重金屬鉛對(duì)絹毛委陵菜光合特性及熒光參數(shù)的影響

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(東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150040)

我國(guó)約有五分之一的耕地受到重金屬的污染，重金屬污染具有多元性、隱蔽性、一定程度上的長(zhǎng)距離傳輸性和污染后果嚴(yán)重性等特點(diǎn)，其中鉛污染的范圍最廣[1-2]。鉛是一種有毒性的銀白色金屬，對(duì)植物危害嚴(yán)重，已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[3]。近年來(lái)，已有大量關(guān)于重金屬鉛污染對(duì)植物毒害的報(bào)道[4-5]。植物受到鉛毒害后，種子萌發(fā)、胚芽發(fā)育以及植株的生長(zhǎng)進(jìn)程都會(huì)受到影響，嚴(yán)重時(shí)能引起植物矮化，葉片失綠，影響植物對(duì)礦質(zhì)元素的吸收并改變膜結(jié)構(gòu)和滲透平衡，同時(shí)對(duì)葉綠體有一定的損傷，進(jìn)而影響到植物的光合作用[6]。但鉛又是植物生長(zhǎng)的非必需元素，所以土壤中鉛的含量超過(guò)植物的耐受范圍后會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生一系列毒害作用[7]。因此這種重金屬成為目前研究的重點(diǎn)[8]。

土壤的重金屬污染使園林地被植物的生長(zhǎng)受到了極大威脅，進(jìn)而加速了耐重金屬污染園林植物的篩選。在北方地區(qū)，應(yīng)用在城市園林綠化中的地被植物的種類并不多，能適應(yīng)北方干旱、寒冷的種類更加有限。絹毛委陵菜(PotentillasericeaL.)是良好的地被植物，適宜生存的生態(tài)環(huán)境十分廣泛[9]，花色艷麗，栽培管理簡(jiǎn)單，具有較高的園林利用價(jià)值[10]和特別的觀賞效果，且在環(huán)境保護(hù)、水土保持等方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)。目前關(guān)于委陵菜的引種馴化、干旱脅迫等方面有報(bào)道，但重金屬脅迫下光合特性及熒光參數(shù)的變化未見(jiàn)報(bào)道。本試驗(yàn)以絹毛委陵菜為材料，研究絹毛委陵菜光合特性及熒光參數(shù)對(duì)Pb2+脅迫的響應(yīng)機(jī)制，為選擇耐金屬污染植株提供理論依據(jù)，對(duì)修復(fù)土壤重金屬污染，充分挖掘超富集植物具有一定的理論及實(shí)踐指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

絹毛委陵菜為黑龍江省森林植物園提供的野生栽培種。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在東北林業(yè)大學(xué)苗圃基地進(jìn)行盆栽試驗(yàn)(花盆直徑120 mm×高110 mm)，每盆裝土0.25 kg(干質(zhì)量)。將生長(zhǎng)一致、發(fā)育正常的多年生絹毛委陵菜幼苗定植到花盆中，每盆5株。待生長(zhǎng)恢復(fù)后進(jìn)行Pb2+脅迫處理，Pb以Pb(NO3)2的形式加入。處理期間，采用稱重法進(jìn)行水分的控制，使水分處于60%～80%之間，保證植株正常生長(zhǎng)。

重金屬Pb2+脅迫試驗(yàn)設(shè)置0 mg·kg-1、300 mg·kg-1、600 mg·kg-1、1 000 mg·kg-1、1 500 mg·kg-1和2 000 mg·kg-1(以含Pb2+量計(jì)，每組5盆，重復(fù)3次)6個(gè)濃度梯度。分別以CK、Pb 300、Pb 600、Pb 1 000、Pb 1 500、Pb 2 000表示，采用根外澆灌的方法，將Pb(NO3)2以水溶液的形式分5次加入到盆土中，避免重金屬的流失。每10 d后測(cè)定各生理指標(biāo)。共計(jì)50 d。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1光合作用相關(guān)生理因子的測(cè)定 采用美國(guó)Li-Cor公司生產(chǎn)的LI-6400便攜式光合測(cè)定儀測(cè)定光合數(shù)據(jù)，測(cè)量均在上午9:00-11:00，天氣晴朗無(wú)風(fēng)條件下進(jìn)行。測(cè)定時(shí)選取生長(zhǎng)良好、大小相近的葉片，以專用內(nèi)置紅藍(lán)光源控制葉室，光強(qiáng)設(shè)置為1 200 μmol·m-2s-1，CO2濃度設(shè)定為400 μmol·mol-1(使用CO2鋼瓶)。溫度控制在28°C[11]，設(shè)定系統(tǒng)內(nèi)氣流速度為500 μmol·s-1，對(duì)照組和處理組分別選取3片葉子測(cè)定，并做好標(biāo)記，每片葉子每次測(cè)量重復(fù)記錄3組數(shù)據(jù)，然后計(jì)算其平均值。測(cè)定指標(biāo)包括葉片凈光合速率(Pn，μmol CO2·m-2·s-1)、蒸騰速率(Tr，mmol H2O·m-2·s-1)、氣孔導(dǎo)度(Gs，mol H2O·m-2·s-1)、胞間CO2濃度(Ci，μmol CO2·mol-1)。

1.3.2光合熒光參數(shù)的測(cè)定 在植株生長(zhǎng)到最后階段時(shí)，采用美國(guó)LI-Cor公司生產(chǎn)的LI-6400便攜式光合測(cè)定儀，使用熒光葉室，測(cè)定絹毛委陵菜的熒光參數(shù)。測(cè)量條件與測(cè)量光合的條件一致。參照Ralph[12]的方法，將葉片暗適應(yīng)30 min，測(cè)定初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)。從每個(gè)培養(yǎng)盆中選取長(zhǎng)勢(shì)基本一致的絹毛委陵菜的葉片的相同部位做好標(biāo)記并進(jìn)行測(cè)量，獲得3個(gè)以上的平行數(shù)據(jù)。根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算：可變熒光Fv(Fv=Fm-Fo)、PSII最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、PSII潛在活性(Fv/Fo)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

計(jì)算和繪圖采用Excel 2003軟件進(jìn)行，方差分析采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行，多重比較分析和顯著性分析使用Duncan法。

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬鉛脅迫對(duì)絹毛委陵菜光合特性的影響

2.1.1鉛脅迫對(duì)凈光合速率(Pn)的影響 植物的凈光合速率積累的有機(jī)物，是植物進(jìn)行生長(zhǎng)發(fā)育的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，試驗(yàn)結(jié)果表明，Pn會(huì)隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)和濃度的升高呈明顯下降趨勢(shì)。如圖1，在10 d時(shí)，Pb 300與Pb 600有較小幅度的上升，分別上升0.34%，1.07%，Pb 300與Pb 600較對(duì)照組差異性不顯著，Pb2000與其它各組差異性顯著(P<0.05)，Pb 2 000較對(duì)照組下降了24.37%；20 d，30 d時(shí)的變化幅度與第10 d基本相同，Pb 300與對(duì)照組差異性不顯著，20 d時(shí)，Pb 2 000較對(duì)照組差異性顯著(P<0.05)，比對(duì)照組下降了31.69%，30 d時(shí)，Pb 2 000較對(duì)照組下降了50.04%。在重金屬鉛脅迫50 d時(shí)，隨著濃度的增加，Pn的下降趨勢(shì)和下降幅度加快。處理組Pb 300與對(duì)照組相比下降了24.37%，但可以正常生長(zhǎng)。剩余的處理組與對(duì)照組相比均差異性顯著(P<0.05)。各處理組分別比對(duì)照組下降了37.52%，69.41%，75.96%，79.35%。

圖1 鉛脅迫對(duì)葉片凈光合速率的影響Fig.1 Effect of heavy metal lead stress on net photosynthetic rate of leaves注：不同小寫(xiě)字母表示同一時(shí)間不同處理濃度間顯著差異(P<0.05)，下同Note: Different lowercase letters indicate significant difference among different pb concentrations at the same time at the 0.05 level; The same as below

2.1.2鉛脅迫對(duì)氣孔導(dǎo)度(Gs)的影響 氣孔導(dǎo)度指的是氣孔的張開(kāi)程度，葉片氣孔是控制二氧化碳由大氣進(jìn)入葉肉組織以及水分從葉片內(nèi)部擴(kuò)散到周圍空氣中的閥口，其參與植物的多種生理過(guò)程。由圖2可知，絹毛委陵菜受到重金屬鉛的脅迫后，氣孔導(dǎo)度出現(xiàn)下降趨勢(shì)，且濃度越大下降趨勢(shì)越明顯。在第10 d時(shí)，Pb 300較對(duì)照組略微上升，其余處理組隨濃度的升高氣孔導(dǎo)度逐漸下降。20 d時(shí)，Pb 300，Pb 600與對(duì)照組差異性不明顯，其余各組與對(duì)照組相比顯著下降。自30 d開(kāi)始，各處理組之間差異性顯著，呈下降趨勢(shì)。在50 d時(shí)，植株的氣孔導(dǎo)度達(dá)到最低，各處理組分別比對(duì)照組下降了21.81%，62.31%，66.31%，67.19%，74.74%。

圖2 鉛脅迫對(duì)葉片氣孔導(dǎo)度的影響Fig.2 Effect of heavy metal lead stress on stomata conductance of leaves

2.1.3鉛脅迫對(duì)蒸騰速率(Tr)的影響 蒸騰作用承擔(dān)了植物吸收水分和轉(zhuǎn)運(yùn)水分的主要工作，能夠保持細(xì)胞組織形態(tài)完好，且能將光合作用和氧化代謝中產(chǎn)生的多余熱能散到植株體外。如圖3可知，蒸騰速率的變化趨勢(shì)與凈光合速率和葉片氣孔導(dǎo)度的變化趨勢(shì)相似。隨著鉛脅迫濃度的加大蒸騰速率逐漸下降，各處理組與對(duì)照組相比均差異性顯著，處理50 d時(shí)的各個(gè)濃度梯度分別比對(duì)照組降低了43.01%，53.51%，54.54%，57.61%，68.28%；處理組Pb 300，Pb 600，Pb 1 000，Pb 1 500差異性顯著。

圖3 鉛脅迫對(duì)葉片蒸騰速率的影響Fig.3 Effect of heavy metal lead stress on transpiration rate of leaves

2.1.4鉛脅迫對(duì)胞間CO2濃度(Ci)的影響 如圖4可知，胞間CO2濃度與脅迫濃度呈正相關(guān)。10 d，20 d，各處理組與對(duì)照組相比上升趨勢(shì)大致相同，30 d，40 d，50 d上升幅度較大。10 d，20 d時(shí)，Pb 300與對(duì)照組差異性不顯著，其他各處理組與對(duì)照組均差異性顯著(P<0.05)。在30 d時(shí)，Ci急劇上升，各處理組間差異性顯著，分別比對(duì)照上升了8.17%，35.28%，46.01%，54.33%，75.22%。此時(shí)，Pb2000的生長(zhǎng)較其它組生長(zhǎng)緩慢。40 d，50 d時(shí)，各處理組Ci一直在上升，但是上升的幅度基本保持一致。50 d各處理組分別比對(duì)照組增加了13.58%，24.59%，31.37%，43.98%，73.51%，此時(shí)處理濃度Pb 1 000，Pb 1 500，Pb 2 000的植株地上部分已干枯接近死亡。

圖4 鉛脅迫對(duì)葉片胞間CO2濃度的影響Fig.4 Effect of heavy metal lead stress on intercellular CO2 concentration of leaves

2.2 重金屬鉛對(duì)絹毛委陵菜葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

植物在正常情況下，PSII最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)的數(shù)值穩(wěn)定，一般在0.75～0.85之間，這一數(shù)值與物種無(wú)關(guān)，只有在植物受到外界不良環(huán)境脅迫時(shí)，F(xiàn)v/Fm的數(shù)值會(huì)顯著下降[13]。Fv/Fm的值反映了PSII反應(yīng)中心均處于開(kāi)放狀態(tài)時(shí)的量子產(chǎn)量，即PSII的潛在最大量子產(chǎn)量[14]。如圖5，在重金屬脅迫到第50 d時(shí)，處理組Pb300與對(duì)照組PSII最大光化學(xué)效率相比，差異性顯著，其他4個(gè)處理組與對(duì)照組相比均差異性顯著(P<0.05)，分別比對(duì)照組下降了13.75%，21.12%，29.53%，38.63%。說(shuō)明此時(shí)濃度較大的處理組可能導(dǎo)致了PSII反應(yīng)中心失活，而對(duì)絹毛委陵菜的生長(zhǎng)產(chǎn)生了阻礙。

Fv/Fo反映了PSII的潛在活性，是Fv/Fm的另一種表達(dá)方式，同樣表明光化學(xué)反應(yīng)狀況，不同的是Fv/Fo對(duì)脅迫的響應(yīng)更為敏感，變化幅度也更大。如圖6，鉛脅迫下PSII潛在活性隨著濃度的增大逐漸出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，且所有處理組與對(duì)照組相比均差異性顯著(P<0.05)，表明重金屬Pb2+脅迫對(duì)絹毛委陵菜產(chǎn)生了顯著影響。

圖5 鉛脅迫對(duì)PSII最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)的影響Fig.5 Effect of lead stress on maximal photochemical efficiency of PSII (Fv/Fm)

圖6 鉛脅迫對(duì)PSII潛在活性(Fv/Fo)的影響Fig.6 Effect of lead stress on Potential activity of PSII (Fv/Fo)

3 討論與結(jié)論

重金屬脅迫對(duì)地被植物等所造成的破壞作用主要是與受脅迫的時(shí)間長(zhǎng)短以及處理組重金屬濃度的大小有著一定的聯(lián)系[15]。大量研究表明,重金屬對(duì)植物光合作用的影響是通過(guò)干擾呼吸和光合過(guò)程中的電子傳遞、生物酶活性和破壞葉綠體的完整性來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種抑制作用具有時(shí)間和濃度效應(yīng)。植物的凈光合速率一般隨重金屬濃度的升高呈先上升后下降[16]或一直呈下降的趨勢(shì)[17]。在本試驗(yàn)中，隨著脅迫時(shí)間和脅迫濃度的增加，絹毛委陵菜的凈光合速率顯著下降，與牟蘭[18]，楊文權(quán)[19]，Krupa Z[20]的研究結(jié)果一致。劉洋等[21]的研究中表明紅椿(Toonaciliate)幼苗葉片的蒸騰速率隨濃度的增加逐漸下降，李文嬈等[22]也發(fā)現(xiàn)隨著水分脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，紫花苜蓿的蒸騰速率也顯著下降。這與本試驗(yàn)研究結(jié)果一致。氣孔因素和非氣孔因素都會(huì)影響光合速率[23]。Farquhar等[24]認(rèn)為，檢查氣孔因素限制是否為光合速率的原因，要同時(shí)看氣孔導(dǎo)度的大小和胞間CO2濃度的變化。當(dāng)光合速率下降時(shí)，如果兩者同時(shí)下降，說(shuō)明光合速率的降低主要是由于氣孔因素限制所致；如果氣孔導(dǎo)度下降而胞間CO2濃度升高，則表明此時(shí)光合速率下降的主要原因是非氣孔因素限制所致。本試驗(yàn)中，Pn、Gs下降，Ci升高說(shuō)明影響絹毛委陵菜光合速率的原因是非氣孔因素限制。

光合作用是植物體中重要的代謝過(guò)程，而葉片葉綠素?zé)晒馀c光合作用密切相關(guān)，因此將葉綠素?zé)晒鈪?shù)作為光合反應(yīng)中靈敏的指標(biāo)[25]。而Fv/Fm和Fv/Fo值用于度量植物葉片PSII原初光能轉(zhuǎn)化效率和PSII潛在活性，是表明光化學(xué)反應(yīng)狀況的2個(gè)重要參數(shù)[26]。葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化能夠反映外界的環(huán)境脅迫對(duì)植物光合作用各過(guò)程產(chǎn)生的影響[27]。在本試驗(yàn)中，隨著Pb2+處理濃度的增大，葉片最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)明顯下降，且在Pb 1 000，Pb 1 500、Pb 2 000處理時(shí)下降幅度較大，各處理組均與對(duì)照差異顯著。不同濃度的Pb2+脅迫處理對(duì)絹毛委陵菜的Fv/Fm影響不同，原因可能是低濃度處理激發(fā)了植物體內(nèi)鉛的解毒機(jī)制，將Pb2+脅迫對(duì)PSII的抑制作用降到最低。試驗(yàn)結(jié)果表明，絹毛委陵菜的光化學(xué)效率隨著Pb2+脅迫濃度增大，逐漸減小，表明鉛脅迫引起PSII反應(yīng)中心的開(kāi)放程度和捕獲激發(fā)能的效率下降。在Fv/Fm代表光反應(yīng)中心的原初光能轉(zhuǎn)換效率，反映植物體內(nèi)進(jìn)行光合作用的潛在的最大光合能力[28]。本試驗(yàn)中隨著脅迫濃度的增大Fv/Fm逐漸減小，與韓張雄[29]、萬(wàn)雪琴[30]、劉曉靜[31]等的研究結(jié)果保持一致。

在重金屬鉛脅迫下，隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，各處理組光合參數(shù)與對(duì)照是存在顯著差異的。

絹毛委陵菜的Pn、Gs和Tr變化趨勢(shì)隨著脅迫時(shí)間和脅迫濃度的增加逐漸降低，Ci變化趨勢(shì)逐漸升高。此時(shí)非氣孔因素限制是影響絹毛委陵菜光合速率下降的主要原因。熒光參數(shù)Fv/Fm和Fv/Fo顯著下降，表明植物的光合系統(tǒng)受到破壞，光合物質(zhì)合成減少，植物的生長(zhǎng)受到抑制。絹毛委陵菜在一定的脅迫濃度范圍內(nèi)(Pb 300，Pb 600)可以存活，可以考慮將絹毛委陵菜作為重金屬鉛輕微污染地區(qū)的修復(fù)植物。