铜锌复合胁迫对番茄幼苗生长及光合特性的影响

张云芳，陈 楚，程晓敏，陈 高 (淮北师范大学生命科学学院，安徽省资源植物生物学重点实验室，安徽淮北 235000)

铜(Cu)、锌(Zn)是植物必需的微量元素，主要作为酶的辅助因子，参与植物的光合作用、呼吸作用、碳水化合物和蛋白质的代谢等过程，对植物的生长和发育起着重要的生理调控作用。然而，植物生长所需的Cu、Zn生理浓度较低，一般在5～20和10～100 mg/kg ，过量的Cu、Zn会对植物产生毒害作用，严重影响植物的生长发育。近年来，国内工农业进入高速发展时期，工业三废的大量排放以及农药、化肥的滥用，重金属污染已成为主要的土壤污染类型，污染土壤的重金属元素主要包括镉(Cd)、汞(Hg)、铜(Cu)、铅(Pb)、铬(Cr)、锌(Zn)等。我国设施蔬菜由于国内需求的增加而发展迅速，但设施蔬菜生产复种指数高、农化用品投入量大、生产环境封闭等特点，导致设施菜田土壤重金属持续累积，生态环境风险加剧。贾丽等研究表明，Cu、Zn是设施菜田土壤中主要污染元素，且随种植年限的增加而累积趋势明显，不仅影响设施蔬菜的生长及品质，同时可以通过膳食途径进入人体，对人体健康产生潜在危害。

番茄(L.)是我国栽培面积最大、最重要的设施大棚蔬菜，重金属污染对番茄生长的影响已有相关报道，包括Cd、Cu、Zn的单一胁迫以及Cd-Cu、Cd-Zn的复合胁迫，但Cu-Zn复合胁迫对番茄幼苗生长的影响研究较少，仅在蓖麻、观赏草、包菜、芦竹、珠芽蓼等植物上有所报道。为此，笔者主要探讨Cu-Zn复合胁迫对番茄幼苗生长及光合特性的影响，以确定番茄幼苗生长对Cu、Zn的耐受范围，为设施蔬菜的安全生产以及复合污染的环境生态效应评价提供理论依据。

1 材料与方法

供试番茄品种为“金鹏一号”，购自淮北市种子公司。

番茄种子经55 ℃浸泡15 min，消毒后平铺于含有2层湿润滤纸的培养皿中，置于恒温光照培养箱中催芽。种子露白后播种于蛭石中，室温下培养。种子萌发长出真叶后，选取长势一致的幼苗移栽至装有石英砂的塑料小花盆，每盆2株，每天定时浇灌Hoagland营养液(pH 5.8)。待幼苗长出5～6片真叶时，用含不同浓度的Cu、Zn营养液处理15 d(表1)。处理5、10、15 d时，测定番茄幼苗的叶绿素含量和光合参数，处理15 d后收取番茄幼苗，测定相关形态指标。

表1 复合胁迫中铜、锌的添加量Table 1 The amounts of copper and zinc in combined stress mmol/L

幼苗形态指标。取不同处理下的植株，用直尺测量幼苗的株高，用电子天平称量幼苗地上部分及根的鲜重。

叶片光合生理指标。用LI-6400便携式光合测定仪(美国LI-COR公司)测定植株叶片的光合参数，包括净光合速率()、气孔导度()、胞间二氧化碳浓度()和蒸腾速率()。光强设定为1 000 μmol/(m·s)，测定时间为09：00—11：00，取各处理植株相同部位的叶片进行测定。

叶绿素含量。用SPAD-502 Plus叶绿素仪(日本Konica公司)测定叶片叶绿素的相对含量。选择不受遮挡的倒2叶进行测定。

采用Microsoft Excel 2010进行数据统计，以SPSS 20.0软件Duncan氏法进行数据差异显著性分析，应用SigmaPlot 12.0 软件作图。

2 结果与分析

由表2可知，低浓度Cu-Zn(T，0.001 mmol/L Cu-Zn)处理对番茄幼苗的生长影响不明显，番茄的株高、地上部鲜重、根鲜重与对照相近，无显著差异。随着Cu-Zn处理浓度的升高，抑制效应加剧，抑制程度与Cu-Zn浓度呈正相关。与对照相比，中高浓度Cu-Zn(0.010～1.000 mmol/L Cu-Zn)处理的番茄株高降低了13.8%～26.1%，地上部鲜重降低了17.2%～48.7%，根鲜重降低了41.5%～71.6%，差异均显著。

表2 铜锌复合胁迫对番茄幼苗形态指标的影响 (处理15 d)Table 2 Effects of Cu and Zn combined stress on morphological characteristics of tomato seedlings(15 d)

叶绿素是参与植物光合作用的重要色素，与植物生长密切相关。由图1可知，随Cu-Zn复合胁迫浓度和时间的增加，番茄叶片的叶绿素含量总体呈逐渐下降趋势。处理5 d时，T、T、T和T处理的叶绿素含量与对照相比无显著差异；处理10～15 d时，T处理与对照相比无显著差异，而T、T和T(0.010～1.000 mmol/L Cu-Zn)处理的叶绿素含量均显著低于对照。处理15 d时，T、T和T处理的叶绿素含量下降幅度最大，分别较对照减少12.0%、18.8%、31.3%。

注：不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05) Note：Different lowercase letters indicated significant difference between different treatments(P < 0.05)图1 铜锌复合胁迫对番茄叶绿素含量的影响Fig.1 Effects of Cu and Zn combined stress on the chlorophyll content of tomato seedlings

由图2可知，随着Cu-Zn复合处理时间和浓度的增加，番茄叶片的光合性能总体呈下降趋势。T、T和T(0.010～1.000 mmol/L Cu-Zn)处理5～15 d，番茄植株的净光合速率()、气孔导度()和蒸腾速率()逐步下降，与对照相比差异显著；处理15 d时，T、T和T处理的、和降幅达到最大，较对照分别减少32.5%～87.5%、 44.5～94.7%和45.6～89.6%。此外，T(0.001 mmol/L Cu-Zn)处理5～10 d，番茄植株的、和均呈下降趋势，但与对照差异不显著，处理15 d 时仅下降显著。各Cu-Zn(0.001～1.000 mmol/L Cu-Zn)处理的胞间二氧化碳浓度()，整体上与对照相比接近，只在处理5 d时T和T处理的显著低于对照。

注：不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05) Note：Different lowercase letters indicated significant difference between different treatments(P < 0.05)图2 铜锌复合胁迫对番茄光合特性的影响Fig.2 Effects of Cu and Zn combined stress on the photosynthetic characteristics of tomato seedlings

Cu、Zn作为植物的必需营养元素，在植物的生长与发育过程中发挥重要作用，但过量Cu或Zn会导致植物代谢紊乱，产生毒害并抑制植物的生长。该试验结果表明，低浓度Cu-Zn(0.001 mmol/L Cu-Zn)处理对番茄生长势无明显影响，而中高浓度Cu-Zn(0.010～1.000 mmol/L Cu-Zn)复合处理明显抑制番茄的生长，其株高、地上和地下部分的鲜重显著下降，且随着处理时间的延长，植株受害愈严重。研究表明，Cu-Zn复合处理对包菜、西瓜、水仙花的幼苗表现出低促高抑效应。许志敏等、朱志国等和赵玉红等在观赏草、芦竹和珠芽蓼中研究发现，低浓度的Cu-Zn复合处理可以对幼苗产生轻度伤害。上述研究中低浓度Cu-Zn复合处理的生理效应不尽相同，可能与试验设计的Cu-Zn处理浓度以及植物对Cu或Zn的耐受性有关。该试验中，Cu-Zn复合处理对根系的毒害及抑制高于地上的茎叶，这与许志敏等、孙金金等研究结果一致。这是因为大量的Cu和Zn在根中积累，加剧根系的毒害，导致根系发育不良与功能受损，进而造成水分和营养物质的吸收障碍，在一定程度上抑制地上部分的生长。

Cu、Zn与植物光合过程的电子传递以及叶绿素的合成密切相关。然而，Cu、Zn浓度过高会导致叶绿素的结构和功能遭到破坏，分解加速。该研究发现，中高浓度Cu-Zn复合处理15 d，叶绿素含量显著下降，这与前人研究结果相一致；随着Cu-Zn复合胁迫的增强，番茄的光合性能显著下降，依据前人研究，导致降低的因素可依据值的变化分为气孔限制和非气孔限制。该研究中，0.100～1.000 mmol/L Cu-Zn复合处理5 d时，与对照相比，番茄的、、均显著下降，而叶绿素含量下降不显著，这表明Cu-Zn短期处理下降的主要原因是气孔限制；0.010～1.000 mmol/L Cu-Zn复合处理15 d时，番茄的、和叶绿素含量显著下降，而变化不显著，这表明Cu-Zn长期处理下降的主要原因是非气孔限制，与叶肉细胞光合活性被抑制有关。Cu-Zn复合胁迫下，番茄根系生长受阻，吸水性能下降，为维持水分平衡，叶片部分气孔关闭，蒸腾作用减弱，因此和下降显著，这与张义凯等研究结果一致。

以上表明，0.001 mmol/L Cu-Zn复合处理下，番茄无明显受害反应，超过0.010 mmol/L Cu-Zn复合处理，番茄的生长受到抑制，光合性能下降。