Cr6+对空心莲子草光合生理特性的影响

陈全战 唐宁 张边江 王立科 杨平

摘要：为了研究Cr6+对空心莲子草（Alternanthera philoxeroides）的毒害作用，探讨Cr6+的毒害机制，为早期预报Cr6+的危害和环境监测提供理论依据。在不同浓度（0、5、10、20、40 mg/L）Cr6+的处理后，评价了空心莲子草的外伤毒害症状，测定了叶绿素含量和光合参数净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）和胞间CO2浓度（Ci）。结果显示，在Cr6+浓度为0～5 mg/L时，叶绿素含量和叶绿素a/b值略有升高，此后随着Cr6+浓度的增加，叶绿素含量呈明显下降趋势，而叶绿素a/b值下降趋势不明显；随着Cr6+浓度的增加，净光合速率、蒸腾速率和气孔导度呈显著下降趋势，胞间CO2浓度呈缓慢上升趋势。因此低浓度的Cr6+对空心莲子草影响不大，而高浓度的Cr6+会产生毒害作用，最终导致植株枯萎。

关键词：Cr6+； 空心莲子草（Alternanthera philoxeroides）； 叶绿素含量； 净光合速率

中图分类号：S451 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）21-5310-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.21.026

Chromium-induced Photosynthetic Physiological Parameters in Alternanthera philoxeroides

CHEN Quan-zhan， TANG Ning， ZHANG Bian-jiang， WANG Li-ke， YANG Ping

（Institute of Plant Resources and Germplasm Innovation， Nanjing Xiaozhuang University，Nanjing 211171，China）

Abstract： In order to provide theoretical basis for the early prediction of Cr6+ hazards and environmental monitoring， toxic effects of Cr6+ on Alternanthera philoxeroides were studied. With A. philoxeroides as experimental materials， treated with different concentrations of Cr6+ （0，5，10，20，40 mg/L）， the trauma symptom was observed， the chlorophyll content and photosynthetic parameters were determined. The results showed that the chlorophyll contents and ratio of chlorophyll a/b increased when the concentration of Cr6+ was 0～5 mg/L； The chlorophyll contents and the ratio of chlorophyll a/b reached the maximum value when the concentration of Cr6+ was 5 mg/L； The chlorophyll contents and ratio of chlorophyll a/b decreased with the increasing of Cr6+ concentration.With the increasing of Cr6+ concentration， the net photosynthetic rate， transportation rate and stomatal conductance decreased， while the intercellular CO2 concentration increased. Therefore， low concentration of Cr6+ had little impact on growth of A. philoeroides， and the higher concentration of Cr6+ could produce toxic action， causing withering in the end.

Key words：Cr6+；Alternanthera philoxeroides；chlorophyll contents；net photosynthetic rate

由于金属铬的抗腐蚀性强，硬度大，可形成合金，目前被广泛应用于化学、冶金、医药、国防等领域，由此产生的六价含铬废弃物通常以CrO42-离子的形式存在，对水体造成污染。在龙葵、银胶菊[1]、大麦[2]、油菜[3]等植物的研究中发现，Cr6+能够显著抑制植株生长，降低叶绿素含量、叶绿素荧光水平和相对含水量，提高植株抗氧化酶的活性和脯氨酸含量，用以提高植株对重金属胁迫的耐受性。

空心莲子草（Alternanthera philoxeroides）是苋科多年生宿根草本植物，又名水花生。其作为饲料在20世纪30年代引入中国，因生长迅速、抗逆性强，在中国大部分地区蔓延，很难彻底清除。Ding等[4]和林茂兹等[5]研究发现Cr6+胁迫下，空心莲子草会将过量的铬积累在叶片中，转运系数大于1。虽然不属于超富集植物范畴，但在对重金属污染土壤的修复中仍有一定的利用价值。同时空心莲子草作为饲料、中药和食用菌培养料的利用价值也在不断被发掘之中[6]。

前人对逆境下空心莲子草的生理生化特性进行了一些报道。周红卫[7]和张乐乐[8]分别探讨了Cr6+对空心莲子草植株和愈伤组织抗氧化活性系统和超微结构的影响，发现5 mg/L Cr6+能够促进空心莲子草植株生长，此后随着浓度升高，生长开始受到抑制，浓度超过50 mg/L时植株几近死亡。Cr6+能够积累空心莲子草愈伤组织内活性氧的含量，产生膜脂过氧化，导致生理生化代谢紊乱，造成细胞结构和功能损伤。刘爱荣等[9]研究了盐胁迫对空心莲子草生长和光合作用的影响，发现其有一定的耐盐性，可以在NaCl 100 mmoL/L以下正常生长。刘大胜等[10]研究了空心莲子草的光合日变化，发现其净光合速率日变化曲线分别在10：00和16：00出现双峰。但Cr6+胁迫下，对空心莲子草光合生理特性的研究还未见报道。本研究主要从外部形态、叶绿素含量和光合特性等几个方面对空心莲子草进行探讨，旨在更进一步了解Cr6+对植物的毒害机理，也为重金属的研究和环境监测提供依据。同时，通过研究Cr6+对空心莲子草的毒害作用，了解空心莲子草的抗逆性，从而应用于环境的治理，在改善环境和保护生态环境中将发挥积极作用。

1 材料与方法

1.1 试验材料

空心莲子草采自南京晓庄学院校园水塘，自来水预培养2 d，取生长旺盛、根系发达、长势一致的植株移入1 L培养瓶中，分别加入含0、5、10、20、40 mg/L K2Cr2O7（按纯Cr6+计）的MS培养液，每种处理30株，在培养过程中观察其外部形态变化，处理5 d后测定叶绿素含量和光合气体交换参数。

1.2 目测植株外伤症状

用目测法观察，植株外伤症状[11]分为4级。1级代表正常生长；2级代表轻度伤害，近中心部位失绿；3级代表中度伤害，叶片中心部位及外围不同程度失绿；4级代表重度伤害，植株矮小，叶片失绿。

1.3 叶绿素的测定

参照Wellberum等[12]的方法，取叶片称重，用体积分数为96%的乙醇溶液置于黑暗环境中浸提叶绿素，待叶片全部变白后，于665 nm和649 nm处分别测定吸光度值，计算叶绿素a、b、a+b含量和a/b值。

1.4 光合生理参数的测定

选择上午10：00～11：30晴朗无云的天气，取不同植株的同一部位功能叶（从顶部倒数第3对），用CIRAS-2型便携式光合气体分析系统（英国PP Systems公司）测定叶片的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）和胞间CO2浓度（Ci）等气体交换参数。测定时CO2浓度为340 mg/L，O2为21%，光照强度为1 000 μmol/（m2·s）。

1.5 数据分析

试验数据运用SPSS软件进行统计分析，每组数据重复测定6次，结果用平均值±标准差（SE）表示，单因素方差分析（One-way ANOVA）和最小显著差异法（LSD）比较组间的差异。

2 结果与分析

2.1 不同浓度Cr6+对空心莲子草外伤症状的影响

Cr6+对空心莲子草的伤害与培养液中Cr6+浓度有关，对照组长势正常，目测不到伤害；而其他Cr6+浓度培养的空心莲子草随时间的延长表现出不同程度的外表伤害症状。随着Cr6+浓度增高和处理时间的延长，植株的伤害症状越明显。5 mg/L Cr6+浓度对植株外表伤害较轻，第4天开始中心部位的叶片有轻微的失绿；随着Cr6+浓度的升高，植物的外表伤害症状明显表现出来，从中心部位的叶片失绿逐渐扩散至外围；Cr6+达到40 mg/L时，植物停止生长，植株呈萎蔫状态，叶片狭小变薄，干枯（表1，图1）。

2.2 不同浓度Cr6+对空心莲子草叶绿素含量的影响

由图2可以看出，5 mg/L Cr6+处理时，叶绿素含量有所升高，而后随浓度增加迅速下降，Cr6+浓度为20～40 mg/L时下降幅度减缓；40 mg/L Cr6+处理后的植株与对照相比，叶绿素含量下降了一半。叶绿素a/b值变化幅度不大，基本保持在1.4左右，总体变化不明显（P>0.05）。

2.3 不同浓度Cr6+对空心莲子草光合生理参数的影响

分别测光照强度为200、400、600、800、1 000、 1 200 μmol/（m2·s）的光合参数，发现在光照强度为800 μmol/（m2·s）时各项指标达最大值，800 μmol/（m2·s）左右都有下降趋势，则判断空心莲子草在光照强度为800 μmol/（m2·s）时光合作用最好，因此控制光照强度为800 μmol/（m2·s）时测定光合参数。从图3可以看出，光照强度固定，随着Cr6+浓度的升高，空心莲子草的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均呈大幅下降趋势，而胞间CO2浓度呈缓慢上升趋势，当Cr6+浓度达40 mg/L时，空心莲子草的净光合速率几乎为零。

3 小结与讨论

植物是自然界的生产者，重金属在植物体内的分布、积累以及对植物的毒害受重金属的种类和浓度、植物的种类及环境条件的影响。研究重金属对植物生理指标的影响和植物对重金属的抗性机制，对于制定适当的环境标准来预防重金属的毒害，利用植物检测水体重金属的污染都有重要的意义[13]。空心莲子草是一种外来杂草，经过长期的进化选择，具有很强的适应性和生命力。Cr6+化合物水溶性强，易透过生物膜，被吸收和运输较快，活性也较大[14]。结果表明，空心莲子草在Cr6+浓度为5 mg/L时的生长不受影响，植株外表伤害症状不明显，叶绿素a+b含量略有上升；此后随着Cr6+浓度的增加，生长受到抑制，叶片发黄失绿，叶绿素含量越来越低，外表伤害症状明显；当Cr6+浓度达到40 mg/L时，茎叶枯萎，根部腐烂，植株停止生长。Cr6+胁迫使空心莲子草中叶绿素a+b含量下降，光能捕获减少，降低了活性氧的产生，减少了对蛋白质的降解，使植物对铬胁迫的耐受性增强。叶绿素a/b反映了植物对光能的利用程度，在Cr6+ 5～40 mg/L范围内，叶绿素a/b呈缓慢下降趋势，但差异不显著（P>0.05）。

叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，高等植物叶绿体中的叶绿素主要有叶绿素a和叶绿素b，其含量的高低在一定程度上反映植物进行光合作用的能力。Cr6+胁迫影响光合过程中的电子传递和破坏叶绿体的完整性，降低叶绿素含量，导致空心莲子草光合作用减弱[15]。不同浓度Cr6+处理后，空心莲子草叶片的Pn和Gs均低于各自对照，Ci则均高于对照。表明在不同浓度Cr6+条件下，空心莲子草可能通过降低Gs来减少水分蒸腾而适应胁迫的，这可以从Tr的下降中得以证实；同时还表明Pn的下降与Ci关系不大，可能空心莲子草叶片光合速率的下降使得叶肉细胞光合活性下降而导致的非气孔限制，进而降低了光合作用效率。

Cr6+胁迫影响植物生长的发育、叶绿素含量、光合生产力、过氧化物酶活性、硝酸还原酶活性等。测定了不同浓度Cr6+胁迫下对空心莲子草的外伤症状、叶绿素含量、光合作用参数等生理指标的影响，仅对Cr6+对空心莲子草的毒害机制作了初步了解，而要综合评价Cr6+对空心莲子草的毒害还需要进一步的研究。植物对重金属Cr6+的吸收及其在植物体内的分布，以及对植物超微结构的毒害的深入研究，对于制定适当的环境标准来预防Cr6+的毒害和利用植物检测水体重金属的污染都有重要的意义。

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