江俊勇,李樂林
(1.江西生物科技職業(yè)學(xué)院,江西南昌 330200;2.江西省豐城市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)服務(wù)中心,江西豐城 331100)
隨著工業(yè)的迅速發(fā)展,“三廢”的排放使環(huán)境污染日益嚴(yán)重,造成農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降、優(yōu)良品種退化迅速,嚴(yán)重制約農(nóng)業(yè)的發(fā)展[1]。鎘是生物毒性最強(qiáng)的重金屬之一,極易被植物吸收并累積,尤其是葉菜類蔬菜,超過一定限度不僅嚴(yán)重影響植株的正常生長(zhǎng),降低作物產(chǎn)量和品質(zhì),而且通過食物鏈富集后危害人體健康。本研究以葉菜類蔬菜代表——菜心(BrassicacampestrisL.ssp.chinensisvar.utilisTsen et Lee)為材料,研究不同濃度鎘對(duì)菜心光合速率、蒸騰速率及葉綠素含量的影響,旨在為菜心鎘暴露后生長(zhǎng)變化研究及菜心的食品衛(wèi)生安全提供數(shù)據(jù)支撐。
菜心:品種為名優(yōu)408,由廣州市愛普農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)。
FA2004電子天平,上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司;Li-6400便攜式光合作用測(cè)定儀,美國(guó)LI-COR公司;UV1000紫外可見分光光度計(jì),尤尼柯(上海)儀器有限公司。氯化鎘、乙醇、丙酮,分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。
采用土壤盆栽試驗(yàn)法,每缽裝土5 kg,將菜心種子播種于營(yíng)養(yǎng)缽內(nèi),待長(zhǎng)至四片真葉時(shí)開始施加營(yíng)養(yǎng)液,每缽每次加500 mL,施加頻率為7 d一次。
營(yíng)養(yǎng)液元素組成:Mg 48.78 mg/L,B 0.52 mg/L,Mn 0.49 mg/L,Zn 0.05 mg/L,Cu 0.012 7 mg/L,Mo 0.007 9 mg/L,Na 0.003 8 mg/L,F(xiàn)e 0.2 mg/L,Ca 105.214 mg/L,S 112.089 45 mg/L,N 273 mg/L,P 50 mg/L,K 429 mg/L。
以外源鎘的方式加入營(yíng)養(yǎng)液中,共設(shè)5個(gè)處理,每個(gè)處理1缽,每缽留1株菜心,重復(fù)3次。Cd2+處理濃度分別為0.2 mg/L、0.4 mg/L、0.8 mg/L和1.6 mg/L,以清水為對(duì)照(CK)。
(1)光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)采用便攜式光合作用測(cè)定儀測(cè)定。
(2)葉綠素含量的測(cè)定:將菜心葉片剪成1~2 mm2的碎片,用浸提劑(乙醇∶丙酮∶水體積比為4.5∶4.5∶1.0)浸提48 h,葉片變白后,分別在分光光度計(jì)663 nm、645 nm處比色測(cè)定浸提液的吸光值,計(jì)算葉綠素a、葉綠素b的含量,計(jì)算公式如(1)和(2)所示。單位為mg/g。
式中,ω1和ω2分別為葉綠素a含量和葉綠素b含量,mg/g;A1和A2分別為試液在663 nm和645 nm處的吸光度值;V為試液體積,mL;m為試樣質(zhì)量,g。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2003和DPS軟件進(jìn)行處理與分析。
葉綠素存在于光合作用的重要器官——葉綠體中,它直接影響植物光合作用的強(qiáng)度,同時(shí)植株葉片葉綠素的含量也與植物的營(yíng)養(yǎng)狀況和干物質(zhì)的積累密切相關(guān),葉綠素的含量是反應(yīng)污染物對(duì)植物傷害程度的一個(gè)重要指標(biāo)。由表1可知,菜心葉綠素含量隨鎘濃度的增加而呈減少態(tài)勢(shì)。與對(duì)照組相比,在0.2 mg/L鎘濃度處理下,葉綠素a含量降低了10.84%,葉綠素b含量降低了11.11%,說明低鎘濃度下,葉綠素b對(duì)鎘脅迫更敏感。而當(dāng)鎘濃度超過0.2 mg/L,均表現(xiàn)為葉綠素a的含量降低率大于葉綠素b的含量降低率,說明較高濃度的鎘脅迫對(duì)葉綠素a的影響比葉綠素b更大。
表1 不同濃度鎘對(duì)菜心葉組織中葉綠素含量的影響
試驗(yàn)結(jié)果表明,低濃度鎘處理對(duì)菜心葉綠素含量的影響不大,葉綠素含量與對(duì)照組差異不顯著;當(dāng)鎘濃度達(dá)到0.4 mg/L,菜心葉綠素含量顯著降低,表明菜心葉綠素含量受鎘劑量效應(yīng)影響。高濃度的鎘可能破壞了菜心葉綠體結(jié)構(gòu)功能,并影響葉綠素酶的活性,使葉綠素發(fā)生了分解,這與王霞等[2]和TRUONG等[3]研究發(fā)現(xiàn)的葉綠素生物合成受抑制的生理模式一致。楊居榮等[4]發(fā)現(xiàn)鎘降低植物總?cè)~綠素含量及葉綠素a/b比值,但對(duì)葉綠素b影響不大,鎘會(huì)破壞葉綠體膜系統(tǒng)。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),總?cè)~綠素含量隨著鎘濃度的升高而減少,且葉綠素a比葉綠素b的變化幅度更大,葉綠素a/b比值的改變降低了光合速率。
光合速率是植物最重要的光合作用指標(biāo)。由表2可知,光合速率隨鎘濃度的增加而降低。鎘濃度為0.2 mg/L時(shí),對(duì)光合速率影響較??;當(dāng)鎘濃度達(dá)到0.4 mg/L,菜心的光合速率顯著低于對(duì)照組;鎘濃度達(dá)到0.8 mg/L、1.6 mg/L時(shí),其光合速率與對(duì)照組差異極顯著。
表2 不同濃度鎘處理對(duì)菜心光合速率的影響
CHUGH等[5]發(fā)現(xiàn),在鎘離子脅迫下,豌豆光合速率比光合作用其他參數(shù)(如葉面積、葉鮮重和葉綠素含量)下降更為顯著。許多研究報(bào)告指出,鎘脅迫下水稻、綠豆、豬屎豆、玉米以及豌豆等植物光合速率下降,但植物在不同生育期光合速率受鎘影響效果不同[6]。研究指出,鎘對(duì)光合作用能力的抑制在于降低光合作用中關(guān)鍵性的核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶活性[7]。鎘對(duì)不同的植物光合速率影響基本相同,但是影響程度取決于鎘劑量。本研究中,隨著鎘濃度的逐漸升高,光合速率顯著下降,表明鎘對(duì)菜心光合速率有抑制作用,高濃度鎘抑制菜心光合速率可能是非氣孔因素引起的。
植物蒸騰量主要取決于個(gè)體發(fā)育情況,鎘能破壞植物體內(nèi)水分平衡。由表3可知,蒸騰速率隨鎘濃度的增加而降低。當(dāng)鎘濃度達(dá)到0.4 mg/L,試驗(yàn)組蒸騰速率與對(duì)照組出現(xiàn)顯著差異,說明0.4 mg/L鎘濃度對(duì)菜心蒸騰速率來說是一個(gè)重要的拐點(diǎn)。在鎘濃度為0.2 mg/L時(shí),蒸騰速率僅下降6.04%;當(dāng)鎘濃度達(dá)到0.4 mg/L、0.8 mg/L和1.6 mg/L時(shí),下降幅度分別為21.43%、35.16%和64.29%,說明濃度越高的鎘脅迫對(duì)菜心蒸騰作用的毒害作用越顯著。
表3 不同濃度鎘對(duì)菜心蒸騰速率的影響
由試驗(yàn)結(jié)果可知,低鎘濃度對(duì)蒸騰速率影響不明顯,當(dāng)鎘濃度達(dá)到0.4 mg/L時(shí),蒸騰作用下降幅度驟增。原因可能是植物葉片水勢(shì)、相對(duì)含水量受鎘影響而降低,從而降低蒸騰速率[8]。此外,鎘對(duì)蒸騰作用的影響可能是通過調(diào)控葉片氣孔行為實(shí)現(xiàn)的,在低濃度下,細(xì)胞稍收縮,氣孔阻力很小,蒸騰速率減少緩慢;當(dāng)濃度超過0.4 mg/L后,氣孔阻力增大或氣孔關(guān)閉,蒸騰強(qiáng)度驟然降低[9]。
鎘是生物毒性最強(qiáng)的重金屬之一,葉菜類蔬菜能吸收鎘并在植物體內(nèi)蓄積,影響植株的正常生長(zhǎng),降低作物產(chǎn)量和品質(zhì)。本文研究了不同濃度的鎘對(duì)菜心葉組織的葉綠素含量、蒸騰速率及光合速率的影響,結(jié)果表明隨著鎘濃度的逐漸增加,葉綠素含量、蒸騰速率和光合速率均呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì);當(dāng)鎘濃度≥0.4 mg/L時(shí),上述生理指標(biāo)均呈現(xiàn)出顯著性差異。因此,應(yīng)盡量避免在土壤鎘濃度較高的地塊種植菜心等葉菜類蔬菜。