鉛、鎘脅迫對云南樟幼苗葉綠素熒光特性的影響

唐探 姜永雷 張瑛 程小毛

摘要：選擇云南樟[Cinnamomum glanduliferum （Wall.） Nees]二年生實生幼苗為試驗材料，用鉛（Pb）、鎘（Cd）溶液對其進行脅迫處理，研究不同濃度Pb、Cd脅迫對云南樟幼苗光合色素含量及葉綠素熒光參數(shù)的影響。結果表明，在Pb脅迫下，隨著Pb2+脅迫濃度的增大，葉綠素a含量逐漸升高，Pb2+對云南樟幼苗脅迫程度不大；在Cd脅迫下，隨著Cd2+脅迫濃度的增大，葉綠素a及葉綠素b含量都顯著下降，Cd2+脅迫對云南樟幼苗造成了嚴重傷害。葉綠素熒光分析表明，Pb、Cd脅迫處理下云南樟葉片熒光參數(shù)F0顯著增加，同時Fv/Fm降低，說明在高濃度Pb、Cd脅迫下植株發(fā)生了光抑制，造成了PSII的反應中心失活；高濃度Pb2+、Cd2+處理后qN下降幅度顯著大于qP，表明Pb、Cd脅迫使光合電子傳遞能力減弱，葉片暗反應受阻，光合速率下降。

關鍵詞：云南樟[Cinnamomum glanduliferum （Wall.） Nees]；Pb、Cd脅迫；葉綠素熒光

中圖分類號：Q949.747.5；Q945.78 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）11-2655-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.11.025

Effects of Lead and Cadmium Stress on Chlorophyll Fluorescence Characteristics in Cinnamomum glanduliferum Seedlings

TANG Tan， JIANG Yong-lei， ZHANG Ying， CHENG Xiao-mao

（Faculty of Landscape Architecture， Southwest Forestry University， Kunming 650224， China）

Abstract： Taking the two-years old seedlings of Cinnamomum glanduliferum （Wall.） Nees as experiment materials，the effects of lead and cadmium stress on chlorophyll fluorescence characteristics in C. glanduliferum seedlings were studied. Results showed that， under the stress of lead， compared with the contrast， the content of chlorophyll a gradually raised with the increase of the treatment concentration and the stress effect was not obvious. Under cadmium stress，with the increase of the treatment concentration， the content of chlorophyll a and chlorophyll b decreased significantly and the C. glanduliferum seedlings was damaged. Chlorophyll fluorescence analysis showed that， under the lead and cadmium treatment，the initial fluorescence （F0） increasedin increased significantly and Fv/Fm decreased at the same time，which explained that under the high Pb2+ and Cd2+ treatment photoinhibition occurred so as to the inactivation of PSII reaction center. qN decreased significantly greater than qP after the high concentration of lead and cadmium treatment，which showed that the stress of lead and cadmium weakened the transportation ability of photosynthetic electron， blocked blade dark reaction and decreased photosynthetic rate.

Key words： Cinnamomum glanduliferum （Wall.） Nees； lead and cadmium stress； chlorophyll fluorescence

重金屬作為生物圈的重要組成部分，是土壤中固有的內(nèi)在成分。過量濃度的重金屬對大部分生物有明顯的毒害作用，并污染自然環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)。土壤重金屬污染是指由于人類活動使重金屬含量明顯高于原有含量，并造成環(huán)境質(zhì)量惡化的現(xiàn)象[1]。在土壤重金屬污染中以鉛（Pb）、鎘（Cd）為主，其中Cd以移動性大、毒性高、污染面積最大被稱為“五毒之首”，成為最受關注的元素，而Pb被一些學者列為中國土壤污染的最重要和典型的重金屬污染物[2，3]。Pb、Cd在植物組織中的積累超過一定的閾值，就會對植物產(chǎn)生傷害，使植物體內(nèi)的代謝過程發(fā)生紊亂，生長發(fā)育受到抑制，重則導致植物死亡[4]。而葉綠素熒光參數(shù)的變化能夠反映植物在重金屬脅迫中的生長狀況，常被用于評價光合機構的功能和環(huán)境脅迫對其的影響依據(jù)。此外，葉綠素作為植物光合作用的主要色素，其含量的變化也可用以表征逆境脅迫下植物組織、器官的衰老狀況[5，6]。

云南樟[Cinnamomum glanduliferum （Wall.） Nees]又稱大葉樟，對污染有一定的抵抗力，有很高的經(jīng)濟價值和觀賞價值，成為南方許多城市和地區(qū)園林綠化的首選良木。而在重金屬對植物的生理脅迫影響的研究中，大多以蔬菜和大田作物等草本植物為主[7]，對木本樹種的研究工作甚少。為此，以木本的云南樟幼苗為材料，研究不同程度Pb、Cd對其光合色素含量及葉綠素熒光特性的影響，以期為云南樟對重金屬抗性機理提供依據(jù)，同時也為云南樟的生產(chǎn)實踐提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選取云南樟二年生實生苗為研究材料，選取生長一致的健康實生苗于2012年8月15日移栽到5 L塑料營養(yǎng)缽中，栽培基質(zhì)為紅土+珍珠巖+腐殖土，其體積比為3∶3∶2。

1.2 試驗方法

試驗共設5個處理，以用去離子水處理的作為對照（T1），5 mmol/L Pb（NO3）2處理（T2）、10 mmol/L Pb（NO3）2處理（T3）、10 mmol/L CdCl2處理（T4）、20 mmol/L CdCl2處理（T5）。每處理10株，每盆1株，每盆隔天均勻澆灌10 mL處理溶液。試驗大棚內(nèi)的溫度設定為白天20～30 °C，夜間9～18 °C，相對濕度35%～80%。試驗時間為2012年9月10日至10月10日。在處理結束時進行所有指標的測定，測定樣品的選取以每株苗從上到下的第三至第五片葉完全展開為標準，測定其熒光參數(shù)，每處理至少測定5株。

1.3 葉綠素熒光參數(shù)的測定

用M-Series Imaging-PAM調(diào)制葉綠素熒光成像系統(tǒng)（德國WALZ公司）對葉片進行活體測定。測定時，植物材料應經(jīng)過充分暗適應，之后照射測量光[0.5 μmol/（m2·s）]測定初始熒光F0，然后照射飽和光脈沖2 700 μmol/（m2·s）（脈沖時間0.8 s）誘導Fm，作用光強度為186 μmol/（m2·s）。在樣品臺上放入待測葉片，選定多個直徑1 cm的AOI后，在軟件的Kinetics窗口檢測各葉綠素熒光參數(shù)的動力學變化曲線，從Report窗口直接導出相應數(shù)據(jù)。每處理至少5次重復。

試驗中，所需測的葉綠素a熒光參數(shù)為：葉片初始熒光（F0）、反應中心PSII潛在最大光合效率（Fv/Fm）、PSII實際光合效率（Y（II））、熒光淬滅（qP）、非光化學淬滅（qN）。

以下參數(shù)的計算，由儀器自動給出。Fv /Fm=（Fm-F0）/Fm；Y（II）=F/Fm′=（Fm′-F）/Fm′；qP=（Fm′-F）/（Fm′-F0′）；qN=（Fm-Fm′）/（Fm-F0′）。其中，F(xiàn)0為充足暗適應后打開測量光得出的最小熒光；Fm為充足暗適應后打開飽和脈沖得出的最大熒光；F為光化光照射下，打開飽和脈沖前記錄的熒光；Fm′為光化光照射下，打開飽和脈沖后記錄的最大熒光。

1.4 葉綠素含量的測定

參照Inskeep等[8]的方法，稱取0.1 g植物葉片，用冷的二甲基甲酰胺黑暗中4 ℃下浸提48 h，于663.8 nm和646.8 nm下比色。計算單位葉鮮重的葉綠素a、葉綠素b含量。

1.5 統(tǒng)計分析

采用SPSS 11.5統(tǒng)計分析軟件進行一元方差分析，多重比較采用Ducan′s檢驗進行。

2 結果與分析

2.1 Pb、Cd脅迫對云南樟幼苗葉片初始熒光（F0）的影響

試驗結果（圖1）顯示，與對照相比，Pb、Cd處理下的云南樟幼苗葉片初始熒光F0顯著上升。Pb脅迫下，不同濃度處理之間的差異不顯著；Cd脅迫下，隨著Cd2+濃度的增大，云南樟幼苗葉片的初始熒光（F0）逐漸增大。

2.2 Pb、Cd脅迫對云南樟幼苗葉片PSII最大光化學效率（Fv /Fm）的影響

從圖2可以看出，與對照相比，Pb、Cd處理下的云南樟幼苗葉片最大光化學效率（Fv /Fm）總體呈下降趨勢。隨著Pb2+、Cd2+處理濃度的增大，云南樟幼苗葉片最大光化學效率（Fv /Fm）明顯下降，且在高濃度的Pb2+、Cd2+處理下下降的幅度較大，表明重金屬脅迫引起云南樟幼苗葉片PSII反應中心的開放程度降低，PSII的功能也受到影響從而轉化利用效率降低。

2.3 Pb、Cd脅迫對云南樟幼苗葉片PSII實際光合效率（YIELD）的影響

從圖3可以看出，與對照相比，Pb、Cd處理下的云南樟幼苗葉片實際光合效率明顯下降，且在高濃度的Cd2+脅迫下下降得更加明顯。與對照相比，Pb脅迫下，處理T2和T3的實際光合效率分別下降了12.97%和16.56%；Cd脅迫下，處理T4和T5的實際光合效率分別下降了6.54%和16.66%。表明云南樟幼苗葉片細胞膜出現(xiàn)損傷，不能利用更多的光能。

2.4 Pb、Cd脅迫對云南樟幼苗葉片非光化學猝滅系數(shù)（qN）和光化學猝滅系數(shù)（qP）的影響

表1為Pb、Cd脅迫對云南樟幼苗葉片非光化學猝滅系數(shù)（qN）及光化學猝滅系數(shù)（qP）的影響。從表1可以看出，與對照相比，Pb、Cd脅迫下云南樟幼苗qN有所增加，但并不顯著，qP有所減小，也不顯著。說明在Pb、Cd脅迫下云南樟幼苗的光合作用受到了一定的影響，其葉片將更多的能量用于熱耗散，對光合器官起到保護作用。

2.5 Pb、Cd脅迫對云南樟幼苗葉片光合色素含量的影響

從表2可以看出，與對照相比，Pb脅迫下葉綠素a含量顯著上升，處理T2和T3葉綠素a分別上升11.37%和14.70%（表2）。在Cd脅迫下，與對照相比，處理T5葉綠素a、葉綠素b的含量呈下降趨勢，且變化顯著。隨著Cd2+濃度的增大，葉綠素a、葉綠素b的含量顯著降低，云南樟幼苗葉片光合色素的合成受到抑制，說明此濃度的Cd2+毒性較大，超越了云南樟的抗性能力。在Pb、Cd脅迫下，葉綠素b、葉綠素b/a及總葉綠素的含量變化不大。

3 小結與討論

葉綠體色素是植物吸收太陽光能進行光合作用的重要物質(zhì)，主要由葉綠素a、葉綠素b等組成，其含量的變化既可以反映植物葉片光合作用功能的強弱，也可用以表征逆境脅迫下植物組織、器官的衰老狀況[6]。大量研究表明，Pb脅迫能導致植物葉綠素含量的減少[9]。而且Pb脅迫對一些植物的生理耐性也有著明顯的低促高抑現(xiàn)象。通過Pb對云南樟的處理，發(fā)現(xiàn)光系統(tǒng)II（PSII）和葉綠素含量都有增加的趨勢，而Pb脅迫導致植物地上部分葉綠素含量增加的原因有很多。有文獻表明，導致葉綠素分解的原因可能是重金屬與葉綠體蛋白質(zhì)的-SH結合或取代Fe2+、Mg2+等離子，使得葉綠體結構和功能被破壞[10]。另有研究表明，高濃度的Pb能夠影響氨基-γ-酮戊酸的合成和破壞葉綠素合成過程中葉綠素酸酯還原酶的活性，從而導致植物葉綠素含量的減少[11]。本試驗結果表明，隨著Pb脅迫濃度增大，葉綠素a含量逐漸升高，這可能是由于低濃度的Pb2+在短時間內(nèi)對葉綠素a的合成有一定的促進作用，這與周建華等[12]報道的低濃度Pb2+處理使葉綠素含量升高的結果一致；Stobart等[13]認為Cd2+脅迫主要是通過降低光合色素含量來抑制植物的光合作用。試驗結果表明云南樟幼苗葉片葉綠素a、b含量隨著Cd2+脅迫濃度的增大均顯著降低，且在高濃度Cd2+處理組中表現(xiàn)出顯著效應，說明Cd2+脅迫使云南樟幼苗葉綠素受到了嚴重破壞，進而對光合作用造成了非常不利的影響，這在王春梅等[14]對茶樹的研究中有過類似的報道。

生物或非生物脅迫對植物光合作用各過程產(chǎn)生的影響都可通過葉片葉綠素熒光誘導動力學參數(shù)的變化反映出來[15]。Fv /Fm代表光反應中心的原初光能轉換效率，反映植物潛在的最大光合能力[16]。韓張雄等[17]研究表明，在遭受環(huán)境脅迫時潛在最大量子產(chǎn)量Fv /Fm的值會有明顯的下降。在Pb、Cd處理中，試驗結果表明，隨著Pb、Cd脅迫濃度增大，PSII最大光化學效率（Fv /Fm）和任意光照狀態(tài)下PSII的實際光合效率（Y（II））均減小，表明Pb脅迫引起PSII反應中心的開放程度和捕獲激發(fā)能的效率下降，另外在重金屬脅迫下，PSII的功能也會因受到影響而使其轉化利用效率降低。有研究認為植物的初始熒光F0和非光化學猝滅系數(shù)（qN）是檢測早期植物受到脅迫最敏感的參數(shù)[18]。錢永強等[19]也發(fā)現(xiàn)重金屬脅迫下銀芽柳幼苗的初始熒光F0和非光化學猝滅系數(shù)（qN）上升。本試驗結果顯示，與對照組相比，在Pb、Cd處理下的云南樟幼苗葉片初始熒光F0顯著上升，說明Pb、Cd處理下云南樟幼苗的PSII反應中心活性受到破壞。qN的值有所增加但是不顯著，這可能是由于云南樟幼苗在Pb、Cd脅迫下有增加熱耗散的趨勢而避免逆境下的光抑制現(xiàn)象。熒光光化學淬滅系數(shù)（qP），反映PSII天線色素吸收的光能用于光化學電子傳遞的份額，較低的qP反映PSII中開放的反應中心比例和參與二氧化碳固定的電子減少[20]。試驗中qP的值有所下降，但不顯著，說明該參數(shù)在Pb、Cd脅迫下相對穩(wěn)定，但是PSII反應中心的開放比例受到了一定程度的影響，影響了光合作用。實際光合效率（YIELD）反映了PSII反應中心在部分關閉的情況下的實際原初光能捕獲效率。已有研究表明，在重金屬離子的脅迫下，光合電子傳遞效率會降低，從而YIELD的轉化比例也會降低[21]。在本試驗中，Pb、Cd處理下的云南樟幼苗葉片YIELD值顯著降低，說明PSII反應中心受到了一定程度的傷害，這在萬學琴等[22]對楊樹的研究中有過報道。

在整個處理過程中，Pb脅迫對云南樟幼苗傷害程度不大，而高濃度的Cd2+脅迫對云南樟幼苗造成了嚴重傷害，另外通過葉綠素熒光參數(shù)的變化可以看出，云南樟幼苗對Pb、Cd有一定程度的自身防御范圍，以適應其環(huán)境，保護自身生長及生存。

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