鉛脅迫對(duì)滇白前生長(zhǎng)、光合作用及葉綠素?zé)晒獾挠绊?/h1>
2021-12-09 08:38:34王建秋曹子林王曉麗張晉龍彭辰吟
草地學(xué)報(bào) 2021年11期
王建秋， 曹子林*， 王曉麗， 張晉龍， 彭辰吟
(1.西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院， 云南 昆明 650224； 2. 云南省山地農(nóng)村生態(tài)環(huán)境演變與污染治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 云南 昆明 650224； 3.西南林業(yè)大學(xué)林學(xué)院， 云南 昆明 650224)
隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，重金屬污染已經(jīng)成為當(dāng)今全球面臨的一個(gè)重要環(huán)境問(wèn)題。鉛是一種有害的重金屬元素，在過(guò)去的50年里，大約有7.83×105t的鉛排到土壤環(huán)境中，對(duì)土壤造成嚴(yán)重的重金屬污染[1]。鉛易被植物吸收積累，當(dāng)其在植物體內(nèi)累積超過(guò)一定限度時(shí)，不僅嚴(yán)重影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，還會(huì)通過(guò)食物鏈危害人體健康[2]。因此，修復(fù)鉛污染的土壤尤其重要。植物修復(fù)技術(shù)是一種新興的土壤修復(fù)技術(shù)，具有修復(fù)面積廣、操作簡(jiǎn)便且綠色無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)[3]，對(duì)于清除土壤重金屬污染與實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。而選擇對(duì)重金屬耐性強(qiáng)、生物量大的超富集植物正是植物修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵。
滇白前(Sileneviscidula)是石竹科(Cayophyllaceae)蠅子草屬的一種多年生草本植物，主要生長(zhǎng)在海拔1 200～3 200 m的四川、云南、貴州、西藏(東南)等地[4]。據(jù)研究，滇白前對(duì)鉛(Pb)、鋅(Zn)、鎘(Cd)元素具有很強(qiáng)的耐受性，是新型Pb/Zn/Cd共超富集植物，為土壤重金屬污染地修復(fù)提供了新的資源[5]。目前，有關(guān)滇白前的研究主要集中于其藥用成分、抗癌作用及轉(zhuǎn)錄組測(cè)序等方面[6-8]。植物的生長(zhǎng)指標(biāo)、光合生理特性及葉綠素?zé)晒饪煞从持参飳?duì)外界環(huán)境的適應(yīng)性，是植物能否在重金屬脅迫下成功定植的重要指標(biāo)[9-10]，但關(guān)于鉛脅迫對(duì)滇白前生長(zhǎng)特性、生理指標(biāo)和葉綠素?zé)晒獾挠绊懳匆?jiàn)報(bào)道。因此，本研究以滇白前為對(duì)象，進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，通過(guò)不同濃度鉛脅迫，測(cè)定其生長(zhǎng)指標(biāo)、葉綠素含量、光合生理、熒光特性、根系活力的變化，探究滇白前對(duì)鉛脅迫的生理響應(yīng)機(jī)理，以期為鉛污染土壤的生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料
栽培基質(zhì)為昆明市呈貢區(qū)的農(nóng)田土，將土壤陰干并去除其中巖石和殘留的植物后磨細(xì)過(guò)篩。滇白前種子采自云南省怒江州蘭坪縣金頂鎮(zhèn)鳳凰山金鼎鉛鋅礦區(qū)，地理坐標(biāo)：26°24′3″N，99°24′54″E。2020年6月中旬，用滇白前種子進(jìn)行育苗，待植物長(zhǎng)出4片真葉后用于試驗(yàn)。
1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
用外口徑21 cm、盆高11 cm的花盆裝干土2 kg，依次加入相對(duì)應(yīng)濃度的Pb(NO3)2溶液，使土壤添加鉛含量分別為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(以干土計(jì))。添加時(shí)溶液剛好把土壤浸濕無(wú)滲漏，并充分?jǐn)嚢杌靹?，老?個(gè)月后供試驗(yàn)使用。7月30日，將大小一致、長(zhǎng)勢(shì)良好的滇白前幼苗移栽到不同濃度鉛的土壤中，每盆種植3株，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。在試驗(yàn)區(qū)上方搭設(shè)爬藤架，在架上蓋上塑料膜，每天適量澆水使土壤含水量大約保持在田間持水量的70%。
1.3 試驗(yàn)指標(biāo)測(cè)定
脅迫60 d后，每個(gè)濃度處理選取滇白前倒三葉片3片，采用Li-6400XT光合儀測(cè)定凈光合速率(Net photosynthetic rate，Pn)、氣孔導(dǎo)度(Stomatal conductance，Gs)、蒸騰速率(Transpiration rate，Tr)、胞間二氧化碳濃度(Intercellular oxidation concentration，Ci)。用HAndy PEA植物效率分析儀測(cè)定初始熒光(Initial fluorescence，F(xiàn)o)、最大熒光(Maximum fluorescence，F(xiàn)m)、可變熒光(Variable fluorescence，F(xiàn)v)、PSⅡ最大光化學(xué)效率(Maximum photochemical efficiency of photosynthetic system Ⅱ，F(xiàn)v/Fm)、PSⅡ潛在活性(Potential activity of photosynthetic system Ⅱ，F(xiàn)v/Fo)。采用丙酮-乙醇混合提取法測(cè)定葉綠素a(Chlorophyll a，Chl a)、葉綠素b(Chlorophyll b，Chl b)的含量[11]。最后，將植株取出，取根須及根尖0～3 cm，參照王學(xué)奎的方法，采用氯化三苯基四氮唑法測(cè)定根系活力[12]。測(cè)定高度、葉寬、根長(zhǎng)，記錄萌條數(shù)，反映植物生長(zhǎng)狀況。
1.4 數(shù)據(jù)分析
采用Excel 2016對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和整理，利用SPSS 20.0軟件對(duì)生長(zhǎng)指標(biāo)、光合生理指標(biāo)及葉綠素?zé)晒馓匦赃M(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，并進(jìn)行這三大指標(biāo)之間的相關(guān)性分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 鉛脅迫對(duì)滇白前生長(zhǎng)的影響
由表1可知：總體上，高度、葉寬、萌條數(shù)、根長(zhǎng)4個(gè)指標(biāo)隨鉛處理濃度的增大呈先升后降的趨勢(shì)。在600 mg·kg-1處理下，滇白前高度、葉寬與對(duì)照相比略有下降，而萌條數(shù)、根長(zhǎng)與對(duì)照相比均有上升，其中根長(zhǎng)達(dá)到顯著水平(P<0.05)；高度、萌條數(shù)在1 200 mg·kg-1處理時(shí)達(dá)到最大值，而根長(zhǎng)、葉寬在1 800 mg·kg-1處理下達(dá)到最大值，鉛處理濃度達(dá)到3 000 mg·kg-1時(shí)，這4個(gè)指標(biāo)均低于對(duì)照。
表1 鉛脅迫對(duì)滇白前生長(zhǎng)的影響Table 1 The growth of S. viscidula under Pb stress
2.2 鉛脅迫對(duì)滇白前葉綠素的影響
由表2可知，隨著鉛濃度增大，滇白前Chl a、Chl b、Chl a+b含量均呈先升后降的趨勢(shì)。在600，1 200，1 800 mg·kg-1處理下，這三個(gè)指標(biāo)隨著鉛濃度增加而增大，1 800 mg·kg-1處理下達(dá)到最大值，分別為1.35，0.53，1.89 mg·g-1，2 400 mg·g-1處理與1 800 mg·kg-1處理相比，這3個(gè)指標(biāo)均下降，但這4個(gè)濃度處理均顯著大于對(duì)照(P<0.05)，而在3 000 mg·kg-1處理下，葉綠素含量3個(gè)指標(biāo)均小于對(duì)照，達(dá)到最小值。
2.3 鉛脅迫對(duì)滇白前光合指標(biāo)的影響
由表3可知，滇白前Pn，Gs，Tr均隨鉛濃度的增大呈先增后降的趨勢(shì)，而Ci隨鉛濃度的增大呈先降后增的趨勢(shì)。600 mg·kg-1處理時(shí)，Pn，Tr，Gs顯著高于對(duì)照(P<0.05)，Pn在1 800 mg·kg-1時(shí)達(dá)到最大值，Tr，Gs在1 200 mg·kg-1時(shí)達(dá)到最大值，隨后隨處理濃度增大而下降，3 000 mg·kg-1時(shí)，Pn，Tr，Gs均最小，僅6.40 μmolCO2·m-2·s-1，2.64 molH2O·m-2·s-1，0.27 molH2O·m-2·s-1，分別比對(duì)照增長(zhǎng)了75.67%，71.05%，71.88%。600 mg·kg-1處理與對(duì)照相比，Ci顯著降低(P<0.05)，在1 800 mg·kg-1處理時(shí)為最低值，在3 000 mg·kg-1處理時(shí)達(dá)到最大值，為586.40 μmolCO2·mol-1。
表2 鉛脅迫對(duì)滇白前葉綠素含量的影響Table 2 Effect of Pb stress on chlorophyll content of S. viscidula
表3 鉛脅迫對(duì)滇白前光合指標(biāo)的影響Table 3 Effect of Pb stress on photosynthesis indexes of S. viscidula
2.4 鉛脅迫對(duì)滇白前根系活力的影響
從圖1所示，滇白前根系活力(Root activity，RA)隨鉛濃度的增大呈先增后降的趨勢(shì)。在600 mg·kg-1處理時(shí)RA略高于對(duì)照，1 200 mg·kg-1處理時(shí)RA最高，之后隨處理濃度增大RA下降，但均高于對(duì)照，而在3 000 mg·kg-1處理時(shí)RA最低，比對(duì)照降低了51.99%(P<0.05)。
圖1 鉛脅迫對(duì)滇白前根系活力的影響Fig.1 Effect of Pb stress on root activity of S. viscidula
2.5 鉛脅迫對(duì)滇白前熒光特性的影響
由表4可知，隨著鉛濃度的增加，滇白前葉片的Fo呈先降低后升高的趨勢(shì)。Fm和Fv均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在1 200 mg·kg-1時(shí)達(dá)到最大值，分別為對(duì)照的1.11倍、1.17倍；鉛脅迫下滇白前Fv/Fm呈先增后降的變化規(guī)律，F(xiàn)v/Fo與之相似，鉛濃度為600，1 200，1 800 mg·kg-1時(shí)，均顯著大于對(duì)照(P<0.05)；鉛濃度在3 000 mg·kg-1為最小值，均顯著低于對(duì)照(P<0.05)，滇白前葉片的葉綠素?zé)晒庑适艿揭种啤?/p>
2.6 滇白前生長(zhǎng)與光合生理及葉綠素?zé)晒庵笜?biāo)的相關(guān)性
由表5可知：株高與Pn，Tr，Gs,Chl a+b含量、RA、Fv/Fm，F(xiàn)v/Fo呈極顯著或顯著的正相關(guān)(P<0.01或P<0.05)，與Ci呈極顯著的負(fù)相關(guān)(P<0.01)；Pn，Tr，Gs與Chl a+b含量、RA,Fv/Fm，F(xiàn)v/Fo呈極顯著或顯著的正相關(guān)(P<0.01或P<0.05)，與Ci呈極顯著或顯著的負(fù)相關(guān)(P<0.01或P<0.05)；Ci與Chl a+b含量、RA,Fv/Fm，F(xiàn)v/Fo呈極顯著的負(fù)相關(guān)(P<0.01)；Pn，Tr，Gs三者之間極顯著正相關(guān)(P<0.01)。
表4 鉛脅迫對(duì)滇白前葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響Table 4 Effect of Pb stress on chlorophyll fluorescence of S. viscidula
表5 生長(zhǎng)指標(biāo)與光合生理及葉綠素?zé)晒庵笜?biāo)的相關(guān)性Table 5 Correlation of growth index with photosynthetic physiology and chlorophyll fluorescence index
3 討論
鉛對(duì)植物生長(zhǎng)的影響是植物適應(yīng)環(huán)境生長(zhǎng)的一個(gè)綜合作用的結(jié)果。植物對(duì)重金屬脅迫產(chǎn)生響應(yīng)通常表現(xiàn)為低含量刺激正向應(yīng)答，高含量脅迫產(chǎn)生顯著抑制作用[13]，但不同植物對(duì)鉛的耐受性不同。絹毛委陵菜(Potentillasericea)在鉛濃度為300～600 mg·kg-1時(shí)，植株能夠生存，但生長(zhǎng)緩慢[14]。本研究表明：滇白前在2 400 mg·kg-1處理下，生長(zhǎng)指標(biāo)(高度、葉寬、萌條數(shù)和根長(zhǎng))仍高于或略低于對(duì)照，其對(duì)鉛的耐受性較高，因此，本試驗(yàn)設(shè)置鉛濃度高于普通植物的耐受濃度。生長(zhǎng)指標(biāo)均隨鉛濃度的增加呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，符合“低促高抑”的規(guī)律。中、低濃度(600～2 400 mg·kg-1)鉛脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)的促進(jìn)可能是一種刺激和保護(hù)效應(yīng)，植物生長(zhǎng)越快，重金屬在植物體內(nèi)的相對(duì)濃度就越低；而高濃度(3 000 mg·kg-1)鉛在植物體內(nèi)積累，保護(hù)反應(yīng)消失，影響了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和分配，造成植株矮小，生物量減小，生長(zhǎng)衰退[15]。這與不同程度脅迫下的根系活力、葉綠素含量、光合生理指標(biāo)及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化密切相關(guān)。
水是植物光合作用的原料之一，植物生長(zhǎng)所需的水分主要通過(guò)根系從土壤中吸收。根系活力是反映根部吸收功能的綜合指標(biāo)，其值大小是根系對(duì)養(yǎng)分和水分吸收能力的體現(xiàn)[16]。郭榮慧等[17]研究表明：0～500 mg·kg-1的鉛處理時(shí)，洋甘菊(Chamomile)根系活力隨著鉛濃度升高呈先升后降的趨勢(shì)，并且鉛對(duì)根系活力有促進(jìn)作用。本研究也有類(lèi)似的結(jié)論，滇白前根系活力隨著鉛濃度升高呈先升后降的趨勢(shì)，但起促進(jìn)作用的鉛處理濃度明顯比較高，低、中濃度600～2 400 mg·kg-1處理對(duì)根系活力都具有促進(jìn)作用，而高濃度3 000 mg·kg-1處理對(duì)根系活力有明顯的抑制作用。同時(shí)，本研究表明，根系活力與凈光合速率及生長(zhǎng)量呈極顯著正相關(guān)。這是由于根系活力影響對(duì)光合作用原料水的吸收造成的。在適量鉛環(huán)境下，根系活力增強(qiáng)，有利于對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收，從而促進(jìn)滇白前光合作用及生長(zhǎng)；鉛濃度過(guò)量則會(huì)抑制根系活力以及對(duì)水分養(yǎng)分的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，從而抑制滇白前光合作用及生長(zhǎng)。
高等植物光合色素主要是由葉綠素a、葉綠素b組成，葉綠素在光合作用過(guò)程中起到接受和轉(zhuǎn)換能量的作用，將光能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能，其含量高低與光合作用密切相關(guān)[18-19]。對(duì)于一般植物而言，鉛脅迫會(huì)導(dǎo)致植物葉綠素含量降低。例如，在鉛濃度為0～600 mg·L-1處理 30 d后，草地早熟禾(Poapratensis)葉綠素a、葉綠素b均隨處理濃度的增加而顯著降低[20]。但對(duì)于鉛超富集植物而言，適量的鉛能刺激葉綠素含量的增加。本研究表明：滇白前的葉綠素含量隨鉛脅迫濃度的升高呈先升后降的變化，并與凈光合速率、生長(zhǎng)量呈顯著正相關(guān)。低、中濃度處理時(shí)，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量隨處理濃度增大而增大，且均在1 800 mg·kg-1時(shí)達(dá)到峰值，2 400 mg·kg-1時(shí)下降，但仍高于對(duì)照，而高濃度3 000 mg·kg-1時(shí)低于對(duì)照，這與劉英杰等[21]的研究結(jié)論相類(lèi)似。原因是：低、中濃度處理可能沒(méi)有破壞植物體內(nèi)葉綠體的結(jié)構(gòu)，減緩葉綠素的合成過(guò)程，反而可能提高了葉綠素酸酯還原酶的活性和氨基-r-酮戊酸的含量[21-22]，從而促進(jìn)了植物的葉綠素含量增加。而在高濃度鉛脅迫下，植物抗氧化酶活性降低，體內(nèi)活性氧自由基含量升高，破壞了葉綠體的結(jié)構(gòu)和功能；可能是鉛阻止了鐵分子進(jìn)入葉綠素的卟啉環(huán)，減少了葉綠素的合成；也可能是抑制了葉綠素酸酯還原酶的活性和氨基-r-酮戊酸的合成，阻礙葉綠素合成，進(jìn)而影響光合作用[23]。
氣孔是植物葉片上的主要器官，控制著植物光合作用中CO2分子的吸收和蒸騰作用中H2O分子的運(yùn)輸[24]，所以氣孔對(duì)于植物光合生理過(guò)程有著重要的決定性作用。鉛脅迫能夠影響植物的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，進(jìn)而影響其光合作用[25-26]。本研究表明：氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、凈光合速率隨著鉛脅迫濃度升高呈先升后降的趨勢(shì)，這3個(gè)指標(biāo)之間呈極顯著正相關(guān)，這與鉛脅迫對(duì)金花茶的光合生理影響的規(guī)律一致[27]，并且這3個(gè)指標(biāo)與根系活力呈極顯著正相關(guān)。而胞間CO2濃度卻隨處理濃度增大呈先降后升的趨勢(shì)，與王小平的研究結(jié)論相類(lèi)似[28]。原因是：中、低濃度鉛處理下，滇白前根系活力增大，對(duì)土壤水分吸收能力增強(qiáng)，這時(shí)氣孔導(dǎo)度增大，蒸騰速率增大，同時(shí)這時(shí)進(jìn)入細(xì)胞的CO2增多，但由于光合速率增強(qiáng)，葉肉細(xì)胞光合能力的增強(qiáng)使其利用CO2的能力增強(qiáng)，導(dǎo)致了胞間CO2濃度下降。相反，在高濃度鉛脅迫下，滇白前根系活力降低，對(duì)土壤水分吸收能力減弱，這時(shí)氣孔導(dǎo)度降低，蒸騰速率減少，同時(shí)這時(shí)進(jìn)入細(xì)胞的CO2減少，但由于光合速率減弱，葉肉細(xì)胞光合能力的下降使其利用CO2的能力降低，進(jìn)而導(dǎo)致了胞間CO2濃度升高。
葉綠素?zé)晒鈪?shù)主要含義是泛指通過(guò)直接利用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)對(duì)植物進(jìn)行熒光分析而獲得的重要熒光參數(shù)，植物體內(nèi)葉綠素?zé)晒夥肿幽軌虺蔀槿~綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)應(yīng)用中的天然探針，植物對(duì)于光能的綜合利用狀態(tài)，能夠通過(guò)測(cè)得葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力參數(shù)來(lái)呈現(xiàn)，從而判斷植物受逆境脅迫的程度[29]。Fv/Fm值用于度量植物葉片PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率，而Fv/Fo值表示PSⅡ潛在活性。本研究結(jié)果表明，F(xiàn)v/Fo,Fv/Fm隨鉛處理濃度升高呈先升高后降低的規(guī)律，并與葉綠素含量、凈光合速率呈極顯著正相關(guān)。在濃度處理為600 mg·kg-1，1 200 mg·kg-1，1 800 mg·kg-1時(shí)，其值顯著上升。原因是：該濃度處理后葉綠素含量提高，進(jìn)而加速了光合碳同化中以蛋白質(zhì)為主體的各種酶及多種電子傳遞體的合成，并將更多的光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，從而提高了光能轉(zhuǎn)化效率、PSⅡ電子傳遞活性，提高了光能利用效率，體現(xiàn)在凈光合速率的提高[30]。而在濃度處理為3 000 mg·kg-1時(shí)，其值顯著下降。原因是：在高濃度鉛脅迫下，葉綠素含量下降，所引起的生理響應(yīng)過(guò)程正好與上述相反，降低了光能轉(zhuǎn)化效率、PSⅡ電子傳遞活性和光能利用效率，體現(xiàn)在凈光合速率的降低。
4 結(jié)論
鉛脅迫濃度在600～2 400 mg·kg-1處理下，滇白前的生長(zhǎng)量、根系活力、葉綠素含量、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和熒光參數(shù)等指標(biāo)顯著高于或略低于對(duì)照，說(shuō)明滇白前對(duì)鉛脅迫具有較高的耐性，可作為修復(fù)土壤鉛污染的植物。
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(1.西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院， 云南 昆明 650224； 2. 云南省山地農(nóng)村生態(tài)環(huán)境演變與污染治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 云南 昆明 650224； 3.西南林業(yè)大學(xué)林學(xué)院， 云南 昆明 650224)
隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，重金屬污染已經(jīng)成為當(dāng)今全球面臨的一個(gè)重要環(huán)境問(wèn)題。鉛是一種有害的重金屬元素，在過(guò)去的50年里，大約有7.83×105t的鉛排到土壤環(huán)境中，對(duì)土壤造成嚴(yán)重的重金屬污染[1]。鉛易被植物吸收積累，當(dāng)其在植物體內(nèi)累積超過(guò)一定限度時(shí)，不僅嚴(yán)重影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，還會(huì)通過(guò)食物鏈危害人體健康[2]。因此，修復(fù)鉛污染的土壤尤其重要。植物修復(fù)技術(shù)是一種新興的土壤修復(fù)技術(shù)，具有修復(fù)面積廣、操作簡(jiǎn)便且綠色無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)[3]，對(duì)于清除土壤重金屬污染與實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。而選擇對(duì)重金屬耐性強(qiáng)、生物量大的超富集植物正是植物修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵。
滇白前(Sileneviscidula)是石竹科(Cayophyllaceae)蠅子草屬的一種多年生草本植物，主要生長(zhǎng)在海拔1 200～3 200 m的四川、云南、貴州、西藏(東南)等地[4]。據(jù)研究，滇白前對(duì)鉛(Pb)、鋅(Zn)、鎘(Cd)元素具有很強(qiáng)的耐受性，是新型Pb/Zn/Cd共超富集植物，為土壤重金屬污染地修復(fù)提供了新的資源[5]。目前，有關(guān)滇白前的研究主要集中于其藥用成分、抗癌作用及轉(zhuǎn)錄組測(cè)序等方面[6-8]。植物的生長(zhǎng)指標(biāo)、光合生理特性及葉綠素?zé)晒饪煞从持参飳?duì)外界環(huán)境的適應(yīng)性，是植物能否在重金屬脅迫下成功定植的重要指標(biāo)[9-10]，但關(guān)于鉛脅迫對(duì)滇白前生長(zhǎng)特性、生理指標(biāo)和葉綠素?zé)晒獾挠绊懳匆?jiàn)報(bào)道。因此，本研究以滇白前為對(duì)象，進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，通過(guò)不同濃度鉛脅迫，測(cè)定其生長(zhǎng)指標(biāo)、葉綠素含量、光合生理、熒光特性、根系活力的變化，探究滇白前對(duì)鉛脅迫的生理響應(yīng)機(jī)理，以期為鉛污染土壤的生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料
栽培基質(zhì)為昆明市呈貢區(qū)的農(nóng)田土，將土壤陰干并去除其中巖石和殘留的植物后磨細(xì)過(guò)篩。滇白前種子采自云南省怒江州蘭坪縣金頂鎮(zhèn)鳳凰山金鼎鉛鋅礦區(qū)，地理坐標(biāo)：26°24′3″N，99°24′54″E。2020年6月中旬，用滇白前種子進(jìn)行育苗，待植物長(zhǎng)出4片真葉后用于試驗(yàn)。
1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
用外口徑21 cm、盆高11 cm的花盆裝干土2 kg，依次加入相對(duì)應(yīng)濃度的Pb(NO3)2溶液，使土壤添加鉛含量分別為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(以干土計(jì))。添加時(shí)溶液剛好把土壤浸濕無(wú)滲漏，并充分?jǐn)嚢杌靹?，老?個(gè)月后供試驗(yàn)使用。7月30日，將大小一致、長(zhǎng)勢(shì)良好的滇白前幼苗移栽到不同濃度鉛的土壤中，每盆種植3株，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。在試驗(yàn)區(qū)上方搭設(shè)爬藤架，在架上蓋上塑料膜，每天適量澆水使土壤含水量大約保持在田間持水量的70%。
1.3 試驗(yàn)指標(biāo)測(cè)定
脅迫60 d后，每個(gè)濃度處理選取滇白前倒三葉片3片，采用Li-6400XT光合儀測(cè)定凈光合速率(Net photosynthetic rate，Pn)、氣孔導(dǎo)度(Stomatal conductance，Gs)、蒸騰速率(Transpiration rate，Tr)、胞間二氧化碳濃度(Intercellular oxidation concentration，Ci)。用HAndy PEA植物效率分析儀測(cè)定初始熒光(Initial fluorescence，F(xiàn)o)、最大熒光(Maximum fluorescence，F(xiàn)m)、可變熒光(Variable fluorescence，F(xiàn)v)、PSⅡ最大光化學(xué)效率(Maximum photochemical efficiency of photosynthetic system Ⅱ，F(xiàn)v/Fm)、PSⅡ潛在活性(Potential activity of photosynthetic system Ⅱ，F(xiàn)v/Fo)。采用丙酮-乙醇混合提取法測(cè)定葉綠素a(Chlorophyll a，Chl a)、葉綠素b(Chlorophyll b，Chl b)的含量[11]。最后，將植株取出，取根須及根尖0～3 cm，參照王學(xué)奎的方法，采用氯化三苯基四氮唑法測(cè)定根系活力[12]。測(cè)定高度、葉寬、根長(zhǎng)，記錄萌條數(shù)，反映植物生長(zhǎng)狀況。
1.4 數(shù)據(jù)分析
采用Excel 2016對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和整理，利用SPSS 20.0軟件對(duì)生長(zhǎng)指標(biāo)、光合生理指標(biāo)及葉綠素?zé)晒馓匦赃M(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，并進(jìn)行這三大指標(biāo)之間的相關(guān)性分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 鉛脅迫對(duì)滇白前生長(zhǎng)的影響
由表1可知：總體上，高度、葉寬、萌條數(shù)、根長(zhǎng)4個(gè)指標(biāo)隨鉛處理濃度的增大呈先升后降的趨勢(shì)。在600 mg·kg-1處理下，滇白前高度、葉寬與對(duì)照相比略有下降，而萌條數(shù)、根長(zhǎng)與對(duì)照相比均有上升，其中根長(zhǎng)達(dá)到顯著水平(P<0.05)；高度、萌條數(shù)在1 200 mg·kg-1處理時(shí)達(dá)到最大值，而根長(zhǎng)、葉寬在1 800 mg·kg-1處理下達(dá)到最大值，鉛處理濃度達(dá)到3 000 mg·kg-1時(shí)，這4個(gè)指標(biāo)均低于對(duì)照。
表1 鉛脅迫對(duì)滇白前生長(zhǎng)的影響Table 1 The growth of S. viscidula under Pb stress
2.2 鉛脅迫對(duì)滇白前葉綠素的影響
由表2可知，隨著鉛濃度增大，滇白前Chl a、Chl b、Chl a+b含量均呈先升后降的趨勢(shì)。在600，1 200，1 800 mg·kg-1處理下，這三個(gè)指標(biāo)隨著鉛濃度增加而增大，1 800 mg·kg-1處理下達(dá)到最大值，分別為1.35，0.53，1.89 mg·g-1，2 400 mg·g-1處理與1 800 mg·kg-1處理相比，這3個(gè)指標(biāo)均下降，但這4個(gè)濃度處理均顯著大于對(duì)照(P<0.05)，而在3 000 mg·kg-1處理下，葉綠素含量3個(gè)指標(biāo)均小于對(duì)照，達(dá)到最小值。
2.3 鉛脅迫對(duì)滇白前光合指標(biāo)的影響
由表3可知，滇白前Pn，Gs，Tr均隨鉛濃度的增大呈先增后降的趨勢(shì)，而Ci隨鉛濃度的增大呈先降后增的趨勢(shì)。600 mg·kg-1處理時(shí)，Pn，Tr，Gs顯著高于對(duì)照(P<0.05)，Pn在1 800 mg·kg-1時(shí)達(dá)到最大值，Tr，Gs在1 200 mg·kg-1時(shí)達(dá)到最大值，隨后隨處理濃度增大而下降，3 000 mg·kg-1時(shí)，Pn，Tr，Gs均最小，僅6.40 μmolCO2·m-2·s-1，2.64 molH2O·m-2·s-1，0.27 molH2O·m-2·s-1，分別比對(duì)照增長(zhǎng)了75.67%，71.05%，71.88%。600 mg·kg-1處理與對(duì)照相比，Ci顯著降低(P<0.05)，在1 800 mg·kg-1處理時(shí)為最低值，在3 000 mg·kg-1處理時(shí)達(dá)到最大值，為586.40 μmolCO2·mol-1。
表2 鉛脅迫對(duì)滇白前葉綠素含量的影響Table 2 Effect of Pb stress on chlorophyll content of S. viscidula
表3 鉛脅迫對(duì)滇白前光合指標(biāo)的影響Table 3 Effect of Pb stress on photosynthesis indexes of S. viscidula
2.4 鉛脅迫對(duì)滇白前根系活力的影響
從圖1所示，滇白前根系活力(Root activity，RA)隨鉛濃度的增大呈先增后降的趨勢(shì)。在600 mg·kg-1處理時(shí)RA略高于對(duì)照，1 200 mg·kg-1處理時(shí)RA最高，之后隨處理濃度增大RA下降，但均高于對(duì)照，而在3 000 mg·kg-1處理時(shí)RA最低，比對(duì)照降低了51.99%(P<0.05)。
圖1 鉛脅迫對(duì)滇白前根系活力的影響Fig.1 Effect of Pb stress on root activity of S. viscidula
2.5 鉛脅迫對(duì)滇白前熒光特性的影響
由表4可知，隨著鉛濃度的增加，滇白前葉片的Fo呈先降低后升高的趨勢(shì)。Fm和Fv均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在1 200 mg·kg-1時(shí)達(dá)到最大值，分別為對(duì)照的1.11倍、1.17倍；鉛脅迫下滇白前Fv/Fm呈先增后降的變化規(guī)律，F(xiàn)v/Fo與之相似，鉛濃度為600，1 200，1 800 mg·kg-1時(shí)，均顯著大于對(duì)照(P<0.05)；鉛濃度在3 000 mg·kg-1為最小值，均顯著低于對(duì)照(P<0.05)，滇白前葉片的葉綠素?zé)晒庑适艿揭种啤?/p>
2.6 滇白前生長(zhǎng)與光合生理及葉綠素?zé)晒庵笜?biāo)的相關(guān)性
由表5可知：株高與Pn，Tr，Gs,Chl a+b含量、RA、Fv/Fm，F(xiàn)v/Fo呈極顯著或顯著的正相關(guān)(P<0.01或P<0.05)，與Ci呈極顯著的負(fù)相關(guān)(P<0.01)；Pn，Tr，Gs與Chl a+b含量、RA,Fv/Fm，F(xiàn)v/Fo呈極顯著或顯著的正相關(guān)(P<0.01或P<0.05)，與Ci呈極顯著或顯著的負(fù)相關(guān)(P<0.01或P<0.05)；Ci與Chl a+b含量、RA,Fv/Fm，F(xiàn)v/Fo呈極顯著的負(fù)相關(guān)(P<0.01)；Pn，Tr，Gs三者之間極顯著正相關(guān)(P<0.01)。
表4 鉛脅迫對(duì)滇白前葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響Table 4 Effect of Pb stress on chlorophyll fluorescence of S. viscidula
表5 生長(zhǎng)指標(biāo)與光合生理及葉綠素?zé)晒庵笜?biāo)的相關(guān)性Table 5 Correlation of growth index with photosynthetic physiology and chlorophyll fluorescence index
3 討論
鉛對(duì)植物生長(zhǎng)的影響是植物適應(yīng)環(huán)境生長(zhǎng)的一個(gè)綜合作用的結(jié)果。植物對(duì)重金屬脅迫產(chǎn)生響應(yīng)通常表現(xiàn)為低含量刺激正向應(yīng)答，高含量脅迫產(chǎn)生顯著抑制作用[13]，但不同植物對(duì)鉛的耐受性不同。絹毛委陵菜(Potentillasericea)在鉛濃度為300～600 mg·kg-1時(shí)，植株能夠生存，但生長(zhǎng)緩慢[14]。本研究表明：滇白前在2 400 mg·kg-1處理下，生長(zhǎng)指標(biāo)(高度、葉寬、萌條數(shù)和根長(zhǎng))仍高于或略低于對(duì)照，其對(duì)鉛的耐受性較高，因此，本試驗(yàn)設(shè)置鉛濃度高于普通植物的耐受濃度。生長(zhǎng)指標(biāo)均隨鉛濃度的增加呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，符合“低促高抑”的規(guī)律。中、低濃度(600～2 400 mg·kg-1)鉛脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)的促進(jìn)可能是一種刺激和保護(hù)效應(yīng)，植物生長(zhǎng)越快，重金屬在植物體內(nèi)的相對(duì)濃度就越低；而高濃度(3 000 mg·kg-1)鉛在植物體內(nèi)積累，保護(hù)反應(yīng)消失，影響了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和分配，造成植株矮小，生物量減小，生長(zhǎng)衰退[15]。這與不同程度脅迫下的根系活力、葉綠素含量、光合生理指標(biāo)及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化密切相關(guān)。
水是植物光合作用的原料之一，植物生長(zhǎng)所需的水分主要通過(guò)根系從土壤中吸收。根系活力是反映根部吸收功能的綜合指標(biāo)，其值大小是根系對(duì)養(yǎng)分和水分吸收能力的體現(xiàn)[16]。郭榮慧等[17]研究表明：0～500 mg·kg-1的鉛處理時(shí)，洋甘菊(Chamomile)根系活力隨著鉛濃度升高呈先升后降的趨勢(shì)，并且鉛對(duì)根系活力有促進(jìn)作用。本研究也有類(lèi)似的結(jié)論，滇白前根系活力隨著鉛濃度升高呈先升后降的趨勢(shì)，但起促進(jìn)作用的鉛處理濃度明顯比較高，低、中濃度600～2 400 mg·kg-1處理對(duì)根系活力都具有促進(jìn)作用，而高濃度3 000 mg·kg-1處理對(duì)根系活力有明顯的抑制作用。同時(shí)，本研究表明，根系活力與凈光合速率及生長(zhǎng)量呈極顯著正相關(guān)。這是由于根系活力影響對(duì)光合作用原料水的吸收造成的。在適量鉛環(huán)境下，根系活力增強(qiáng)，有利于對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收，從而促進(jìn)滇白前光合作用及生長(zhǎng)；鉛濃度過(guò)量則會(huì)抑制根系活力以及對(duì)水分養(yǎng)分的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，從而抑制滇白前光合作用及生長(zhǎng)。
高等植物光合色素主要是由葉綠素a、葉綠素b組成，葉綠素在光合作用過(guò)程中起到接受和轉(zhuǎn)換能量的作用，將光能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能，其含量高低與光合作用密切相關(guān)[18-19]。對(duì)于一般植物而言，鉛脅迫會(huì)導(dǎo)致植物葉綠素含量降低。例如，在鉛濃度為0～600 mg·L-1處理 30 d后，草地早熟禾(Poapratensis)葉綠素a、葉綠素b均隨處理濃度的增加而顯著降低[20]。但對(duì)于鉛超富集植物而言，適量的鉛能刺激葉綠素含量的增加。本研究表明：滇白前的葉綠素含量隨鉛脅迫濃度的升高呈先升后降的變化，并與凈光合速率、生長(zhǎng)量呈顯著正相關(guān)。低、中濃度處理時(shí)，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量隨處理濃度增大而增大，且均在1 800 mg·kg-1時(shí)達(dá)到峰值，2 400 mg·kg-1時(shí)下降，但仍高于對(duì)照，而高濃度3 000 mg·kg-1時(shí)低于對(duì)照，這與劉英杰等[21]的研究結(jié)論相類(lèi)似。原因是：低、中濃度處理可能沒(méi)有破壞植物體內(nèi)葉綠體的結(jié)構(gòu)，減緩葉綠素的合成過(guò)程，反而可能提高了葉綠素酸酯還原酶的活性和氨基-r-酮戊酸的含量[21-22]，從而促進(jìn)了植物的葉綠素含量增加。而在高濃度鉛脅迫下，植物抗氧化酶活性降低，體內(nèi)活性氧自由基含量升高，破壞了葉綠體的結(jié)構(gòu)和功能；可能是鉛阻止了鐵分子進(jìn)入葉綠素的卟啉環(huán)，減少了葉綠素的合成；也可能是抑制了葉綠素酸酯還原酶的活性和氨基-r-酮戊酸的合成，阻礙葉綠素合成，進(jìn)而影響光合作用[23]。
氣孔是植物葉片上的主要器官，控制著植物光合作用中CO2分子的吸收和蒸騰作用中H2O分子的運(yùn)輸[24]，所以氣孔對(duì)于植物光合生理過(guò)程有著重要的決定性作用。鉛脅迫能夠影響植物的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，進(jìn)而影響其光合作用[25-26]。本研究表明：氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、凈光合速率隨著鉛脅迫濃度升高呈先升后降的趨勢(shì)，這3個(gè)指標(biāo)之間呈極顯著正相關(guān)，這與鉛脅迫對(duì)金花茶的光合生理影響的規(guī)律一致[27]，并且這3個(gè)指標(biāo)與根系活力呈極顯著正相關(guān)。而胞間CO2濃度卻隨處理濃度增大呈先降后升的趨勢(shì)，與王小平的研究結(jié)論相類(lèi)似[28]。原因是：中、低濃度鉛處理下，滇白前根系活力增大，對(duì)土壤水分吸收能力增強(qiáng)，這時(shí)氣孔導(dǎo)度增大，蒸騰速率增大，同時(shí)這時(shí)進(jìn)入細(xì)胞的CO2增多，但由于光合速率增強(qiáng)，葉肉細(xì)胞光合能力的增強(qiáng)使其利用CO2的能力增強(qiáng)，導(dǎo)致了胞間CO2濃度下降。相反，在高濃度鉛脅迫下，滇白前根系活力降低，對(duì)土壤水分吸收能力減弱，這時(shí)氣孔導(dǎo)度降低，蒸騰速率減少，同時(shí)這時(shí)進(jìn)入細(xì)胞的CO2減少，但由于光合速率減弱，葉肉細(xì)胞光合能力的下降使其利用CO2的能力降低，進(jìn)而導(dǎo)致了胞間CO2濃度升高。
葉綠素?zé)晒鈪?shù)主要含義是泛指通過(guò)直接利用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)對(duì)植物進(jìn)行熒光分析而獲得的重要熒光參數(shù)，植物體內(nèi)葉綠素?zé)晒夥肿幽軌虺蔀槿~綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)應(yīng)用中的天然探針，植物對(duì)于光能的綜合利用狀態(tài)，能夠通過(guò)測(cè)得葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力參數(shù)來(lái)呈現(xiàn)，從而判斷植物受逆境脅迫的程度[29]。Fv/Fm值用于度量植物葉片PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率，而Fv/Fo值表示PSⅡ潛在活性。本研究結(jié)果表明，F(xiàn)v/Fo,Fv/Fm隨鉛處理濃度升高呈先升高后降低的規(guī)律，并與葉綠素含量、凈光合速率呈極顯著正相關(guān)。在濃度處理為600 mg·kg-1，1 200 mg·kg-1，1 800 mg·kg-1時(shí)，其值顯著上升。原因是：該濃度處理后葉綠素含量提高，進(jìn)而加速了光合碳同化中以蛋白質(zhì)為主體的各種酶及多種電子傳遞體的合成，并將更多的光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，從而提高了光能轉(zhuǎn)化效率、PSⅡ電子傳遞活性，提高了光能利用效率，體現(xiàn)在凈光合速率的提高[30]。而在濃度處理為3 000 mg·kg-1時(shí)，其值顯著下降。原因是：在高濃度鉛脅迫下，葉綠素含量下降，所引起的生理響應(yīng)過(guò)程正好與上述相反，降低了光能轉(zhuǎn)化效率、PSⅡ電子傳遞活性和光能利用效率，體現(xiàn)在凈光合速率的降低。
4 結(jié)論
鉛脅迫濃度在600～2 400 mg·kg-1處理下，滇白前的生長(zhǎng)量、根系活力、葉綠素含量、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和熒光參數(shù)等指標(biāo)顯著高于或略低于對(duì)照，說(shuō)明滇白前對(duì)鉛脅迫具有較高的耐性，可作為修復(fù)土壤鉛污染的植物。
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