外源脱落酸对铅胁迫下王族海棠光合特性的影响

朱世琦，孙晓刚

（吉林农业大学园艺学院，吉林 长春 130118）

随着工业的发展，土壤重金属污染问题日益严峻，重金属对土壤的污染不可逆，且具有滞后性、易积累等特点。铅（Pb）是最常见的重金属之一，也是国家重点监控与控制的五种重金属之一［1］。因此，Pb污染土壤的治理一直是近年来土壤修复的主要研究方向之一。植物修复技术是当前治理重金属污染土壤的研究热点和有效手段，已发现山荆芥［2］、紫花苜蓿［3］等植物对土壤铅具有超富集作用，红花风铃木［4］、竹柏［5］对Pb胁迫具有较强的耐受性。

外源脱落酸（ABA）是一种抑制型激素，参与植物生长发育的多种过程，不仅可以促进种子贮藏蛋白合成、诱导植物休眠，还在气孔开闭、水分调节、光合作用及植物对逆境的适应等多方面起着重要的调控作用［6，7］。陈仕淼［8］的研究结果显示对东南景天施用0.2 mg／L外源ABA可以提高其对土壤中Cd的吸收能力，张慧［9］的研究结果显示外源ABA对于提升菹草重金属胁迫耐受性具有良好的效果。

王族海棠（Malus‘Royalty’）是蔷薇科苹果属的一个集观花、观叶与观果为一体的彩色绿化品种，具有较强的耐寒性，且对土壤要求不严，耐瘠薄和轻度盐碱。我国北方，由于气候原因，园林绿化树种较为单一，同时，土壤广泛存在重金属污染问题，尤其东北工业区是重点污染区域［10－12］。为丰富北方城市景观绿化树种，同时发挥植物对重金属污染土壤的生态修复功能，本研究采用盆栽试验，以王族海棠为试材，设置不同浓度的Pb（NO3）2溶液处理盆栽土壤以模拟Pb污染环境，同时叶面喷施外源ABA，测试不同处理王族海棠幼苗的光合气体交换参数、叶绿素荧光参数变化，以探究其光合特性对铅胁迫的响应以及脱落酸对缓解铅胁迫的光合作用机理。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为引自辽宁的王族海棠一年生嫁接苗。于2020年4月5日选取长势一致、生长良好的幼苗移栽至规格为240 mm×190 mm的盆内培养，培养基质为5.5 kg草炭土与原土按1∶1混合的混合土。移栽后进行正常田间管理。

1.2 试验设计与处理方法

于2020年4月5日将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溶液对土壤进行铅胁迫处理，设置5个浓度梯度：0（Pb0）、500（Pb500）、1 000（Pb1000）、1 500（Pb1500）、2 000（Pb2000）mg／kg。Pb胁迫处理7 d后，于6月2日用50μmol／L ABA进行叶面均匀喷施（ABA50），对照组以等量蒸馏水（ABA0）代替。

1.3 测定项目与方法

外源ABA喷施3 d后进行相关参数的测定。每个处理测定5片叶子，重复3次。

1.3.1 光合气体交换参数 利用CIRAS－Ⅱ便携式光合作用测定系统，分别于2020年6月6日、6月16日、6月28日、7月7日、7月13日晴朗无云的上午8∶00—11∶00，选择无病虫害、全展开的王族海棠叶片，测定叶片净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、水分利用效率（WUE）等。

1.3.2 叶绿素荧光参数 选择完全展开且无伤害的叶片完全暗适应10 h后，使用FMS－Ⅱ荧光仪，分别于2020年6月7日、6月18日、6月29日、7月8日、7月14日测定初始荧光（Fo）、最大荧光（Fm）和可变荧光（Fv）等参数，计算PSⅡ最大光化学量子产量（Fv／Fm）、PSⅡ实际光能转换效率（ΦPSⅡ）；叶片光适应2 h后测定非光化学猝灭系数（qN）、光化学猝灭系数（qP）等。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2007处理试验数据并制作图表，用SPSSStatistics22软件对各组数据进行单因素方差分析及Duncan’s多重比较，差异显著水平设置为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 外源ABA对铅胁迫下王族海棠光合特性的影响

2.1.1 对Pn的影响 由图1可知，无论喷施还是未喷施外源ABA，王族海棠叶片的Pn均随Pb浓度的增加呈先升高后降低的趋势，且均在Pb1000达到峰值，分别比Pb0升高36.0%与25.6%。不同浓度铅处理间，Pb1500与Pb0差异不显著，而低浓度铅胁迫处理（Pb500和Pb1000）下Pn显著高于Pb0，高浓度（Pb2000）处理下Pn显著低于Pb0（P<0.05）。相同浓度Pb处理下，喷施外源ABA的王族海棠叶片Pn显著高于未喷施的，增幅达50.9%～69.6%。

图1 外源ABA对铅胁迫下王族海棠净光合速率的影响

2.1.2 对Ci的影响 由图2可知，随Pb浓度的增加，喷施和未喷施ABA的Ci均在Pb500显著下降（P<0.05），随后逐渐升高，其中，未喷施外源ABA的叶片在Pb1000就已高于CK，Pb1500就已显著高于CK（P<0.05），而喷施ABA的在Pb2000时才略高于CK（P＞0.05）。在没有Pb胁迫时，喷施ABA显著提高王族海棠叶片的Ci；而在Pb胁迫下，喷施ABA降低Ci，Pb胁迫浓度在1 000～2 000 mg／kg时差异达到显著水平。

图2 外源ABA对铅胁迫下王族海棠胞间CO2浓度的影响

2.1.3 对Gs的影响 由图3可知，未喷施ABA时，0～1 500 mg／kg Pb胁迫处理对王族海棠叶片的Gs无显著影响，而2 000 mg／kg Pb胁迫处理显著降低Gs 8.2%。喷施ABA后，随Pb浓度的增加，Gs先显著升高，在Pb1000达到峰值，显著高于Pb0 11.5%，而后逐渐下降，Pb2000的Gs显著低于Pb0。与未喷施ABA相比，喷施ABA可显著提高各Pb处理的Gs（P<0.05）。

图3 外源ABA对铅胁迫下王族海棠气孔导度的影响

2.1.4 对Tr的影响 图4显示，Pb胁迫显著提高王族海棠叶片Tr，且随着Pb浓度的增加呈上升趋势，但不同Pb浓度处理间差异不显著。喷施ABA显著提高Tr（P<0.05），在0～2 000 mg／kg Pb胁迫处理下分别高出ABA0组55.1%、49.0%、49.1%、50.0%、50.8%。

图4 外源ABA对铅胁迫下王族海棠蒸腾速率的影响

2.1.5 对WUE的影响 图5显示，与Pb0相比，除Pb1000增加叶片的WUE外，Pb胁迫处理降低WUE，且有随Pb浓度增加而下降的趋势，1 500～2 000 mg／kg Pb胁迫处理降低显著（P<0.05），降幅达37.9%～57.2%。喷施ABA可提高叶片的WUE，Pb0和Pb1000处理下两者间差异不显著，其余Pb胁迫处理下两者间差异达显著水平（P<0.05），且Pb浓度越高增幅越大，Pb2000处理下可提高36.2%。

图5 外源ABA对铅胁迫下王族海棠水分利用率的影响

2.2 外源ABA对铅胁迫下王族海棠叶绿素荧光参数的影响

由表1可知，随着Pb胁迫浓度的增加，王族海棠叶片的Fv／Fm先显著升高，均在Pb1000时达到峰值，ABA0和ABA50下分别比Pb0提高2.1%和2.6%，之后逐渐降低，浓度越高降低越显著。喷施ABA可提高Fv／Fm，在Pb胁迫处理下差异达到显著水平（P<0.05）。

表1 外源ABA对铅胁迫下王族海棠叶绿素荧光参数的影响

除未喷施ABA时Pb2000与Pb0差异不显著外，Pb胁迫处理可显著提高叶片ΦPSⅡ，其随Pb浓度增加的变化趋势与Fv／Fm 相同，也均在Pb1000达到峰值，与Pb0相比，ABA0和ABA50组分别显著高出48.2%和70.8%。喷施ABA可显著提高各Pb浓度处理的ΦPSⅡ（P<0.05）。

ABA0与ABA50处理的光化学猝灭系数（qP）也均随着Pb胁迫浓度的增加先升高后下降，并在Pb1000达到峰值，分别高出Pb0 49.6%与72.3%；Pb胁迫处理的qP均显著高于Pb0（P<0.05）。喷施ABA可显著提高Pb胁迫处理下的qP（P<0.05）。

ABA0与ABA50的非光化学猝灭系数（qN）与其光化学猝灭系数（qP）的变化趋势相反，表现为随着Pb浓度的增加先降低后升高，均在Pb1000降至谷值，与Pb0相比分别降低50.0%与44.7%。喷施ABA的qN均显著低于ABA0（P<0.05）。

3 讨论与结论

3.1 铅胁迫对王族海棠光合特性的影响

种植耐受性强的植物一直是近年来对Pb污染土壤治理和修复的主要方向。王佳颖［13］研究发现高浓度铅虽对雷竹光合作用产生一定的抑制，但植株生长表观特征正常，表明雷竹具有极强的铅耐性，在重金属污染土壤的修复上有较大的发展空间；夏红霞等［14］研究发现低浓度铅可促进黑麦草叶绿素的合成，促进植株的光合作用，而高浓度铅会降低其光合作用，抑制植株生长，但未出现明显的毒害症状，说明黑麦草也可用于修复Pb污染土壤。

光合作用是植物生长发育过程中重要的代谢过程，受气孔因素与非气孔因素的影响，当胞间Ci和Gs降低时，Pn的下降主要是由气孔因素引起；而当叶片Pn的降低伴随着Ci的升高，则光合作用的主要限制因素是非气孔因素，即叶肉细胞光合活性的下降［15－17］。本试验结果显示，低浓度（≤1 000 mg／kg）的土壤Pb胁迫会使王族海棠的Pn和Gs升高、Ci降低，但Pb浓度继续升高，Pn和Gs下降而Ci升高，尤其2 000 mg／kg时差异达到显著水平。说明低浓度Pb胁迫不仅未对王族海棠的光合系统造成伤害，反而有一定的促进作用，而高浓度Pb胁迫则导致叶肉细胞光合活性下降，气孔导度下降，胞间CO2大量积累，显著抑制其光合作用。

Gs的下降一般来说与叶片水势降低、气孔保卫细胞失水有关，进而与植物组织的水分状况有关［18］。本研究结果表明，Pb胁迫显著提高了王族海棠叶片的Tr，且随着土壤中Pb浓度的增加而逐渐升高；降低了除1 000 mg／kg Pb（NO3）2处理的水分利用效率，Pb胁迫浓度越高，下降越显著。可见，低浓度Pb刺激Tr增强，影响水分利用效率，而随着Pb胁迫的增强，蒸腾过强，水分利用效率进一步降低，气孔导度显著下降。说明水分因子可能是影响王族海棠叶片气孔导度下降的主要原因，其相关性还有待进一步研究。

ABA作为植物体内一种信号转导类激素，在非生物逆境胁迫下会对植物的生长发育造成一定影响，使得植物的生长发育能够正常进行［19］。本研究结果表明，喷施外源ABA能够提高Pb胁迫下王族海棠叶片的Pn、Gs、Tr和WUE，降低Ci，这与刘小金等［20］的研究结论基本一致。然而，前人相关研究同时发现，喷施外源ABA还可以诱导植物气孔关闭，从而降低植物叶片的蒸腾速率与气孔导度［21，22］。造成这种差异的原因可能与试验材料以及外源ABA的喷施浓度和时间不同相关［23］。范晓荣等［21］在旱作水稻叶片气孔运动对ABA的响应试验中发现，5 min内ABA就可使气孔完全关闭，不同浓度ABA的作用强弱不同，且引起作用所需的时间也不相同。这也说明外源ABA所引起的植物气孔关闭是一个短期过程，与作用时间及ABA浓度有着密切关系，但有关ABA作用随处理时间的变化规律有待进一步研究。

3.2 铅胁迫对王族海棠叶绿素荧光参数的影响

叶绿素荧光凭借其非破坏性、非接触性和测量方便等优点常被用于评价光合机构的功能和环境胁迫对其的影响［24］。光化学猝灭系数qP在一定程度上反映了光合系统反应中心开放度的高低，而非光化学猝灭系数qN反映了PSⅡ反应中心对天线色素吸收过量光能后以热能散发的部分，可反映光合机构的受损程度［25］。本试验结果显示，随着土壤中Pb胁迫浓度的增加，王族海棠的Fv／Fm、ΦPSⅡ、qP先升后降，在Pb胁迫浓度为1 000 mg／kg时达到峰值；qN则先降后升，在1 000 mg／kg Pb处理时降至最低。表明王族海棠对轻、中度Pb胁迫具有一定的耐受性，可通过调整一系列生理反应对其进行应激保护［26－29］，但具体作用机制还有待进一步研究；而高浓度Pb胁迫使PSⅡ反应中心遭到破坏而失活，导致其对光能的吸收和转化效率显著下降，阻碍了光合碳同化产物的累积，从而影响植物生长发育［28］。而喷施50μmol／L外源ABA，可以显著提高Pb胁迫下王族海棠叶片的Fv／Fm、ΦPSⅡ、qP，显著降低qN，说明喷施适宜浓度的外源ABA能够显著提高王族海棠抵御Pb胁迫的能力。

综上所述，王族海棠对低浓度Pb胁迫具有一定的耐受性，但超过1 000 mg／kg的Pb胁迫会破坏其光合系统，浓度越高破坏越显著；而喷施50 μmol／L ABA可显著减轻Pb胁迫对王族海棠光合系统造成的伤害。有关王族海棠对其他重金属的耐受性及富集能力以及外源ABA对抵御重金属的作用机制还需深入研究。本研究结果可为铅污染地区生态修复及物种选择提供参考。