鎘對不同品種水稻光合作用的影響*

滕振寧，方寶華，劉 洋，何 洋，楊 堅，何小娥，張玉燭**

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鎘對不同品種水稻光合作用的影響*

滕振寧1，2，方寶華2，劉 洋2，何 洋1，2，楊 堅1，2，何小娥1，2，張玉燭2**

（1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙 410128；2.湖南省水稻研究所，長沙 410125）

采用盆栽土培法，以對鎘相對敏感的水稻品種YZX和相對耐受的品種XY-12為材料，通過對人工添加鎘后（土壤中鎘濃度達到5mg·kg-1）水稻齊穂期葉片光合速率的測定，選用直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型和葉子飄新模型對光響應(yīng)曲線進行擬合，探究鎘對不同品種水稻葉片光響應(yīng)特征的影響，并對不同光響應(yīng)模型進行比較。結(jié)果表明，鎘處理后，兩個水稻品種凈光合速率均表現(xiàn)為降低；鎘對兩水稻品種光響應(yīng)曲線參數(shù)的影響存在差異，內(nèi)稟量子效率、最大凈光合速率、光飽和點均受到鎘的影響，較不添加鎘的對照降低，而鎘處理后水稻劍葉光補償點卻大大增加；鎘促進了品種YZX的暗呼吸作用，但對品種XY-12卻表現(xiàn)為抑制作用；總體上，品種XY-12對土壤中鎘的耐受性強于YZX；3種模型模擬的光響應(yīng)曲線均能較好地反映兩品種葉片光合作用的光響應(yīng)特征，但光響應(yīng)參數(shù)與實測值存在差異，直角雙曲線模型和非直角雙曲線模型擬合的最大凈光合速率（Pmax）遠(yuǎn)大于實測值，并且光補償點（LCP）和暗呼吸速率（Rd）與實測值相比存在較大差異，而采用傳統(tǒng)的線性回歸方法得到的光飽和點（LSP）卻遠(yuǎn)低于實測值，葉子飄模型擬合的各項參數(shù)與實測值最為接近，并很好地彌補了其它模型的缺點。因此，該模型在反映水稻在鎘毒害下葉片光合作用的光響應(yīng)特征等方面具有較大優(yōu)勢。

水稻；鎘；光響應(yīng)曲線；光響應(yīng)特征參數(shù)；模型

鎘在地球上存在相當(dāng)稀少且分布十分分散，在自然環(huán)境中不能降解，具有很高的生物累積系數(shù)。同時鎘還具有隱蔽性、滯后性的特點，在大多數(shù)作物未表現(xiàn)出毒害癥狀之前，植株體內(nèi)鎘的累積量已達到很高的濃度。工業(yè)廢氣、廢水、廢渣的排放，污水灌溉，污泥農(nóng)用以及肥料的施用等導(dǎo)致稻田鎘污染日趨嚴(yán)重[1]。水稻是中國種植面積最大的糧食作物，同時也是全球的主要糧食作物之一，過量的重金屬在水稻的根、莖、葉以及籽粒中積累，導(dǎo)致水稻減產(chǎn)，影響稻米品質(zhì)，并可通過食物鏈傳遞，更嚴(yán)重危及動物和人類健康[2]。

植物光合作用是生物界賴以生存的基礎(chǔ)，也是地球碳-氧平衡的重要媒介。目前，已有眾多學(xué)者研究了鎘對植物光合作用的影響，前人研究表明，鎘會引起植物光合速率降低，影響植物光飽和點、表觀量子效率和呼吸速率的高低，且與處理濃度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系[3-6]，鎘污染導(dǎo)致產(chǎn)量降低的原因主要是鎘對光合作用的影響[7]。曾翔[8]研究表明，不同水稻品種存在著鎘耐受性差異，這種耐受性差異是否同樣表現(xiàn)在葉片光合作用上，相關(guān)研究報道還較少見。本研究采用直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型及葉子飄新模型[9]，研究鎘對不同品種水稻齊穂期光合作用的光響應(yīng)特征差異，并對3種主要模型在鎘處理條件下的適用性進行綜合評價，以期為重金屬污染環(huán)境下水稻光合特性研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試品種

通過前期試驗，篩選出對鎘相對敏感的品種YZX和相對耐受的品種XY-12，種子由湖南省某種業(yè)公司提供。

1.2 試驗處理

試驗采用盆栽土培，盆栽土壤選自湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院網(wǎng)室菜園土，土壤類型為第四級發(fā)育紅壤，土壤經(jīng)自然曬干，粉碎機粉碎過篩后裝入長60cm，寬30cm，高20cm的不漏水塑料轉(zhuǎn)移筐中，每筐裝土35kg，以CdCl2·2.5H2O的形態(tài)加入鎘，使土壤中鎘濃度達到5mg·kg-1，以不添加鎘為空白對照，土壤淹水熟化2周。水稻種子浸種催芽后，于2015年6月16日播于無污染的稻田育秧，15d后移栽，單本移栽，每轉(zhuǎn)移筐插2個品種，每品種3蔸，3次重復(fù)。移栽后全生育期土面保持3～5cm水層。N、P2O5、K2O按0.10g·kg-1土計算，分別以尿素、鈣鎂磷肥和氯化鉀投入。

1.3 光響應(yīng)曲線采集方法

在水稻齊穂期（品種XY-12齊穂期為9月8日，YZX齊穂期為8月28日），分別選擇晴天9：00- 11：30對葉片光合速率進行測定，每處理選取3片生長一致、葉色正常、無病蟲害劍葉，測定結(jié)果取平均值。用LI-6400便攜式光合測量系統(tǒng)（LI-COR，美國）、6400-02B LED紅藍(lán)光源葉室進行連體葉片瞬時光合速率(instantaneous apparent photosynthetic rate，IAPR)測定。具體操作方法為，利用 LI-6400自動“l(fā)ight-curve”曲線測定功能，光合光通量密度(photosynthetic photo flux density，PPFD)設(shè)定15個梯度，即0、25、50、100、150、200、300、400、600、800、1000、1200、1400、1600和2000mmol·m-2·s-1，測定一系列葉片凈光合速率(netphotosynthetic rates，Pn)。測定時樣本室CO2濃度為400±1mmol·mol-1，葉片溫度30±0.5℃，空氣相對濕度75%±1個百分點。

1.4 光響應(yīng)模型及參數(shù)擬定

采用的典型植物光合作用光響應(yīng)曲線模型，包括直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型和葉子飄新模型3種，各模型公式分別為

式中，Pn為凈光合速率（mmol·m-2·s-1）；α為表觀量子效率AQY（mmol·mmol-1）；Pmax為最大凈光合速率（mmol·m-2·s-1）；I為光量子通量密度（mmol·m-2·s-1）；Rd為暗呼吸速率（mmol·m-2·s-1）；θ為光響應(yīng)曲線凸度；β和γ為系數(shù)。

曲線擬合及作圖使用Origin8.0軟件，一般數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用Excel軟件。

1.5 光響應(yīng)曲線特征參數(shù)計算

不同鎘濃度下的水稻葉片最大凈光合速率（Pmax）、表光量子效率（AQY）、暗呼吸速率（Rd）均可通過光響應(yīng)曲線模型擬合得到。通過對光通量密度在0～200mmol·m-2·s-1的凈光合速率進行線性回歸，回歸直線與凈光合為0（x軸）和凈光合為Pmax兩條水平線的交點分別為光補償點（LCP）和光飽和點（LSP）。而對于直角雙曲線修正模型，則需要通過式（4）計算LSP，然后將LSP 代入式（3）即可求得其對應(yīng)的Pmax[10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘對不同品種水稻葉片凈光合速率曲線的影響

由圖1可以看出，隨著光通量密度的增大，兩個品種在不同土壤中葉片凈光合速率均表現(xiàn)為逐漸增加的規(guī)律，與CK相比，Cd(鎘)處理土壤中水稻葉片的凈光合速率曲線均有明顯下移。對數(shù)據(jù)進一步分析可見，CK條件下兩個品種的凈光合

速率曲線間無明顯差別，但在同等數(shù)量Cd處理土壤中栽種的YZX品種，其凈光合速率比CK減少了13.2%～95.3%，XY-12品種的凈光合速率比CK減少了7.8%～246.1%；當(dāng)光通量密度達到日常光照強度1000mmol·m-2·s-1時，YZX品種的葉片凈光合速率比對照下降16.2%，XY-12比對照下降7.8%。說明土壤中Cd對兩個水稻品種葉片光合作用均有明顯抑制，且相對來說，XY-12對土壤中鎘的耐受性更強，而YZX對土壤中鎘的影響更敏感。

Note:PPFD is photosynthetic photon flux density. YZX and XY-12 are the codes of two rice varieties. The same as below

2.2 鎘對不同品種水稻葉片光響應(yīng)曲線參數(shù)的影響

3種模型在鎘處理條件下擬合的光響應(yīng)曲線的各個參數(shù)如表1所示。由表可知，兩個品種在鎘處理下測得的最大凈光合速率（Pmax）均較空白對照降低，3種模型擬合結(jié)果一致。將Pmax實測值與光響應(yīng)模型擬合值相比發(fā)現(xiàn)，葉子飄新模型擬合值與實測值最接近，直角雙曲線模型和非直角雙曲線模型的Pmax擬合值均大于實測值，品種YZX在直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型及葉子飄新模型擬合的Pmax值，鎘處理較對照分別降低7.03%、0.62%、13.18%，而品種XY-12則分別較對照減少6.58%、21.64%、11.25%；

表觀量子效率（AQY）是植物對CO2同化的效率，反映了植物光合作用的光能利用效率，AQY的高低代表著光能轉(zhuǎn)化效率的高低。實際測量值與3種模型擬合的結(jié)果表明，AQY受到鎘離子影響而降低，表明鎘降低了水稻對光能的轉(zhuǎn)化能力。品種YZX在直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型及葉子飄新模型擬合的AQY值，鎘處理較對照分別降低34.85%、11.64%、31.01%，而品種XY-12則分別較對照減少0.63%、46.82%、16.95%。

光補償點（LCP）是判定植物利用弱光能力強弱的重要指標(biāo)，該值越小表示利用弱光的能力越強。由表1可見，鎘離子對光補償點產(chǎn)生了影響，鎘處理后，兩個品種實測的LCP均增高，品種YZX在直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型及葉子飄新模型擬合的LCP值，鎘處理較空白分別增加33.52%、524.70%、53.67%，而品種XY-12在直角雙曲線模型及葉子飄新模型擬合的LCP值鎘處理較空白分別增加6.80%和4.03%，非直角雙曲線模型擬合的LCP值鎘處理較空白減少6.37%。光飽和點（LSP）是判定植物利用強光能力的指標(biāo)，其大小代表了植物利用強光能力的強弱。兩個品種的LSP實測值和葉子飄新模型擬合結(jié)果的LSP結(jié)果，鎘處理均較對照降低，而采用線性回歸方法得到的LSP值結(jié)論不一，鎘處理下，品種YZX的LSP值較空白分別增加24.38%、25.73%、19.66%，品種XY-12在直角雙曲線模型及葉子飄新模型擬合的LSP值鎘處理較空白減少2.11%、13.10%，非直角雙曲線擬合的LSP值則表現(xiàn)為鎘處理較空白增加8.12%。

暗呼吸速率（Rd）是指植物在黑暗條件下進行的有氧呼吸的呼吸速率，鎘對水稻劍葉Rd的影響兩品種存在差異。鎘處理下，品種YZX在非直角雙曲線模型及葉子飄新模型擬合的Rd值鎘處理較空白增加444.15%、5.72%，直角雙曲線擬合的Rd值則表現(xiàn)為鎘處理較空白減少11.75%，品種XY-12在非直角雙曲線模型及葉子飄新模型擬合的LSP值鎘處理較空白減少41.44%、11.32%，直角雙曲線擬合的Rd值則表現(xiàn)為鎘處理較空白增加3.09%。

將實測值與光響應(yīng)模型擬合值比較發(fā)現(xiàn)，直角雙曲線修正模型擬合值與實測值最接近，雙曲線模型和非直角雙曲線模型擬合值均與實測值存在差異。

表 1 不同處理兩水稻品種基于3種模型的光響應(yīng)曲線參數(shù)模擬值和實測值

Table 1 Measured and simulated result by 3 models of photosynthetic parameters of two varieties

注：A為直角雙曲線模型，B為非直角雙曲線模型，C為葉子飄新模型，“/”前的數(shù)據(jù)根據(jù)式（4）計算得到，“/”后的LSP數(shù)據(jù)利用曲線0～200mmol·m-2·s-1數(shù)據(jù)進行線性回歸確定。

Note: A is non-rectangular hyperbola model, B is rectangular hyperbola model, and C is new photosynthetic model of Ye Zipiao. The data before“/”of LSP is calculated by formula(4), and the data after“/”is determined by curve simulated by 0-200mmol·m-2·s-1data. Pmaxis the maxium net photosynthetic rate, LSP is the light saturation point, LCP is the light compensation point, Rdis the dark respiration rate, AQY is the apparent quantum yield, R2is the determination coefficient of model.

2.3 鎘對不同品種水稻葉片光響應(yīng)曲線模擬結(jié)果的影響

圖2 三種模型擬合的光響應(yīng)曲線

Fig. 2 Light response curve fitted by 3 models

表2 三種模型擬合的光響應(yīng)曲線方程