偶 春,王澤璐，沈鐘媛,張 敏,姚俠妹

（1.阜陽(yáng)師范大學(xué) 生物與食品工程學(xué)院 抗衰老中草藥安徽省工程技術(shù)研究中心，安徽 阜陽(yáng) 236037；2.安徽建筑大學(xué) 建筑與規(guī)劃學(xué)院，安徽 合肥 230022）

近年來(lái)，重金屬污染土壤已經(jīng)引起全世界的廣泛關(guān)注，使得生態(tài)環(huán)境和人類身體健康都存在潛在風(fēng)險(xiǎn)[1]。鎘（Cd）是一種劇毒金屬，會(huì)對(duì)植物和哺乳動(dòng)物等消費(fèi)者造成嚴(yán)重的有害影響，它在土壤—植物系統(tǒng)中的循環(huán)具有高度的全球相關(guān)性[2]。土壤中的Cd主要來(lái)源是各種工業(yè)過(guò)程的排放物，以各種化學(xué)形式存在，其不穩(wěn)定性和對(duì)植物的有效性具有很大差異。與其它金屬相比，Cd具有較低的吸附系數(shù)，較高的土壤植物遷移率和較高的植物積累指數(shù)，很容易被植物富集并積聚在能夠食用的部分[3]。植物對(duì)Cd吸收主要是通過(guò)根吸收必要養(yǎng)分的特異性和非特異性轉(zhuǎn)運(yùn)體[4,5]，減少養(yǎng)分吸收、抑制光合作用、植物生長(zhǎng)和呼吸作用、改變抗氧化系統(tǒng)和膜功能等途徑，從而引發(fā)植物毒性，以及植物的氧化應(yīng)激和遺傳毒性。植物對(duì)Cd毒性的反應(yīng)隨品種、生長(zhǎng)條件和暴露時(shí)間而變化。在Cd脅迫下，抗氧化防御系統(tǒng)的刺激、滲透調(diào)節(jié)、離子穩(wěn)態(tài)和信號(hào)分子的過(guò)量產(chǎn)生是植物對(duì)Cd耐受性的重要機(jī)制[6,7]。研究發(fā)現(xiàn)，Cd脅迫會(huì)降低植物幼苗光合色素含量，并對(duì)植物的PSI和PSⅡ產(chǎn)生影響，尤其對(duì)PSⅡ的抑制作用更為顯著[8,9]；一定程度的Cd脅迫可以增強(qiáng)抗氧化酶活性，清除活性氧，但在較高濃度Cd脅迫下，抗氧化防御酶系統(tǒng)性能下降，活性氧過(guò)量引起氧化損傷[10-11]。

香椿（Toona sinensis）是楝科多年生落葉喬木，又名椿花、香椿頭等。香椿原產(chǎn)于我國(guó)，主要分布在山東、安徽、河南、河南，河北等諸多省，是一種具有很高的營(yíng)養(yǎng)、食用、藥用及材用價(jià)值的多用途樹(shù)種[12]。目前，有關(guān)香椿研究在重金屬和植物激素調(diào)控等生態(tài)適應(yīng)性方面的研究較少。因此，本研究從重金屬脅迫響應(yīng)機(jī)制方面著手，分析在不同濃度CdCl2處理下香椿幼苗生長(zhǎng)變化和葉片光合生理特性。

1 材料與方法

1.1 材料培養(yǎng)與處理

本實(shí)驗(yàn)采用香椿實(shí)生幼苗。種子浸泡消毒24 h后，于阜陽(yáng)師范大學(xué)西湖校區(qū)溫室大棚內(nèi)進(jìn)行播種栽植，待生長(zhǎng)4個(gè)月后，選取生長(zhǎng)狀態(tài)基本一致的香椿幼苗，連同根部整株自土中取出，放入清水中緩慢清洗后，移入容器中進(jìn)行水培緩苗，待幼苗恢復(fù)正常生長(zhǎng)后，進(jìn)行不同濃度鎘脅迫處理，其中以CdCl2·H2O2形式提供鎘源，設(shè)置五個(gè) CdCl2濃度梯度：0 （CK）、100、200、300 和400μmol/L。每濃度處理20株苗，3個(gè)重復(fù)，處理8 d后，進(jìn)行相關(guān)形態(tài)和光合生理指標(biāo)測(cè)定。

1.2 指標(biāo)測(cè)定與方法

葉綠素含量測(cè)定采用乙醇提取法；H2O2含量測(cè)定使用H2O2試劑盒 （生工生物工程上海股份有限公司）；丙二醛（MDA）含量的測(cè)定采用硫代巴比妥酸法[13]；采用LI-6400XT便攜式光合作用測(cè)量系統(tǒng)測(cè)定光合生理指標(biāo)，如凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）和氣孔導(dǎo)度（Gs）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS 19進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。各項(xiàng)生理指標(biāo)測(cè)定重復(fù)3次后取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘脅迫對(duì)香椿葉綠素含量的影響

植物在幼苗受到鎘脅迫威脅時(shí)，形態(tài)上出現(xiàn)黃化萎蔫現(xiàn)象，這是由于植物體內(nèi)葉綠素受阻所導(dǎo)致。如圖1所示，在100 μmol/L CdCl2脅迫處理下，香椿幼苗葉片的葉綠素a含量較CK增加了8.96%，葉綠素b含量和葉綠素總量較CK分別下降了6.83%和0.15%；在200μmol/L CdCl2脅迫下，葉綠素a、b和葉綠素總量對(duì)比CK都顯著下降了22.51%、20.58%和23.11%；而在300μmol/L CdCl2脅迫時(shí)，葉綠素b含量較CK有所增加12.55%，葉綠素a含量和葉綠素總量較CK有所減緩11.57%和2.47%。

圖1 CdCl2脅迫下對(duì)香椿葉片葉綠素的含量的影響

2.2 鎘脅迫對(duì)香椿H2O2含量的影響

圖2所示，施加不同濃度CdCl2對(duì)香椿葉片H2O2積累產(chǎn)生不同的效應(yīng)。正常條件下香椿外施100、200、300 和 400 μmol/L 濃度的 CdCl2，葉片H2O2含量分別較 CK提高 15.96%、67.72%、42.52%和45.54%；其中，在200 μmol/L濃度處理時(shí)H2O2含量增幅最大。

圖2 CdCl2脅迫對(duì)香椿葉片H2O2含量的影響

2.3 鎘脅迫對(duì)MDA含量的影響

如圖3所示，在不同濃度CdCl2脅迫處理?xiàng)l件下（0～400 μmol/L),香椿葉片 MDA 含量整體比CK高。香椿的MDA含量隨著CdCl2脅迫濃度的增加而增加，在100和200 μmol/L CdCl2脅迫下，較CK提高了34.20%和61.75%；而在中高濃度300和400 μmol/L CdCl2脅迫香椿MDA含量時(shí)，較CK增加了27.57%和36.72%，與施加100 μmol/L CdCl2濃度時(shí)差異不顯著。

圖3 鎘脅迫對(duì)香椿葉片MDA含量的影響

2.4 鎘脅迫對(duì)香椿葉片光合特性的影響

2.4.1 凈光合速率

香椿葉片的凈光合速率隨著CdCl2濃度的增加而降低（圖4），在 100 μmol/L CdCl2脅迫下，與CK對(duì)照下降了16.17%，在200 μmol/L處理下要比在100 μmol/L處理時(shí)下降趨勢(shì)顯著，對(duì)比CK下降了54.61%，但在中高濃度300和400 μmol/L時(shí)下降趨勢(shì)相對(duì)平緩，對(duì)比CK分別下降了52.98%和63.71%。

圖4 鎘脅迫對(duì)香椿葉片凈光合速率和蒸騰速率的影響

2.4.2 蒸騰速率

圖4所示，不同濃度Cd脅迫期間，香椿幼苗葉片的蒸騰速率與凈光合速率的變化趨勢(shì)基本一致。香椿葉片的蒸騰速率隨著CdCl2濃度的增加而降低，在 100 μmol/L CdCl2脅迫時(shí)，蒸騰速率降幅顯著，比CK下降了28.92%；在200、300和400μmol/L CdCl2脅迫時(shí)，降幅有所減緩，比CK分別下降49.63%、54.14%和59.80%，均與CK差異顯著。

2.4.3 氣孔導(dǎo)度

如圖5所示在不同濃度CdCl2脅迫處理的香椿幼苗葉片的氣孔導(dǎo)度，均低于對(duì)照CK，且隨著CdCl2濃度的增加，氣孔導(dǎo)度降幅減緩，在CdCl2濃度為100 μmol/L處理時(shí)下降顯著，比CK下降了42.71%； 而在 200、300和400 μmol/L濃度時(shí)下降趨勢(shì)相對(duì)平緩，與CK對(duì)比分別下降了和59.93%、64.17%、70.48%。

3 結(jié)論與討論

光合作用可以為植物生存提供有機(jī)物、能量和氧氣，是植物體內(nèi)重要的代謝過(guò)程，是植物賴以生長(zhǎng)和生物量遞增所需的生理過(guò)程[14]。有研究證明，鎘是有效的光合抑制劑，鎘脅迫能抑制植物的光合作用，可以增強(qiáng)植物體內(nèi)葉綠素酶的活性，導(dǎo)致分解葉綠素捕獲光能的速度加快，從而使葉綠素含量低于正常值[15]。鎘脅迫可通過(guò)影響與光合有關(guān)的元素吸收或同化、改變色素含量、干擾葉片氣孔開(kāi)閉行為等方面，進(jìn)而影響植物的光合速率，使植物失綠、黃葉、生長(zhǎng)減緩[16]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鎘脅迫能夠抑制植物光合作用，首先表現(xiàn)在葉綠素的降低和MAD含量的增加，以及光合氣體交換參數(shù)（Pn、Tr和Gs）隨著脅迫濃度的增加表現(xiàn)出下降趨勢(shì)。不同濃度的鎘處理到一定濃度時(shí)均會(huì)抑制香椿幼苗植株的生長(zhǎng)，濃度增加，抑制作用變強(qiáng)[17]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著CdCl2濃度的增加，H2O2和MDA的含量成上升的趨勢(shì)，可能是因?yàn)殒k脅迫導(dǎo)致香椿葉片產(chǎn)生和積累大量ROS無(wú)法及時(shí)清除，引發(fā)膜脂過(guò)氧化作用增強(qiáng)。鎘脅迫對(duì)受鎘毒害的植物體內(nèi)不僅會(huì)出現(xiàn)大量活性氧自由基，還會(huì)造成膜質(zhì)過(guò)氧化，MDA含量顯著升高，而POD、SOD和CAT等抗氧化酶能夠及時(shí)消除氧自由基，解除細(xì)胞遭受氧化脅迫的危險(xiǎn)[18]。結(jié)合試驗(yàn)對(duì)H2O2和MDA含量的分析結(jié)果可以推斷出鎘處理對(duì)香椿幼苗有嚴(yán)重毒害作用，在長(zhǎng)期的鎘脅迫下，會(huì)對(duì)香椿幼苗的抗脅迫能力減弱，且隨著Cd2+濃度的增加會(huì)對(duì)香椿生長(zhǎng)的抑制逐步加重，其觀賞品質(zhì)也在下降。鎘脅迫還會(huì)導(dǎo)致植物葉片萎黃、生長(zhǎng)發(fā)育遲緩、根系生長(zhǎng)受阻、養(yǎng)分代謝異常、產(chǎn)量和品質(zhì)下降以及其他的生理異常等[19,20]。

植物光合作用能力與蒸騰速率、凈光合速率和氣孔導(dǎo)度有著密切的關(guān)系，植物葉片是通過(guò)氣孔與外界進(jìn)行氣體交換[21]。蒸騰速率是一定時(shí)間內(nèi)單位面積葉片上因蒸騰作用而損失掉的水分含量，蒸騰速率和凈光合速率與氣孔導(dǎo)度有直接相關(guān)關(guān)系，植物通過(guò)氣孔的開(kāi)關(guān)來(lái)控制葉片的蒸騰速率，進(jìn)而影響葉片的凈光合速率。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在不同濃度Cd脅迫下香椿葉片的蒸騰速率和凈光合速率呈顯著下降趨勢(shì)，蒸騰速率降低是植物自我保護(hù)反應(yīng),它減少對(duì)水分吸收的同時(shí)也減少了對(duì)重金屬離子的吸收[22]。不同濃度Cd脅迫對(duì)香椿的氣孔導(dǎo)度的變化程度來(lái)看，隨著Cd脅迫的增加氣孔導(dǎo)度變小，進(jìn)入香椿葉片細(xì)胞之間的CO2越多，說(shuō)明光合作用所消耗的C變少，因此蒸騰速率與凈光合速率還有氣孔導(dǎo)度呈正相關(guān)關(guān)系，都隨著Cd脅迫的增加而呈下降趨勢(shì)。

綜上所述，鎘處理致使香椿幼苗葉片葉綠素含量降低，同時(shí)光合作用受損；MDA含量增加導(dǎo)致香椿細(xì)胞過(guò)氧化；凈光合速率、蒸騰速率以及氣孔導(dǎo)度隨著Cd2+濃度增加而降低?？芍愦辉谥亟饘冁k脅迫下，香椿幼苗的生長(zhǎng)會(huì)受到一定程度的破壞，但仍表現(xiàn)出較好的抗逆性，具有廣泛的應(yīng)用前景。