外源茉莉酸對(duì)菊芋鎘脅迫下光合特性及鎘積累的影響

張 云 王丹媚 王孝源 任晴雯 唐 可 張麗宇 吳玉環(huán) 劉 鵬,*

1 浙江師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院, 浙江金華 321004; 2 杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 浙江杭州 310036; 3 中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所, 遼寧沈陽 110016

鎘(Cadmium, Cd)在環(huán)境中無法降解, 毒性強(qiáng)易遷移, 是重金屬污染的研究熱點(diǎn)[1]。隨著城市化和工業(yè)化發(fā)展, 我國遭到破壞的農(nóng)田已有近2000萬公頃,鎘污染面積就達(dá)56.65%[2]。植物對(duì)它的吸收主要依賴其土壤中的存在形態(tài), 南方紅壤酸度較低[3], 各類結(jié)合態(tài)和穩(wěn)定態(tài)的鎘易轉(zhuǎn)變?yōu)榛顫姷慕粨Q態(tài), 這大大增加了有效態(tài)鎘的遷移[4]。被污染的農(nóng)作物一旦隨食物鏈進(jìn)入人體, 則會(huì)嚴(yán)重危害生命健康[5]。現(xiàn)階段, 生物修復(fù)技術(shù)存在超富集植物種類有限、生長周期長、生物量小等問題, 在實(shí)際應(yīng)用中無法發(fā)揮優(yōu)勢(shì)[6]。正因如此, 發(fā)掘更多富集型作物以及尋找減輕鎘對(duì)植物毒害的方法已經(jīng)刻不容緩。

菊芋(Helianthus tuberosusL.)別名洋姜, 菊科(Compositae)向日葵屬(Helianthus)多年生草本植物,具有生長繁殖快、生物量大等特點(diǎn), 能生存于各種條件苛刻的自然環(huán)境[7]。遼寧沿海地區(qū)對(duì)其大面積種植改良遼南灘涂鹽堿土地, 極大增加了土壤利用率; 此外, 當(dāng)?shù)仄髽I(yè)采用深加工解決菊糖供不應(yīng)求的問題, 積極帶動(dòng)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展[8]。李俊凱等[9]在探究南京市某鉛鋅礦場內(nèi)14種優(yōu)勢(shì)物種時(shí)發(fā)現(xiàn), 它還能吸附鎘、鉻、銅、錳、鉛和鋅6種重金屬。陳良等[2]也發(fā)現(xiàn), 南芋5號(hào)具有較強(qiáng)的土壤鎘修復(fù)能力。由此可見, 菊芋的開發(fā)潛力不可忽視, 其在改善土壤重金屬污染問題中應(yīng)用前景廣闊。

茉莉酸(jasmonic acid, JA)是一類植物內(nèi)源信號(hào)物質(zhì), 由α-亞麻酸代謝, 具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)[10], 能有效改善生物修復(fù)法中作物生長緩慢、產(chǎn)量低、修復(fù)周期長的缺點(diǎn)[11]。Ali等[12]在提高油菜(Brassica campestrisL.)鎘耐受性時(shí)發(fā)現(xiàn), 25 μmol L-1的JA是一種“脅迫改善分子”, 可以減少葉片對(duì)鎘的吸收,提高脅迫相關(guān)抗氧化酶活性, 保護(hù)葉綠體免受活性氧(reactive oxygen species, ROS)損傷, 植株光合產(chǎn)物增加, 對(duì)抗鎘的能力得以增強(qiáng)。目前, 關(guān)于菊芋非生物脅迫的研究主要集中在耐鹽堿和耐干旱領(lǐng)域,有關(guān)其耐鎘機(jī)制的涉足較少, 且尚未見使用JA緩解鎘污染對(duì)菊芋幼苗生長毒害的相關(guān)報(bào)道?；谏鲜霰尘? 本研究選用耐鎘性差異較大的2個(gè)品種菊芋作為試驗(yàn)對(duì)象, 設(shè)置低、中、高(75、150、300 mg kg-1)3個(gè)水平的鎘濃度, 模擬土培脅迫, 采用25 μmol L-1的JA作為緩解因子, 探究該濃度JA對(duì)不同程度鎘處理下菊芋的生長指標(biāo)、光合特性以及鎘積累的影響, 旨在為揭示外源JA提升植物抗鎘機(jī)制奠定理論基礎(chǔ), 也為種植菊芋修復(fù)土壤鎘污染提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)于2018年6月至2020年7月在浙江師范大學(xué)生物園和植物學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行, 前期以河南開封、四川成都、湖北咸寧、山東濰坊、四川資陽、重慶、江西宜春、陜西榆林、江蘇徐州、河北保定10個(gè)不同地區(qū)的菊芋進(jìn)行篩選, 植株塊莖均在生物園內(nèi)種植1年以上。最終經(jīng)簡單序列重復(fù)區(qū)間擴(kuò)增(inter-simple sequence repeat, ISSR)鑒定遺傳多樣性和耐鎘性分析, 選用親緣關(guān)系較遠(yuǎn)且耐鎘差異大的榆林菊芋和成都菊芋作為研究材料, 進(jìn)行脅迫處理以及葉面噴施JA緩解試驗(yàn)。參照鮑士旦[13]的方法測定供試土壤基本理化性質(zhì): pH 5.83, 有機(jī)質(zhì)21.71 g kg-1, 全氮0.64 mg kg-1, 堿解氮26.13 mg kg-1, 速效磷58.47 mg kg-1, 速效鉀144.79 mg kg-1, 全鎘1.38 mg kg-1, 有效鎘0.95 mg kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2019年8月30日, 挑選大小相似且具有較多芽眼的菊芋塊莖, 流水洗凈后用蒸餾水沖洗3遍, 采用0.05%的多菌靈進(jìn)行表面消毒。隨后播種于沙盤中, 將環(huán)境溫度設(shè)置為25℃, 光照強(qiáng)度125 μmol m-2s-1, 光暗交替時(shí)間為12 h/12 h, 濕度為(60±5)%,待幼苗長至6 cm大小時(shí)移栽入花盆進(jìn)行脅迫試驗(yàn)。設(shè)置以下8個(gè)處理組: (1) CK組(未加鎘); (2) 75Cd組(75 mg kg-1Cd); (3) 150Cd組(150 mg kg-1Cd); (4)300Cd組(300 mg kg-1Cd); (5) JA組(25 μmol L-1JA);(6) 75Cd+JA組(75 mg kg-1Cd+25 μmol L-1JA); (7)150Cd+JA組(150 mg kg-1Cd+25 μmol L-1JA); (8)300Cd+JA組(300 mg kg-1Cd+25 μmol L-1JA)。鎘離子的供給采用CdCl2·2.5H2O水溶液形式, 濃度以純鎘計(jì)算。將pH調(diào)節(jié)至4.5, 每盆施加100 mL, 花盆底部流出的液體需倒回盆內(nèi)。使用25 μmol L-1的JA均勻噴灑葉片正反面, 直至有水珠形成, CK組噴施等量蒸餾水。每組設(shè)9個(gè)重復(fù), 每盆定植1株菊芋,花盆(內(nèi)徑15 cm, 高10 cm)盛土量為2 kg, 采用南方紅壤作為育苗基質(zhì), 沙和土的比例為2∶3。每天上午9時(shí)每盆噴施JA溶液20 mL, 下午5時(shí)澆灌50 mL的1/2 Hongland營養(yǎng)液。脅迫的第7、14和21天測定菊芋的葉綠素含量和氣體交換參數(shù), 21 d后測定生長指標(biāo)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)以及各器官的鎘含量。試驗(yàn)所用鎘濃度和JA濃度均由文獻(xiàn)參考[2,7,10,12]及大量預(yù)試驗(yàn)所得。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 形態(tài)學(xué)指標(biāo) 每個(gè)重復(fù)隨機(jī)選取3株菊芋,去離子水洗凈后用濾紙將表面水分吸干。采用精度為0.1 cm的直尺測量主根長度, 根莖基部到最高頂部的絕對(duì)距離為其株高。選取生長點(diǎn)下3~5片功能葉, 隨后使用Li-3000C葉面積儀測定葉面積, 最后再通過ImageJ軟件進(jìn)行分析計(jì)算。將植株置于105℃殺青20 min, 隨后調(diào)節(jié)到80℃烘干至質(zhì)量恒定, 分析秤稱量。各項(xiàng)結(jié)果以平均值為準(zhǔn)。

1.3.2 光合指標(biāo) 選取幼苗生長點(diǎn)下第3片新葉,利用SPAD-502PLUS葉綠素儀測定其葉綠素的相對(duì)含量[14]。上午8:00—11:00光線充足期間, 采用Li-6400便攜式光合作用測量儀測定葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)以及蒸騰速率(Tr), 葉室溫度設(shè)置為25℃, 光照強(qiáng)度1500 μmol m-2s-1, CO2量濃度控制為(400±5) μmol mol-1, 相對(duì)濕度為70%左右[15]。植株進(jìn)行暗處理30 min, 隨后使用葉綠素?zé)晒鈨xPAM-210測定葉片的初始熒光(Fo), PSII有效光化學(xué)電子產(chǎn)量(Fv/Fm),光化學(xué)猝滅系數(shù)qP), 非光化學(xué)猝滅系數(shù)(qN)以及光合相對(duì)電子傳遞速率(ETR), 每個(gè)處理至少選取4個(gè)葉片[16]。

1.3.3 鎘富集及轉(zhuǎn)移系數(shù) 取樣后用蒸餾水洗凈根、莖、葉, 恒溫烘干研磨, 與土壤樣品分別過20目篩(20孔/645.16 mm2), 采用HNO3-HClO4(體積比為3∶1)進(jìn)行濕法消解。各試樣經(jīng)水相針式濾器過濾,使用火焰原子吸收分光光度計(jì)進(jìn)行測定, 最后帶入標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算鎘含量, 每個(gè)樣品重復(fù)3次。生物富集率(bioconcentration factor, BCF)=植物組織中Cd含量/土壤中的Cd含量。轉(zhuǎn)移系數(shù)(translocation factor, TF)=葉或莖中Cd含量/根中Cd含量[15]。

1.3.4 葉片鎘離子分布 將洗凈的新鮮葉片浸泡于2 mmol L-1熒光探針(Probe)與有機(jī)溶劑DMSO的混合液中30 s, 迅速取出置于激光共聚焦顯微鏡下成像, 觀察鎘離子的分布情況[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2019整理數(shù)據(jù)及繪制圖表,借助SPSS 22.0進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)(P<0.05),采用最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行多重比較, 使用Origin 9.0軟件繪圖以及Photoshop進(jìn)行圖像調(diào)整。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源JA對(duì)菊芋鎘脅迫下生長特性的影響

葉面噴施25 μmol L-1JA不僅有利于植株生長,而且對(duì)鎘脅迫下菊芋各形態(tài)學(xué)指標(biāo)的恢復(fù)具有促進(jìn)作用(表1)。無鎘條件下, 2個(gè)品種菊芋JA組株高出現(xiàn)一定程度增加, 成都菊芋的葉面積和根長顯著提升(P<0.05), 其干重為CK組的1.23倍, 榆林菊芋上述指標(biāo)變化不明顯。脅迫組中, 低鎘刺激了根系生長; 中高鎘組, 成都菊芋株高較對(duì)照組下降10.40%和24.45%, 榆林菊芋下降6.03%和15.46%; 兩干重均隨鎘濃度的增大不斷減小, 葉面積則呈先升后降趨勢(shì)。噴施JA后, 成都菊芋的葉面積在中高鎘下分別較脅迫組提升15.23%和10.68%; 根長同樣為中高鎘組緩解效果最佳; 其干重在3個(gè)水平下分別為脅迫組的1.21、1.17和1.26倍。榆林菊芋株高雖有所增長, 但未達(dá)到顯著水平; 葉面積在低中鎘組效果明顯, 根長則在中鎘下改善最突出。說明, 即便在高濃度鎘脅迫下, 這2個(gè)品種的菊芋仍能存活, 但二者長勢(shì)嚴(yán)重受損, JA能有效減輕不同程度鎘污染對(duì)植株的毒害, 并且對(duì)耐鎘性弱的成都菊芋緩解效果優(yōu)于耐鎘性強(qiáng)的榆林菊芋。

表1 外源JA對(duì)鎘脅迫下菊芋生長特性的影響Table 1 Effects of exogenous JA on growth characteristics of Helianthus tuberosus L. under cadmium stress

2.2 外源JA對(duì)菊芋鎘脅迫下葉綠素含量的影響

葉綠素是光合作用的重要場所, 植物光合能力強(qiáng)弱與其含量有著密切聯(lián)系。由圖1可知, 各時(shí)間段兩菊芋品種JA組的SPAD值明顯高于CK組。脅迫處理時(shí), 成都菊芋第7天和第14天的葉綠素含量僅在高鎘組下降到顯著水平(P<0.05), 分別較對(duì)照組減少27.16%和30.37%, 第21天時(shí), 其低中高鎘組的SPAD值均大幅降低, 榆林菊芋各組的下降趨勢(shì)與其一致。JA緩解后, 二者的葉綠素含量持續(xù)增加,榆林菊芋在75 mg kg-1Cd+25 μmol L-1JA處理的第7天達(dá)到最大值, 為脅迫組的1.27倍, 相同條件下,成都菊芋在第21天才達(dá)到最大增長量。表明, 隨著鎘濃度升高以及脅迫時(shí)間延長, 植株葉綠素含量會(huì)受到較大影響, 外源JA能有效緩解鎘脅迫下葉綠素合成障礙, 并對(duì)各時(shí)間段3個(gè)鎘濃度下兩品種菊芋的促生效應(yīng)均較為顯著。

2.3 外源JA對(duì)菊芋鎘脅迫下葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化, 能反映重金屬對(duì)植物光合生理的抑制程度。由表2可知, JA組2個(gè)品種菊芋的初始熒光(Fo)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)以及電子傳遞速率(ETR)無顯著變化(P>0.05)。脅迫組中, 隨著鎘濃度升高, 二者的PSII最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fo)顯著降低, 并在300Cd組出現(xiàn)最小值; 成都菊芋Fo在低中高鎘組分別較對(duì)照組增加22.60%、53.11%和91.53%, 榆林菊芋增加13.97%、34.93%和67.25%; 高鎘下, 成都菊芋qN(非光化學(xué)淬滅系數(shù))為CK組的1.55倍, 榆林菊芋為1.40倍, 且二者qP最低。JA作用后,Fo恢復(fù)至正常水平,Fv/Fm及qP大幅回升; 除低鎘處理組, 榆林菊芋中高脅迫組的qN持續(xù)減小; 成都菊芋ETR在低高濃度鎘處理下緩解效果最好, 分別較脅迫組提升16.32%和5.53%。說明, 除Fo和qN與鎘濃度呈正比關(guān)系, 其余各指標(biāo)均隨脅迫程度的加重不斷減小, 外源JA減輕了重金屬鎘對(duì)菊芋光合生理的抑制作用, 且以高鎘脅迫下的緩解效應(yīng)更佳。

表2 外源JA對(duì)菊芋鎘脅迫下葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響Table 2 Effects of exogenous JA on chlorophyll fluorescence parameters of Helianthus tuberosus L. under cadmium stress

2.4 外源JA對(duì)菊芋鎘脅迫下氣體交換參數(shù)的影響

JA可以促進(jìn)2個(gè)品種菊芋凈光合速率(Pn)以及蒸騰速率(Tr)的提升, 并隨處理時(shí)間的延長不斷增大,胞間CO2濃度(Ci)下降不顯著(P>0.05), 氣孔導(dǎo)度(Gs)未呈現(xiàn)出上升曲線, 推測JA對(duì)這2個(gè)指標(biāo)的效能存在一定閾值(圖2)。脅迫組Pn在高鎘后期出現(xiàn)最小值, 成都菊芋為CK組的58.15%, 榆林菊芋為60.50%; 此外, 榆林菊芋Tr降幅明顯小于成都菊芋,說明其耐鎘性高于成都菊芋; 二者Ci都隨鎘濃度的增加表現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì), 暗示重金屬鎘對(duì)菊芋光合作用的抑制為非氣孔限制型。JA緩解后, 成都菊芋Pn除第14天中鎘組未達(dá)顯著水平, 其余各組的緩解效果均較為顯著; 榆林菊芋Gs在75 mg kg-1Cd+JA處理的第7天、第14天以及第21天時(shí), 分別為脅迫組的111.82%、121.76%和114.05%; 成都菊芋Ci在后期中鎘組減少9.66%, 榆林菊芋處理中后期均為高鎘組效果最佳; 兩菊芋品種的Tr值在各處理組各時(shí)間段的提升效果均較為顯著。說明, 鎘脅迫減小了2個(gè)耐受性不同菊芋的Pn、Gs和Tr值, 而Ci呈上升趨勢(shì), 外源JA能有效促進(jìn)植株的氣體交換參數(shù)恢復(fù)至正常水平。

2.5 外源JA對(duì)菊芋生物富集和鎘轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

從表3可知, 2個(gè)不同菊芋品種各器官鎘含量大小為根>葉>莖, 且耐鎘性強(qiáng)的榆林菊芋生物富集系數(shù)(BCF)明顯高于耐鎘性弱的成都菊芋。高鎘脅迫下, 二者各器官鎘含量都達(dá)到了峰值, 成都菊芋BCF與土壤鎘濃度成正比, 轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)變化曲線與榆林菊芋相同, 均呈先增大后減小的趨勢(shì); 榆林菊芋各器官鎘含量與脅迫程度無直接關(guān)聯(lián), 其根部表現(xiàn)為先降后升,而葉部與之相反, 莖部則呈持續(xù)下降趨勢(shì)。JA緩解組中, 2個(gè)品種菊芋各部位的鎘含量持續(xù)減少, BCF顯著降低(P<0.05)。二者各器官鎘含量顯著下降, 除莖部外,其余組織的BCF仍大于1, TF小于1。表明, 菊芋的鎘吸附能力較強(qiáng), 且體內(nèi)的鎘多貯存于根部, 外源JA通過減少鎘離子的向上轉(zhuǎn)移, 從而減輕光合作用的抑制效應(yīng), 以此加強(qiáng)植株對(duì)鎘毒的耐受能力。

表3 外源JA對(duì)菊芋根莖葉中鎘含量的影響Table 3 Effect of exogenous JA on cadmium content in root stem and leaves of Helianthus tuberosus L. under cadmium stress

2.6 外源JA對(duì)菊芋葉片中鎘離子分布的影響

采用熒光探針(probe)能更直觀地判斷葉片中鎘離子的分布情況。從圖3可知, 激光共聚焦顯微鏡下DMSO無法激發(fā)出熒光信號(hào), 但溶解于其中的探針可以, 葉片中鎘離子激發(fā)的熒光在氣孔處聚集,并呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。CK組和單獨(dú)JA處理組均未出現(xiàn)任何熒光信號(hào); 而脅迫組中, 隨著鎘濃度升高,氣孔周圍散發(fā)的綠色熒光愈加明顯; 此外, 葉片氣孔開合度顯著減小, 保衛(wèi)細(xì)胞也變得皺縮干癟。比較2個(gè)品種菊芋發(fā)現(xiàn), 不同程度鎘脅迫下, 榆林菊芋激發(fā)的熒光信號(hào)明顯強(qiáng)于成都菊芋; 噴施JA后,二者葉片中鎘離子激發(fā)的熒光信號(hào)逐漸向保衛(wèi)細(xì)胞中擴(kuò)散, 并在胞內(nèi)形成星星點(diǎn)點(diǎn)的光斑; 與此同時(shí),氣孔開合度有了一定程度的增大, 保衛(wèi)細(xì)胞也恢復(fù)到充盈狀態(tài)。綜上, 鎘離子隨著蒸騰作用大量積聚在氣孔處, 這不僅限制了保衛(wèi)細(xì)胞的開合, 還嚴(yán)重影響了植株的氣體交換, JA信號(hào)減少了根系對(duì)鎘的吸收, 減輕鎘毒脅迫。

3 討論

3.1 JA對(duì)鎘脅迫下菊芋生長特性的影響

植株生長特性受多種因素影響, 是評(píng)價(jià)環(huán)境質(zhì)量和重金屬脅迫的關(guān)鍵指征。鎘污染危害巨大, 根系將其轉(zhuǎn)運(yùn)至葉肉細(xì)胞, 導(dǎo)致葉綠體受損, 葉綠素合成障礙, 氣孔開放減小, 光合作用隨之減弱, 植株表現(xiàn)為失綠發(fā)黃, 生物量和生產(chǎn)量嚴(yán)重降低[18]。菊芋生長快, 生物量大, 在土壤修復(fù)中具有廣闊前景[9]。本研究2個(gè)品種菊芋在300 mg kg-1重鎘污染下仍能存活, 但株高、根長、葉面積和干重均隨脅迫程度的加重不斷下降, 高會(huì)玲等[7]同樣發(fā)現(xiàn)鎘脅迫下南芋2號(hào)和南芋5號(hào)生長受限。本試驗(yàn)中, 低鎘組榆林菊芋的根長較CK組增長8.57%, 成都菊芋增長38.26%, 蔣漢明等[19]也論述了低鎘刺激互花米草(Spartina alternifloraLoisel.)、小麥(Triticum aestivumL.)、小白菜(Brassica chinensisL.)等根系的生長。隨著鎘濃度增加, 二者的葉面積呈先升后降趨勢(shì), 說明在一定范圍內(nèi), 植株通過增大葉面積維持光合產(chǎn)物供給, 但脅迫加劇會(huì)超出植株生理可調(diào)節(jié)范圍, 這也許是該指標(biāo)后期下降的原因[20]。噴施25 μmol L-1JA后, 成都菊芋的株高在低鎘組達(dá)到峰值,為CK組的1.26倍, 榆林菊芋變化不顯著(P>0.05)。二者的根長、葉面積和干重均以耐鎘性弱的成都菊芋緩解效果更突出。綜上, JA可以通過增大葉面積增加光合產(chǎn)物積累, 維持根系生長確保水分和營養(yǎng)物質(zhì)供給, 從而增強(qiáng)菊芋耐鎘性, 但品種間的效果存在差異。

3.2 JA對(duì)鎘脅迫下菊芋葉綠素及光合特性的影響

葉綠素是光合作用的重要色素, 其含量高低反映了葉片對(duì)光的吸收和轉(zhuǎn)化能力[21]。本試驗(yàn)中, 鎘抑制了菊芋葉綠素合成, JA緩解后SPAD值大幅提升, 榆林菊芋低鎘組第7天達(dá)到最大值, 為脅迫組的1.27倍, 成都菊芋第21天才達(dá)到峰值。根據(jù)鄭黎明等[20]對(duì)鎘脅迫下荻葉綠素合成受阻的論述, 分析這是因?yàn)椴煌贩N對(duì)JA信號(hào)的響應(yīng)存在差異, 誘導(dǎo)葉綠素合成相關(guān)酶的時(shí)間不同。通常植株的Fv/Fm較為恒定, 而逆境下顯著減小[22]。隨著鎘濃度升高,該值和qP減小,Fo和qN增大, ETR先升后降, 劉星星[23]在鎘脅迫下菊芋的生理響應(yīng)中也有相似發(fā)現(xiàn)?？梢? 高鎘抑制了葉片對(duì)光的捕獲能力, 電子傳遞受阻, 光能無法轉(zhuǎn)換, 植株以熱能形式耗散剩余能量以防光損傷。噴施JA后, 兩品種菊芋的Fv/Fm及ETR明顯增大,Fo和qN恢復(fù)至CK組水平, 推測JA保護(hù)了類囊體膜的完整性, 電子傳遞速率加快, 促進(jìn)了光化學(xué)轉(zhuǎn)化效率, 這為暗反應(yīng)的光合碳同化積累更多物質(zhì)能量, NADPH減少, 避免了超氧陰離子造成的器官損害[24]。由此可知, JA可能直接或間接地參與了菊芋葉片對(duì)光能的吸收、轉(zhuǎn)化和傳遞, 而其對(duì)NADPH/NADP+的比例以及光合碳同化的影響還需更深入的研究。

3.3 JA對(duì)鎘脅迫下菊芋氣體交換的影響

胞間CO2是植物光合碳同化的物質(zhì)來源, 氣體交換參數(shù)也是評(píng)價(jià)光合作用的重要指標(biāo)。本試驗(yàn)中,2個(gè)品種菊芋脅迫組的Gs及Tr較CK組明顯減小,Pn在高鎘后期出現(xiàn)最低值, 成都菊芋為CK組的58.15%, 榆林菊芋為60.50%, 說明葉片單位面積光合同化能力受損, 這與葉綠素含量下降、光攝取能力以及電子傳遞速率減弱等結(jié)果對(duì)應(yīng)。Gs減小會(huì)導(dǎo)致CO2供應(yīng)不足, 造成光合速率減慢。成都菊芋脅迫組的Gs大幅下降, 榆林菊芋各處理組雖不斷減小,但未達(dá)顯著水平。二者的Ci并未隨氣孔導(dǎo)度的下降出現(xiàn)趨同變化, 判斷鎘對(duì)菊芋光合作用的抑制是由非氣孔因素造成, 陳良等[2]和高會(huì)玲等[7]對(duì)菊芋耐鎘性的研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。研究表明, 外源JA能有效減輕鎘脅迫下水稻(Oryza sativaL.)[25]、玉米(Zea maysL.)[26]的光損傷。本試驗(yàn)以葉面噴施25 μmol L-1JA的方式對(duì)鎘脅迫下的菊芋進(jìn)行處理, 結(jié)果顯示各品種菊芋的Pn、Gs以及Tr逐漸升高, 而Ci明顯下降(圖2), 表明葉片的氣體擴(kuò)散阻力減小, 蒸騰速率增快, 胞間CO2濃度隨之降低, 植株的光合碳同化能力得以恢復(fù)。麻云霞等[27]在H2O2對(duì)酸棗幼苗鎘脅迫下生長及生理特性的相關(guān)研究中得出,Ci下降可能是H2O2通過調(diào)節(jié)光合碳同化關(guān)鍵酶活性,保證CO2的穩(wěn)定和運(yùn)輸, 從而減少胞間CO2所占的份額, 推測JA對(duì)菊芋也存在類似的作用。

3.4 JA對(duì)菊芋鎘積累的影響

應(yīng)用富集型植物解決土壤鎘污染是生態(tài)保護(hù)的關(guān)鍵, 植株耐受性決定了體內(nèi)的重金屬含量。龍葵(Solanum nigrumL.)、馬蘭(Kalimeris indica(L.) Sch.Bip.)、鬼針草(Bidens pilosaL.)對(duì)鎘的吸收存在差異,這是它們的遺傳特性所致[28]。選取耐鎘性不同且親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的2個(gè)品種菊芋作為試驗(yàn)對(duì)象, 結(jié)果具有代表性。二者各器官鎘含量大小為根>葉>莖, 猜測根部細(xì)胞壁固定限制了鎘離子遷移, 蒸騰作用減弱, 木質(zhì)部的運(yùn)輸量減少, 進(jìn)而減輕地上部損傷[29]。方繼宇等[30]在馬纓丹(Lantana camaraL.)鎘脅迫下的生長響應(yīng)中發(fā)現(xiàn), 植株地上部的鎘主要儲(chǔ)存于莖內(nèi), 葉片中的含量相對(duì)較低。李志賢等[14]觀察龍葵地上部的鎘聚集在葉片, 本試驗(yàn)菊芋地上部鎘富集的器官同樣為葉片。噴施JA后, 2個(gè)品種菊芋的鎘含量降低, BCF和TF明顯減小, Lei等[31]證實(shí)JA能使擬南芥地上部和地下部的鎘含量減少。激光共聚焦顯微觀察可知, 鎘離子主要聚集在保衛(wèi)細(xì)胞周圍,氣孔開合受限, 這與鎘對(duì)菊芋光合作用的抑制屬于非氣孔限制型契合, 暗示鎘離子可能通過質(zhì)外體或共質(zhì)體途徑向上轉(zhuǎn)移。JA緩解后, 明顯看到氣孔處的熒光信號(hào)減弱, 保衛(wèi)細(xì)胞恢復(fù)飽滿, 植株鎘富集和轉(zhuǎn)移系數(shù)下降,Gs和Tr有所回升。推測外源JA一方面促進(jìn)了根尖細(xì)胞分泌有機(jī)酸, 絡(luò)合游離鎘離子,減少植株對(duì)鎘的吸收和轉(zhuǎn)移, 另一方面也可能是JA信號(hào)調(diào)控了離子通道蛋白以及氣孔的開合, 鎘離子被轉(zhuǎn)運(yùn)至胞內(nèi), 通過液泡區(qū)室化等作用進(jìn)行解毒,具體機(jī)制還需進(jìn)一步的研究加以驗(yàn)證。

4 結(jié)論

高鎘污染下, 菊芋生長受限, 噴施25 μmol L-1JA增強(qiáng)了植株抗鎘性。榆林菊芋的葉綠素含量在低鎘組第7天最大, 成都菊芋第21天才達(dá)到峰值, 推測它們對(duì)JA信號(hào)的響應(yīng)存在差異, 適當(dāng)?shù)匮娱L處理時(shí)間, 對(duì)耐鎘性較弱的菊芋具有一定意義。二者的葉綠素?zé)晒鈪?shù)、氣體交換參數(shù)顯著提升(P<0.05),各器官鎘含量大小為根>葉>莖, 除莖部外其余組織BCF均大于1, TF小于1。氣孔周圍的熒光信號(hào)減弱,保衛(wèi)細(xì)胞恢復(fù)充盈。綜上, 25 μmol L-1的JA能減少菊芋對(duì)鎘的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn), 減輕氣體交換以及光合速率的抑制, 并對(duì)耐鎘性差異較大的兩個(gè)品種菊芋低中高鎘污染下各具有一定作用。