Cd，Ni，Pb對小麥灌漿期葉綠素熒光參數(shù)的影響

張晶，王姣愛，黨建友，裴雪霞，張定一

（山西省農(nóng)業(yè)科學院小麥研究所，山西臨汾041000）

Cd，Ni，Pb對小麥灌漿期葉綠素熒光參數(shù)的影響

張晶，王姣愛，黨建友，裴雪霞，張定一

（山西省農(nóng)業(yè)科學院小麥研究所，山西臨汾041000）

為明確重金屬Cd，Ni，Pb對小麥生長發(fā)育的影響，在土壤內(nèi)分別添加CdCl2，Pb（OAC）2·3H2O和NiCl2· 3H2O進行模擬污染土壤的盆栽試驗，研究了灌漿前期、中期、后期小麥旗葉葉綠素熒光誘導動力學參數(shù)。結(jié)果表明，重金屬Cd，Ni，Pb這3種元素處理下，在灌漿前期葉片光化學活性最強，受傷程度最小，對光能的利用效率最高，但灌漿后期隨著葉片衰老，光合生產(chǎn)能力減弱，無法更好地捕獲光能以吸收更多的光能用以光合作用；Cd2（5 mg/kg），Ni1（50 mg/kg），Pb2（200 mg/kg）處理有利于提高PSⅡ反應中心開放部分的比例，將更多的光能用于推動光合電子傳遞，從而提高光合電子傳遞能力；同時非光化學能量耗散的提高，有助于耗散過剩的激發(fā)能，以保護光合機構(gòu)，緩解環(huán)境對光合作用的影響，可以保持植物葉片較強的營養(yǎng)物質(zhì)合成及運轉(zhuǎn)能力。

重金屬；Cd；Ni；Pb；灌漿期；葉綠素熒光參數(shù)

小麥作為世界上第一大糧食作物，是人類最主要的食物來源，其產(chǎn)量和品質(zhì)直接影響到人類飲食水平的提高和健康安全[1-2]。由于小麥對重金屬元素有一定的富集或生物轉(zhuǎn)化作用，小麥生產(chǎn)中重金屬污染在當今世界備受關注[3]。研究表明，當Cd，Ni，Pb毒害達到一定程度，植株會出現(xiàn)中毒癥狀，導致葉綠素含量下降，呼吸代謝失調(diào)，引起植株生長受阻甚至死亡，嚴重時影響產(chǎn)量[4-7]。目前，國內(nèi)外就重金屬對小麥毒害的研究多集中在幼苗生長、生理生化及分子生物學等方面[8-10]，而關于小麥灌漿期葉綠素熒光動力學參數(shù)的研究鮮見報道。葉片葉綠素熒光參數(shù)可反映作物內(nèi)在特性，現(xiàn)已作為主動式遙感技術(shù)被成功用于監(jiān)測植物的健康和生長狀況[11-12]。

本研究采取盆栽試驗，通過在土壤內(nèi)分別添加CdCl2，Pb（OAC）2·3H2O和NiCl2·3H2O模擬污染土壤，研究灌漿前期、中期、后期小麥旗葉葉綠素熒光誘導動力學參數(shù)，旨在明確重金屬污染對小麥旗葉生理特性的影響。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試小麥品種為晉麥96。

1.2試驗設計

試驗于2014—2015年在山西省農(nóng)科院小麥研究所進行。試驗土壤有機質(zhì)含量11.34 g/kg，堿解氮43.9 mg/kg，速效磷21.7 mg/kg，速效鉀139.0 mg/kg。將CdCl2，Pb（OAC）2·3H2O和NiCl2·3H2O分別均勻添加到耕作層土壤中，各設4個質(zhì)量分數(shù)（表1），同時設不添加為對照（CK）。盆缽大小32cm×22cm，每盆內(nèi)裝土6.5 kg，氮、磷、鉀按照大田施肥量的3倍進行底施，小麥于2014年10月21日播種，每盆15粒，5葉期定苗，每盆10株，4個重復，隨機排列，并且3 d調(diào)換一次盆缽位置，10月29日出苗。生育期內(nèi)采用稱重法控制土壤水分，澆水時間安排在早晨，以免土壤濕度發(fā)生強烈的變化而影響小麥的生長，于5月23日收獲。從小麥開花后（4月18日）起，每隔10 d測定一次葉綠素熒光誘導動力學參數(shù)。

表1 重金屬Cd，Ni，Pb不同處理mg/kg

1.3 葉綠素熒光參數(shù)的測定

在小麥開花后，標記每個處理長勢和大小相似的5片旗葉，每隔10 d，于10：00用脈沖調(diào)制型便攜式熒光儀（PAM-2500）測定葉綠素熒光誘導動力學參數(shù)，整個生育期共測定3次。將葉片充分暗適應30 min，測定暗適應初始熒光（Fo）、最大熒光（Fm）、可變熒光（Fv）、PSⅡ最大光化學效率（Fv/Fm）；然后在自然光下適應20 min，測定光適應下的熒光參數(shù)，每重復測定5次，各個參數(shù)取5次平均值，計算Fv/Fm，F(xiàn)v/Fo，Y（實際量子產(chǎn)量）以及暗適應參數(shù)光化學猝滅系數(shù)（qP）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel和DPS軟件進行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd對小麥灌漿期葉綠素熒光參數(shù)的影響

葉綠素熒光參數(shù)Fv/Fm和Fv/Fo能反映PSⅡ最大光化學效率和潛在活性。由表2可知，灌漿期Fv/Fm和Fv/Fo均呈下降趨勢；灌漿前期Fv/Fm和Fv/Fo均以CK最高，其次依次是Cd2，Cd1，但這3個處理間差異不顯著；灌漿中期Fv/Fm各處理間差異不顯著，F(xiàn)v/Fo以Cd2最高，且其與其余處理間差異達顯著水平；灌漿后期Fv/Fm以Cd2最高，F(xiàn)v/Fo以Cd1最高，且其與其余處理間差異達極顯著水平（除Cd2外）。光化學猝滅（qP）反映的是PSⅡ天線色素吸收的光能用于光化學電子傳遞的份額，要保持高的光化學猝滅就要使PSⅡ反應中心處于“開放”狀態(tài)，所以光化學猝滅又在一定程度上反映了PSⅡ反應中心的開放程度。Y反映的是PSⅡ的實際光合量子產(chǎn)量。灌漿期qP和Y均呈下降趨勢；灌漿前期、中期qP均以Cd2最高，且其與其余處理間差異達顯著或極顯著水平；灌漿后期qP以Cd2最高，且其與Cd4間差異達極顯著水平。灌漿前期Y各處理間差異不顯著，中期、后期均以Cd2最高。

表2 Cd對小麥灌漿期葉綠素熒光參數(shù)的影響

2.2Ni對小麥灌漿期葉綠素熒光參數(shù)的影響

從表3可以看出，灌漿期Fv/Fm，F(xiàn)v/Fo，qP和Y均呈下降趨勢；灌漿前期Fv/Fm和Fv/Fo各處理間差異均不顯著；灌漿中期各參數(shù)均以Ni1最高，且隨濃度增加而降低；灌漿后期均以Ni1最高，且其與其余處理間達顯著或極顯著差異。灌漿期qP以Ni1最高，且其與其余處理間差異達顯著或極顯著水平。Y在灌漿前期、中期各處理間差異均不顯著；灌漿后期以Ni1最高，且其與Ni4間差異達極顯著水平。

表3 Ni對小麥灌漿期葉綠素熒光參數(shù)的影響

2.3 Pb對小麥灌漿期葉綠素熒光參數(shù)的影響

從表4可以看出，灌漿期Fv/Fm，F(xiàn)v/Fo，qP和Y均呈下降趨勢；灌漿前期Fv/Fm，F(xiàn)v/Fo各處理均高于CK，且Pb1，Pb2與CK間差異達顯著水平；灌漿中期Fv/Fm處理間無顯著差異，但均高于CK，且差異達顯著水平，F(xiàn)v/Fo則以Pb1，Pb2較高，且其與CK間差異達極顯著水平；灌漿后期Fv/Fm各處理間無差異，F(xiàn)v/Fo以Pb2最高，且其與Pb3，Pb4和CK間差異達顯著水平。灌漿前期qP以Pb2最高，且其與其余處理間差異達顯著或極顯著水平；灌漿中期除Pb3外，其余處理間無顯著差異；灌漿后期Pb1與CK間差異達顯著水平。灌漿前期、中期Y均以Pb2最高，且其與其余處理間達顯著或極顯著水平；灌漿后期各處理間差異均不顯著。

表4 Pb對小麥灌漿期葉綠素熒光參數(shù)的影響

3 結(jié)論與討論

葉綠素熒光動力學技術(shù)是以光合作用理論為基礎，研究和探測植物光合生理狀況及各種外界因子對其影響的新型植物活體測定的診斷技術(shù)。重金屬污染對植物光合作用的影響是多方面的，利用葉綠素熒光誘導動力學方法可以快速、靈敏、無損傷探測重金屬污染對植物光合作用的影響[13-15]。本試驗通過設置重金屬Cd，Ni，Pb各5個質(zhì)量分數(shù)（含CK），研究了不同質(zhì)量分數(shù)處理對冬小麥灌漿期葉綠素熒光動力學參數(shù)的影響，結(jié)果表明，重金屬Cd，Ni，Pb這3種元素處理下，葉綠素熒光參數(shù)灌漿期Fv/Fm（PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率）、Fv/Fo（PSⅡ的潛在活性）、qP（光化學猝滅系數(shù)）和Y（實際量子產(chǎn)量）均呈現(xiàn)下降的趨勢[16]。前人研究表明，開花后小麥Fv/F，F(xiàn)v/Fo和qP均呈逐漸降低趨勢，這一結(jié)論與本試驗結(jié)論一致。說明在灌漿前期葉片光化學活性最強，受傷程度最小，對光能的利用效率最高，但灌漿后期隨著葉片衰老，光合生產(chǎn)能力減弱，無法更好地捕獲光能以吸收更多的光能用以光合作用。籽粒灌漿期是小麥產(chǎn)量形成的關鍵時期，然而，當籽粒灌漿需要光合產(chǎn)物輸入時，旗葉的光合功能卻在衰退，灌漿后期葉片衰老，光合作用下降。

小麥在灌漿期對Cd的吸收量及吸收速率都很大[17]。本試驗結(jié)果表明，重金屬Cd處理下，灌漿前期Fv/Fm和Fv/Fo均以CK最高，灌漿中期、后期Fv/Fm均以Cd2最高，灌漿期qP以Cd2最高，中期、后期Y均以Cd2最高。說明灌漿前期Cd處理已經(jīng)影響到了旗葉的光化學活性。邵云等[18]研究認為，在灌漿前期Cd對小麥的脅迫效應最明顯，這一結(jié)論與本試驗結(jié)論相同。Cd處理對小麥旗葉造成了一定的損傷，但小麥可以通過自我調(diào)節(jié)，增強呼吸作用來進行修復，在各處理中，Cd2表現(xiàn)出了對重金屬污染很好的抵抗力。過量Ni，Pb會對植物產(chǎn)生毒害，導致葉綠素下降，活性氧代謝失衡[5]。本試驗結(jié)果表明，灌漿前期處理間Fv/Fm和Fv/Fo差異不顯著，灌漿中期、后期均以Ni1最高；qP在灌漿期以Ni1最高，Y在灌漿前期、中期處理間差異均不顯著，后期Y以Ni1最高。說明Ni處理對灌漿前期葉片葉綠素熒光參數(shù)影響較小，隨著灌漿過程的進行，處理間出現(xiàn)了差異，Ni1處理可以有效地使葉片保綠延衰。在Pb的各處理中，灌漿期各處理Fv/Fm和Fv/Fo均高于CK，處理間差異較小，說明一定量的Pb處理可以使小麥旗葉PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率和潛在活性提高；灌漿前期qP以Pb2最高，中期除Pb3外，其余處理間無顯著差異。灌漿前期、中期Y均以Pb2最高，后期處理間差異不顯著，說明Pb2處理下有利于提高PSⅡ反應中心“開放”部分的比例，將更多的光能用于推動光合電子傳遞，從而提高光合電子傳遞能力，以保護光合機構(gòu)，緩解環(huán)境對光合作用的影響。

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Effects of Cd，Ni，Pb on Chlorophyll Fluorescence Parameters of Wheat Leaves during Filling Stage

ZHANGJing，WANGJiaoai，DANGJianyou，PEI Xuexia，ZHANGDingyi
（Institute of Wheat，Shanxi Academy of Agricultural Sciences，Linfen 041000，China）

To clarify the effect of heavy metals Cd,Ni,Pb on growth of wheat,by adding CdCl2,Pb（OAC）2·3H2O and NiCl2·3H2O in the soil,the paper studied chlorophyll fluorescence induction kinetics parameters of the filling early,middle,late with the wheat flag leaves.The results showed that under the three elements treatment,leaf photochemical activity was the strongest,the minimum degree of injury,the most efficient use of light energy by the early filling,but later filling with leaf senescence,photosynthetic capacity weakened, unable to better capture light to absorb more light energy for photosynthesis.Cd2（5 mg/kg）,Ni1（50 mg/kg）and Pb2（200 mg/kg）in favor of increasing the proportion of PS Ⅱ reaction centers open part of the additional energy used to drive the photosynthetic electron transport,thereby improving photosynthetic electron transport capacity,while increase of non-photochemical energy dissipation could help dissipate excess excitation energy,protect the photosynthetic apparatus,mitigate the effects of environment on photosynthesis, maintain a strong plant leaves synthesis and the operating capacity of nutrients.

heavy metals;Cd;Ni;Pb;filling stage;chlorophyll fluorescence parameters

S512.1

A

1002-2481（2016）10-1455-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.10.08

2016-05-26

國家自然科學基金項目（31272258）；國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設專項（山西綜合試驗站）（CARS-03-2-7）

張晶（1984-），女，山西襄汾人，助理研究員，碩士，主要從事小麥生理栽培研究工作。張定一為通信作者。