朱世琦,孫曉剛
(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院,吉林 長春 130118)
隨著工業(yè)的發(fā)展,土壤重金屬污染問題日益嚴(yán)峻,重金屬對土壤的污染不可逆,且具有滯后性、易積累等特點。鉛(Pb)是最常見的重金屬之一,也是國家重點監(jiān)控與控制的五種重金屬之一[1]。因此,Pb污染土壤的治理一直是近年來土壤修復(fù)的主要研究方向之一。植物修復(fù)技術(shù)是當(dāng)前治理重金屬污染土壤的研究熱點和有效手段,已發(fā)現(xiàn)山荊芥[2]、紫花苜蓿[3]等植物對土壤鉛具有超富集作用,紅花風(fēng)鈴木[4]、竹柏[5]對Pb脅迫具有較強的耐受性。
外源脫落酸(ABA)是一種抑制型激素,參與植物生長發(fā)育的多種過程,不僅可以促進(jìn)種子貯藏蛋白合成、誘導(dǎo)植物休眠,還在氣孔開閉、水分調(diào)節(jié)、光合作用及植物對逆境的適應(yīng)等多方面起著重要的調(diào)控作用[6,7]。陳仕淼[8]的研究結(jié)果顯示對東南景天施用0.2 mg/L外源ABA可以提高其對土壤中Cd的吸收能力,張慧[9]的研究結(jié)果顯示外源ABA對于提升菹草重金屬脅迫耐受性具有良好的效果。
王族海棠(Malus‘Royalty’)是薔薇科蘋果屬的一個集觀花、觀葉與觀果為一體的彩色綠化品種,具有較強的耐寒性,且對土壤要求不嚴(yán),耐瘠薄和輕度鹽堿。我國北方,由于氣候原因,園林綠化樹種較為單一,同時,土壤廣泛存在重金屬污染問題,尤其東北工業(yè)區(qū)是重點污染區(qū)域[10-12]。為豐富北方城市景觀綠化樹種,同時發(fā)揮植物對重金屬污染土壤的生態(tài)修復(fù)功能,本研究采用盆栽試驗,以王族海棠為試材,設(shè)置不同濃度的Pb(NO3)2溶液處理盆栽土壤以模擬Pb污染環(huán)境,同時葉面噴施外源ABA,測試不同處理王族海棠幼苗的光合氣體交換參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化,以探究其光合特性對鉛脅迫的響應(yīng)以及脫落酸對緩解鉛脅迫的光合作用機理。
供試材料為引自遼寧的王族海棠一年生嫁接苗。于2020年4月5日選取長勢一致、生長良好的幼苗移栽至規(guī)格為240 mm×190 mm的盆內(nèi)培養(yǎng),培養(yǎng)基質(zhì)為5.5 kg草炭土與原土按1∶1混合的混合土。移栽后進(jìn)行正常田間管理。
于2020年4月5日將移栽好的王族海棠幼苗移至塑料大棚,并于2020年5月27日,用Pb(NO3)2溶液對土壤進(jìn)行鉛脅迫處理,設(shè)置5個濃度梯度:0(Pb0)、500(Pb500)、1 000(Pb1000)、1 500(Pb1500)、2 000(Pb2000)mg/kg。Pb脅迫處理7 d后,于6月2日用50μmol/L ABA進(jìn)行葉面均勻噴施(ABA50),對照組以等量蒸餾水(ABA0)代替。
外源ABA噴施3 d后進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測定。每個處理測定5片葉子,重復(fù)3次。
1.3.1 光合氣體交換參數(shù) 利用CIRAS-Ⅱ便攜式光合作用測定系統(tǒng),分別于2020年6月6日、6月16日、6月28日、7月7日、7月13日晴朗無云的上午8∶00—11∶00,選擇無病蟲害、全展開的王族海棠葉片,測定葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、水分利用效率(WUE)等。
1.3.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù) 選擇完全展開且無傷害的葉片完全暗適應(yīng)10 h后,使用FMS-Ⅱ熒光儀,分別于2020年6月7日、6月18日、6月29日、7月8日、7月14日測定初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)和可變熒光(Fv)等參數(shù),計算PSⅡ最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm)、PSⅡ?qū)嶋H光能轉(zhuǎn)換效率(ΦPSⅡ);葉片光適應(yīng)2 h后測定非光化學(xué)猝滅系數(shù)(qN)、光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)等。
采用Microsoft Excel 2007處理試驗數(shù)據(jù)并制作圖表,用SPSSStatistics22軟件對各組數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析及Duncan’s多重比較,差異顯著水平設(shè)置為P<0.05。
2.1.1 對Pn的影響 由圖1可知,無論噴施還是未噴施外源ABA,王族海棠葉片的Pn均隨Pb濃度的增加呈先升高后降低的趨勢,且均在Pb1000達(dá)到峰值,分別比Pb0升高36.0%與25.6%。不同濃度鉛處理間,Pb1500與Pb0差異不顯著,而低濃度鉛脅迫處理(Pb500和Pb1000)下Pn顯著高于Pb0,高濃度(Pb2000)處理下Pn顯著低于Pb0(P<0.05)。相同濃度Pb處理下,噴施外源ABA的王族海棠葉片Pn顯著高于未噴施的,增幅達(dá)50.9%~69.6%。
圖1 外源ABA對鉛脅迫下王族海棠凈光合速率的影響
2.1.2 對Ci的影響 由圖2可知,隨Pb濃度的增加,噴施和未噴施ABA的Ci均在Pb500顯著下降(P<0.05),隨后逐漸升高,其中,未噴施外源ABA的葉片在Pb1000就已高于CK,Pb1500就已顯著高于CK(P<0.05),而噴施ABA的在Pb2000時才略高于CK(P>0.05)。在沒有Pb脅迫時,噴施ABA顯著提高王族海棠葉片的Ci;而在Pb脅迫下,噴施ABA降低Ci,Pb脅迫濃度在1 000~2 000 mg/kg時差異達(dá)到顯著水平。
圖2 外源ABA對鉛脅迫下王族海棠胞間CO2濃度的影響
2.1.3 對Gs的影響 由圖3可知,未噴施ABA時,0~1 500 mg/kg Pb脅迫處理對王族海棠葉片的Gs無顯著影響,而2 000 mg/kg Pb脅迫處理顯著降低Gs 8.2%。噴施ABA后,隨Pb濃度的增加,Gs先顯著升高,在Pb1000達(dá)到峰值,顯著高于Pb0 11.5%,而后逐漸下降,Pb2000的Gs顯著低于Pb0。與未噴施ABA相比,噴施ABA可顯著提高各Pb處理的Gs(P<0.05)。
圖3 外源ABA對鉛脅迫下王族海棠氣孔導(dǎo)度的影響
2.1.4 對Tr的影響 圖4顯示,Pb脅迫顯著提高王族海棠葉片Tr,且隨著Pb濃度的增加呈上升趨勢,但不同Pb濃度處理間差異不顯著。噴施ABA顯著提高Tr(P<0.05),在0~2 000 mg/kg Pb脅迫處理下分別高出ABA0組55.1%、49.0%、49.1%、50.0%、50.8%。
圖4 外源ABA對鉛脅迫下王族海棠蒸騰速率的影響
2.1.5 對WUE的影響 圖5顯示,與Pb0相比,除Pb1000增加葉片的WUE外,Pb脅迫處理降低WUE,且有隨Pb濃度增加而下降的趨勢,1 500~2 000 mg/kg Pb脅迫處理降低顯著(P<0.05),降幅達(dá)37.9%~57.2%。噴施ABA可提高葉片的WUE,Pb0和Pb1000處理下兩者間差異不顯著,其余Pb脅迫處理下兩者間差異達(dá)顯著水平(P<0.05),且Pb濃度越高增幅越大,Pb2000處理下可提高36.2%。
圖5 外源ABA對鉛脅迫下王族海棠水分利用率的影響
由表1可知,隨著Pb脅迫濃度的增加,王族海棠葉片的Fv/Fm先顯著升高,均在Pb1000時達(dá)到峰值,ABA0和ABA50下分別比Pb0提高2.1%和2.6%,之后逐漸降低,濃度越高降低越顯著。噴施ABA可提高Fv/Fm,在Pb脅迫處理下差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。
表1 外源ABA對鉛脅迫下王族海棠葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響
除未噴施ABA時Pb2000與Pb0差異不顯著外,Pb脅迫處理可顯著提高葉片ΦPSⅡ,其隨Pb濃度增加的變化趨勢與Fv/Fm 相同,也均在Pb1000達(dá)到峰值,與Pb0相比,ABA0和ABA50組分別顯著高出48.2%和70.8%。噴施ABA可顯著提高各Pb濃度處理的ΦPSⅡ(P<0.05)。
ABA0與ABA50處理的光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)也均隨著Pb脅迫濃度的增加先升高后下降,并在Pb1000達(dá)到峰值,分別高出Pb0 49.6%與72.3%;Pb脅迫處理的qP均顯著高于Pb0(P<0.05)。噴施ABA可顯著提高Pb脅迫處理下的qP(P<0.05)。
ABA0與ABA50的非光化學(xué)猝滅系數(shù)(qN)與其光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)的變化趨勢相反,表現(xiàn)為隨著Pb濃度的增加先降低后升高,均在Pb1000降至谷值,與Pb0相比分別降低50.0%與44.7%。噴施ABA的qN均顯著低于ABA0(P<0.05)。
種植耐受性強的植物一直是近年來對Pb污染土壤治理和修復(fù)的主要方向。王佳穎[13]研究發(fā)現(xiàn)高濃度鉛雖對雷竹光合作用產(chǎn)生一定的抑制,但植株生長表觀特征正常,表明雷竹具有極強的鉛耐性,在重金屬污染土壤的修復(fù)上有較大的發(fā)展空間;夏紅霞等[14]研究發(fā)現(xiàn)低濃度鉛可促進(jìn)黑麥草葉綠素的合成,促進(jìn)植株的光合作用,而高濃度鉛會降低其光合作用,抑制植株生長,但未出現(xiàn)明顯的毒害癥狀,說明黑麥草也可用于修復(fù)Pb污染土壤。
光合作用是植物生長發(fā)育過程中重要的代謝過程,受氣孔因素與非氣孔因素的影響,當(dāng)胞間Ci和Gs降低時,Pn的下降主要是由氣孔因素引起;而當(dāng)葉片Pn的降低伴隨著Ci的升高,則光合作用的主要限制因素是非氣孔因素,即葉肉細(xì)胞光合活性的下降[15-17]。本試驗結(jié)果顯示,低濃度(≤1 000 mg/kg)的土壤Pb脅迫會使王族海棠的Pn和Gs升高、Ci降低,但Pb濃度繼續(xù)升高,Pn和Gs下降而Ci升高,尤其2 000 mg/kg時差異達(dá)到顯著水平。說明低濃度Pb脅迫不僅未對王族海棠的光合系統(tǒng)造成傷害,反而有一定的促進(jìn)作用,而高濃度Pb脅迫則導(dǎo)致葉肉細(xì)胞光合活性下降,氣孔導(dǎo)度下降,胞間CO2大量積累,顯著抑制其光合作用。
Gs的下降一般來說與葉片水勢降低、氣孔保衛(wèi)細(xì)胞失水有關(guān),進(jìn)而與植物組織的水分狀況有關(guān)[18]。本研究結(jié)果表明,Pb脅迫顯著提高了王族海棠葉片的Tr,且隨著土壤中Pb濃度的增加而逐漸升高;降低了除1 000 mg/kg Pb(NO3)2處理的水分利用效率,Pb脅迫濃度越高,下降越顯著??梢?,低濃度Pb刺激Tr增強,影響水分利用效率,而隨著Pb脅迫的增強,蒸騰過強,水分利用效率進(jìn)一步降低,氣孔導(dǎo)度顯著下降。說明水分因子可能是影響王族海棠葉片氣孔導(dǎo)度下降的主要原因,其相關(guān)性還有待進(jìn)一步研究。
ABA作為植物體內(nèi)一種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)類激素,在非生物逆境脅迫下會對植物的生長發(fā)育造成一定影響,使得植物的生長發(fā)育能夠正常進(jìn)行[19]。本研究結(jié)果表明,噴施外源ABA能夠提高Pb脅迫下王族海棠葉片的Pn、Gs、Tr和WUE,降低Ci,這與劉小金等[20]的研究結(jié)論基本一致。然而,前人相關(guān)研究同時發(fā)現(xiàn),噴施外源ABA還可以誘導(dǎo)植物氣孔關(guān)閉,從而降低植物葉片的蒸騰速率與氣孔導(dǎo)度[21,22]。造成這種差異的原因可能與試驗材料以及外源ABA的噴施濃度和時間不同相關(guān)[23]。范曉榮等[21]在旱作水稻葉片氣孔運動對ABA的響應(yīng)試驗中發(fā)現(xiàn),5 min內(nèi)ABA就可使氣孔完全關(guān)閉,不同濃度ABA的作用強弱不同,且引起作用所需的時間也不相同。這也說明外源ABA所引起的植物氣孔關(guān)閉是一個短期過程,與作用時間及ABA濃度有著密切關(guān)系,但有關(guān)ABA作用隨處理時間的變化規(guī)律有待進(jìn)一步研究。
葉綠素?zé)晒鈶{借其非破壞性、非接觸性和測量方便等優(yōu)點常被用于評價光合機構(gòu)的功能和環(huán)境脅迫對其的影響[24]。光化學(xué)猝滅系數(shù)qP在一定程度上反映了光合系統(tǒng)反應(yīng)中心開放度的高低,而非光化學(xué)猝滅系數(shù)qN反映了PSⅡ反應(yīng)中心對天線色素吸收過量光能后以熱能散發(fā)的部分,可反映光合機構(gòu)的受損程度[25]。本試驗結(jié)果顯示,隨著土壤中Pb脅迫濃度的增加,王族海棠的Fv/Fm、ΦPSⅡ、qP先升后降,在Pb脅迫濃度為1 000 mg/kg時達(dá)到峰值;qN則先降后升,在1 000 mg/kg Pb處理時降至最低。表明王族海棠對輕、中度Pb脅迫具有一定的耐受性,可通過調(diào)整一系列生理反應(yīng)對其進(jìn)行應(yīng)激保護(hù)[26-29],但具體作用機制還有待進(jìn)一步研究;而高濃度Pb脅迫使PSⅡ反應(yīng)中心遭到破壞而失活,導(dǎo)致其對光能的吸收和轉(zhuǎn)化效率顯著下降,阻礙了光合碳同化產(chǎn)物的累積,從而影響植物生長發(fā)育[28]。而噴施50μmol/L外源ABA,可以顯著提高Pb脅迫下王族海棠葉片的Fv/Fm、ΦPSⅡ、qP,顯著降低qN,說明噴施適宜濃度的外源ABA能夠顯著提高王族海棠抵御Pb脅迫的能力。
綜上所述,王族海棠對低濃度Pb脅迫具有一定的耐受性,但超過1 000 mg/kg的Pb脅迫會破壞其光合系統(tǒng),濃度越高破壞越顯著;而噴施50 μmol/L ABA可顯著減輕Pb脅迫對王族海棠光合系統(tǒng)造成的傷害。有關(guān)王族海棠對其他重金屬的耐受性及富集能力以及外源ABA對抵御重金屬的作用機制還需深入研究。本研究結(jié)果可為鉛污染地區(qū)生態(tài)修復(fù)及物種選擇提供參考。