镉胁迫对豨莶生长及光合作用相关参数的影响

徐小逊，董袁媛，邓玉兰，霍庆霖，张世熔，蒲玉琳

（四川农业大学环境学院，成都 611130）

镉胁迫对豨莶生长及光合作用相关参数的影响

徐小逊，董袁媛，邓玉兰，霍庆霖，张世熔*，蒲玉琳

（四川农业大学环境学院，成都 611130）

为进一步揭示超积累植物豨莶（Sigesbeckia orientalis L.）对镉（Cd）的耐受机制，本文通过土壤盆栽试验，研究了豨莶在Cd胁迫下生长及光合作用相关参数的变化规律。结果表明，当Cd浓度为10 mg·kg-1时，豨莶生长、光合色素与对照相比无显著性差异（P＞0.05），表明豨莶在低浓度Cd处理下具有较强的生长适应性。高浓度Cd胁迫下豨莶能维持较高的叶绿素a/叶绿素b比值，有助于豨莶对Cd的耐受。Cd胁迫使叶片净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）和气孔限制值（Ls）逐渐降低，但胞间二氧化碳浓度（Ci）随着Cd浓度的升高而逐渐增大，表明豨莶光合速率的下降是由非气孔限制因素引起的。植株叶片最大光化学量子产率（Fv/Fm）、电子传递的量子产率（ΦPSⅡ）、表观光合电子传递速率（ETR）和光化学淬灭系数（qP）随Cd浓度的升高而逐渐降低，而非光化学淬灭系数（NPQ）则呈现先升高后降低的趋势，表明豨莶光合机构对Cd胁迫有一定的耐受能力。上述结果表明，豨莶叶绿素a/叶绿素b、Fv/Fm比值以及NPQ数值的变化与豨莶对Cd的光合适应性有关，在Cd耐受中有一定的作用。

豨莶；镉胁迫；光合色素；气体交换参数；叶绿素荧光参数

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镉（Cd）是一种对植物有较强毒害作用的重金属元素［1］，由于其在土壤中有较强的移动性，容易被植物吸收和积累［2］。过量的Cd进入植物体内，会抑制根系的生长［3］、破坏生物细胞膜的结构和功能［4］，使叶绿素、糖及蛋白质合成受阻，抑制光合及呼吸作用，降低酶的活性，最终导致生理代谢紊乱甚至死亡［5-7］。

光合作用是植物赖以生长和生物量递增所必须的重要生理过程［8］。Cd对植物光合作用的影响主要表现在直接干扰叶绿素的生物合成、破坏光合器官及色素、显著降低植物光合作用速率等［9］，这种影响与不同植物对Cd的耐受程度有关。研究发现，非耐受植物的光合色素（叶绿素a、叶绿素b等）［10］、气体交换参数（净光合速率Pn、气孔导度Gs等）［11］和叶绿素荧光参数（电子传递的量子产率ΦPSⅡ、光化学淬灭系数qP等）［9］等光合特性指标在Cd胁迫下均会出现显著降低。但对那些Cd富集或超积累植物而言，较低浓度的Cd胁迫却对其光合作用未产生明显抑制，如龙葵（Solanum nigrum L.）、宝山堇菜（Viola baoshanensis）等在低Cd胁迫下，植株生物量、叶绿素含量、Pn和最大光化学量子产量Fv/Fm等与对照无显著差异［12-13］。然而，不同超积累植物的光合特性也存在明显差异。如，球果蔊菜 ［Rorippa globosa （Turcz.）Thell.］叶绿素含量随Cd浓度的升高呈先升高后降低的趋势［14］，而龙葵的叶绿素含量则呈不断下降的趋势［12］。上述结果表明，Cd胁迫对不同植物的光合作用影响不同，可能存在较为复杂的调控机制。因此，进一步开展Cd超积累植物的光合特性研究，对阐明超积累植物在Cd胁迫下的光合适应能力有重要意义。

豨莶（Sigesbeckia orientalis L.）为菊科豨莶属的植物，在我国长江流域及以南地区有较广泛的分布。前期研究发现，豨莶具有生物量大、生长迅速的特点，同时其对Cd有较强的富集和向地上部转运的能力，是一种潜在的Cd污染土壤修复的超积累植物材料［15］。目前对豨莶耐受Cd的生理机制研究还不够深入，仅分析了Cd胁迫下豨莶根和叶中抗氧化酶的响应特征［15］，而对植物生理代谢的重要过程光合作用在Cd胁迫下的应答机制尚未进行研究。因此，本研究拟通过盆栽试验，分析不同Cd浓度下豨莶的生长、光合色素含量、气体交换参数和叶绿素荧光参数的变化规律，为深入揭示其耐受Cd的生理机制提供依据。

1　材料与方法

1.1试验材料

豨莶种子采集于四川省凉山州会东县铅锌矿区（26°39′40″N，102°46′11″E）。

1.2试验设计

1.2.1幼苗培养

挑选饱满豨莶种子，用0.05%NaClO浸泡消毒30 min，再用蒸馏水将其冲洗干净，播种于未受重金属污染的营养土中，培养4周后选择长势一致的幼苗（4 叶1心，株高为5～6 cm）备用。

1.2.2盆栽试验

供试土壤为水稻土，采自四川省成都市温江区（30°43′04″N，103°52′13″E）。土壤pH值为7.12，全氮和有机质分别为1.28、21.32 g·kg-1，碱解氮、有效磷和有效钾分别为75.35、16.79、145.43 mg·kg-1，Cd含量为0.13 mg·kg-1，机械组成为粉粒40.8%、砂粒33.7%、粘粒25.5%。

采集表层土（0～20 cm），经风干、压碎，过5 mm筛后备用。试验用桶为塑料桶（30 cm×20 cm），每桶装6.0 kg土，设置5个Cd处理浓度（0、10、50、100、150 mg·kg-1），每个处理设置3个重复。Cd以CdCl2· 2.5H2O的形式固态加入到土壤中，同时每桶施4.0 g复合肥（N∶P2O∶K2O=17∶17∶17，以NH4NO3和K2HPO4的形式供给），投加的Cd和复合肥在土壤中充分混匀并静置4周，使重金属Cd含量及形态达到平衡状态再进行幼苗移栽。试验于2014年3月开始育苗，4月底选取长势一致的豨莶幼苗（4叶1心）进行移栽，每桶3株，即每个处理浓度9株。

1.3测定项目及方法

1.3.1生物量及Cd含量

把豨莶植株从土壤中取出，先用蒸馏水将根系表面的泥土冲洗干净，然后在20 mmol·L-1乙二胺四乙酸二钠（EDTA-Na2）溶液中交换30 min，去除根系表面吸附的镉，最后用去离子水洗干净。用吸水纸将表面水分吸干，将豨莶地上部和地下部分出，105℃下杀青2 h，然后在60℃下烘干至恒重，称量并记录。

采用FAAS-M6原子吸收火焰分光光度计测定植物地下部和地上部的Cd含量。Cd胁迫60 d后，将烘干的豨莶植株的地下部和地上部分别混合取样，分别称取0.300 g于50 mL锥形瓶中，加入12 mL混酸（浓HNO3∶HClO4=5∶1），浸泡过夜，电炉上加热至冒白烟，用去离子水转移，定容至50 mL容量瓶，然后用原子吸收分光光度计测定Cd含量［16］。

1.3.2光合色素

Cd胁迫60 d后，选取同一叶位的样品（从第1片展开叶向下数的第5、6两片健康成熟功能叶）测定，每个处理重复3次。测定时，洗净叶片并擦干，叶片剪碎混匀后称取0.05 g，用液氮迅速研磨，用10 mL 80%的丙酮浸提过夜，浸提至叶肉组织完全变白再将浸提液倒出，用80%的丙酮定容至10 mL。以80%的丙酮为空白，用紫外分光光度仪（UV-2010型，美国）分别测定浸提液在波长663、645、470 nm处的光密度OD值，计算各光合色素的含量［17-18］。

1.3.3气体交换参数

Cd胁迫60 d后，在不同处理的植株上，选取两片健康成熟功能叶进行标记，用便携式光合测定仪（Li6400，USA；红蓝光源叶室）测定标记叶片的光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）和胞间二氧化碳浓度（Ci）［19］，通过公式（1）计算叶片的气孔限制值（Ls）［20］。测定选择在晴天上午的9：00—11：30进行。选取同一叶位的样品（从第一片展开叶向下数的第5、6两片健康成熟功能叶）测定，每个处理测定9株。

式中：Ca为样品室CO2浓度。

1.3.4叶绿素荧光参数测定

荧光参数测定方法参照王晓黎等［21］的方法：气体交换参数测定结束后，换上荧光叶室测定光适应下的荧光参数，待荧光基本稳定时，打开光化学光（光强300 μmol·m-2·s-1，蓝光占10%）测定稳态荧光（Fs）和光适应下最大荧光（Fm′），同时打开远红光测得光适应下初始荧光（Fo′）。暗适应下的荧光参数于当日晚间测定，天黑2 h（暗适应充分）后开始，关闭化学光和远红光，先照射检测光（＜0.5 μmol·m-2·s-1）测叶片初始荧光Fo，再照射饱和脉冲（6800 μmol·m-2·s-1，0.8 s）测得暗适应最大荧光Fm。根据测得的参数，通过公式（2）～公式（7）计算可变荧光（Fv）、最大光化学量子产率（Fv/Fm）、电子传递的量子产率（ΦPSⅡ）、光化学淬灭系数（qP）、非光化学淬灭系数（NPQ）、表观光合电子传递速率（ETR）［22］。选取同一叶位的样品（从第一片展开叶向下数的第5、6两片健康成熟功能叶）测定，每个处理测定9株。

1.4数据处理

运用Microsoft Excel 2016进行数据处理和图表制作，所有结果均为三次重复数据的平均值，用IBM SPSS Statistics 20软件进行单因素方差（ANOVA）检验，采用DUNCAN多重比较检验差异显著性，显著水平为P＜0.05。

2　结果与分析

2.1Cd胁迫对豨莶生长和器官中Cd含量的影响

当Cd浓度为10 mg·kg-1时，豨莶生长（根长、株高和生物量）与对照相比无显著性差异（P＞0.05），随着Cd浓度的进一步升高，植株生长各形态指标呈逐渐下降的趋势（表1）。Cd胁迫对根长、株高和生物量的抑制较为明显，在Cd≥50 mg·kg-1时，三者均显著低于对照；在Cd浓度为150 mg·kg-1时，分别比对照降低了59.16%、33.02%、33.09%和29.84%。

从表1还可以看出，植株地下部和地上部Cd含量均随着Cd浓度的升高而增加，在Cd浓度为150 mg·kg-1时，地下部和地上部Cd含量达到最高值，分别为251.49 mg·kg-1和288.75 mg·kg-1。地下部和地上部Cd含量与Cd浓度均呈极显著正相关，相关系数r分别为0.948和0.991。各处理地上部Cd含量均高于地下部，表明豨莶有较强的向地上部转运Cd的能力。

表1　镉胁迫对豨莶生长的影响Table 1 Effects of cadmium stress on the growth of S.orientalis

2.2Cd胁迫对叶片光合色素含量的影响

由图1可知，在不同浓度Cd胁迫下，豨莶体内各种光合色素含量变化趋势基本一致，即随着Cd浓度的升高，叶绿素a（Chl a）、叶绿素b（Chl b）、总叶绿素含量（Chl）和类胡萝卜素（Car）呈逐渐下降的趋势，与对照相比分别降低了8.70%～32.63%、16.39%～38.12%、10.81%～34.17%、15.38%～35.73%。Chl a、Chl b、Chl和Car与Cd浓度均呈极显著负相关，相关系数r分别为-0.947、-0.862、-0.958和-0.941。然而，各处理叶绿素a/叶绿素b（Chl a/Chl b）的值与对照相比无显著变化（P＞0.05），在50 mg·kg-1Cd处理下，叶绿素a/叶绿素b值最大，较对照增加了10.37%（图1D）。Chl a/Chl b与Cd浓度无显著相关性，相关系数r为0.161。

图1　Cd胁迫对豨莶叶绿素含量的影响Figure 1 Effects of Cd stress on pigment contents of S.orientalis

2.3Cd胁迫对豨莶气体交换参数的影响

Cd胁迫对Pn、Gs、Tr和Ls的影响基本一致，在Cd浓度为10 mg·kg-1时，上述4种气体交换参数与对照相比无显著差异（P＞0.05），随着Cd浓度的进一步升高则呈逐渐降低的趋势（图2）。其中，Pn比对照降低5.86%～51.91%，Gs降低12.50%～56.25%，Tr降低6.94%～45.24%，Ls降低6.06%～24.24%。相关分析表明，Pn、Gs、Tr和Ls与Cd浓度均呈极显著负相关，相关系数r分别为-0.970、-0.905、-0.835和-0.864。随着Cd浓度的升高，Ci则逐渐增大，在Cd浓度150 mg· kg-1时达最大值，与对照相比升高了7.83%（图2C）。Ci 与Cd浓度呈极显著正相关，相关系数r为0.823。

图2　Cd胁迫对豨莶气体交换参数的影响Figure 2 Effects of cadmium stress on photosynthesis of S.orientalis with different cadmium concentrations

2.4Cd胁迫对豨莶叶绿素荧光参数的影响

叶绿素荧光参数是衡量植株叶片PSⅡ活性的指标，植株光能耗散特征可通过各荧光参数指标的分析获得［21］。由表2可知，Cd胁迫使豨莶植株的Fv/Fm、ΦPSⅡ、ETR和qP均呈现逐渐降低的趋势，且与对照相比呈显著差异（P＜0.05）。与对照相比，Fv/Fm、ΦPSⅡ、ETR、qP的降幅分别为1.25%～6.25%、15.79%～57.89%、13.84%～58.76%、10.64%～34.04%。上述4个叶绿素荧光参数与Cd含量均呈极显著负相关关系，相关系数r分别为-0.983、-0.988、-0.835和-0.956。而NPQ的值随Cd胁迫浓度的升高呈先增后降的趋势，且各Cd处理浓度下的值均高于对照，当Cd为50 mg·kg-1处理时，NPQ值最大，与对照相比增加了7.25%。相关分析表明，NPQ值与Cd含量无显著相关性，相关系数r为0.123。

3　讨论

过量的重金属累积于植物叶片中，往往会抑制叶绿素合成所必需的元素吸收，导致叶绿素合成受阻，进而影响植物的生长发育［23-24］。一般认为土壤和植物中Cd含量分别达到3～8 mg·kg-1和9.5 mg·kg-1时就会对植物产生毒害作用［9，13］。本试验表明，当Cd浓度为10 mg·kg-1时，植物生长和光合色素含量与对照相比无显著差异，表明该植物对低浓度Cd有很强的耐受能力；高浓度Cd（≥50 mg·kg-1）明显降低了各种光合色素的含量，生长也受到显著抑制（表1和图1）。这与郭智等［12］对镉胁迫下超积累植物龙葵的光合特性的研究结果一致。然而，Cd胁迫下叶绿素a/叶绿素b的值有一定的增大（图1D），表明Cd对叶绿素b合成的抑制作用大于叶绿素a。前人在对Cd超积累植物印度芥菜（Brassica juncea）［25］、东南景天（Sedum alfredii Hance）［26］和苎麻（Boehmeria nivea）［27］的研究中均得到类似结果。产生这一现象的原因可能与这些重金属超积累植物的光合器官中含有较低的捕光叶绿素蛋白有关，而捕光叶绿素蛋白的减少被认为是叶绿体的一种适应性防御机制［25］。因此，高浓度Cd胁迫下豨莶叶片仍能维持较高的叶绿素a/叶绿素b比值，可能与豨莶对Cd的耐性有关。

表2　镉胁迫对豨莶叶绿素荧光参数的影响Table 2 Effects of Cd on chlorophyll fluorescence in leaves of S.orientalis

叶绿素荧光变化能反映植物光合机构的运转状况。本研究中，Cd胁迫导致Fv/Fm、ΦPSⅡ、ETR和qP值均出现不同程度的下降，表明豨莶叶片的光合机构受到一定程度的伤害。ΦPSⅡ和ETR都用来表示植物实际光化学反应效率，两者在Cd胁迫下降幅最为明显（表2），表明豨莶叶片PSⅡ光反应中心对Cd比较敏感，高浓度Cd会破坏光合电子传递链，使PSⅡ向PSⅠ传递电子的数量减少，从而影响光合作用，这与其他植物中测定的结果基本一致［13，28］。更重要的是，本试验发现各处理Fv/Fm值仅比对照降低1.25%～6.25%，具有相对较高的水平，表明Cd对豨莶叶片PSⅡ复合体的伤害较小，PSⅡ原初光能转换效率受到的影响较弱。这与Cd胁迫下超积累植物东南景天的响应一致［26］。在qP降低的同时，NPQ与对照相比略有增加（表2），表明豨莶叶片PSⅡ的天线系统能利用非光化学淬灭机制将过量光能耗散为热能，这种耗散过剩激发能的能力可缓解光合机构的受损程度［23］，在一定程度上提高了其抵御Cd胁迫的能力。

Cd胁迫使豨莶实际光化学反应效率降低，导致电子传递受到抑制，从而造成叶片中的ATP含量降低，这是引起Pn降低的重要原因。在逆境中，植物Pn降低可能由气孔关闭导致的气孔限制或叶肉细胞光合活性降低导致的非气孔限制引起，如果Pn的下降伴随着Ci的上升，说明非气孔限制是光合作用的限制因素［27］。近年的研究发现，多数超积累植物如垂序商陆（Phytolacca americana L.）［23］和苎麻［27］的Pn下降是由非气孔限制引起。本试验中，随着Cd处理浓度的升高，Pn的降低伴随着Ci升高和Ls的下降，表明豨莶净光合速率的下降也是由非气孔限制引起的，Cd胁迫导致暗反应酶活性受到抑制，CO2利用率降低。本研究还发现在Cd≤50 mg·kg-1时，Tr与对照相比无显著差异（图2 D）。这表明高Cd胁迫抑制Pn的同时，豨莶叶片通过维持相对较高的蒸腾作用从根部吸收更多营养元素参与代谢活动，这可能是豨莶耐受Cd的原因之一。

4　结论

（1）低浓度Cd（10 mg·kg-1）胁迫未抑制豨莶生长和光合色素含量，植物表现出对Cd较强的耐受能力。高浓度Cd（≥50 mg·kg-1）胁迫引起光合色素、部分气体交换参数和叶绿素荧光参数的下降，表明高浓度Cd会降低豨莶电子传递能力，减弱光合作用，从而导致植物生长受到抑制。

（2）Cd胁迫使Pn、Gs、Tr和Ls逐渐降低，但Ci随着Cd浓度的升高而逐渐增大，表明豨莶光合速率的下降是由非气孔限制因素引起的。

（3）高浓度Cd（≥50 mg·kg-1）胁迫下豨莶仍能维持较高的叶绿素a/叶绿素b比值、较高的Fv/Fm水平和NPQ值，可能是豨莶耐受Cd胁迫的关键所在。

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Effects of cadmium stress on growth and photosynthetic parameters of Sigesbeckia orientalis L.

XU Xiao-xun，DONG Yuan-yuan，DENG Yu-lan，HUO Qing-lin，ZHANG Shi-rong*，PU Yu-lin
（College of Environmental Sciences，Sichuan Agricultural University，Chengdu 611130，China）

The aim of this study is to examine the change of growth and photosynthetic parameters of Sigesbeckia orientalis L.under cadmium（Cd）stress through a soil pot experiment，and to analyze their roles in Cd tolerance.The results showed that the root length，plant length，biomass and chlorophyll contents have no significant change compared with the control at 10 mg·kg-1Cd treatment，indicating a relatively high growth adaptation of S.orientalis.The ratio of chlorophyll a to chlorophyll b under Cd stress was not significantly different from that of the control，which contributed to the Cd tolerance of S.orientalis.With increasing Cd concentration，net photosynthesis rate（Pn），stomatal conductance（Gs），and transpiration rate（Tr）decreased，while intercellular CO2concentration（Ci）increased 2.28%～7.83%，which suggested that the dominant reason for the decline of Pn was non-stomatal limitation.Moreover，the maximal photochemical of photosystemⅡ（Fv/Fm），ratio of photochemical quantum yield of photochemical of photosystemⅡ（ΦPSⅡ），rate of electronic transmission of photosynthesis（ETR）and photochemical quenching coefficient（qP）gradually decreased，but non-photochemical quenching coefficient（NPQ）increased compared with the control.Taken together，the results uncover that the change of Chl a/Chl b，Fv/Fm and NPQ might play important roles in photosynthetic adaptive ability and Cd tolerance.

Sigesbeckia orientalis L.；cadmium stress；chlorophyll contents；gas exchange parameters；chlorophyll fluorescence parameters

X171.5

A

1672-2043（2016）09-1672-08doi：10.11654/jaes.2016-0573

2016－04－22

国家自然科学基金项目（41401328）

徐小逊（1979—），男，四川乐山人，硕士研究生，主要从事退化及污染土壤生态修复研究。E-mail：xuxiaoxun2013@163.com

张世熔E-mail：rsz01@163.com