重金屬Cd脅迫對元寶楓光合特性的影響

韋忠剛

摘 要：為了研究重金屬Cd對元寶楓光合作用的影響，通過對元寶楓水培苗進行不同濃度的Cd脅迫處理，分析元寶楓葉片中葉綠素含量及其凈光合速率的變化。結(jié)果表明，隨著Cd脅迫濃度的增加，元寶楓葉片中葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量顯著降低，凈光合速率也明顯下降；Cd低濃度脅迫下，元寶楓葉片光飽和點變化不大，Cd高濃度脅迫下，元寶楓葉片光飽和點顯著降低。重金屬Cd脅迫嚴重阻礙了元寶楓葉片的光合作用。

關(guān)鍵詞：元寶楓；葉綠素；光合作用

中圖分類號：S792.35 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.02.025

Abstract： To study the effect of heavy metal Cd on photosynthesis of Acer truncatum， the chlorophyll content and its net photosynthetic rate （P （subscript n）） in leaves of A. truncatum were analyzed by Cd stress treatment. The results showed that the total chlorophyll a， chlorophyll b and the total chlorophyll contents decreased significantly and leaf net photosynthetic rate （Pn） of leaves decreased with the increase of the stress concentration. Under low concentration stress， the light saturation point of A. truncatum leaves changed little， and the light saturation point of A. truncatum leaves decreased significantly under high concentration stress. The photosynthesis of A. truncatum leaves was seriously hindered by heavy metal stress.

Key words： Acer truncatum；chlorophyll；photosynthesis

元寶楓（Acer truncatum）屬槭樹科槭樹屬，是我國特有的樹種，分布范圍廣，變異豐富。元寶楓以其獨特的葉形、葉色等特點受到廣泛關(guān)注，是我國重要的園林綠化樹種和彩色葉樹種，應(yīng)用前途廣泛[1]。隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，重金屬污染帶來的問題日趨增多，已對人類的健康和生存構(gòu)成較大的威脅。土壤重金屬是指密度在5.0 g·cm-3以上的金屬元素，對于植物來說，一些重金屬（如Cu，Zn等）是植物生長發(fā)育進程中的必需微量元素[2]，其缺乏會導(dǎo)致植物產(chǎn)生相應(yīng)的缺素癥，如蘋果小葉病、小麥“穗而不孕”、黃瓜“花而不實”等；但當(dāng)土壤中重金屬含量超過植物所能接受的臨界值時，就會對植物產(chǎn)生脅迫作用，輕則導(dǎo)致植物體代謝過程發(fā)生紊亂，生長發(fā)育受到抑制；重則導(dǎo)致植物死亡，改變植物群落結(jié)構(gòu)[3]。光合作用是生物界最基本的物質(zhì)代謝和能量代謝，重金屬脅迫通過抑制植物的光合作用從而改變植物的生長代謝，且抑制程度與脅迫程度呈正相關(guān)。徐向華[4]研究發(fā)現(xiàn)，商陸成熟葉片葉綠素含量隨Mn2+處理濃度的提高而降低；郭智等[5]通過對龍葵幼苗進行Cd脅迫發(fā)現(xiàn)，其幼苗葉片凈光合速率隨Cd2+濃度的增加比對照下降6.01%～61.71%。眾多研究表明，重金屬脅迫能夠影響葉綠素的合成，且隨著脅迫濃度的增加，膜系統(tǒng)崩潰，葉綠體球形皺縮，會出現(xiàn)大量的脂類小球，導(dǎo)致葉綠體功能遭到破壞，嚴重影響植物的生長發(fā)育[6]。

本試驗通過對元寶楓扦插苗進行不同的Cd脅迫處理，測定其光合生理指標的變化，旨在了解Cd脅迫對元寶楓光合作用的影響，為元寶楓的栽培與引種利用提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試材料為元寶楓種質(zhì)資源匯集與優(yōu)良品種選育課題組選育的元寶楓當(dāng)年生扦插苗。

1.2 試驗方法

試驗于2016年8月在山東省泰安市邱家店鎮(zhèn)西郭莊基地進行。以元寶楓無性系為材料，取15 cm長的插穗在塑料盒中進行水培，不間斷通氣，每盒30株，待生根后轉(zhuǎn)至1/2改良Hoagland營養(yǎng)液中，pH值=6.0，每14 d換一次營養(yǎng)液。培養(yǎng) 7 d后，保留2個葉芽，其余抹去，繼續(xù)培養(yǎng)至28 d。28 d后，選取長勢一致的植株用于Cd2+脅迫處理。稱取定量的CdCl2·2.5 H2O（分析純），以1/2改良Hoagland 營養(yǎng)液配制成50，100 mg·L-1的Cd2+培養(yǎng)液，pH值=6.0；對照組為等量的1/2改良Hoagland 營養(yǎng)液。每處理無性系1株，3次重復(fù)，脅迫處理7 d后測定相應(yīng)指標。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 葉綠素含量測定 葉綠素含量采用丙酮法進行測定。

1.3.2 光合速率日變化測定 采用英國PP-Systems公司產(chǎn)CIRAS-1進行元寶楓凈光合速率日變化測定， 7：00—17：00每隔2 h測定一次。

1.3.3 光合響應(yīng)曲線測定 于晴天的9：00—11：00，用CIRAS-1型便攜式光合測定儀進行光合響應(yīng)曲線測定。采用LED紅/藍光源，設(shè)定光合有效輻射梯度為0（CK處理為等量的1/2改良Hoagland 營養(yǎng)液），50，100，150，200，250，300， 400，500， 600，800，1 000，1 200，1 300，1 400，1 600，1 800 μmol·（m-2·s-1），CO2濃度采用大氣CO2濃度。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel，DPS 7.05，SPSS 13.0進行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd脅迫處理下元寶楓葉片葉綠素含量變化

從表1可以看出，不同質(zhì)量濃度脅迫下，元寶楓葉綠素含量差異顯著；隨著脅迫濃度的增加，元寶楓葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量顯著降低；與對照相比，50 mg·L-1 CdCl2·2.5 H2O處理下葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量分別降低了41%，30.4%，38.6%；100 mg·L-1 CdCl2·2.5 H2O處理下葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量分別降低了96%，38.8%，82.2%?？梢姡亟饘貱d脅迫嚴重降低了葉綠素的合成，且脅迫濃度越高葉綠素含量降低越多，從而影響植物光合作用，阻礙植物的正常生長。

2.2 Cd脅迫處理下元寶楓葉片光合速率日變化

從圖1可以看出，元寶楓葉片的Pn日變化呈單峰型，隨著Cd脅迫濃度的增加，元寶楓葉片的凈光合速率逐漸降低。正常情況下，元寶楓葉片凈光合速率隨光強的增加而升高。在Cd脅迫處理條件下，隨著光強的增加，元寶楓的凈光合速率下降較快，可見，高光強加快了植物的蒸騰作用，使得本身受重金屬毒害的元寶楓失水加重，加上葉綠素合成降低，使得元寶楓葉片凈光合速率下降更明顯。而由于脅迫時間的加重，使得元寶楓葉片傷害程度加深，以至于凈光合速率接近于0，可見，重金屬Cd脅迫嚴重影響了元寶楓的正常生長。

2.3 Cd脅迫處理下元寶楓葉片Pn—PAR響應(yīng)曲線

由圖2可知，元寶楓葉片的Pn—PAR響應(yīng)曲線趨勢相同，凈光合速率均隨光強的增加而升高；與對照相比，Cd脅迫處理下元寶楓凈光合速率較低且下降更為明顯；在輕度Cd脅迫下，元寶楓的Pn—PAR響應(yīng)曲線與對照相比差別不大，通過擬合曲線方程可得，對照元寶楓葉片的LSP為1 321.77 μmol·（m-2·s-1），50 mg·L-1 Cd處理下元寶楓葉片的LSP為1 287.45 μmol·（m-2·s-1），可見，在元寶楓葉片接受相同光照條件下，植物自身的防御系統(tǒng)可以抵御一定逆境脅迫。而在重度脅迫，100 mg·L-1 Cd處理下元寶楓葉片的凈光合速率顯著降低，其葉片的LSP為1 021.64 μmol·（m-2·s-1），光飽和點降低，植物不能利用更多的光，容易產(chǎn)生光抑制，嚴重影響了植物的光合作用，阻礙了元寶楓的正常生長。

3 結(jié)論與討論

重金屬脅迫下植物體內(nèi)產(chǎn)生大量的活性氧自由基，同時，重金屬離子可以替代酶蛋白反應(yīng)活性中心的金屬離子，使酶蛋白變性失活，導(dǎo)致植物死亡[7]。研究發(fā)現(xiàn)，Cd2+可誘導(dǎo)產(chǎn)生活性氧，抑制一些抗氧化酶活性。在煙草中，Cd2+能促進膜脂過氧化，降低SOD，CAT，APX，GR等酶的活性[8]。孫濤等[9]研究認為，Cd2+進入細胞溶質(zhì)后首先引起細胞抗氧化能力瞬時缺失，如引起AsA-GSH循環(huán)2個關(guān)鍵酶GR和APX的瞬時失活，啟動H2O2的積累，進而誘導(dǎo)抗氧化系統(tǒng)的二次防御作用。本試驗研究發(fā)現(xiàn)，重金屬Cd脅迫降低了元寶楓葉片葉綠素含量，進而降低元寶楓葉片的凈光合速率，嚴重阻礙了元寶楓的光合作用。

同時，研究發(fā)現(xiàn)，在重金屬脅迫下，植物呼吸作用紊亂，不僅減少了供給植物正常生命活動的能量，而且還會使一部分能量轉(zhuǎn)移到適應(yīng)逆境變化中，從而抑制植物的生長發(fā)育[10-11]。劉登義等[12]研究發(fā)現(xiàn)，黃豆和小麥種子在Cu和As處理下呼吸強度降低，萌發(fā)需要的能量和產(chǎn)物不足，從而對種子萌發(fā)產(chǎn)生了明顯的抑制作用。0.1 mmol·L-1 Cd處理小麥根部時，對照組和試驗組的呼吸強度基本沒有差異；當(dāng)脅迫濃度增大到1 mmol·L-1時，小麥根部的呼吸作用明顯被抑制。一般認為，低濃度的Cd刺激植物呼吸酶和三羧酸循環(huán)式呼吸增強，而高濃度的Cd使酶活性受到抑制，呼吸作用下降[13]。重金屬污染是目前我國亟待解決的問題之一，而土壤植物修復(fù)技術(shù)是一種新興的治理、緩解土壤重金屬污染并能夠回收土壤中重金屬的技術(shù)手段。由于植物本身的差異及離子毒性效應(yīng)的不同，使得對植物重金屬污染的適應(yīng)機制的研究也變得極為復(fù)雜[14-16]。本試驗通過不同濃度的重金屬處理，研究了其對元寶楓光合作用的影響，但其降低元寶楓葉片葉綠素含量和凈光合速率的機制、通過何種途徑置換了光合電子傳遞鏈中的哪些金屬離子、抑制了哪些光合基因的表達以及如何提高元寶楓抵抗重金屬的能力，還有待于進一步研究。

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