铅胁迫对滇白前生长、光合作用及叶绿素荧光的影响

2021-12-09王建秋曹子林王晓丽张晋龙彭辰吟

草地学报 2021年11期

王建秋，曹子林*，王晓丽，张晋龙，彭辰吟

(1.西南林业大学生态与环境学院，云南昆明 650224； 2. 云南省山地农村生态环境演变与污染治理重点实验室，云南昆明 650224； 3.西南林业大学林学院，云南昆明 650224)

随着工农业生产的快速发展，重金属污染已经成为当今全球面临的一个重要环境问题。铅是一种有害的重金属元素，在过去的50年里，大约有7.83×105t的铅排到土壤环境中，对土壤造成严重的重金属污染[1]。铅易被植物吸收积累，当其在植物体内累积超过一定限度时，不仅严重影响作物的产量和品质，还会通过食物链危害人体健康[2]。因此，修复铅污染的土壤尤其重要。植物修复技术是一种新兴的土壤修复技术，具有修复面积广、操作简便且绿色无二次污染等优点[3]，对于清除土壤重金属污染与实现可持续发展具有重要的现实意义。而选择对重金属耐性强、生物量大的超富集植物正是植物修复技术的关键。

滇白前(Sileneviscidula)是石竹科(Cayophyllaceae)蝇子草属的一种多年生草本植物，主要生长在海拔1 200～3 200 m的四川、云南、贵州、西藏(东南)等地[4]。据研究，滇白前对铅(Pb)、锌(Zn)、镉(Cd)元素具有很强的耐受性，是新型Pb/Zn/Cd共超富集植物，为土壤重金属污染地修复提供了新的资源[5]。目前，有关滇白前的研究主要集中于其药用成分、抗癌作用及转录组测序等方面[6-8]。植物的生长指标、光合生理特性及叶绿素荧光可反映植物对外界环境的适应性，是植物能否在重金属胁迫下成功定植的重要指标[9-10]，但关于铅胁迫对滇白前生长特性、生理指标和叶绿素荧光的影响未见报道。因此，本研究以滇白前为对象，进行盆栽试验，通过不同浓度铅胁迫，测定其生长指标、叶绿素含量、光合生理、荧光特性、根系活力的变化，探究滇白前对铅胁迫的生理响应机理，以期为铅污染土壤的生态修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

栽培基质为昆明市呈贡区的农田土，将土壤阴干并去除其中岩石和残留的植物后磨细过筛。滇白前种子采自云南省怒江州兰坪县金顶镇凤凰山金鼎铅锌矿区，地理坐标：26°24′3″N，99°24′54″E。2020年6月中旬，用滇白前种子进行育苗，待植物长出4片真叶后用于试验。

1.2 试验设计

用外口径21 cm、盆高11 cm的花盆装干土2 kg，依次加入相对应浓度的Pb(NO3)2溶液，使土壤添加铅含量分别为0 mg·kg-1，600 mg·kg-1，1 200 mg·kg-1，1 800 mg·kg-1，2 400 mg·kg-1和3 000 mg·kg-1(以干土计)。添加时溶液刚好把土壤浸湿无渗漏，并充分搅拌混匀，老化3个月后供试验使用。7月30日，将大小一致、长势良好的滇白前幼苗移栽到不同浓度铅的土壤中，每盆种植3株，每个处理3个重复。在试验区上方搭设爬藤架，在架上盖上塑料膜，每天适量浇水使土壤含水量大约保持在田间持水量的70%。

1.3 试验指标测定

胁迫60 d后，每个浓度处理选取滇白前倒三叶片3片，采用Li-6400XT光合仪测定净光合速率(Net photosynthetic rate，Pn)、气孔导度(Stomatal conductance，Gs)、蒸腾速率(Transpiration rate，Tr)、胞间二氧化碳浓度(Intercellular oxidation concentration，Ci)。用HAndy PEA植物效率分析仪测定初始荧光(Initial fluorescence，Fo)、最大荧光(Maximum fluorescence，Fm)、可变荧光(Variable fluorescence，Fv)、PSⅡ最大光化学效率(Maximum photochemical efficiency of photosynthetic system Ⅱ，Fv/Fm)、PSⅡ潜在活性(Potential activity of photosynthetic system Ⅱ，Fv/Fo)。采用丙酮-乙醇混合提取法测定叶绿素a(Chlorophyll a，Chl a)、叶绿素b(Chlorophyll b，Chl b)的含量[11]。最后，将植株取出，取根须及根尖0～3 cm，参照王学奎的方法，采用氯化三苯基四氮唑法测定根系活力[12]。测定高度、叶宽、根长，记录萌条数，反映植物生长状况。

1.4 数据分析

采用Excel 2016对原始数据进行处理和整理，利用SPSS 20.0软件对生长指标、光合生理指标及叶绿素荧光特性进行差异显著性检验，并进行这三大指标之间的相关性分析。

2 结果与分析

2.1 铅胁迫对滇白前生长的影响

由表1可知：总体上，高度、叶宽、萌条数、根长4个指标随铅处理浓度的增大呈先升后降的趋势。在600 mg·kg-1处理下，滇白前高度、叶宽与对照相比略有下降，而萌条数、根长与对照相比均有上升，其中根长达到显著水平(P<0.05)；高度、萌条数在1 200 mg·kg-1处理时达到最大值，而根长、叶宽在1 800 mg·kg-1处理下达到最大值，铅处理浓度达到3 000 mg·kg-1时，这4个指标均低于对照。

表1 铅胁迫对滇白前生长的影响Table 1 The growth of S. viscidula under Pb stress

2.2 铅胁迫对滇白前叶绿素的影响

由表2可知，随着铅浓度增大，滇白前Chl a、Chl b、Chl a+b含量均呈先升后降的趋势。在600，1 200，1 800 mg·kg-1处理下，这三个指标随着铅浓度增加而增大，1 800 mg·kg-1处理下达到最大值，分别为1.35，0.53，1.89 mg·g-1，2 400 mg·g-1处理与1 800 mg·kg-1处理相比，这3个指标均下降，但这4个浓度处理均显著大于对照(P<0.05)，而在3 000 mg·kg-1处理下，叶绿素含量3个指标均小于对照，达到最小值。

2.3 铅胁迫对滇白前光合指标的影响

由表3可知，滇白前Pn，Gs，Tr均随铅浓度的增大呈先增后降的趋势，而Ci随铅浓度的增大呈先降后增的趋势。600 mg·kg-1处理时，Pn，Tr，Gs显著高于对照(P<0.05)，Pn在1 800 mg·kg-1时达到最大值，Tr，Gs在1 200 mg·kg-1时达到最大值，随后随处理浓度增大而下降，3 000 mg·kg-1时，Pn，Tr，Gs均最小，仅6.40 μmolCO2·m-2·s-1，2.64 molH2O·m-2·s-1，0.27 molH2O·m-2·s-1，分别比对照增长了75.67%，71.05%，71.88%。600 mg·kg-1处理与对照相比，Ci显著降低(P<0.05)，在1 800 mg·kg-1处理时为最低值，在3 000 mg·kg-1处理时达到最大值，为586.40 μmolCO2·mol-1。

表2 铅胁迫对滇白前叶绿素含量的影响Table 2 Effect of Pb stress on chlorophyll content of S. viscidula

表3 铅胁迫对滇白前光合指标的影响Table 3 Effect of Pb stress on photosynthesis indexes of S. viscidula

2.4 铅胁迫对滇白前根系活力的影响

从图1所示，滇白前根系活力(Root activity，RA)随铅浓度的增大呈先增后降的趋势。在600 mg·kg-1处理时RA略高于对照，1 200 mg·kg-1处理时RA最高，之后随处理浓度增大RA下降，但均高于对照，而在3 000 mg·kg-1处理时RA最低，比对照降低了51.99%(P<0.05)。

图1 铅胁迫对滇白前根系活力的影响Fig.1 Effect of Pb stress on root activity of S. viscidula

2.5 铅胁迫对滇白前荧光特性的影响

由表4可知，随着铅浓度的增加，滇白前叶片的Fo呈先降低后升高的趋势。Fm和Fv均呈现先增加后减小的趋势，在1 200 mg·kg-1时达到最大值，分别为对照的1.11倍、1.17倍；铅胁迫下滇白前Fv/Fm呈先增后降的变化规律，Fv/Fo与之相似，铅浓度为600，1 200，1 800 mg·kg-1时，均显著大于对照(P<0.05)；铅浓度在3 000 mg·kg-1为最小值，均显著低于对照(P<0.05)，滇白前叶片的叶绿素荧光效率受到抑制。

2.6 滇白前生长与光合生理及叶绿素荧光指标的相关性

由表5可知：株高与Pn，Tr，Gs,Chl a+b含量、RA、Fv/Fm，Fv/Fo呈极显著或显著的正相关(P<0.01或P<0.05)，与Ci呈极显著的负相关(P<0.01)；Pn，Tr，Gs与Chl a+b含量、RA,Fv/Fm，Fv/Fo呈极显著或显著的正相关(P<0.01或P<0.05)，与Ci呈极显著或显著的负相关(P<0.01或P<0.05)；Ci与Chl a+b含量、RA,Fv/Fm，Fv/Fo呈极显著的负相关(P<0.01)；Pn，Tr，Gs三者之间极显著正相关(P<0.01)。

表4 铅胁迫对滇白前叶绿素荧光参数的影响Table 4 Effect of Pb stress on chlorophyll fluorescence of S. viscidula

表5 生长指标与光合生理及叶绿素荧光指标的相关性Table 5 Correlation of growth index with photosynthetic physiology and chlorophyll fluorescence index

3 讨论

铅对植物生长的影响是植物适应环境生长的一个综合作用的结果。植物对重金属胁迫产生响应通常表现为低含量刺激正向应答，高含量胁迫产生显著抑制作用[13]，但不同植物对铅的耐受性不同。绢毛委陵菜(Potentillasericea)在铅浓度为300～600 mg·kg-1时，植株能够生存，但生长缓慢[14]。本研究表明：滇白前在2 400 mg·kg-1处理下，生长指标(高度、叶宽、萌条数和根长)仍高于或略低于对照，其对铅的耐受性较高，因此，本试验设置铅浓度高于普通植物的耐受浓度。生长指标均随铅浓度的增加呈先增大后减小的变化趋势，符合“低促高抑”的规律。中、低浓度(600～2 400 mg·kg-1)铅胁迫对植物生长的促进可能是一种刺激和保护效应，植物生长越快，重金属在植物体内的相对浓度就越低；而高浓度(3 000 mg·kg-1)铅在植物体内积累，保护反应消失，影响了营养物质的吸收和分配，造成植株矮小，生物量减小，生长衰退[15]。这与不同程度胁迫下的根系活力、叶绿素含量、光合生理指标及叶绿素荧光参数的变化密切相关。

水是植物光合作用的原料之一，植物生长所需的水分主要通过根系从土壤中吸收。根系活力是反映根部吸收功能的综合指标，其值大小是根系对养分和水分吸收能力的体现[16]。郭荣慧等[17]研究表明：0～500 mg·kg-1的铅处理时，洋甘菊(Chamomile)根系活力随着铅浓度升高呈先升后降的趋势，并且铅对根系活力有促进作用。本研究也有类似的结论，滇白前根系活力随着铅浓度升高呈先升后降的趋势，但起促进作用的铅处理浓度明显比较高，低、中浓度600～2 400 mg·kg-1处理对根系活力都具有促进作用，而高浓度3 000 mg·kg-1处理对根系活力有明显的抑制作用。同时，本研究表明，根系活力与净光合速率及生长量呈极显著正相关。这是由于根系活力影响对光合作用原料水的吸收造成的。在适量铅环境下，根系活力增强，有利于对养分和水分的吸收，从而促进滇白前光合作用及生长；铅浓度过量则会抑制根系活力以及对水分养分的吸收和转运，从而抑制滇白前光合作用及生长。

高等植物光合色素主要是由叶绿素a、叶绿素b组成，叶绿素在光合作用过程中起到接受和转换能量的作用，将光能转换成化学能，其含量高低与光合作用密切相关[18-19]。对于一般植物而言，铅胁迫会导致植物叶绿素含量降低。例如，在铅浓度为0～600 mg·L-1处理 30 d后，草地早熟禾(Poapratensis)叶绿素a、叶绿素b均随处理浓度的增加而显著降低[20]。但对于铅超富集植物而言，适量的铅能刺激叶绿素含量的增加。本研究表明：滇白前的叶绿素含量随铅胁迫浓度的升高呈先升后降的变化，并与净光合速率、生长量呈显著正相关。低、中浓度处理时，叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量随处理浓度增大而增大，且均在1 800 mg·kg-1时达到峰值，2 400 mg·kg-1时下降，但仍高于对照，而高浓度3 000 mg·kg-1时低于对照，这与刘英杰等[21]的研究结论相类似。原因是：低、中浓度处理可能没有破坏植物体内叶绿体的结构，减缓叶绿素的合成过程，反而可能提高了叶绿素酸酯还原酶的活性和氨基-r-酮戊酸的含量[21-22]，从而促进了植物的叶绿素含量增加。而在高浓度铅胁迫下，植物抗氧化酶活性降低，体内活性氧自由基含量升高，破坏了叶绿体的结构和功能；可能是铅阻止了铁分子进入叶绿素的卟啉环，减少了叶绿素的合成；也可能是抑制了叶绿素酸酯还原酶的活性和氨基-r-酮戊酸的合成，阻碍叶绿素合成，进而影响光合作用[23]。

气孔是植物叶片上的主要器官，控制着植物光合作用中CO2分子的吸收和蒸腾作用中H2O分子的运输[24]，所以气孔对于植物光合生理过程有着重要的决定性作用。铅胁迫能够影响植物的气孔导度和蒸腾速率，进而影响其光合作用[25-26]。本研究表明：气孔导度、蒸腾速率、净光合速率随着铅胁迫浓度升高呈先升后降的趋势，这3个指标之间呈极显著正相关，这与铅胁迫对金花茶的光合生理影响的规律一致[27]，并且这3个指标与根系活力呈极显著正相关。而胞间CO2浓度却随处理浓度增大呈先降后升的趋势，与王小平的研究结论相类似[28]。原因是：中、低浓度铅处理下，滇白前根系活力增大，对土壤水分吸收能力增强，这时气孔导度增大，蒸腾速率增大，同时这时进入细胞的CO2增多，但由于光合速率增强，叶肉细胞光合能力的增强使其利用CO2的能力增强，导致了胞间CO2浓度下降。相反，在高浓度铅胁迫下，滇白前根系活力降低，对土壤水分吸收能力减弱，这时气孔导度降低，蒸腾速率减少，同时这时进入细胞的CO2减少，但由于光合速率减弱，叶肉细胞光合能力的下降使其利用CO2的能力降低，进而导致了胞间CO2浓度升高。

叶绿素荧光参数主要含义是泛指通过直接利用叶绿素荧光技术对植物进行荧光分析而获得的重要荧光参数，植物体内叶绿素荧光分子能够成为叶绿素荧光分析技术应用中的天然探针，植物对于光能的综合利用状态，能够通过测得叶绿素荧光动力参数来呈现，从而判断植物受逆境胁迫的程度[29]。Fv/Fm值用于度量植物叶片PSⅡ原初光能转化效率，而Fv/Fo值表示PSⅡ潜在活性。本研究结果表明，Fv/Fo,Fv/Fm随铅处理浓度升高呈先升高后降低的规律，并与叶绿素含量、净光合速率呈极显著正相关。在浓度处理为600 mg·kg-1，1 200 mg·kg-1，1 800 mg·kg-1时，其值显著上升。原因是：该浓度处理后叶绿素含量提高，进而加速了光合碳同化中以蛋白质为主体的各种酶及多种电子传递体的合成，并将更多的光能转化为化学能，从而提高了光能转化效率、PSⅡ电子传递活性，提高了光能利用效率，体现在净光合速率的提高[30]。而在浓度处理为3 000 mg·kg-1时，其值显著下降。原因是：在高浓度铅胁迫下，叶绿素含量下降，所引起的生理响应过程正好与上述相反，降低了光能转化效率、PSⅡ电子传递活性和光能利用效率，体现在净光合速率的降低。