基于光合色素含量和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的杞柳葉片Cd積累能力預(yù)測(cè)

王樹(shù)鳳， 王 松， 舒婉欽，3， 陳光才，①

(1． 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所， 浙江 杭州 311400； 2. 臺(tái)州市林業(yè)技術(shù)推廣總站， 浙江 臺(tái)州 318000；3． 中南林業(yè)科技大學(xué)林學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

鎘(Cd)是生物毒性極強(qiáng)的重金屬元素之一，土壤中的Cd很容易被植物根系吸收并轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部，進(jìn)入食物鏈，導(dǎo)致動(dòng)物或人類(lèi)產(chǎn)生多種疾病[1,2]。植物Cd含量不僅關(guān)系食品安全，而且可以預(yù)測(cè)土壤重金屬污染程度，是利用植物對(duì)重金屬污染土壤進(jìn)行修復(fù)的基礎(chǔ)[3,4]。采用常規(guī)化學(xué)方法檢測(cè)植物重金屬含量，雖然準(zhǔn)確性好、靈敏度高，但也存在破壞性取樣、測(cè)試周期長(zhǎng)、化學(xué)試劑消耗量大等缺點(diǎn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)植物重金屬積累能力的快速判斷。因此，探索并建立快速、有效評(píng)估植物重金屬積累能力的方法，對(duì)篩選高效修復(fù)植物以及預(yù)測(cè)土壤重金屬污染程度具有重要意義[5,6]。

目前，植物中重金屬含量監(jiān)測(cè)或預(yù)測(cè)的方法大多基于植物葉片或植被反射光譜建立，國(guó)內(nèi)外針對(duì)多種農(nóng)作物和草本植物建立了各種光譜反演模型用于監(jiān)測(cè)或預(yù)測(cè)植物中重金屬含量[3-6]。光譜數(shù)據(jù)的測(cè)定多應(yīng)用于農(nóng)業(yè)遙感等領(lǐng)域，在大尺度監(jiān)測(cè)土壤重金屬污染和植物重金屬含量方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。然而，光譜反演模型中反射率的信號(hào)除了來(lái)自目標(biāo)植物本身，還包含了土壤和雜草等混合信號(hào)，在監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生不穩(wěn)定性[7]，而且大多缺乏與植物內(nèi)在遺傳和生理特征的關(guān)聯(lián)[7,8]，無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)植物重金屬積累能力和生理響應(yīng)的準(zhǔn)確判斷。此外，當(dāng)前大多數(shù)光譜反演模型是基于農(nóng)作物建立的，針對(duì)木本植物的模型很少[9,10]。因此，除了進(jìn)一步擴(kuò)展光譜反演模型的應(yīng)用范圍，還有必要同時(shí)從多角度，特別是植物生理特征等方面探索木本植物重金屬含量預(yù)測(cè)方法。

對(duì)重金屬光譜反演模型的參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，植物對(duì)重金屬污染敏感的波段大多集中在可見(jiàn)光-紅邊波段，其中波長(zhǎng)350～716 nm是表征葉片色素的波段[11]。葉綠素含量和葉綠素?zé)晒鈪?shù)是表征植物光合作用和生長(zhǎng)狀況的重要指標(biāo)，在農(nóng)業(yè)上被廣泛用于農(nóng)作物的營(yíng)養(yǎng)狀況和產(chǎn)量監(jiān)測(cè)[8,12]。如：利用葉綠素?zé)晒鈭D像預(yù)測(cè)辣椒(CapsicumannuumLinn.)葉片氮含量，用于監(jiān)測(cè)辣椒生長(zhǎng)過(guò)程中的營(yíng)養(yǎng)狀況[13]；衡亞蓉等[8]應(yīng)用小麥(TriticumaestivumLinn.)上部葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)進(jìn)行產(chǎn)量預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。此外，葉綠素含量和葉綠素?zé)晒鈪?shù)對(duì)環(huán)境脅迫具有極高的敏感性，可用于監(jiān)測(cè)環(huán)境污染[14]和植物受脅迫等級(jí)[15]等方面。通過(guò)監(jiān)測(cè)重金屬脅迫下葉片的葉綠素含量變化，可以確定重金屬脅迫水平，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤重金屬污染的監(jiān)測(cè)[14]。但在評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)植物重金屬含量方面，目前大多數(shù)研究的關(guān)注點(diǎn)在重金屬脅迫對(duì)葉片葉綠素含量及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響[9]，對(duì)葉片重金屬含量與葉綠素含量和葉綠素?zé)晒鈪?shù)間相關(guān)性的研究不足。相關(guān)研究結(jié)果[16]表明：樹(shù)木葉片Mn的積累能力與葉綠素?zé)晒鈪?shù)有關(guān)，其中PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)可反映葉片Mn含量和毒性。上述研究證實(shí)，葉片葉綠素含量和葉綠素?zé)晒鈪?shù)與葉片礦質(zhì)元素含量間存在必然的相關(guān)性?；诖?，作者推測(cè)植物葉片中重金屬含量可能與葉綠素含量及葉綠素?zé)晒鈪?shù)間存在一定相關(guān)性。因此，本文以研究基礎(chǔ)較好的杞柳(SalixintegraThunb.)[17,18]不同品種為材料，研究不同濃度Cd處理下葉片光合色素含量和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化，分析葉片Cd含量與光合色素和葉綠素?zé)晒鈪?shù)間的相關(guān)性，探討基于光合色素含量和葉綠素?zé)晒鈪?shù)預(yù)測(cè)葉片Cd積累能力的可行性，為快速、有效評(píng)價(jià)杞柳地上部Cd積累能力提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料

供試材料為杞柳4個(gè)品種‘大紅頭’(‘Dahongtou’)、‘一枝筆’(‘Yizhibi’)、‘黃皮柳’(‘Huangpiliu’)和‘莊塢柳’(‘Zhuangwuliu’)，材料均來(lái)自山東省魚(yú)臺(tái)縣清河鎮(zhèn)杞柳種植基地(東經(jīng)116°50′、北緯35°10′)，其中，‘大紅頭’和‘一枝筆’對(duì)Cd具有較高的耐性和積累能力[17,18]。

1.2 方法

1.2.1 材料培養(yǎng) 試驗(yàn)在中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所(東經(jīng)119°95′、北緯30°05′)試驗(yàn)大棚內(nèi)進(jìn)行。于2019年3月，剪取杞柳1年生枝條(長(zhǎng)度約15 cm，直徑1.0～1.5 cm)，扦插于15 L塑料盆(長(zhǎng)50 cm、寬35 cm、高15 cm)中的泡沫板上(株距和行距均為5 cm)，扦插后采用自來(lái)水培養(yǎng)3周，之后更換為Watson等[19]改進(jìn)的營(yíng)養(yǎng)液(pH 5.5)進(jìn)行預(yù)培養(yǎng)，連續(xù)不斷充氣，整個(gè)試驗(yàn)期間采用自然光照(光照時(shí)間11～13 h·d-1)，溫度15 ℃～27 ℃。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 扦插苗在營(yíng)養(yǎng)液中預(yù)培養(yǎng)1周后，選取生長(zhǎng)基本一致的苗木進(jìn)行CdCl2處理。根據(jù)前期研究結(jié)果[18]設(shè)置對(duì)照(0 μmol·L-1CdCl2)、低濃度Cd處理(10 μmol·L-1CdCl2)和高濃度Cd處理(50 μmol·L-1CdCl2)3個(gè)處理組。每個(gè)處理3盆(每盆即為1個(gè)重復(fù))，每盆20株苗木，每個(gè)品種5個(gè)單株，4個(gè)品種共計(jì)180株苗木。每周更換營(yíng)養(yǎng)液2次，培養(yǎng)21 d。

1.2.3 葉綠素?zé)晒鈭D像采集 苗木經(jīng)CdCl2處理21 d后，選取植株從上至下第5至第7枚功能葉片并標(biāo)記，然后對(duì)標(biāo)記的功能葉片進(jìn)行葉綠素?zé)晒鈭D像參數(shù)的采集。

使用IMAGING-PAM葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)(德國(guó)Walz公司)采集葉綠素?zé)晒鈭D像。首先對(duì)標(biāo)記的功能葉片暗適應(yīng)30 min，測(cè)量光、光化光、飽和脈沖光強(qiáng)度分別設(shè)置為20、55和280 μmol·m-2·s-1。測(cè)量程序采用Imaging Win軟件內(nèi)置的動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)模式，測(cè)量完成后，對(duì)獲得的熒光圖像進(jìn)行分析并獲取最大熒光(Fm)、初始熒光(Fo)、PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、PSⅡ?qū)嶋H光量子產(chǎn)額〔Y(Ⅱ)〕、調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)額〔Y(NPQ)〕、非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)額〔Y(NO)〕、非光化學(xué)淬滅系數(shù)(qN)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)和相對(duì)光合電子傳遞速率(rETR)。采集葉綠素?zé)晒鈭D像后，將標(biāo)記的功能葉片分為2份，一份用于測(cè)定光合色素含量，另一份用于測(cè)定Cd含量。

1.2.4 光合色素含量測(cè)定 稱(chēng)取0.5 g新鮮葉片，在研缽中加入液氮研磨至粉末，加入20 mL體積分?jǐn)?shù)80%丙酮提取色素，使用TU-1810紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)測(cè)定提取液在波長(zhǎng)663、645和 470 nm處的吸光度，然后根據(jù)Wellburn[20]的公式計(jì)算葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素以及類(lèi)胡蘿卜素含量。

1.2.5 葉片Cd含量測(cè)定 新鮮葉片于105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干至恒質(zhì)量，粉碎。準(zhǔn)確稱(chēng)取0.2 g樣品粉末，加入10 mL HNO3-HClO4(體積比4∶1)混合液消解，然后使用ICAP-7400電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(美國(guó)ThermoFisher公司)測(cè)定葉片Cd含量[21]。

1.3 數(shù)據(jù)處理和分析

采用SPSS 20.0軟件對(duì)葉片光合色素含量、葉綠素?zé)晒鈪?shù)以及葉片Cd含量等14個(gè)指標(biāo)進(jìn)行雙因素方差分析以及LSD多重比較檢驗(yàn)，采用OriginLab 2018軟件作圖。采用R語(yǔ)言cor ()、corplot () 函數(shù)對(duì)14個(gè)指標(biāo)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析及作圖，選取相關(guān)性極強(qiáng)的指標(biāo)構(gòu)建回歸模型；采用 step AIC () 函數(shù)進(jìn)行逐步回歸，并依據(jù)赤池信息量準(zhǔn)則(Akaike information criterion, AIC)進(jìn)行參數(shù)選擇，選出與葉片Cd含量最相關(guān)的X值帶入模型，利用R語(yǔ)言中的car包進(jìn)行回歸模型診斷和檢驗(yàn)[22]。

2 結(jié)果和分析

2.1 Cd對(duì)杞柳葉片光合色素含量的影響

雙因素方差分析結(jié)果(表1)顯示：品種對(duì)杞柳葉片光合色素含量的影響不顯著，但Cd處理對(duì)光合色素含量均有極顯著(P<0.01)影響，二者的交互作用對(duì)葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素以及類(lèi)胡蘿卜素含量有顯著(P<0.05)或極顯著影響。說(shuō)明在不同濃度Cd處理下，杞柳葉片光合色素的響應(yīng)存在基因型差異。

在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)斷路器垂直連桿進(jìn)行了清洗、潤(rùn)滑，并更換整套垂直連桿軸密封件。隨后，對(duì)斷路器機(jī)械特性參數(shù)進(jìn)行了重新測(cè)量，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示，機(jī)械特性曲線(xiàn)如圖6所示。從測(cè)試數(shù)據(jù)看出，檢修以后，該斷路器的機(jī)械特性參數(shù)皆滿(mǎn)足廠(chǎng)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

不同濃度Cd處理對(duì)杞柳不同品種葉片光合色素含量的影響見(jiàn)圖1。結(jié)果顯示：隨著Cd濃度提高，‘大紅頭’、‘一枝筆’、‘黃皮柳’和‘莊塢柳’4個(gè)品種葉片光合色素含量均呈下降趨勢(shì)，但低濃度Cd處理(10 μmol·L-1CdCl2)下，‘一枝筆’葉片葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量下降不顯著，其中，葉綠素b含量?jī)H較對(duì)照(0 μmol·L-1CdCl2)降低了2.89%；其他3個(gè)品種在低濃度Cd處理下葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素以及類(lèi)胡蘿卜素含量總體顯著(P<0.05)下降，其中，‘莊塢柳’葉片4種色素含量較對(duì)照降低了42.98%～59.71%。在高濃度Cd處理(50 μmol·L-1CdCl2)下，‘一枝筆’葉片葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素以及類(lèi)胡蘿卜素含量均低于其他品種，且與低濃度Cd處理間有顯著差異，而其他3個(gè)品種葉片4種色素含量在低濃度和高濃度Cd處理間總體差異不顯著，其中，‘黃皮柳’葉片4種色素含量較對(duì)照降低了10.24%～13.54%。說(shuō)明杞柳葉片光合色素含量對(duì)Cd濃度的敏感性存在品種差異，‘一枝筆’葉片光合色素對(duì)低濃度Cd處理不敏感，可以維持相對(duì)較高的色素含量，但對(duì)高濃度Cd的耐性不及‘大紅頭’、‘黃皮柳’和‘莊塢柳’。

表1 品種和Cd處理對(duì)杞柳葉片光合色素含量影響的雙因素方差分析1)

: ‘大紅頭’‘Dahongtou’; : ‘一枝筆’‘Yizhibi’; : ‘黃皮柳’‘Huangpiliu’; : ‘莊塢柳’‘Zhuangwuliu. 同一品種不同小寫(xiě)字母表示在不同濃度Cd處理間差異顯著(P<0.05) Different lowercases of the same cultivar indicate the significant (P<0.05) difference among Cd treatments with different concentrations.

2.2 Cd對(duì)杞柳葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

雙因素方差分析結(jié)果(表2)顯示：品種僅對(duì)杞柳葉片F(xiàn)m、Fo、Fv/Fm和qN值有顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)影響，Cd處理對(duì)葉綠素?zé)晒鈪?shù)均有極顯著影響，二者的交互作用對(duì)Fv/Fm、Y(Ⅱ)、Y(NPQ)、Y(NO)、qP和rETR值有極顯著影響，對(duì)Fm、Fo和qN值的影響不顯著。

Fm和Fo值是反映植物在開(kāi)始進(jìn)行光合作用之前的背景值，因此，本文僅分析Cd處理對(duì)其余7個(gè)葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2和表3。結(jié)果(圖2)顯示：與對(duì)照(0 μmol·L-1CdCl2)相比，4個(gè)品種葉片的Fv/Fm值在低濃度(10 μmol·L-1CdCl2)和高濃度(50 μmol·L-1CdCl2)Cd處理下均顯著降低，但不同品種葉片的Fv/Fm值對(duì)不同Cd濃度的響應(yīng)不同，‘大紅頭’葉片的Fv/Fm值在低濃度和高濃度Cd處理間差異不顯著，而其他3個(gè)品種葉片的Fv/Fm值隨著Cd濃度的提高顯著降低。說(shuō)明Cd處理明顯抑制了杞柳葉片光合作用，導(dǎo)致PSⅡ最大光化學(xué)效率下降。‘大紅頭’、‘一枝筆’和‘莊塢柳’葉片qN值隨著Cd處理濃度提高呈升高的趨勢(shì)；而‘黃皮柳’葉片qN值在低濃度和高濃度Cd處理下較對(duì)照顯著降低?！蠹t頭’、‘一枝筆’和‘莊塢柳’葉片qP值在低濃度Cd處理下顯著降低，但在高濃度Cd處理下與對(duì)照無(wú)顯著差異；而‘黃皮柳’葉片qP值在低濃度Cd處理下與對(duì)照差異不顯著，但在高濃度Cd處理下顯著降低。說(shuō)明Cd處理并未導(dǎo)致‘黃皮柳’葉片明顯的光損傷；雖然Cd處理對(duì)‘大紅頭’、‘一枝筆’和‘莊塢柳’造成了一定程度的光損傷，但由于相應(yīng)的熱耗散也增加，植物仍有能力消耗過(guò)剩的光能。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，Cd處理抑制了‘大紅頭’、‘一枝筆’和‘莊塢柳’葉片的rETR值，導(dǎo)致rETR值在低濃度和高濃度Cd處理下均顯著降低；而‘黃皮柳’葉片rETR值僅在高濃度Cd處理下顯著降低。

表2 品種和Cd處理對(duì)杞柳葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)影響的雙因素方差分析1)

: ‘大紅頭’‘Dahongtou’; : ‘一枝筆’‘Yizhibi’; : ‘黃皮柳’‘Huangpiliu’; : ‘莊塢柳’‘Zhuangwuliu. 同一品種不同小寫(xiě)字母表示在不同濃度Cd處理間差異顯著(P<0.05) Different lowercases of the same cultivar indicate the significant (P<0.05) difference among Cd treatments with different concentrations.

表3 Cd處理下杞柳不同品種葉片PSⅡ反應(yīng)中心的能量分配策略1)

rETR值的降低必然對(duì)PSⅡ反應(yīng)中心的能量分配產(chǎn)生影響，Cd處理下4個(gè)品種葉片PSⅡ反應(yīng)中心的能量分配策略(表3)顯示：隨著Cd濃度提高，‘大紅頭’、‘一枝筆’和‘莊塢柳’葉片Y(NPQ)和Y(NO)值均有不同程度的升高，說(shuō)明這3個(gè)品種在Cd處理下光能出現(xiàn)過(guò)剩，光保護(hù)能力增強(qiáng)；而‘黃皮柳’葉片Y(NPQ)和Y(NO)值變化不大，說(shuō)明‘黃皮柳’在Cd處理下受到的光損傷相對(duì)較小。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，Cd處理導(dǎo)致4個(gè)品種葉片Y(Ⅱ)值有不同程度降低，但4個(gè)品種在Cd處理下的Y(Ⅱ) 值仍達(dá)到0.540～0.630，說(shuō)明PSⅡ反應(yīng)中心仍然具有較高的活性，有超過(guò)一半的光量子通過(guò)光化學(xué)途徑轉(zhuǎn)化為能量。

2.3 杞柳不同品種葉片Cd積累能力差異

雙因素方差分析結(jié)果(表4)顯示：品種對(duì)杞柳葉片Cd含量有顯著(P<0.05)影響，Cd處理對(duì)葉片Cd含量有極顯著(P<0.01)影響，二者的交互作用對(duì)葉片Cd含量的影響不顯著。

表4 品種和Cd處理對(duì)杞柳葉片Cd含量影響的雙因素方差分析1)

不同濃度Cd處理對(duì)杞柳不同品種葉片Cd含量的影響見(jiàn)圖3。結(jié)果顯示：隨著Cd濃度提高，4個(gè)品種葉片Cd含量逐漸升高。與低濃度(10 μmol·L-1CdCl2)Cd處理相比，‘大紅頭’和‘一枝筆’葉片Cd含量在高濃度(50 μmol·L-1CdCl2)Cd處理下顯著升高，而‘黃皮柳’和‘莊塢柳’葉片Cd含量在2個(gè)處理間差異不顯著。通過(guò)對(duì)η2值的分析也發(fā)現(xiàn)，環(huán)境Cd濃度可以解釋絕大部分的葉片Cd含量變異(η2值為0.947)，而品種對(duì)葉片Cd含量變異的解釋度較小(η2值為0.298)。說(shuō)明環(huán)境對(duì)杞柳葉片Cd含量的影響要大于基因型的影響。

: ‘大紅頭’‘Dahongtou’; : ‘一枝筆’‘Yizhibi’; : ‘黃皮柳’‘Huangpiliu’; : ‘莊塢柳’‘Zhuangwuliu. 同一品種不同小寫(xiě)字母表示在不同濃度Cd處理間差異顯著(P<0.05) Different lowercases of the same cultivar indicate the significant (P<0.05) difference among Cd treatments with different concentrations.

2.4 基于光合色素含量及葉綠素?zé)晒鈪?shù)構(gòu)建杞柳葉片Cd積累能力評(píng)價(jià)模型

相關(guān)性分析結(jié)果顯示：葉片Cd含量與葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類(lèi)胡蘿卜素含量以及Fm、Fo、Fv/Fm、Y(Ⅱ)、Y(NPQ)、Y(NO)、qN、qP和rETR值的相關(guān)系數(shù)分別為-0.910、-0.837、-0.896、-0.866、-0.618、0.830、-0.866、-0.497、0.333、0.534、0.734、0.007和-0.496；且葉片Cd含量與光合色素含量以及除qP值外的其他葉綠素?zé)晒鈪?shù)均存在顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)相關(guān)性。

選取與葉片Cd含量的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于0.8的6個(gè)因子作為預(yù)測(cè)變量，包括葉綠素a含量(X1)、葉綠素b含量(X2)、總?cè)~綠素含量(X3)、類(lèi)胡蘿卜素含量(X4)、Fo值(X5)和Fv/Fm值(X6)，以葉片Cd含量為因變量(Y)，采用多元逐步回歸法進(jìn)行擬合，每次擬合根據(jù)貢獻(xiàn)值排除1個(gè)變量，初始的AIC值為300.08，隨著變量的依次排除，AIC值逐漸減小(298.10～292.38)，最終基于Fv/Fm值(X6)和葉綠素a含量(X1)2個(gè)變量構(gòu)建回歸模型(表5)。根據(jù)未標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)(偏回歸系數(shù))，發(fā)現(xiàn)葉片葉綠素a含量對(duì)葉片Cd含量的影響大于Fv/Fm值，模型表達(dá)式為Y=1 928.761-128.842X1-2 005.500X6(R2=0.850)。檢驗(yàn)結(jié)果(圖4)顯示：葉片Cd含量的預(yù)測(cè)值與測(cè)定值間呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.941 2，說(shuō)明本研究建立的模型具有較好的預(yù)測(cè)價(jià)值。

表5 回歸模型參數(shù)及方差分析結(jié)果

圖4 基于預(yù)測(cè)模型對(duì)杞柳葉片Cd含量的預(yù)測(cè)檢驗(yàn)

3 討論和結(jié)論

Cd脅迫下葉片失綠是植株最明顯的癥狀之一[23,24]。研究表明：Cd導(dǎo)致植物葉片失綠最直接的原因是由于Cd可以替代葉綠素分子中的Mg，形成脫鎂葉綠素，從而破壞葉綠素分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致葉綠素降解、葉片失綠[25]。本研究中，不同濃度Cd處理(10和50 μmol·L-1CdCl2)均可導(dǎo)致杞柳4個(gè)品種葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素以及類(lèi)胡蘿卜素含量不同程度的下降，且下降程度隨Cd濃度的提高而增加，這與當(dāng)前大部分研究結(jié)果一致。相關(guān)研究結(jié)果[26]發(fā)現(xiàn)，白柳(SalixalbaLinn.)不同無(wú)性系在50 μmol·L-1CdSO4處理?xiàng)l件下，葉綠素a和葉綠素b以及總?cè)~綠素含量均有不同程度下降，而且葉綠素a含量比葉綠素b含量下降幅度更大，導(dǎo)致葉綠素a/b比值明顯下降。本研究也發(fā)現(xiàn)，Cd處理下，杞柳葉片葉綠素a含量的下降幅度大于葉綠素b含量，特別是‘一枝筆’，在低濃度Cd處理下，葉綠素b含量與對(duì)照無(wú)顯著差異，說(shuō)明低濃度Cd處理并未明顯引起‘一枝筆’葉片葉綠素b含量的降解。Kummerová等[27]發(fā)現(xiàn)，Cd脅迫下，葉綠素a比葉綠素b具有更快的降解速率。由此可見(jiàn)，葉綠素a對(duì)Cd脅迫可能具有更高的敏感性。相關(guān)性分析結(jié)果顯示：杞柳葉片的葉綠素a含量與葉片Cd含量的相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.910，具有極顯著(P<0.01)負(fù)相關(guān)關(guān)系。類(lèi)似的結(jié)果也在其他樹(shù)種中發(fā)現(xiàn)，Doganlar等[28]發(fā)現(xiàn)，在污染環(huán)境中生長(zhǎng)的夾竹桃(NeriumoleanderLinn.)葉片的葉綠素含量與Fe、Pb和Zn等金屬元素含量呈顯著負(fù)相關(guān)。Grajek等[29]采用離體葉綠素分子研究Cd2+對(duì)葉綠素降解的影響，發(fā)現(xiàn)隨著溶液中Cd2+的增加，越來(lái)越多的Cd2+替代葉綠素結(jié)構(gòu)中的Mg2+，破壞葉綠素的結(jié)構(gòu)和功能，導(dǎo)致葉綠素含量進(jìn)一步下降，而這種下降與溶液中Cd2+濃度呈線(xiàn)性關(guān)系。因此，推測(cè)葉片葉綠素含量下降在一定程度上可以反映葉片Cd濃度的增加。

葉綠素含量變化會(huì)影響葉綠素?zé)晒鈪?shù)，葉綠素?zé)晒鈪?shù)對(duì)重金屬極為敏感，已被廣泛用于評(píng)價(jià)植物葉片對(duì)重金屬的耐性[23,30,31]。黃鑫浩等[30]從能量平衡及分配角度揭示Pb脅迫下木荷(SchimasuperbaGardn. et Champ.)和欒樹(shù)(KoelreuteriapaniculataLaxm.)PSⅡ運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，提出Y(NO)和Y(NPQ)值可作為植物Pb脅迫的評(píng)價(jià)指標(biāo)。盡管已有大量研究報(bào)道重金屬誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化，然而，有關(guān)葉綠素?zé)晒鈪?shù)與葉片重金屬含量之間相關(guān)性的研究并不多。Kitao等[16]發(fā)現(xiàn)，葉綠素?zé)晒鈪?shù)與葉片Mn的積累能力相關(guān)，葉片Mn含量越高，F(xiàn)v/Fm值越低，F(xiàn)v/Fm值可作為判斷Mn毒性的標(biāo)準(zhǔn)。本研究發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照相比，不同濃度Cd處理導(dǎo)致杞柳4個(gè)品種葉片F(xiàn)v/Fm值均顯著下降，且Fv/Fm值與葉片Cd含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為-0.866)，說(shuō)明Fv/Fm值低的葉片往往積累更多的Cd。Pietrini等[31]基于葉綠素?zé)晒鈭D像，結(jié)合能量色散型X射線(xiàn)熒光(ED-XRF)定點(diǎn)測(cè)定，發(fā)現(xiàn)白柳SS5葉片壞死斑點(diǎn)具有極低的Fv/Fm值，同時(shí)檢測(cè)到極強(qiáng)的Cd信號(hào)，進(jìn)一步說(shuō)明葉片F(xiàn)v/Fm值與Cd含量的相關(guān)性。然而，已有研究[26]發(fā)現(xiàn)，50 μmol·L-1CdSO4盡管抑制了白柳葉片PSⅡ活性，使Fv/Fm值下降，但并未改變Fo值，認(rèn)為僅利用Fv/Fm值并不能精確評(píng)價(jià)白柳不同無(wú)性系的Cd耐性程度，這與Pietrini等[23,32]的結(jié)論相似。由此可見(jiàn)，在利用葉綠素?zé)晒鈪?shù)評(píng)價(jià)植物對(duì)重金屬的耐性和積累能力時(shí)，應(yīng)考慮多種參數(shù)，篩選最敏感或相關(guān)性最強(qiáng)的參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

Rossi等[33]研究了歐洲油菜(BrassicanapusLinn.)地上部Cd積累量與生物量、光合參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)等因子的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)根系鮮質(zhì)量和Fv/Fm值是影響地上部Cd吸收的主要因子，并據(jù)此建立回歸模型?；诖?，本研究在模型構(gòu)建過(guò)程中，選取了與葉片Cd含量具有極強(qiáng)相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于0.8)的6個(gè)因子進(jìn)行擬合，最終建立基于葉綠素a含量和Fv/Fm值的預(yù)測(cè)模型，且葉片葉綠素a含量對(duì)Cd含量的影響大于Fv/Fm值?？傮w而言，利用該模型對(duì)葉片Cd含量進(jìn)行預(yù)測(cè)，解釋率可達(dá)80%以上(R2=0.850)。

綜上所述，本研究構(gòu)建了基于葉綠素a含量和Fv/Fm值的杞柳葉片Cd含量預(yù)測(cè)模型，為快速篩選和評(píng)價(jià)杞柳葉片Cd積累能力提供了參考，該模型是對(duì)柳屬(SalixLinn.)植物葉片Cd含量預(yù)測(cè)方法的新探索。然而，該模型是基于室內(nèi)控制條件下建立的，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，還應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大使用范圍或樣本量，如對(duì)重金屬污染礦區(qū)的杞柳葉片Cd含量進(jìn)行預(yù)測(cè)，或增加杞柳品種的種類(lèi)，從而進(jìn)一步驗(yàn)證模型的有效性并優(yōu)化模型。