东京野茉莉对重金属胁迫的响应特征研究

2021-11-28王丽艳吴巧花

南方林业科学 2021年5期

王丽艳，杨桦，周晨，吴巧花

(江西省林业科学院·南昌城市生态系统国家定位观测研究站，江西南昌330013)

随着现代工业的迅猛发展，铜和镉被广泛应用于机械、化工、电镀、印染等部门，这些工业排放的废弃物成为环境中的重金属污染源。由于污染源的广阔性，使城市土壤中重金属已有不同程度的累积[1-2]。重金属对植物的伤害前人已做了很多研究，如铜能破坏植物体光合器官和叶绿体结构[3-4]；镉能抑制叶绿素的生物合成[5]，也会影响PSII反应中心和电子传递、卡尔文循环中有关酶的活性导致一系列生理代谢紊乱，从而减少生物量积累[6]。但这些研究主要集中在农业及草本植物上，土壤中的重金属是如何影响东京野茉莉（Styrax tonkinensis）的光合作用和叶绿素特性报道不多。本实验以东京野茉莉苗木为对象，研究不同浓度土壤铜和镉污染胁迫下其光合作用和叶绿素的变化，旨在分析铜和镉污染胁迫对光合作用影响的内在机制。

1 试验设计与方法

1.1 试验设计

对东京野茉莉分别进行铜（Cu）、镉（Cd）2种胁迫处理，并设置空白对照。空白处理1组共10盆，不处理，正常浇水。铜处理，共4组，每组10盆，铜胁迫用CuSO4溶液，每组浇灌浓度分别为:0 mmol·L-1、1 mmol·L-1、5 mmol·L-1、10 mmol·L-1、20 mmol·L-1。镉处理，共4组，每组10盆，镉胁迫用CdCl2溶液，每组浇灌浓度分别为：0 μmol·L-1、100 μmol·L-1、200 μmol·L-1、400 μmol·L-1、600 μmol·L-1。从2016年7月开始定期浇灌不同浓度的CuSO4和CdCl2溶液，浇灌的体积为100 mL，浇灌到11月底。浇灌时，将各浓度的重金属溶液用量筒量好，将溶液缓缓流入营养钵的土壤中，以防淋溶出盆。并在每次浇灌时（时间间隔7 d）记录1次每株东京野茉莉叶子的叶绿素（SPAD值），每浇灌2次记录1次每株东京野茉莉的株高和地径。

1.2 测定方法

1.2 .1 幼苗叶片叶绿素含量的测定

对4种不同浓度Cu、Cd的幼苗采摘一定量叶片供试。叶绿素含量参考《植物生理生化实验原理和技术》中的方法[7]。①在3个研钵中分别加入3份称取好了的剪碎的新鲜样品，在各研钵中加入95%乙醇2～3 mL和少量石英砂和碳酸钙粉，研成均浆，然后再加95%乙醇10 mL，继续研磨至组织变白。静置3～5 min。②将一张滤纸放入漏斗中，并且用乙醇润湿，将提取液沿玻璃棒倒入漏斗中，过滤到25 mL的棕色容量瓶中，提取液倒入容量瓶之后，再用少量乙醇冲洗研钵、研棒及残渣数次，最后连同残渣一起倒入漏斗中。③用塑料滴管吸取少量的乙醇，把滤纸上的叶绿体色素全部冲洗到容量瓶中。直至滤纸和残渣中无绿色为止。最后用乙醇定容至50 mL，摇匀。然后再将叶绿体色素提取液倒入直径1 cm的比色皿内。以95%乙醇为空白，在波长665 nm、649 nm、470 nm下测定吸光度。

1.2 .2 叶片光合参数的测定

试验初期选取各处理生长良好的4株苗木作为固定样株，测量时从顶叶向下第3~5片功能叶中选取叶片，利用Li-6400型便携式光合测定仪（Li-Cor,Inc,USA），在晴天的9:00－17:00进行光合参数测定，设定样本室温温度25℃，取自相对稳定的3 m高空，空气流速为400~410 μmol·s-1。选择长势良好、无病虫害和无机械损伤的幼苗，每株幼苗自上而下选取3片健康叶片作为测定叶，每个叶片待数据稳定后连续取3个数据，取平均值。仪器自动记录净光合速率（Pn）、胞间CO2浓度（Ci）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）等参数。

2 结果与分析

2.1 不同浓度Cu、Cd胁迫下东京野茉莉幼苗叶绿素含量的变化

2.1 .1 Cu胁迫下东京野茉莉幼苗叶绿素含量的变化

由表1可知，在Cu处理浓度为1 mmol·L-1时，东京野茉莉幼苗中叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量及叶绿素总含量与对照组均不显著。但当Cu处理浓度为5 mmol·L-1、10 mmol·L-1、20 mmol·L-1时，叶绿素a、叶绿素b含量均显著低于对照组。类胡萝卜素在也受到了Cu胁迫影响，随Cu浓度增加类胡萝卜素含量先降低后上升，在10 mmol·L-1、20 mmol·L-1Cu浓度处理水平，类胡萝卜素含量显著高于对照组。随着Cu浓度增加叶绿素含量先升后降，与对照组差异不显著（P＜0.05）。

表1 不同浓度Cu处理对幼苗叶绿素的影响Tab.1 Effects on chlorophyll of seedlings to different concentrations of Cu stress

2.1 .2 Cd胁迫下东京野茉莉幼苗叶绿素含量的变化

表2 表明，在Cd处理浓度为100 μmol·L-1、200 μmol·L-1时，东京野茉莉幼苗中叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量及叶绿素总含量均显著高于对照，说明低浓度的Cd胁迫对东京野茉莉幼苗中叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量及叶绿素总含量有一定的促进作用。随着Cd浓度的增加，东京野茉莉幼苗中叶绿素a、叶绿素b含量及叶绿素总含量呈下降趋势，叶绿素a、叶绿素b含量均与对照组差异显著，说明高浓度的Cd胁迫会对叶绿素含量变化起到抑制作用。而余东等[8]的研究结果表明低浓度和高浓度的Cd胁迫对枇杷叶绿素含量和光合作用均显示抑制作用，说明不同树种对Cd胁迫的响应表现不一致。本研究表明类胡萝卜素呈先降后升趋势，与对照组差异显著（P＜0.05）。

表2 不同浓度Cd处理对幼苗叶绿素的影响Tab.2 Effects on chlorophyll of seedlings to different concentrations of Cd stress

2.2 不同浓度的Cu、Cd胁迫对东京野茉莉的光合作用的影响

2.2 .1 Cu胁迫对东京野茉莉的光合作用的影响

根据表3可知，与对照组相比，不同Cu浓度处理的东京野茉莉幼苗净光合速率、气孔导度、蒸腾速率和胞间CO2浓度都有所下降。说明Cu对植物的光合作用有着抑制作用。根据多重比较结果，不同浓度Cu的处理对东京野茉莉净光合速率差异显著（Ρ＜0.05）。由表3可知，1 mmol·L-1与5 mmol·L-1Cu浓度处理的数据结果无显著差异，与10 mmol·L-1、20 mmol·L-1Cu浓度处理存在显著差异；10 mmol·L-1与20 mmol·L-1Cu浓度处理相比较无显著差异，与0 mmol·L-1、1 mmol·L-1、5 mmol·L-1Cu浓度处理的结果存在显著差异。说明随着Cu处理浓度的升高，净光合速率呈下降趋势，不同浓度Cu处理均对东京野茉莉幼苗净光合速率起抑制作用。对于气孔导度、蒸腾速率、胞间CO2浓度，各组不同浓度Cu处理间均存在显著差异，随着浓度的增加呈先下降后上升再下降的趋势，均在浓度为5 mmol·L-1时达到最大值，说明在特定浓度下，Cu胁迫对东京野茉莉的气孔导度、蒸腾速率、胞间CO2浓度有增强作用。

表3 不同浓度的Cu对东京野茉莉的光合作用的影响Tab.3 Effects on Photosynthesis of S.tonkinensis seedlings different concentrations of Cu stress

2.2 .2 Cd胁迫对东京野茉莉的光合作用的影响

根据表4可知，与对照组相比，100~400 μmol·L-1浓度Cd处理下，东京野茉莉幼苗净光合速率受到抑制作用，当浓度达到600 μmol·L-1时，其净光合速率高于对照组，说明一定高浓度的Cd处理，对东京野茉莉的幼苗净光合速率具有增强作用。田晓峰[9]的研究结果中，重金属Cd对金丝柳净光合作用速率有随重金属Cd浓度的升高而降低的趋势，与本文Cd对东京野茉莉的处理结果不太一致，说明不同树种对Cd胁迫的响应存在一定差异。

表4 不同浓度的Cd对东京野茉莉的光合作用的影响Tab.4 Effects on Photosynthesis of Styrax tonkinensis seedlings different concentrations of Cd stress

对于气孔导度和蒸腾速率而言，100 μmol·L-1和200 μmol·L-1浓度Cd处理与对照间无显著差异，当浓度为400 μmol·L-1时，东京野茉莉的气孔导度和蒸腾速率均产生较大幅度下降，而浓度达到600 μmol·L-1时，气孔导度和蒸腾速率均达到最大值，显著大于其它处理组和对照组。对于胞间CO2浓度而言，除了400 μmol·L-1浓度处理抑制了东京野茉莉的胞间CO2浓度，其它处理组均显著大于对照组的胞间CO2浓度，浓度为200 μmol·L-1处理下，达到最大值。

大多数研究表明，重金属Cd随着浓度的升高，对植物光合作用产生抑制现象，李亚藏等[8]研究Cd对茶条槭和五角槭光合作用影响表明：随着土壤中镉浓度的增加，茶条槭的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率呈先升后降趋势，胞间CO2浓度则呈先降后升趋势。但在本试验中，东京野茉莉在Cd的胁迫下，净光合速率呈先降后升趋势，气孔导度、蒸腾速率及胞间CO2浓度呈先升后降再升的趋势。在秦天才等[9]研究Cd对植物光作用的影响中得出，Cd对植物光合速率的影响受不同植物种类、不同的发育阶段以及外界的各类条件而定。

3 结论与讨论

3.1 讨论

Cd是生物体中的非必需元素，Cu是生物生长所需要的微量元素。重金属胁迫能使植物光合作用减弱，破坏叶绿素结构引起叶绿素总量降低。朱宇林等[12]学者研究表明，在重金属Cd和Pb的胁迫下，银杏叶片随着重金属浓度的升高，光合作用和蒸腾速率下降，且叶绿素a/b值也下降，其原因是重金属胁迫导致非气孔限制。

孟丽[13]研究发现，重金属对光合特性的影响受胁迫时间和浓度的影响，当处理浓度较低时，光合作用增强，超过一定浓度，光合作用受到抑制。同理说明对植物生长发育也起到抑制作用。本试验发现，东京野茉莉光合作用参数值的变化趋势均在低浓度Cd处理下有明显的上升趋势，与周怡[14]的研究结果一致，这表明低浓度的Cd能促进东京野茉莉的光合作用，但在高浓度下又会出现一定的抑制作用，但抑制作用是有限的，可能是研究中设置的Cd浓度还没能达到严重抑制东京野茉莉光合作用的处理水平，说明在Cd胁迫下，东京野茉莉具有较强的光合适应性。

光合速率是反映在不同环境下植物光合作用运转状况的灵敏指标，净光合速率可直接体现光合系统功能，可作为衡量植株系统工作正常与否的重要指标[15-16]。有研究表明，高浓度Cu胁迫会严重影响大花萱草（Hemerocallis fulva）植株的正常生长，主要原因可能是是植物为了减少水分散失，缩小或关闭气孔，降低气孔导度，减少叶片的气体交换[17]。关梦茜[18]对2种萱草对重金属Cu、Cd胁迫的生理响应研究发现，随着Cu胁迫浓度的增大，净光合速率降低会导致吸碳、释氧量降低，蒸腾速率的降低会导致降温、增湿的生态效益降低。本试验发现Cu胁迫下，东京野茉莉光合作用减弱，与对照差异显著（P＜0.05），说明Cu胁迫下东京野茉莉的光合作用受到抑制。