測50μmol／L鎘處理上熒光參數(shù)的降低可能與鎘引起的嚴(yán)重Fe缺乏有關(guān)，但有待于進(jìn)一步的實驗驗證。
［1］Prasad M N V.Cadmium toxicity and tolerance in vascular plants［J］.Environmental and Experimental Botany，1995，35（4）：525-545.
［2］張金彪，黃維南.鎘對植物的生理生態(tài)效應(yīng)的研究進(jìn)展［J］.生態(tài)學(xué)報，2000，20（3）：514-523.
［3］Huang C Y，Bazzazz F A，Vanderhoeff L N.The inhibition of soyben metabolism by cadmium and lead［J］.Plant Physiology，1974，54：122-124.
［4］Krupa Z，Oquist G，Huner N P A.The effects of cadmium on photosynthesis ofPhaseolusvulgaris：a fluorescence analysis［J］.Physiologia Plantarum，1993，88：626-630.
［5］Stobart A K，Griffiths W T，Ameen-Bukhari I，et al.The effect of Cd2＋on the biosynthesis of chlorophyll in leaves of barley［J］.Physiologia Plantarum，1985，63：293-298.
［6］Siedlecka A，Krupa Z.Interaction between cadmium and iron and its effects on photosynthetic capacity of primary leaves ofPhaseoiusvulgaris［J］.Plant Physiology and Biochemistry，1996，34：833-841.
［7］Baszynski T，Wajda L，Krol M，et al.Photosynthetic activities of cadmium-treated tomato plants［J］.Physiologia Plantarum，1980，48：365-370.
［8］Clijsters H，Assche F.Inhibition of photosynthesis by heavy metals［J］.Photosynthesis Research，1985，7：31-40.
［9］馮建鵬，史慶華，王秀峰，等.鎘對黃瓜幼苗光合作用、抗氧化酶和氮代謝的影響［J］.植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2009，15（4）：970-97.
［10］López-Millán A F，Sagardoy R，Solanas M，et al.Cadmium toxicity in tomato （Lycopersiconesculentum）plants grown in hydroponics［J］.Environmental and Experimental Botany，2009，65：376-385.
［11］孫光聞，朱祝軍，方學(xué)智，等.鎘對小白菜光合作用及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響［J］.植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2005，11（5）：700-703.
［12］徐紅霞，翁曉燕，毛偉華，等.鎘脅迫對水稻光合、葉綠素?zé)晒馓匦院湍芰糠峙涞挠绊懀跩］.中國水稻科學(xué)，2005，19（4）：338-342.
［13］Larbi A，Abadía M F，Abadía J.Fe resupply to Fe-deficient sugar beet plants leads to rapid changes in the violaxanthin cycle and other photosynthetic characteristics without significant de novo chlorophyll synthesis［J］.Photosynthesis Research，2004，79：59-69.
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