Ca2＋對(duì)鎘脅迫下玉米幼苗生長(zhǎng)、光合特征和PSⅡ功能的影響

王玉萍，常宏，李成，梁延超，盧蕭（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，甘肅 蘭州 70070；.甘肅省作物遺傳改良與種質(zhì)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，甘肅 蘭州 70070；.甘肅省種子管理總站，甘肅 蘭州 70000）

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Ca2＋對(duì)鎘脅迫下玉米幼苗生長(zhǎng)、光合特征和PSⅡ功能的影響

王玉萍1，2*，常宏3，李成2，梁延超2，盧蕭2
（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省作物遺傳改良與種質(zhì)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省種子管理總站，甘肅 蘭州 730000）

為探究鈣（Ca2 +）對(duì)玉米鎘（Cd）脅迫的緩解作用，采用盆栽試驗(yàn)，研究了根部施加外源Ca2 +對(duì)Cd脅迫下玉米幼苗生長(zhǎng)、光合特征及葉綠素?zé)晒鈪?shù)等生理指標(biāo)的影響。結(jié)果顯示，與對(duì)照（C K）相比，100 m g/L的Cd處理顯著降低了玉米幼苗株高、根、地上部生物量以及玉米葉片葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量。同時(shí)，凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）、PSⅡ最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）、電子傳遞速率（E T R）、PSⅡ激發(fā)能捕獲效率（Fv′/Fm′）、光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）和PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率（ΦPSⅡ）顯著下降，而非光化學(xué)淬滅系數(shù)（N P Q）和胞間C O2濃度（Ci）較C K顯著上升。外源施加Ca2 +可以有效增加鎘脅迫下幼苗生物量的積累，明顯提高葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量，升高Pn，Gs，Tr，F(xiàn)v/Fm，E T R，F(xiàn)v′/Fm′，降低N P Q和Ci，增加幼苗生物量積累，Ca2 +濃度為7.5～10.0 m m ol/L時(shí)各指標(biāo)變化幅度最明顯，緩解脅迫的效果最佳。研究結(jié)果表明，Cd脅迫使玉米幼苗葉片PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率降低，電子傳遞受到抑制，凈光合速率降低。適宜濃度的外源Ca2 +能有效緩解Cd對(duì)光合機(jī)構(gòu)的傷害，增強(qiáng)幼苗葉片對(duì)光的捕獲能力，促進(jìn)光合作用，增加幼苗的生物量，增強(qiáng)玉米幼苗對(duì)Cd脅迫的抗性。

鎘脅迫；玉米；鈣；光合特性；PSⅡ功能

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王玉萍，常宏，李成，梁延超，盧蕭.Ca2 +對(duì)鎘脅迫下玉米幼苗生長(zhǎng)、光合特征和PSⅡ功能的影響.草業(yè)學(xué)報(bào)，2016，25（5）：40-48.

WANG Yu-Ping，CHANG Hong，LI Cheng，LIANG Yan-Chao，LU Xiao.Effects of exogenous Ca2 +on growth，photosynthetic characteristics and photosyste m II function of m aize seedlings under cad miu m stress.Acta Prataculturae Sinica，2016，25（5）：40-48.

鎘離子（Cd2 +）因其在土壤中的高度移動(dòng)性和對(duì)作物的高度毒害性是重金屬中比較嚴(yán)重的污染物之一，且具有隱蔽性和不可逆性，是對(duì)人類最具威脅的重金屬之一［1］。高濃度Cd可破壞葉綠體結(jié)構(gòu)，影響葉綠素的合成而影響光合速率［2-3］，抑制種子萌發(fā)［4］和根系生長(zhǎng)［5］，阻礙其他礦質(zhì)元素的吸收［6］，降低光合強(qiáng)度［7］和呼吸強(qiáng)度［8］。同時(shí)Cd能引起活性氧（R O S）產(chǎn)生，導(dǎo)致氧化脅迫并干擾抗氧化系統(tǒng)［9］，從而影響植株生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致產(chǎn)量和品質(zhì)的下降。由于工業(yè)廢水不達(dá)標(biāo)排放，中國(guó)可利用水資源受污染日益嚴(yán)重，作物受重金屬危害范圍逐年擴(kuò)大。Cd污染狀況越來越嚴(yán)峻，并成為當(dāng)前環(huán)境治理中突出的問題之一［4］。因此，研究Cd脅迫對(duì)作物的損害以及Cd毒害的保護(hù)措施，有助于進(jìn)一步揭示Cd對(duì)作物產(chǎn)量與品質(zhì)形成的影響，對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

Ca2 +是植物必需的一種礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素，同時(shí)也是轉(zhuǎn)導(dǎo)多種植物生理過程的胞內(nèi)胞外信號(hào)分子。Ca2 +作為第二信使參與了植物光合作用以及植物在各種逆境下的滲透調(diào)節(jié)、光周期反應(yīng)等生理過程［10］。光合作用是植物生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是最易受環(huán)境影響的重要生理過程之一。玉米（Zea mays）是我國(guó)北方廣泛種植的作物品種，也是飼料作物和重要的工業(yè)原料，對(duì)多種環(huán)境因子的脅迫均表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗性，是廣泛應(yīng)用于重金屬污染研究的重要農(nóng)作物［11］。近年來有關(guān)研究表明，Ca2 +可以緩解NaCl脅迫引起的玉米光合能力下降［12］，有效減輕Cd脅迫［13］以及低溫脅迫下玉米幼苗的氧化損傷［14］。盡管Cd對(duì)玉米光合特性的影響已有相關(guān)研究［3］，但是對(duì)于能否緩解玉米光合作用Cd毒害作用的研究甚少。本試驗(yàn)采用室內(nèi)盆栽法，研究了外源Ca2 +對(duì)Cd脅迫下玉米幼苗葉片的葉綠素含量、光合特性以及光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）功能的影響，探索Ca2 +緩解玉米Cd脅迫的光合生理機(jī)制，為闡明植物鎘毒害的生理機(jī)制和鎘污染的生物修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2014年3—9月進(jìn)行。試驗(yàn)玉米品種為“鄭單958”。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 選取籽粒飽滿，大小均勻無蟲害的種子，用0.1%NaClO溶液消毒10 min后，漂洗干凈，蒸餾水浸泡12 h后播種到墊有清洗干凈沙子的直徑為15 c m的培養(yǎng)皿中，置于（25±1）℃、75%濕度培養(yǎng)箱中暗發(fā)芽。玉米出苗后，選取長(zhǎng)勢(shì)一致健康植株移栽到裝有蛭石的塑料花盆中，于人工氣候室內(nèi)常規(guī)培養(yǎng)，培養(yǎng)期間每3 d用1/4濃度的H oagland營(yíng)養(yǎng)液（用去離子水配制）澆灌，待第4片葉長(zhǎng)出后，選擇長(zhǎng)勢(shì)良好和長(zhǎng)勢(shì)一致的植株進(jìn)行試驗(yàn)處理。

Cd2 +供體為氯化鎘（CdCl2·2.5 H2O，國(guó)產(chǎn)分析純）。預(yù)實(shí)驗(yàn)共設(shè)置6個(gè)Cd2 +濃度梯度（0，25，50，100，150 和200 m g/L），對(duì)玉米幼苗進(jìn)行處理，澆灌H oagland溶液，培養(yǎng)10 d后根據(jù)幼苗的生長(zhǎng)情況，篩選出脅迫臨界濃度100 m g/L。試驗(yàn)設(shè)置7個(gè)處理對(duì)根部進(jìn)行澆灌，1）對(duì)照（C K），H oagland溶液；2）含100 m g/L Cd2 +的H oagland溶液，以T1表示；3）含100 m g/L Cd2 +和2.5 m m ol/L CaCl2的H oagland溶液，以T2表示；4）含100 m g/L Cd2 +和5.0 m m ol/L CaCl2的H oagland溶液，以T3表示；5）含100 m g/L Cd2 +和7.5 m m ol/L CaCl2的H oagland溶液，以T4表示；6）含100 m g/L Cd2 +和10.0 m m ol/L CaCl2的H oagland溶液，以T5表示；7）含100 m g/L Cd2 +和12.5 m m ol/L CaCl2的H oagland溶液，以T6表示。每3 d補(bǔ)充處理液300 m L。每個(gè)處理10盆，每盆種植4株。脅迫處理10 d后分別進(jìn)行形態(tài)指標(biāo)和參數(shù)測(cè)定。每個(gè)指標(biāo)測(cè)定均重復(fù)3次，取平均值。

1.2.2 測(cè)定項(xiàng)目和方法 株高和生物量測(cè)定：玉米幼苗株高用刻度尺測(cè)定。脅迫處理10 d，隨機(jī)選取對(duì)照及每個(gè)處理組的10株幼苗，先用自來水快速?zèng)_洗掉其根部附著的蛭石，再用去離子水沖洗3次，用吸水紙吸干其表面水珠，剪開苗的根系和地上部分，分別于天平上稱鮮重。再將鮮樣品材料置105℃烘箱中殺青10 min，75℃烘干至恒重，分別稱量地上部分和地下部分干重。

葉綠素含量測(cè)定：采用混合液法［13］測(cè)定葉綠素含量。取玉米功能葉片中部0.5 g剪碎后，加入丙酮、無水乙醇和蒸餾水（4.5∶4.5∶1）混合液10 m L并置于－20℃冰箱中浸提24 h。取3 m L葉綠素浸提液，在645和663 n m波長(zhǎng)處用紫外可見分光光度計(jì)測(cè)吸光值，根據(jù)Aron公式計(jì)算葉綠素a、b和總?cè)~綠素的含量。

光合氣體交換：各處理每次重復(fù)選取3株長(zhǎng)勢(shì)均勻一致的植株，采用Li-6400型光合儀（美國(guó)Li-Cor公司）測(cè)定從上到下第3片功能葉片中部光合生理參數(shù)：凈光合速率（net photosynthetic rate，Pn，μm ol/m2·s）、氣孔導(dǎo)度（sto m atal conductance，Gs，m m ol/m2·s）、蒸騰速率（transpiration rate，Tr，m m ol/m2·s）和胞間二氧化碳濃度（intercellular C O2concentration，Ci，μm ol/m ol）。測(cè)定中選用紅藍(lán)光源，設(shè)置葉室中的光量子通量密度為1000μm ol/（m2·s），葉室溫度25℃左右，每次測(cè)定于上午10：00－11：00進(jìn)行。

熒光參數(shù)：脅迫處理14 d后，各處理每次重復(fù)選取3株長(zhǎng)勢(shì)均勻一致的植株，以第3片功能葉片為測(cè)試對(duì)象，于上午10：00－11：00點(diǎn)，采用F M S-II脈沖調(diào)制式熒光儀（英國(guó)H ansatech公司）測(cè)定。測(cè)定前先將葉片暗適應(yīng)30 min，然后將密閉式適配器扣在暗反應(yīng)夾上，啟動(dòng)測(cè)定程序，記錄暗適應(yīng)后的初始熒光（Fo）、最大熒光（Fm）、可變熒光（Fv）。將光下的葉片夾上暗適應(yīng)夾，無需暗適應(yīng)，將Actinic值設(shè)為25，然后點(diǎn)擊Actinic，5 min后，點(diǎn)擊ΦPSⅡ按鈕，測(cè)定光適應(yīng)下最小熒光（Fo’），最大熒光（Fm’）和穩(wěn)態(tài)熒光（Fs）。根據(jù)van K ooten和Snel［15］公式計(jì)算PSⅡ最大光化學(xué)效率（the m axim al efficiency of PSⅡphotoche mistry，F(xiàn)v/Fm）、開放的PSⅡ反應(yīng)中心激發(fā)能捕獲效率（the efficiency of excitation energy capture by open PSⅡreaction centers，F(xiàn)v’/Fm’）、PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率（the actual PSⅡefficiency，ΦPSⅡ）、光化學(xué)猝滅系數(shù)（photoche mical quenching coefficient，qP）、非光化學(xué)淬滅系數(shù)（non-photoche mical quenching coefficient，N P Q）等參數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)為3次重復(fù)所得。采用SPSS 19.0進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，各處理間數(shù)據(jù)采用方差分析（A N OV A），以Duncan法檢測(cè)差異顯著性，差異水平P＜0.05，采用Origin Pro 9.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度Cd2 +對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)的影響

不同濃度的Cd2 +處理玉米幼苗，對(duì)幼苗株高、地上部分鮮重、地上部分干重、地下部分鮮重及地下部分干重有不同影響（表1）。Cd2 +濃度大于25 m g/L時(shí)，地上部分鮮重、地上部分干重、地下部分鮮重與對(duì)照相比，顯著降低（P＜0.05）。株高隨處理Cd2 +濃度的增加，降低顯著（P＜0.05），且在Cd2 +為100 m g/L時(shí)，株高下降為接近對(duì)照的50%。Cd2 +濃度為0～50 m g/L時(shí)，與對(duì)照相比，幼苗地下部分干重差異不顯著，當(dāng)濃度大于50 m g/L時(shí)，與對(duì)照差異顯著。Cd2 +為100 m g/L時(shí)，株高、地上部分鮮重、地上部分干重、地下部分鮮重及地下部分干重與對(duì)照相比，均達(dá)到顯著水平（P＜0.05），分別降低了49.28%，40.74%，33.33%，50.43%和40.00%。

2.2 Ca2 +對(duì)Cd脅迫下玉米幼苗生長(zhǎng)的影響

在100 m g/L的Cd脅迫下，玉米幼苗的株高、地上部和地下部分的鮮重和干重均較對(duì)照顯著降低（P＜0.05），其株高、地上部分鮮重、地上部分干重、地下部分鮮重和地下部分干重分別較C K降低了52.16%，44.45%，32.43%，50.81%和36.36%（表2）。外源Ca2 +處理（T2～T6）能不同程度地提高玉米幼苗株高、地上部分鮮重、地上部分干重、地下部分鮮重和地下部分干重。其中以T4處理，即外源施加7.5 m m ol/L的Ca2 +處理效果最好，株高、地上部分鮮重、地上部分干重、地下部分鮮重和地下部分干重均顯著高于Cd單獨(dú)處理（T1），分別提高了12.67%，47.91%，28.00%，16.67%和33.33%。當(dāng)外源Ca2 +處理濃度高于10 m m ol/L時(shí)，生物量積累呈下降趨勢(shì)。

表1 不同濃度Cd2＋對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)的影響（平均數(shù)±SE）Table 1 Effects of different Cd2＋concentration on the growth of maize seedlings under Cd stress（mean±SE）

表2 不同濃度Ca2＋對(duì)Cd脅迫下玉米幼苗生長(zhǎng)的影響（平均數(shù)±SE）Table 2 Effects of different Ca2＋concentration on the growth of maize seedlings under Cd stress（mean±SE）

2.3 Ca2 +對(duì)Cd脅迫下玉米幼苗葉綠素含量的影響

葉綠素是光合作用中吸收和傳遞光能的重要色素分子，與光能利用有直接關(guān)系。葉綠素含量是植物光合作用能力和光合器官生理狀況的重要指標(biāo)。由表3可知，Cd（100 m g/L）脅迫下玉米的葉綠素含量較C K顯著下降（P＜0.05）。外源Ca2 +處理（T2～T6）能不同程度地提高玉米幼苗葉綠素a，葉綠素b和葉綠素（a + b）的含量。其中T4和T5處理，即外源施加7.5～10.0 m m ol/L的Ca2 +處理較T1處理顯著提高葉綠素a，葉綠素b和葉綠素（a + b）的含量，且以T4處理（7.5 m m ol/L）效果最佳，分別比T1高出46.25%，58.93%和49.86%。而各處理葉綠素a/b間的差異不顯著。當(dāng)處理濃度超過10.0 m m ol/L時(shí)，葉綠素a和葉綠素b含量降低。說明Cd脅迫下玉米幼苗葉綠素含量降低，影響光合作用的正常進(jìn)行，外源Ca2 +處理能不同程度地提高葉綠素含量，對(duì)光合作用有一定的恢復(fù)作用。

表3 不同Ca2＋濃度對(duì)Cd脅迫下玉米幼苗葉綠素含量的影響（平均數(shù)±SE）Table 3 Effects of different Ca2＋concentration treatment on chlorophyll content of maize leaves under Cd stress（mean±SE）

2.4 Ca2 +對(duì)Cd脅迫下玉米幼苗光合氣體交換參數(shù)的影響

在100 m g/L Cd脅迫下，Pn、Gs和Tr較C K顯著降低（P＜0.05），而Ci較C K顯著升高（P＜0.05）。表明Cd脅迫下葉肉細(xì)胞光合速率降低，C O2同化作用降低，導(dǎo)致C O2在細(xì)胞間積累，非氣孔因素可能是Pn降低的主要原因。外源Ca2 +處理對(duì)Cd脅迫下玉米幼苗的光合特性有明顯影響（圖1）。Ca2 +處理（T2～T6）的幼苗，Pn、Gs和Tr均不同程度地高于T1處理，對(duì)光合速率及C O2的同化具有較好的恢復(fù)能力。其中T4處理效果最佳，即Ca2 +濃度為7.5 m m ol/L時(shí)，Pn、Gs和Tr最接近于C K，分別高于T1處理71.32%，101.60%和160.00%。與此相反，Cd脅迫下施加不同濃度的Ca2 +處理（T2～T6）后，Ci的值較T1處理降低顯著，總體變化呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，但仍然顯著低于T1處理，其中T4處理的Ci降低最顯著，處理效果最佳。

圖1 不同濃度Ca2＋對(duì)Cd脅迫下玉米葉片氣體交換參數(shù)的影響Fig.1 Effect of different Ca2＋concentration treatment on gas exchange parameter of maize leaf under Cd stress

2.5 Ca2 +對(duì)Cd脅迫下玉米幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

由圖2可知，100 m g/L Cd脅迫下玉米葉片的Fv/Fm、E T R、Fv′/Fm′、qP和ΦPSⅡ較C K顯著降低，而N P Q顯著增加（P＜0.05），表明Cd脅迫對(duì)玉米幼苗PSⅡ功能有一定影響，光化學(xué)效率降低。外源Ca2 +處理使Cd脅迫下幼苗葉片的Fv/Fm、E T R、Fv′/Fm′、qP、ΦPSⅡ較T1提高，N P Q降低，說明Ca2 +處理對(duì)玉米幼苗光合機(jī)構(gòu)具有一定的保護(hù)作用，使光系統(tǒng)功能恢復(fù)。總體上T4、T5處理，Ca2 +對(duì)Cd脅迫下光系統(tǒng)功能具有較強(qiáng)的恢復(fù)作用，光化學(xué)效率增加，熱耗散降低。T5處理下，Ca2 +對(duì)Cd脅迫下玉米的E T R、Fv′/Fm′的恢復(fù)作用最佳。結(jié)果表明，Ca2 +濃度在7.5～10.0 m m ol/L時(shí)可有效緩解Cd對(duì)玉米幼苗光系統(tǒng)的損傷作用，超過10.0 m m ol/L時(shí)，對(duì)Cd的緩解作用下降。

圖2 不同Ca2＋濃度對(duì)Cd脅迫下玉米葉片葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊慒ig.2 Effect of different Ca2＋concentration treatment on chlorophyll fluorescence characteristics of maize leaf under Cd stress

3 討論

光合作用是作物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，其強(qiáng)弱對(duì)于植物生長(zhǎng)、產(chǎn)量及其抗逆性都具有十分重要的影響，因而可以作為判斷植物生長(zhǎng)和抗逆性大小的指標(biāo)［16］。Cd是主要的重金屬環(huán)境污染物和危害植物生長(zhǎng)發(fā)育的有害元素。本試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著Cd2 +濃度的增加，玉米幼苗株高、地上部分和根部的生物量較對(duì)照顯著降低，且Cd2 +濃度為100 m g/L時(shí)，株高、地上部分和根部的生物量各指標(biāo)接近于對(duì)照處理的50%，因此，選擇100 m g/L作為脅迫處理濃度。Cd脅迫使植物體內(nèi)產(chǎn)生過多的活性氧（R O S），具有明顯的毒害作用［17］。葉綠體是植物體內(nèi)R O S產(chǎn)生的重要部位，Cd脅迫使更多的O2－和H2O2等擴(kuò)散到葉綠體內(nèi)，參與對(duì)葉綠素的降解［4，17-18］。葉綠素是參與植物光合作用光能吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化的重要色素，對(duì)植物生長(zhǎng)起重要作用。本研究發(fā)現(xiàn)，Cd脅迫下玉米幼苗葉綠素a，葉綠素b和總?cè)~綠素的含量較對(duì)照顯著降低，植物光合作用受到抑制，生物量降低。植物光合作用的限制因素有氣孔因素和非氣孔因素。前者是由于外界環(huán)境導(dǎo)致氣孔阻力升高，阻礙水蒸氣、C O2等氣體進(jìn)入葉片。后者是因?yàn)楣夂霞?xì)胞的功能和光合電子傳遞鏈?zhǔn)軗p而導(dǎo)致凈光合速率下降。細(xì)胞間隙C O2濃度大小決定于外界大氣C O2通過氣孔進(jìn)入和細(xì)胞內(nèi)部光合器官同化共同作用的結(jié)果。本研究結(jié)果顯示，Cd脅迫導(dǎo)致玉米幼苗Pn和Gs減小時(shí)，而Ci增加，說明Cd脅迫下幼苗光合作用的降低不是氣孔導(dǎo)度下降使C O2供應(yīng)減少所致，而是由于非氣孔因素（如葉肉細(xì)胞的光化學(xué)活性限制）阻礙了C O2的同化利用，從而造成細(xì)胞間隙C O2的積累，這與張磊等［3］的研究結(jié)果相似。

有研究認(rèn)為，Cd能降低光能轉(zhuǎn)化效率［19］，抑制與光合作用有關(guān)的酶活性［20］，以及降低氣孔導(dǎo)度［21］等途徑影響光合作用。本研究表明，Cd脅迫干擾玉米幼苗光合作用的正常進(jìn)行，降低光合速率，引起植物生物量下降。葉綠素?zé)晒夥从彻夂献饔眠^程中PSⅡ?qū)饽艿奈?、傳遞、耗散和分配情況［22］，通過葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)可以了解光合速率變化的內(nèi)在原因。Fv/Fm為暗適應(yīng)下PSⅡ的最大光能轉(zhuǎn)化效率，Cd脅迫下玉米幼苗的Fv/Fm降低，說明PSⅡ原初光化學(xué)活性受到抑制，PSⅡ活性中心受到破壞或損傷［23］。光化學(xué)猝滅系數(shù)（qP），反映葉片捕獲激發(fā)能中應(yīng)用于光化學(xué)反應(yīng)的程度［24］。非光化學(xué)猝滅（N P Q）的變化反映了PSⅡ反應(yīng)中心以熱的形式散發(fā)過多光能的能力大小。PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率（ΦPSⅡ）代表PSⅡ非環(huán)式電子傳遞效率，高ΦPSⅡ有利于提高幼苗的光能轉(zhuǎn)化效率，為暗反應(yīng)的碳同化積累更多的能量。Fv′/Fm′為PSⅡ激發(fā)能轉(zhuǎn)化效率，表示吸收的光能中，用于光化學(xué)反應(yīng)的能量。Cd脅迫下，玉米幼苗葉片ΦPSⅡ，F(xiàn)v′/Fm′下降，說明PSⅡ反應(yīng)中心捕獲激發(fā)能效率下降，PSⅡ的功能受到影響［25］，導(dǎo)致玉米幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心光化學(xué)效率降低。Cd脅迫下Fv/Fm、E T R、qP與Fv′/Fm′、ΦPSⅡ顯著降低，N P Q顯著上升。說明Cd脅迫導(dǎo)致PSⅡ反應(yīng)中心激發(fā)能壓力增加，電子傳遞受阻，吸收的光能中，天線熱耗散的比例增加，用于光化學(xué)反應(yīng)的比例減少，導(dǎo)致葉片光合效率下降，C O2同化能力下降，影響幼苗生長(zhǎng)。進(jìn)一步說明Cd對(duì)葉綠素以及PSⅡ原初光化學(xué)反應(yīng)的破壞是導(dǎo)致玉米幼苗光合速率和生物量降低的主要原因。

Ca2 +作為膜系統(tǒng)的穩(wěn)定劑，與膜結(jié)構(gòu)的完整性密切相關(guān)，而且作為第二信使參與了植物的光合作用以及植物在各種逆境下的滲透調(diào)節(jié)、光周期反應(yīng)等生理過程［9］，與植物的抗逆性密切相關(guān)。已有研究表明，Ca2 +對(duì)減輕Cd毒害也有十分重要的意義［13］。隨營(yíng)養(yǎng)液中鈣濃度增加，玉米幼苗Cd含量下降［26］，Ca2 +可以與Cd競(jìng)爭(zhēng)植物根系上的吸收位點(diǎn)［27］，并能阻止鎘向地上部分運(yùn)輸［13］。本試驗(yàn)結(jié)果也表明，外源施加Ca2 +抑制了Cd脅迫下玉米幼苗葉片中葉綠素的分解，提高了葉片葉綠素a，葉綠素b和總?cè)~綠素的含量，這可能是提高Cd脅迫下光合速率的另一個(gè)重要因素。Ca2 +顯著提高了Cd脅迫下玉米幼苗的Pn、Gs、Tr而降低了Ci，以及提高了Fv/Fm、E T R、Fv′/Fm′、qP、ΦPSⅡ而降低了N P Q。說明外源Ca2 +能提高Cd脅迫下玉米幼苗葉肉細(xì)胞的光合能力，緩解Cd對(duì)PSⅡ的破壞，提高了細(xì)胞內(nèi)C O2的同化效率，最終促進(jìn)玉米幼苗植株的生長(zhǎng)，表現(xiàn)為生物量增加，根冠比降低。這與汪洪等［13］，Zhou和Lin［26］對(duì)Ca能調(diào)控光合功能的研究結(jié)果相似。外源Ca2 +濃度為7.5～10.0 m m ol/L時(shí)，對(duì)Cd脅迫的緩解效果最佳。

光合作用是植物生物產(chǎn)量的主要決定因素之一，Ca2 +處理能有效緩解Cd對(duì)玉米幼苗的傷害，促進(jìn)玉米幼苗在Cd脅迫下的光合作用，從而促進(jìn)植株生物產(chǎn)量的增加。Ca2 +處理使PSⅡ潛在活性和原初光化學(xué)反應(yīng)得到一定程度恢復(fù)，光合電子傳遞速率增加，熱耗散降低，光能利用率增加，促進(jìn)葉綠體對(duì)C O2的吸收利用，提高玉米幼苗葉片的光合作用，加強(qiáng)植株對(duì)碳的固定和同化，增強(qiáng)玉米幼苗對(duì)Cd脅迫的抗性。因此，供鈣對(duì)緩解玉米植株生長(zhǎng)及生理過程中受Cd的影響有重要作用。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)對(duì)Cd脅迫及其緩解作用進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，100 m g/L Cd脅迫使玉米幼苗葉片PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率降低，電子傳遞受到抑制，凈光合速率降低。根部施加適宜濃度（7.5～10.0 m m ol/L）的外源Ca2 +能有效緩解Cd對(duì)光合機(jī)構(gòu)的傷害，增強(qiáng)幼苗葉片對(duì)光的捕獲能力，促進(jìn)光合作用，增加幼苗的生物量，增強(qiáng)玉米幼苗對(duì)Cd脅迫的抗性。

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Effects of exogenous Ca2＋on growth，photosynthetic characteristics and photosystem II function of maize seedlings under cad miu m stress

W A N G Y u-Ping1，2*，C H A N G H ong3，LI Cheng2，LIA N G Yan-Chao2，L U Xiao2
1.Collegeof Horticulture，Gansu Agriculture University，Lanzhou 730070，China；2.Gansu Key Laboratory of Crop Genetic & Germ plasm Enhancement，Gansu Provincial Key Laboratory of Arid and Crop Science，Gansu Agriculture University，Lanzhou 730070，China；3.Gansu Seed Ad ministration Station，Lanzhou 730000，China

To investigate how calciu m relieves cad miu m toxicity in m aize，the effects of exogenous Ca2 +on growth properties，photosynthetic characteristics and chlorophyll fluorescence para m eters of m aize seedlings under cad miu m stress were studied in a pot experim ent.A treatm ent with 100 m g/L of cad miu m obviously inhibited the growth of m aize seedlings，decreased the bio m ass of plants，and decreased the contents of chlorophyll a，b and a + b ofleaves.At the sa m e tim e，the net photosynthetic rate（Pn），sto m atal conductance（Gs），transpiration rate（Tr），the m axim al PSⅡefficiency（Fv/Fm），photosynthetic electron transfer rate（E T R），the efficiency of excitation energy capture by open PSⅡcenters（Fv′/Fm′），photoche mical quenching coeffi-cient（qP），and the actual PSⅡefficiency（ΦPSⅡ）were reduced w hereas the intercellular C O2concentration （Ci）and non-photoche mical fluorescence quenching coefficient（N P Q）were increased under cad miu m stress.Supply of exogenous Ca2 +under cad miu m stress pro m oted the growth of seedlings，increased the bio m ass of plants and raised the contents of chlorophyll a，b and a + b of leaves.At the sa m e tim e，Pn，Gs，Tr，F(xiàn)v/Fm，E T R，F(xiàn)v′/Fm′，qP and ΦPSⅡofleaves tended to be increased with increased exogenous Ca2 +concentration，but Ciand N P Q were reduced.A m ong different Ca2 +application rates，7.5 to 10.0 m m ol/L Ca2 +had the greatest alleviation of Cd toxicity effects.It is suggested that Cd stress led to a decrease in the photoche mical efficiency of PSⅡ，reduction in electron transfer，and reduction in net photosynthetic rate.Exogenous Ca2 +at appropriate concentrations had favorable effects on seedling growth，including enhanced perform ance of the photosynthetic apparatus and capture of solar energy，effectively a m eliorate Cd-induced depression of photosynthesis and enhancing the resistance of m aize seedlings to Cd stress.

cad miu m stress；m aize（Zea mays）；calciu m；photosynthesis characteristics；PSⅡfunction

.E-m ail：wangyp＠gsau.edu.cn

10.11686/cyxb2015239

2015-05-12；改回日期：2015-09-30

國(guó)家自然科學(xué)基金（31060063，31260094）和甘肅省財(cái)政廳高等學(xué)?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助。

王玉萍（1974-），女，甘肅天水人，副教授，博士。E-m ail：wangyp＠gsau.edu.cn