土壤鋅脅迫對傘房決明生長及生理的影響

余國源, 王佳星, 黃琛斐, 廖飛勇

(中南林業(yè)科技大學(xué)風景園林學(xué)院，湖南 長沙 410004)

鋅是植物必需的微量元素之一，但是過量的鋅則可能會對植物產(chǎn)生毒害作用[1].隨著鋅肥在農(nóng)業(yè)中廣泛使用及鉛鋅礦的開發(fā)和工業(yè)廢水的排放,鋅元素及其化合物大量進入環(huán)境，使得環(huán)境中的鋅元素超過植物正常生長的需要，植物的鋅毒害問題日顯突出.鋅脅迫對植物的危害可以表現(xiàn)在植物生長發(fā)育以及各種生理代謝過程，嚴重的甚至可以導(dǎo)致植物死亡[2]，如貴州某地農(nóng)村煉鋅,竟將周圍300 km的地帶毀損得寸草不生[3].傘房決明(Cassiacorymbosa)為蘇木科決明屬半常綠灌木，原產(chǎn)于西班牙，由成都植物園于1990年引入，之后在重慶、南京、杭州、長沙等地引種應(yīng)用[4]，觀賞效果好，應(yīng)用廣泛.目前對傘房決明在重金屬抗性方面的研究只有鋁脅迫對其種子萌發(fā)與幼苗生長的影響[5]，而鋅脅迫對傘房決明的影響則未見報道，傘房決明對重金屬鋅的抗性以及傘房決明對鋅污染區(qū)域土壤是否具有改良作用缺少相關(guān)的研究.本文以1年生傘房決明實生苗為材料，研究其在5種不同濃度鋅脅迫下的生長和生理指標變化，探討傘房決明的抗性和潛在應(yīng)用前景.

1 材料與方法

1.1 材料

傘房決明(Cassiacorymbosa)種子采自長沙市西湖公園，在中南林業(yè)科技大學(xué)長沙校區(qū)播種培養(yǎng)40 d后，移植到花盆中(直徑280 mm、高300 mm,每盆加入3 kg風干黃土，黃土∶有機質(zhì)營養(yǎng)土=1∶1，盆中土壤Zn2+含量為65 mg·kg-1，黃土取自長沙市天心區(qū)表層土壤)，進行15 d的適應(yīng)性培養(yǎng)后，選取15株生長健康、長勢一致的傘房決明植株進行試驗.

1.2 方法

采用隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)5個處理組，對照組、處理組Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ所加入鋅濃度分別設(shè)置為0、500、700、1 000、1 500 mg·kg-1(土壤干重)，每個處理3次重復(fù).土壤中鋅含量以ZnSO4·7H2O(分析純)水溶液的形式一次性施入相應(yīng)的試驗盆內(nèi)，試驗期間，各處理組的環(huán)境條件和管理條件基本保持一致.分別于脅迫處理后第15、30、45、60 d進行各項生長生理指標的測定，葉綠素熒光參數(shù)參考廖飛勇[6]的方法測定，葉綠素含量采用分光光度法[7]測定，葉片含水量、過氧化物酶(POD)活性、可溶性蛋白質(zhì)含量、可溶性糖含量以及丙二醛(MDA)含量的測定依照陳建勛的方法[8]進行，用卷尺測量高度變化，用游標卡尺測量植株的地徑變化.

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)運用Excel軟件進行整理，用SPSS 20.0軟件進行單因素方差分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同Zn2+濃度處理對傘房決明葉綠素含量的影響

由表1可知，處理15 d后，處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ葉綠素含量略有上升，與對照差異不顯著(P>0.05)，處理Ⅳ明顯低于對照，下降了28.8%，差異達顯著水平(P<0.05).處理60 d后，處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ葉綠素含量相比對照組分別下降了1.8%、35.9%、42.9%；處理Ⅰ的葉綠素含量增加，相比對照組增加了16.2%.

表1 不同Zn2+濃度處理下傘房決明葉綠素含量的變化1)Table 1 Changes of chlorophyll content in C.corymbosa under different Zn2+ concentrations mg·kg-1

1)AT15：處理后第15 d；AT30：處理后第30 d；AT45：處理后第45 d；AT60：處理后第60 d.a、b、c、d、e代表在0.05水平上的差異顯著性.

2.2 不同Zn2+濃度處理對傘房決明葉綠素熒光參數(shù)的影響

2.2.1 對初始熒光Fo的影響 Fo是暗下最小初始熒光，其值表示光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)反應(yīng)中心全部開放時的葉綠素熒光發(fā)射強度，值越大說明PSⅡ中心受到的破壞越嚴重[9].由表2可知，處理后15 d，處理Ⅰ、Ⅱ的Fo值相比對照略微下降但差異不顯著(P>0.05)，而處理Ⅲ、Ⅳ的值則明顯提升，分別為對照的1.10、1.31倍, 處理60 d后，是對照的1.31、1.46倍.處理60 d后，處理Ⅰ的值小于對照，但差異不顯著(P>0.05).

表2 不同Zn2+濃度處理下傘房決明Fo的變化1)Table 2 Changes of Fo in C.corymbosa under different Zn2+ concentrations

1)AT15：處理后第15 d；AT30：處理后第30 d；AT45：處理后第45 d；AT60：處理后第60 d.a、b、c、d、e代表在0.05水平上的差異顯著性.

2.2.2 對Fv/Fm的影響 Fv/Fm是指PSⅡ最大光化學(xué)效率，其變化主要反映了植物光系統(tǒng)Ⅱ的原始光能轉(zhuǎn)換效率[10].Fv/Fm的正常值在0.75～0.85之間，其值下降表明植物的光系統(tǒng)受到外界的脅迫.由表3可知，處理15 d后，處理Ⅰ、Ⅱ的值對比對照有略微上升，處理Ⅲ、Ⅳ則有略微下降，高濃度的鋅對傘房決明產(chǎn)生了影響，處理Ⅲ和Ⅳ之間差異不顯著(P>0.05)，但是處理CK、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ之間差異達顯著水平(P<0.05).處理60 d后，處理Ⅰ的Fv/Fm值略有上升，而其余處理則呈持續(xù)下降趨勢，表明濃度越高，植物受到的脅迫越嚴重.

表3 不同Zn2+濃度處理下傘房決明Fv/Fm的變化1)Table 3 Changes of Fv/Fm in C.corymbosa under different Zn2+ concentrations

1)AT15：處理后第15 d；AT30：處理后第30 d；AT45：處理后第45 d；AT60：處理后第60 d.a、b、c、d、e代表在0.05水平上的差異顯著性(指同一處理時間段，如AT15之間的差異性).

2.2.3 對qP的影響 qP是光化學(xué)淬滅系數(shù)，即PSⅡ反應(yīng)中心的開放程度，其值越大，植物對光能的利用效率就越高[11].由表4可知，處理15 d后，處理Ⅰ的qP值略有升高；其他處理的qP值則下降，且濃度越高，值越低.處理60 d后，處理Ⅰ的qP值相比對照升高了3.1%，處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的qP值分別降至對照的68.1%、57.1%、45.2%，且與對照的差異均達顯著水平(P<0.05).

表4 不同Zn2+濃度處理下傘房決明qP的變化1)Table 4 Changes of qP in C.corymbosa under different Zn2+ concentrations

1)AT15：處理后第15 d；AT30：處理后第30 d；AT45：處理后第45 d；AT60：處理后第60 d.a、b、c、d、e代表在0.05水平上的差異顯著性.

2.2.4 對ETR的影響 ETR反映實際光強條件下的表觀電子傳遞效率[12].由表5可知，處理Ⅰ呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢，均高于對照，處理60 d后是對照組的1.18倍，與對照的差異達到顯著水平(P<0.05).處理Ⅱ ETR值在處理后15 d略微上升，之后呈現(xiàn)下降趨勢；處理Ⅲ、Ⅳ在處理開始后也呈現(xiàn)下降趨勢.處理60 d后處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的ETR值分別為對照的87.9%、63.0%、41.2%，與對照相比均差異顯著(P<0.05).表明低濃度的鋅處理促進了光合電子的傳遞速，高濃度的鋅脅迫則降低光合電子的傳遞速率，從而會降低光合速率.

表5 不同Zn2+濃度處理下傘房決明ETR的變化1)Table 5 Changes of ETR in C.corymbosa under different Zn2+ concentrations μmol·m-2·s-1

1)AT15：處理后第15 d；AT30：處理后第30 d；AT45：處理后第45 d；AT60：處理后第60 d.a、b、c、d、e代表在0.05水平上的差異顯著性.

2.3 不同Zn2+濃度處理對傘房決明光合速率的影響

由表6可知，處理Ⅰ的凈光合速率呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢，且均高于對照，處理60 d后增加了54.6%，與對照相比差異顯著(P<0.05).處理Ⅱ、Ⅲ的凈光合速率較在處理15 d后出現(xiàn)短暫的上升，之后呈下降趨勢，其中處理Ⅱ一直高于對照組，而處理Ⅲ后期下降明顯，處理Ⅳ的光合速率則在處理開始后下降明顯.處理60 d后，處理Ⅲ、Ⅳ的光合速率值分別為對照的59.2%、19.2%，高濃度的鋅明顯降低了傘房決明的光合速率(P<0.05).

表6 不同Zn2+濃度處理下傘房決明光合速率的變化1)Table 6 Changes of photosynthetic rate in C.corymbosa under different Zn2+ concentrations μmol CO2·m-2·s-1

1)AT15：處理后第15 d；AT30：處理后第30 d；AT45：處理后第45 d；AT60：處理后第60 d.a、b、c、d、e代表在0.05水平上的差異顯著性.

2.4 不同Zn2+濃度處理對傘房決明氧化物酶(POD)活性的影響

POD是植物抵御活性氧傷害的重要保護酶類，可清除植物體內(nèi)因外界脅迫產(chǎn)生的超氧自由基、過氧化物或減少羥基自由基形成，在植物抗性方面有重要作用[13].由表7可知，處理15 d后，處理Ⅰ的POD活性稍高于對照，但差異不顯著(P>0.05)；而處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ與對照的差異則達到顯著性水平(P<0.05).處理60 d后，處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別是對照的1.35、1.40、1.81、2.08倍.4個處理的POD活性均大于對照，且處理濃度越高，處理時間越長，POD活性越強.

表7 不同Zn2+濃度處理下傘房決明POD活性的變化1)Table 7 Changes of POD activity in C.corymbosa under different Zn2+ concentrations U·g-1·min-1

1)AT15：處理后第15 d；AT30：處理后第30 d；AT45：處理后第45 d；AT60：處理后第60 d.a、b、c、d、e代表在0.05水平上的差異顯著性.

2.5 不同Zn2+濃度處理對傘房決明可溶性蛋白含量的影響

可溶性蛋白是調(diào)節(jié)植物細胞滲透勢的重要物質(zhì)之一，其含量的高低影響植物水分的吸收和散失，在一定程度上可以使植物免受或減少因外界脅迫而造成的傷害[14].由表8可知，脅迫開始后，處理Ⅰ的可溶性蛋白含量呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢，且均大于對照，差異達到顯著水平(P<0.05).處理Ⅱ的可溶性蛋白含量在處理初期后略有升高，之后逐漸下降.處理Ⅲ、Ⅳ的含量則一直下降，處理60 d后，處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的含量分別比對照下降了1.4%、7.3%、14.2%.

表8 不同Zn2+濃度處理下傘房決明可溶性蛋白含量的變化1)Table 8 Changes of soluble protein content in C.corymbosa under different Zn2+ concentrations mg·g-1

1)AT15：處理后第15 d；AT30：處理后第30 d；AT45：處理后第45 d；AT60：處理后第60 d.a、b、c、d、e代表在0.05水平上的差異顯著性.

2.6 不同Zn2+濃度處理對傘房決明可溶性糖含量的影響

可溶性糖是植物體內(nèi)儲藏的主要物質(zhì)，也是逆境條件下植物細胞起滲透調(diào)節(jié)作用的物質(zhì)之一[14].表9表明，處理Ⅰ的可溶性糖含量呈現(xiàn)上升趨勢，在60 d后達到最高值，是對照的1.32倍，與對照相比差異顯著(P<0.05).處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ在處理15 d后，可溶性糖含量稍增加，但與對照相比差異不顯著(P>0.05)，30 d后則又下降，60 d值最低，達到最低值，分別是對照的88.1%、87.6%、52.4%.

2.7 不同Zn2+濃度處理對傘房決明丙二醛(MDA)含量的影響

在受到脅迫時，植物體內(nèi)活性氧代謝平衡被打破而導(dǎo)致膜脂過氧化，丙二醛(MDA)就是膜脂過氧化的產(chǎn)物[15].由表10可知，處理Ⅰ的MDA含量一直略高于對照，但差異未達到顯著性水平(P>0.05).處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ在處理15 d后，MDA含量分別是對照的1.02、1.15、1.40倍，處理60 d后，分別是對照的1.24倍、1.64倍和2.15倍.這表明鋅脅迫增加植物體內(nèi)MDA含量，時間越長、濃度越高其值增加也越大.

表9 不同Zn2+濃度處理下傘房決明可溶性糖含量的變化1)Table 9 Changes of soluble sugar content in C.corymbosa under different Zn2+ concentrations mg·g-1

1)AT15：處理后第15 d；AT30：處理后第30 d；AT45：處理后第45 d；AT60：處理后第60 d.a、b、c、d、e代表在0.05水平上的差異顯著性.

表10 不同Zn2+濃度處理下傘房決明MDA含量的變化1)Table 10 Changes of MDA content in C.corymbosa under different Zn2+ concentrations μmol·g-1

1)AT15：處理后第15 d；AT30：處理后第30 d；AT45：處理后第45 d；AT60：處理后第60 d.a、b、c、d、e代表在0.05水平上的差異顯著性.

2.8 不同Zn2+濃度處理對傘房決明植株形態(tài)的影響

在遭受不同濃度鋅脅迫60 d后，傘房決明的植株形態(tài)發(fā)生了明顯變化.由表11可知，處理60 d后，各處理組植株高度分別增長了0.231、0.361、0.305、0.184、0.096 m，地徑分別增長了0.246、0.303、0.277、0.240、0.188 cm.其中，處理Ⅰ、Ⅱ的植株高度和地徑增長量均大于對照，并且處理Ⅰ的增長幅度更大，說明傘房決明在500 mg·kg-1的鋅處理條件下的長勢優(yōu)于700 mg·kg-1的鋅處理.處理Ⅲ、Ⅳ的植株高度和地徑增長量要低于對照組，說明此時植物的生長已經(jīng)受到了鋅脅迫的毒害，且濃度越高，毒害越嚴重.根據(jù)觀察，在鋅脅迫處理開始后，處理Ⅰ、Ⅱ傘房決明的植株長勢健康，枝葉繁茂；處理Ⅲ、Ⅳ長勢明顯不如對照，與對照相比植株低矮，出現(xiàn)葉片發(fā)黃掉落的現(xiàn)象，處理Ⅳ脅迫21 d后，有一盆植株已經(jīng)完全死亡.

表11 不同Zn2+濃度處理下傘房決明植株形態(tài)的變化1)Table 11 Changes of plant appearance of C.corymbosa under different Zn2+ concentrations

1)AT15：處理后第15 d；AT30：處理后第30 d；AT45：處理后第45 d；AT60：處理后第60 d.a、b、c、d、e代表在0.05水平上的差異顯著性.

3 討論

3.1 不同Zn2+濃度處理對傘房決明光能捕獲的影響

葉綠素是植物進行光合作用的重要場所，其含量的變化影響植物的光合轉(zhuǎn)換能力.由表1可知，在重金屬鋅脅迫下，處理Ⅰ的葉綠素含量呈現(xiàn)上升趨勢，處理15 d后，處理Ⅱ和處理Ⅲ也曾出現(xiàn)短暫的上升，表明低濃度的鋅會提高植物合成葉綠素的酶活性[16]，從而促進傘房決明體內(nèi)葉綠素的合成，提高其捕獲光能的能力.處理30 d后，處理Ⅱ、處理Ⅲ和處理Ⅳ葉綠素含量呈下降趨勢，這點與植物凈光合速率的變化趨勢相一致，說明重金屬鋅在植物體內(nèi)積累到一定程度，就會超過植物的耐受范圍，植物葉片大量失水，而葉片組織在水分缺乏時，葉綠素的合成會受到抑制[17]，從而使傘房決明的葉綠素總量下降，最終導(dǎo)致葉片的光能捕獲能力和光合速率減弱.

3.2 不同Zn2+濃度處理對傘房決明光能轉(zhuǎn)換、傳遞與固定的影響

初始熒光Fo是指充分暗適應(yīng)條件下的PSⅡ反應(yīng)中心全部開放時的葉綠素熒光發(fā)射強度[9].由表2可知，隨著脅迫時間的增加和重金屬鋅的積累，處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的Fo值呈現(xiàn)上升趨勢，可能是由于受到鋅脅迫時形成傳遞電子的能量減少，熒光發(fā)射的能量增加，破壞了PSⅡ反應(yīng)中心而使Fo水平增加[18]；而處理Ⅰ表明低濃度的鋅積累可能刺激了傳遞電子的增加，從而提升了傘房決明的光合作用，對傘房決明的生長起到了一定的促進作用.

光合作用的光抑制一般表現(xiàn)為最大熒光或者可變熒光的降低，F(xiàn)v/Fm值常用于衡量葉片光合系統(tǒng)Ⅱ原初光能轉(zhuǎn)化效率及PSⅡ潛在活力[11].與對照相比，低濃度的處理Ⅰ使傘房決明的Fv/Fm值略微提高，而高濃度的鋅脅迫則顯著減弱了傘房決明的Fv/Fm水平，處理60 d后，處理Ⅲ、Ⅳ的Fv/Fm值相比對照下降了8.7%、25.9%.這表明高濃度重金屬鋅的積累使得PSⅡ反應(yīng)中心受到損害，阻礙了光合電子的傳遞，不利于傘房決明把捕獲的光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，以提供植物生長所需要的有機物.

qP值反映的是PSⅡ反應(yīng)中心的開放程度.由表4可知，低濃度的鋅顯著提升了傘房決明的qP值，而重金屬鋅的累積則降低了傘房決明的qP值，差異達到顯著水平.說明傘房決明植株體內(nèi)的鋅累積超過一定范圍后，抑制了PSⅡ反應(yīng)中心的開放程度，植物用于光反應(yīng)的能量下降，降低了植物的光能利用率.

ETR為表觀電子傳遞速率，反映的是葉片所捕獲的光能中，用于光合電子傳遞的能量所占的比例.由表5可知，低濃度的鋅處理使傘房決明的ETR值增加，植物用于傳遞電子的能量增加.高濃度鋅累積則顯著降低了傘房決明的ETR值，表明PSⅡ反應(yīng)中心用于轉(zhuǎn)化光能的實際電子數(shù)量也在降低.

凈光合速率的變化表明，在處理15 d后，處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的凈光合速率相比對照增加了21.3%、64.8%、47.3%，之后處理Ⅰ、Ⅱ均大于對照，而處理Ⅲ呈現(xiàn)急劇下降趨勢，說明低濃度的鋅處理有助于傘房決明的把捕獲的光能固定，加強了植物通過光合作用為植物生長提供有機物的能力，而高濃度的鋅處理則極大地限制了這種能力.

3.3 傘房決明對不同Zn2+濃度處理的生理適應(yīng)機理

很多研究表明，在重金屬脅迫下，植物葉片的POD活性增強[19].POD是一種含F(xiàn)e的金屬蛋白，是植物體內(nèi)重要的代謝酶，能催化有毒物質(zhì)的分解，其活性的高低可以反映植物遭受毒害的程度[20].本試驗中，傘房決明的POD活性隨著處理濃度、脅迫時間的增加而增加，說明植物體內(nèi)因重金屬鋅脅迫而產(chǎn)生的活性氧增多，以清除體內(nèi)過剩的自由基，從而提高植物體對鋅脅迫的抗性.

高含量的可溶性蛋白可幫助維持植物細胞較低的滲透勢，抵抗外界脅迫導(dǎo)致的水分散失，抗逆性強的植物種類或品種的可溶性蛋白含量一般較高[21].由表8可知，處理Ⅰ的可溶性蛋白含量在處理開始后呈現(xiàn)升高趨勢，與對照相比差異顯著(P<0.05)，處理Ⅱ在15 d后可溶性蛋白含量也有所增加，說明低濃度的鋅導(dǎo)致植物的可溶性蛋白含量增加，提高了植物內(nèi)部的代謝活躍程度，減輕重金屬的毒害.而處理Ⅲ、Ⅳ的可溶性蛋白含量在脅迫開始后相比對照則下降較少，可能是高濃度的鋅脅迫抑制了植物內(nèi)部的代謝活躍程度，導(dǎo)致植物細胞失水過多，降低了植物細胞滲透勢所致[22].

可溶性糖是植物體內(nèi)主要的能源供給物質(zhì)，在植物受到脅迫時，也能起到調(diào)節(jié)植物細胞滲透勢的作用[14].由表9可知，低濃度的鋅脅迫下，傘房決明的可溶性糖含量逐漸增加，高濃度的鋅處理時則持續(xù)下降.這表明一定濃度的鋅可以提高植物細胞的滲透調(diào)節(jié)能力，保護植物細胞免受傷害，同時給植物提供能源物質(zhì)以維持原有的生理機能，抵御重金屬的毒害，而過量的鋅則限制了這種能力.MDA是反映植物受到外界脅迫時，質(zhì)膜受傷害程度的主要指標[19].由表10可知，試驗開始后，傘房決明的MDA含量隨著脅迫時間和處理濃度的增加而增加.說明在受到重金屬鋅脅迫后，植物體內(nèi)活性氧代謝平衡被打破，產(chǎn)生大量的自由基，自由基通過膜脂過氧化反應(yīng)對細胞造成傷害，使細胞膜的整體性發(fā)生變化，從而干擾細胞內(nèi)正常的生命活動，鋅的濃度越高，這種干擾活動越大.

綜上所述，在低濃度的鋅脅迫下，傘房決明的自我調(diào)節(jié)能力較強，葉綠素含量、凈光合速率、電子傳遞速率、可溶性糖含量和可溶性蛋白含量增加，植物內(nèi)部光合作用和代謝活動更活躍，植物對于光能捕獲、轉(zhuǎn)換與固定能力上升，細胞滲透調(diào)節(jié)能力增強，植物依靠自身的保護酶系統(tǒng)的調(diào)節(jié)在形成重金屬自我抵御機制的同時，促進了自身的生長.在高濃度鋅脅迫下，傘房決明的Fo值、MDA含量持續(xù)上升，正常生理代謝受到抑制，雖然高濃度鋅脅迫下，植物葉片POD活性增加，激發(fā)了植物的保護酶系統(tǒng)，但滲透調(diào)節(jié)能力和光合轉(zhuǎn)化能力下降嚴重，植株仍受迫害嚴重，甚至出現(xiàn)植株個體死亡的情況.

由此表明，傘房決明對鋅脅迫表現(xiàn)出較強的抗性，在低濃度鋅脅迫下，傘房決明的自身調(diào)節(jié)和恢復(fù)能力較強，而高濃度的鋅脅迫則對植物的生長產(chǎn)生了毒害作用.植物對重金屬土壤的適應(yīng)較為復(fù)雜，不僅與土壤重金屬含量有關(guān)，同時也與個體生長狀態(tài)有關(guān).本試驗研究了在不同濃度鋅脅迫下，傘房決明的抗性以及生理適應(yīng)機理，至于重金屬鋅在傘房決明體內(nèi)的吸收情況如何，是否是一種潛在的超富集植物，還有待進一步研究.