陳全戰(zhàn) 唐寧 張邊江 王立科 楊平

摘要：為了研究Cr6+對(duì)空心蓮子草（Alternanthera philoxeroides）的毒害作用，探討Cr6+的毒害機(jī)制，為早期預(yù)報(bào)Cr6+的危害和環(huán)境監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù)。在不同濃度（0、5、10、20、40 mg/L）Cr6+的處理后，評(píng)價(jià)了空心蓮子草的外傷毒害癥狀，測(cè)定了葉綠素含量和光合參數(shù)凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）和胞間CO2濃度（Ci）。結(jié)果顯示，在Cr6+濃度為0～5 mg/L時(shí)，葉綠素含量和葉綠素a/b值略有升高，此后隨著Cr6+濃度的增加，葉綠素含量呈明顯下降趨勢(shì)，而葉綠素a/b值下降趨勢(shì)不明顯；隨著Cr6+濃度的增加，凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度呈顯著下降趨勢(shì)，胞間CO2濃度呈緩慢上升趨勢(shì)。因此低濃度的Cr6+對(duì)空心蓮子草影響不大，而高濃度的Cr6+會(huì)產(chǎn)生毒害作用，最終導(dǎo)致植株枯萎。

關(guān)鍵詞：Cr6+； 空心蓮子草（Alternanthera philoxeroides）； 葉綠素含量； 凈光合速率

中圖分類號(hào)：S451 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）21-5310-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.21.026

Chromium-induced Photosynthetic Physiological Parameters in Alternanthera philoxeroides

CHEN Quan-zhan， TANG Ning， ZHANG Bian-jiang， WANG Li-ke， YANG Ping

（Institute of Plant Resources and Germplasm Innovation， Nanjing Xiaozhuang University，Nanjing 211171，China）

Abstract： In order to provide theoretical basis for the early prediction of Cr6+ hazards and environmental monitoring， toxic effects of Cr6+ on Alternanthera philoxeroides were studied. With A. philoxeroides as experimental materials， treated with different concentrations of Cr6+ （0，5，10，20，40 mg/L）， the trauma symptom was observed， the chlorophyll content and photosynthetic parameters were determined. The results showed that the chlorophyll contents and ratio of chlorophyll a/b increased when the concentration of Cr6+ was 0～5 mg/L； The chlorophyll contents and the ratio of chlorophyll a/b reached the maximum value when the concentration of Cr6+ was 5 mg/L； The chlorophyll contents and ratio of chlorophyll a/b decreased with the increasing of Cr6+ concentration.With the increasing of Cr6+ concentration， the net photosynthetic rate， transportation rate and stomatal conductance decreased， while the intercellular CO2 concentration increased. Therefore， low concentration of Cr6+ had little impact on growth of A. philoeroides， and the higher concentration of Cr6+ could produce toxic action， causing withering in the end.

Key words：Cr6+；Alternanthera philoxeroides；chlorophyll contents；net photosynthetic rate

由于金屬鉻的抗腐蝕性強(qiáng)，硬度大，可形成合金，目前被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、冶金、醫(yī)藥、國(guó)防等領(lǐng)域，由此產(chǎn)生的六價(jià)含鉻廢棄物通常以CrO42-離子的形式存在，對(duì)水體造成污染。在龍葵、銀膠菊[1]、大麥[2]、油菜[3]等植物的研究中發(fā)現(xiàn)，Cr6+能夠顯著抑制植株生長(zhǎng)，降低葉綠素含量、葉綠素?zé)晒馑胶拖鄬?duì)含水量，提高植株抗氧化酶的活性和脯氨酸含量，用以提高植株對(duì)重金屬脅迫的耐受性。

空心蓮子草（Alternanthera philoxeroides）是莧科多年生宿根草本植物，又名水花生。其作為飼料在20世紀(jì)30年代引入中國(guó)，因生長(zhǎng)迅速、抗逆性強(qiáng)，在中國(guó)大部分地區(qū)蔓延，很難徹底清除。Ding等[4]和林茂茲等[5]研究發(fā)現(xiàn)Cr6+脅迫下，空心蓮子草會(huì)將過量的鉻積累在葉片中，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大于1。雖然不屬于超富集植物范疇，但在對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)中仍有一定的利用價(jià)值。同時(shí)空心蓮子草作為飼料、中藥和食用菌培養(yǎng)料的利用價(jià)值也在不斷被發(fā)掘之中[6]。

前人對(duì)逆境下空心蓮子草的生理生化特性進(jìn)行了一些報(bào)道。周紅衛(wèi)[7]和張樂樂[8]分別探討了Cr6+對(duì)空心蓮子草植株和愈傷組織抗氧化活性系統(tǒng)和超微結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)5 mg/L Cr6+能夠促進(jìn)空心蓮子草植株生長(zhǎng)，此后隨著濃度升高，生長(zhǎng)開始受到抑制，濃度超過50 mg/L時(shí)植株幾近死亡。Cr6+能夠積累空心蓮子草愈傷組織內(nèi)活性氧的含量，產(chǎn)生膜脂過氧化，導(dǎo)致生理生化代謝紊亂，造成細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能損傷。劉愛榮等[9]研究了鹽脅迫對(duì)空心蓮子草生長(zhǎng)和光合作用的影響，發(fā)現(xiàn)其有一定的耐鹽性，可以在NaCl 100 mmoL/L以下正常生長(zhǎng)。劉大勝等[10]研究了空心蓮子草的光合日變化，發(fā)現(xiàn)其凈光合速率日變化曲線分別在10：00和16：00出現(xiàn)雙峰。但Cr6+脅迫下，對(duì)空心蓮子草光合生理特性的研究還未見報(bào)道。本研究主要從外部形態(tài)、葉綠素含量和光合特性等幾個(gè)方面對(duì)空心蓮子草進(jìn)行探討，旨在更進(jìn)一步了解Cr6+對(duì)植物的毒害機(jī)理，也為重金屬的研究和環(huán)境監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。同時(shí)，通過研究Cr6+對(duì)空心蓮子草的毒害作用，了解空心蓮子草的抗逆性，從而應(yīng)用于環(huán)境的治理，在改善環(huán)境和保護(hù)生態(tài)環(huán)境中將發(fā)揮積極作用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

空心蓮子草采自南京曉莊學(xué)院校園水塘，自來水預(yù)培養(yǎng)2 d，取生長(zhǎng)旺盛、根系發(fā)達(dá)、長(zhǎng)勢(shì)一致的植株移入1 L培養(yǎng)瓶中，分別加入含0、5、10、20、40 mg/L K2Cr2O7（按純Cr6+計(jì)）的MS培養(yǎng)液，每種處理30株，在培養(yǎng)過程中觀察其外部形態(tài)變化，處理5 d后測(cè)定葉綠素含量和光合氣體交換參數(shù)。

1.2 目測(cè)植株外傷癥狀

用目測(cè)法觀察，植株外傷癥狀[11]分為4級(jí)。1級(jí)代表正常生長(zhǎng)；2級(jí)代表輕度傷害，近中心部位失綠；3級(jí)代表中度傷害，葉片中心部位及外圍不同程度失綠；4級(jí)代表重度傷害，植株矮小，葉片失綠。

1.3 葉綠素的測(cè)定

參照Wellberum等[12]的方法，取葉片稱重，用體積分?jǐn)?shù)為96%的乙醇溶液置于黑暗環(huán)境中浸提葉綠素，待葉片全部變白后，于665 nm和649 nm處分別測(cè)定吸光度值，計(jì)算葉綠素a、b、a+b含量和a/b值。

1.4 光合生理參數(shù)的測(cè)定

選擇上午10：00～11：30晴朗無云的天氣，取不同植株的同一部位功能葉（從頂部倒數(shù)第3對(duì)），用CIRAS-2型便攜式光合氣體分析系統(tǒng)（英國(guó)PP Systems公司）測(cè)定葉片的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）和胞間CO2濃度（Ci）等氣體交換參數(shù)。測(cè)定時(shí)CO2濃度為340 mg/L，O2為21%，光照強(qiáng)度為1 000 μmol/（m2·s）。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，每組數(shù)據(jù)重復(fù)測(cè)定6次，結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（SE）表示，單因素方差分析（One-way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）比較組間的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度Cr6+對(duì)空心蓮子草外傷癥狀的影響

Cr6+對(duì)空心蓮子草的傷害與培養(yǎng)液中Cr6+濃度有關(guān)，對(duì)照組長(zhǎng)勢(shì)正常，目測(cè)不到傷害；而其他Cr6+濃度培養(yǎng)的空心蓮子草隨時(shí)間的延長(zhǎng)表現(xiàn)出不同程度的外表傷害癥狀。隨著Cr6+濃度增高和處理時(shí)間的延長(zhǎng)，植株的傷害癥狀越明顯。5 mg/L Cr6+濃度對(duì)植株外表傷害較輕，第4天開始中心部位的葉片有輕微的失綠；隨著Cr6+濃度的升高，植物的外表傷害癥狀明顯表現(xiàn)出來，從中心部位的葉片失綠逐漸擴(kuò)散至外圍；Cr6+達(dá)到40 mg/L時(shí)，植物停止生長(zhǎng)，植株呈萎蔫狀態(tài)，葉片狹小變薄，干枯（表1，圖1）。

2.2 不同濃度Cr6+對(duì)空心蓮子草葉綠素含量的影響

由圖2可以看出，5 mg/L Cr6+處理時(shí)，葉綠素含量有所升高，而后隨濃度增加迅速下降，Cr6+濃度為20～40 mg/L時(shí)下降幅度減緩；40 mg/L Cr6+處理后的植株與對(duì)照相比，葉綠素含量下降了一半。葉綠素a/b值變化幅度不大，基本保持在1.4左右，總體變化不明顯（P>0.05）。

2.3 不同濃度Cr6+對(duì)空心蓮子草光合生理參數(shù)的影響

分別測(cè)光照強(qiáng)度為200、400、600、800、1 000、 1 200 μmol/（m2·s）的光合參數(shù)，發(fā)現(xiàn)在光照強(qiáng)度為800 μmol/（m2·s）時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)最大值，800 μmol/（m2·s）左右都有下降趨勢(shì)，則判斷空心蓮子草在光照強(qiáng)度為800 μmol/（m2·s）時(shí)光合作用最好，因此控制光照強(qiáng)度為800 μmol/（m2·s）時(shí)測(cè)定光合參數(shù)。從圖3可以看出，光照強(qiáng)度固定，隨著Cr6+濃度的升高，空心蓮子草的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均呈大幅下降趨勢(shì)，而胞間CO2濃度呈緩慢上升趨勢(shì)，當(dāng)Cr6+濃度達(dá)40 mg/L時(shí)，空心蓮子草的凈光合速率幾乎為零。

3 小結(jié)與討論

植物是自然界的生產(chǎn)者，重金屬在植物體內(nèi)的分布、積累以及對(duì)植物的毒害受重金屬的種類和濃度、植物的種類及環(huán)境條件的影響。研究重金屬對(duì)植物生理指標(biāo)的影響和植物對(duì)重金屬的抗性機(jī)制，對(duì)于制定適當(dāng)?shù)沫h(huán)境標(biāo)準(zhǔn)來預(yù)防重金屬的毒害，利用植物檢測(cè)水體重金屬的污染都有重要的意義[13]。空心蓮子草是一種外來雜草，經(jīng)過長(zhǎng)期的進(jìn)化選擇，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和生命力。Cr6+化合物水溶性強(qiáng)，易透過生物膜，被吸收和運(yùn)輸較快，活性也較大[14]。結(jié)果表明，空心蓮子草在Cr6+濃度為5 mg/L時(shí)的生長(zhǎng)不受影響，植株外表傷害癥狀不明顯，葉綠素a+b含量略有上升；此后隨著Cr6+濃度的增加，生長(zhǎng)受到抑制，葉片發(fā)黃失綠，葉綠素含量越來越低，外表傷害癥狀明顯；當(dāng)Cr6+濃度達(dá)到40 mg/L時(shí)，莖葉枯萎，根部腐爛，植株停止生長(zhǎng)。Cr6+脅迫使空心蓮子草中葉綠素a+b含量下降，光能捕獲減少，降低了活性氧的產(chǎn)生，減少了對(duì)蛋白質(zhì)的降解，使植物對(duì)鉻脅迫的耐受性增強(qiáng)。葉綠素a/b反映了植物對(duì)光能的利用程度，在Cr6+ 5～40 mg/L范圍內(nèi)，葉綠素a/b呈緩慢下降趨勢(shì)，但差異不顯著（P>0.05）。

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要色素，高等植物葉綠體中的葉綠素主要有葉綠素a和葉綠素b，其含量的高低在一定程度上反映植物進(jìn)行光合作用的能力。Cr6+脅迫影響光合過程中的電子傳遞和破壞葉綠體的完整性，降低葉綠素含量，導(dǎo)致空心蓮子草光合作用減弱[15]。不同濃度Cr6+處理后，空心蓮子草葉片的Pn和Gs均低于各自對(duì)照，Ci則均高于對(duì)照。表明在不同濃度Cr6+條件下，空心蓮子草可能通過降低Gs來減少水分蒸騰而適應(yīng)脅迫的，這可以從Tr的下降中得以證實(shí)；同時(shí)還表明Pn的下降與Ci關(guān)系不大，可能空心蓮子草葉片光合速率的下降使得葉肉細(xì)胞光合活性下降而導(dǎo)致的非氣孔限制，進(jìn)而降低了光合作用效率。

Cr6+脅迫影響植物生長(zhǎng)的發(fā)育、葉綠素含量、光合生產(chǎn)力、過氧化物酶活性、硝酸還原酶活性等。測(cè)定了不同濃度Cr6+脅迫下對(duì)空心蓮子草的外傷癥狀、葉綠素含量、光合作用參數(shù)等生理指標(biāo)的影響，僅對(duì)Cr6+對(duì)空心蓮子草的毒害機(jī)制作了初步了解，而要綜合評(píng)價(jià)Cr6+對(duì)空心蓮子草的毒害還需要進(jìn)一步的研究。植物對(duì)重金屬Cr6+的吸收及其在植物體內(nèi)的分布，以及對(duì)植物超微結(jié)構(gòu)的毒害的深入研究，對(duì)于制定適當(dāng)?shù)沫h(huán)境標(biāo)準(zhǔn)來預(yù)防Cr6+的毒害和利用植物檢測(cè)水體重金屬的污染都有重要的意義。

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