Cr6+對空心蓮子草光合生理特性的影響

陳全戰(zhàn) 唐寧 張邊江 王立科 楊平

摘要：為了研究Cr6+對空心蓮子草（Alternanthera philoxeroides）的毒害作用，探討Cr6+的毒害機制，為早期預報Cr6+的危害和環(huán)境監(jiān)測提供理論依據(jù)。在不同濃度（0、5、10、20、40 mg/L）Cr6+的處理后，評價了空心蓮子草的外傷毒害癥狀，測定了葉綠素含量和光合參數(shù)凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）和胞間CO2濃度（Ci）。結果顯示，在Cr6+濃度為0～5 mg/L時，葉綠素含量和葉綠素a/b值略有升高，此后隨著Cr6+濃度的增加，葉綠素含量呈明顯下降趨勢，而葉綠素a/b值下降趨勢不明顯；隨著Cr6+濃度的增加，凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度呈顯著下降趨勢，胞間CO2濃度呈緩慢上升趨勢。因此低濃度的Cr6+對空心蓮子草影響不大，而高濃度的Cr6+會產(chǎn)生毒害作用，最終導致植株枯萎。

關鍵詞：Cr6+； 空心蓮子草（Alternanthera philoxeroides）； 葉綠素含量； 凈光合速率

中圖分類號：S451 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）21-5310-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.21.026

Chromium-induced Photosynthetic Physiological Parameters in Alternanthera philoxeroides

CHEN Quan-zhan， TANG Ning， ZHANG Bian-jiang， WANG Li-ke， YANG Ping

（Institute of Plant Resources and Germplasm Innovation， Nanjing Xiaozhuang University，Nanjing 211171，China）

Abstract： In order to provide theoretical basis for the early prediction of Cr6+ hazards and environmental monitoring， toxic effects of Cr6+ on Alternanthera philoxeroides were studied. With A. philoxeroides as experimental materials， treated with different concentrations of Cr6+ （0，5，10，20，40 mg/L）， the trauma symptom was observed， the chlorophyll content and photosynthetic parameters were determined. The results showed that the chlorophyll contents and ratio of chlorophyll a/b increased when the concentration of Cr6+ was 0～5 mg/L； The chlorophyll contents and the ratio of chlorophyll a/b reached the maximum value when the concentration of Cr6+ was 5 mg/L； The chlorophyll contents and ratio of chlorophyll a/b decreased with the increasing of Cr6+ concentration.With the increasing of Cr6+ concentration， the net photosynthetic rate， transportation rate and stomatal conductance decreased， while the intercellular CO2 concentration increased. Therefore， low concentration of Cr6+ had little impact on growth of A. philoeroides， and the higher concentration of Cr6+ could produce toxic action， causing withering in the end.

Key words：Cr6+；Alternanthera philoxeroides；chlorophyll contents；net photosynthetic rate

由于金屬鉻的抗腐蝕性強，硬度大，可形成合金，目前被廣泛應用于化學、冶金、醫(yī)藥、國防等領域，由此產(chǎn)生的六價含鉻廢棄物通常以CrO42-離子的形式存在，對水體造成污染。在龍葵、銀膠菊[1]、大麥[2]、油菜[3]等植物的研究中發(fā)現(xiàn)，Cr6+能夠顯著抑制植株生長，降低葉綠素含量、葉綠素熒光水平和相對含水量，提高植株抗氧化酶的活性和脯氨酸含量，用以提高植株對重金屬脅迫的耐受性。

空心蓮子草（Alternanthera philoxeroides）是莧科多年生宿根草本植物，又名水花生。其作為飼料在20世紀30年代引入中國，因生長迅速、抗逆性強，在中國大部分地區(qū)蔓延，很難徹底清除。Ding等[4]和林茂茲等[5]研究發(fā)現(xiàn)Cr6+脅迫下，空心蓮子草會將過量的鉻積累在葉片中，轉運系數(shù)大于1。雖然不屬于超富集植物范疇，但在對重金屬污染土壤的修復中仍有一定的利用價值。同時空心蓮子草作為飼料、中藥和食用菌培養(yǎng)料的利用價值也在不斷被發(fā)掘之中[6]。

前人對逆境下空心蓮子草的生理生化特性進行了一些報道。周紅衛(wèi)[7]和張樂樂[8]分別探討了Cr6+對空心蓮子草植株和愈傷組織抗氧化活性系統(tǒng)和超微結構的影響，發(fā)現(xiàn)5 mg/L Cr6+能夠促進空心蓮子草植株生長，此后隨著濃度升高，生長開始受到抑制，濃度超過50 mg/L時植株幾近死亡。Cr6+能夠積累空心蓮子草愈傷組織內(nèi)活性氧的含量，產(chǎn)生膜脂過氧化，導致生理生化代謝紊亂，造成細胞結構和功能損傷。劉愛榮等[9]研究了鹽脅迫對空心蓮子草生長和光合作用的影響，發(fā)現(xiàn)其有一定的耐鹽性，可以在NaCl 100 mmoL/L以下正常生長。劉大勝等[10]研究了空心蓮子草的光合日變化，發(fā)現(xiàn)其凈光合速率日變化曲線分別在10：00和16：00出現(xiàn)雙峰。但Cr6+脅迫下，對空心蓮子草光合生理特性的研究還未見報道。本研究主要從外部形態(tài)、葉綠素含量和光合特性等幾個方面對空心蓮子草進行探討，旨在更進一步了解Cr6+對植物的毒害機理，也為重金屬的研究和環(huán)境監(jiān)測提供依據(jù)。同時，通過研究Cr6+對空心蓮子草的毒害作用，了解空心蓮子草的抗逆性，從而應用于環(huán)境的治理，在改善環(huán)境和保護生態(tài)環(huán)境中將發(fā)揮積極作用。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

空心蓮子草采自南京曉莊學院校園水塘，自來水預培養(yǎng)2 d，取生長旺盛、根系發(fā)達、長勢一致的植株移入1 L培養(yǎng)瓶中，分別加入含0、5、10、20、40 mg/L K2Cr2O7（按純Cr6+計）的MS培養(yǎng)液，每種處理30株，在培養(yǎng)過程中觀察其外部形態(tài)變化，處理5 d后測定葉綠素含量和光合氣體交換參數(shù)。

1.2 目測植株外傷癥狀

用目測法觀察，植株外傷癥狀[11]分為4級。1級代表正常生長；2級代表輕度傷害，近中心部位失綠；3級代表中度傷害，葉片中心部位及外圍不同程度失綠；4級代表重度傷害，植株矮小，葉片失綠。

1.3 葉綠素的測定

參照Wellberum等[12]的方法，取葉片稱重，用體積分數(shù)為96%的乙醇溶液置于黑暗環(huán)境中浸提葉綠素，待葉片全部變白后，于665 nm和649 nm處分別測定吸光度值，計算葉綠素a、b、a+b含量和a/b值。

1.4 光合生理參數(shù)的測定

選擇上午10：00～11：30晴朗無云的天氣，取不同植株的同一部位功能葉（從頂部倒數(shù)第3對），用CIRAS-2型便攜式光合氣體分析系統(tǒng)（英國PP Systems公司）測定葉片的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）和胞間CO2濃度（Ci）等氣體交換參數(shù)。測定時CO2濃度為340 mg/L，O2為21%，光照強度為1 000 μmol/（m2·s）。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)運用SPSS軟件進行統(tǒng)計分析，每組數(shù)據(jù)重復測定6次，結果用平均值±標準差（SE）表示，單因素方差分析（One-way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）比較組間的差異。

2 結果與分析

2.1 不同濃度Cr6+對空心蓮子草外傷癥狀的影響

Cr6+對空心蓮子草的傷害與培養(yǎng)液中Cr6+濃度有關，對照組長勢正常，目測不到傷害；而其他Cr6+濃度培養(yǎng)的空心蓮子草隨時間的延長表現(xiàn)出不同程度的外表傷害癥狀。隨著Cr6+濃度增高和處理時間的延長，植株的傷害癥狀越明顯。5 mg/L Cr6+濃度對植株外表傷害較輕，第4天開始中心部位的葉片有輕微的失綠；隨著Cr6+濃度的升高，植物的外表傷害癥狀明顯表現(xiàn)出來，從中心部位的葉片失綠逐漸擴散至外圍；Cr6+達到40 mg/L時，植物停止生長，植株呈萎蔫狀態(tài)，葉片狹小變薄，干枯（表1，圖1）。

2.2 不同濃度Cr6+對空心蓮子草葉綠素含量的影響

由圖2可以看出，5 mg/L Cr6+處理時，葉綠素含量有所升高，而后隨濃度增加迅速下降，Cr6+濃度為20～40 mg/L時下降幅度減緩；40 mg/L Cr6+處理后的植株與對照相比，葉綠素含量下降了一半。葉綠素a/b值變化幅度不大，基本保持在1.4左右，總體變化不明顯（P>0.05）。

2.3 不同濃度Cr6+對空心蓮子草光合生理參數(shù)的影響

分別測光照強度為200、400、600、800、1 000、 1 200 μmol/（m2·s）的光合參數(shù)，發(fā)現(xiàn)在光照強度為800 μmol/（m2·s）時各項指標達最大值，800 μmol/（m2·s）左右都有下降趨勢，則判斷空心蓮子草在光照強度為800 μmol/（m2·s）時光合作用最好，因此控制光照強度為800 μmol/（m2·s）時測定光合參數(shù)。從圖3可以看出，光照強度固定，隨著Cr6+濃度的升高，空心蓮子草的凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率均呈大幅下降趨勢，而胞間CO2濃度呈緩慢上升趨勢，當Cr6+濃度達40 mg/L時，空心蓮子草的凈光合速率幾乎為零。

3 小結與討論

植物是自然界的生產(chǎn)者，重金屬在植物體內(nèi)的分布、積累以及對植物的毒害受重金屬的種類和濃度、植物的種類及環(huán)境條件的影響。研究重金屬對植物生理指標的影響和植物對重金屬的抗性機制，對于制定適當?shù)沫h(huán)境標準來預防重金屬的毒害，利用植物檢測水體重金屬的污染都有重要的意義[13]?？招纳徸硬菔且环N外來雜草，經(jīng)過長期的進化選擇，具有很強的適應性和生命力。Cr6+化合物水溶性強，易透過生物膜，被吸收和運輸較快，活性也較大[14]。結果表明，空心蓮子草在Cr6+濃度為5 mg/L時的生長不受影響，植株外表傷害癥狀不明顯，葉綠素a+b含量略有上升；此后隨著Cr6+濃度的增加，生長受到抑制，葉片發(fā)黃失綠，葉綠素含量越來越低，外表傷害癥狀明顯；當Cr6+濃度達到40 mg/L時，莖葉枯萎，根部腐爛，植株停止生長。Cr6+脅迫使空心蓮子草中葉綠素a+b含量下降，光能捕獲減少，降低了活性氧的產(chǎn)生，減少了對蛋白質(zhì)的降解，使植物對鉻脅迫的耐受性增強。葉綠素a/b反映了植物對光能的利用程度，在Cr6+ 5～40 mg/L范圍內(nèi)，葉綠素a/b呈緩慢下降趨勢，但差異不顯著（P>0.05）。

葉綠素是植物進行光合作用的主要色素，高等植物葉綠體中的葉綠素主要有葉綠素a和葉綠素b，其含量的高低在一定程度上反映植物進行光合作用的能力。Cr6+脅迫影響光合過程中的電子傳遞和破壞葉綠體的完整性，降低葉綠素含量，導致空心蓮子草光合作用減弱[15]。不同濃度Cr6+處理后，空心蓮子草葉片的Pn和Gs均低于各自對照，Ci則均高于對照。表明在不同濃度Cr6+條件下，空心蓮子草可能通過降低Gs來減少水分蒸騰而適應脅迫的，這可以從Tr的下降中得以證實；同時還表明Pn的下降與Ci關系不大，可能空心蓮子草葉片光合速率的下降使得葉肉細胞光合活性下降而導致的非氣孔限制，進而降低了光合作用效率。

Cr6+脅迫影響植物生長的發(fā)育、葉綠素含量、光合生產(chǎn)力、過氧化物酶活性、硝酸還原酶活性等。測定了不同濃度Cr6+脅迫下對空心蓮子草的外傷癥狀、葉綠素含量、光合作用參數(shù)等生理指標的影響，僅對Cr6+對空心蓮子草的毒害機制作了初步了解，而要綜合評價Cr6+對空心蓮子草的毒害還需要進一步的研究。植物對重金屬Cr6+的吸收及其在植物體內(nèi)的分布，以及對植物超微結構的毒害的深入研究，對于制定適當?shù)沫h(huán)境標準來預防Cr6+的毒害和利用植物檢測水體重金屬的污染都有重要的意義。

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