周蛟,韓盼盼,潘遠智,鄔夢晞,趙胤,賈茵,姜貝貝,張璐,徐倩,劉思麗,王凱璐,曾勇
(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)風景園林學(xué)院,成都 611130)
隨著經(jīng)濟社會快速發(fā)展,人為釋放到環(huán)境中的重金屬量急劇增加,土壤重金屬污染問題十分嚴峻[1-3]。據(jù)2014 年公布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》[4]顯示,Cd 污染已成為我國土壤最重要和最典型的重金屬污染。因Cd對生物的嚴重危害而使其受到廣泛關(guān)注[5]。植物修復(fù)技術(shù)被公認為是成本低且對環(huán)境無二次污染的友好型治理技術(shù),其具有物理、化學(xué)修復(fù)技術(shù)不可比擬的優(yōu)點:成本低、環(huán)保、經(jīng)濟,擁有廣闊的市場前景[6]。
經(jīng)典的超富集植物理論定義:在Cd 污染條件下正常生長,地上部分Cd 含量達到100 mg·kg-1DW 的臨界值,富集系數(shù)(植物地上部金屬元素含量/土壤金屬元素含量)BCF>1 且轉(zhuǎn)運系數(shù)TF>1 的植物為Cd 的超富集植物[7]。植物體內(nèi)重金屬含量會隨土壤重金屬含量升高而增加,當土壤重金屬濃度達到一定濃度時非超富集植物體內(nèi)重金屬含量也可能達到臨界值,故富集系數(shù)是超富集植物篩選的關(guān)鍵標準之一。龍葵和少花龍葵均為1~2 年生草本,都具有生物量大、無性繁殖、適于刈割的特點,對Cd 具有較強耐性,是實施土壤重金屬修復(fù)及棕地改造的優(yōu)良選擇[8-9]。
研究表明,Cd 脅迫能夠降低植物蒸騰速率,導(dǎo)致氣孔關(guān)閉,抑制“鈣信號”傳遞[10],影響光合速率[11],抑制植物葉片中葉綠素的生物合成,減少葉綠體數(shù)量,使基粒類囊體排列紊亂,影響植物的原初光化學(xué)反應(yīng)和PSⅡ[11-13],從而引起植物體內(nèi)一系列生理代謝過程紊亂[14],最終影響植物生長發(fā)育的整個生命過程[15-16];因此研究Cd 對植物光合生理的影響十分重要。同時,由于植物種類、脅迫濃度和脅迫時間的差異,不同植物響應(yīng)重金屬脅迫的過程并不一致。此外,關(guān)于限制植物響應(yīng)Cd脅迫的光合生理關(guān)鍵因素的原因尚不甚清楚。目前,同時圍繞同科屬龍葵和少花龍葵的Cd 響應(yīng)研究較少。鑒于此,本試驗以龍葵和少花龍葵為研究材料,在水培條件下研究其生長、葉綠素含量、氣體交換參數(shù)及葉綠素熒光參數(shù)等指標對不同濃度Cd 脅迫的響應(yīng),探討和比較兩種龍葵對Cd 脅迫的光合生理及葉綠素熒光特性的差異,以期為Cd 污染土壤的修復(fù)植物選擇提供科學(xué)依據(jù)。
研究發(fā)現(xiàn)龍葵(S. nigrum)在土壤Cd 濃度為25 mg·kg-1時,地上部分莖、葉 Cd 含量分別為 103、125 mg·kg-1,其生長不受 Cd 影響且對 Cd 具有超積累特性,是Cd 的超富集植物[8];少花龍葵(S. americanum)在土壤Cd濃度為60 mg·kg-1時,地上部分莖、葉Cd含量高達215、251 mg·kg-1,但在高于此濃度時其氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率受到顯著抑制,是潛在的Cd 超富集植物[9]。故本試驗選用兩者為供試材料,同時進行相同水平的脅迫處理,供試種子購于園藝公司。
2018 年 3 月用ω=0.5% NaClO 溶液浸泡種子,消毒20 min后用蒸餾水沖洗干凈,漂除癟谷。消毒后的種子,每100 粒均勻排列于墊有單層濾紙的直徑為9 cm 的培養(yǎng)皿中催芽,培養(yǎng)皿置于氣候箱中,設(shè)置環(huán)境溫度光照/黑暗為23 ℃/18 ℃,光照/黑暗時間為14 h/10 h,相對濕度55%~65%,根據(jù)培養(yǎng)皿失水情況適當補充蒸餾水,使種子經(jīng)常處于濕潤狀態(tài)。待植株長出兩片子葉時點播至裝有完全Hoagland 營養(yǎng)液的水培箱內(nèi)(塑料盆缽6 個,每盆4~6 株),置于四川農(nóng)業(yè)大學(xué)溫室大棚中預(yù)培養(yǎng)5 周,待植株長出四片真葉時進行間苗,每盆保留3株生長健壯一致、有足量白根的植株。預(yù)培養(yǎng)階段,為保證植株每日營養(yǎng),營養(yǎng)液每7 d更換1次,營養(yǎng)液連續(xù)通氣防止爛根,每天用1 mol·L-1HCl或者1 mol·L-1NaOH調(diào)pH至6.2~6.3,經(jīng)常補充塑料盆缽內(nèi)由于蒸發(fā)和植物蒸騰造成的水分損失。
2018 年5 月在溫室大棚內(nèi)正式進行Cd 脅迫試驗。向水培箱中加入固體CdCl2·2.5H2O,使營養(yǎng)液中Cd 濃度分別為20、80、320 μmol·L-(1分別記為T1、T2、T3),以不加 Cd 為對照 CK。試驗期間,白天均溫(25.0±4.0)℃,夜間(18.0±2.0)℃;相對濕度白天為(50.2±10.3)%,夜間(55.1±6.2)%。營養(yǎng)液每隔3 d更換一次,保證Cd 濃度不變,其他日常管理同預(yù)培養(yǎng)階段一致。
1.3.1 生長指標的測定
Cd脅迫2周后,分別收取龍葵和少花龍葵在所有Cd 濃度下的植物材料,每處理3 次重復(fù),混合取樣。用游標卡尺測量主根長、株高并計算單株總?cè)~片數(shù)。用蒸餾水將附著于收獲植物表面的雜質(zhì)洗凈,然后將根浸入 10 mmol·L-1EDTA 溶液中交換 20 min 以去除根系表面吸附的Cd,再用去離子水沖洗3 次,最后用吸水紙將其表面水分吸干。將植物分為根、莖、葉3部分,在105 ℃烘箱內(nèi)殺青30 min,然后在65 ℃下烘干至恒質(zhì)量,稱量并計算單株生物量。
1.3.2 氣體交換參數(shù)的測定
采用Li-6400 型便攜式光合作用測定儀(LICOR,Inc,USA)于Cd 脅迫 2 周后的晴天上午9:00—11:00測定植株頂端倒數(shù)第5片功能葉的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)和氣孔導(dǎo)度(Gs)。測定時設(shè)定 CO2濃度為350 μmol·mol-1,光照強度為 1 000 μmol·m-2·s-1,溫度28 ℃。為消除觀測時間誤差對光合測定造成的影響,熟練采取輪回交替的方式測定樣本,對龍葵和少花龍葵的4 個Cd 處理組依次交替完成第一、第二和第三重復(fù)測定,每重復(fù)記錄6個觀測值,取其平均值作為測定值。
1.3.3 葉綠素含量的測定
采用分光光度法測定龍葵和少花龍葵葉片的葉綠素a 和葉綠素b 含量,并計算葉綠素總量及葉綠素a/b。稱取兩種龍葵鮮葉各0.100 0 g,每處理3 次重復(fù),混合取樣。用95%的乙醇和丙酮混合液(V/V=1∶2)浸泡過夜(避光、密封),提取液參照Arnon的方法[17]計算葉綠素含量,計算公式如下:
Ca=(12.7A663nm-2.69A645nm)V/(1 000W)
Cb=(22.9A645nm-4.68A663nm)V/(1 000W)
式中:Ca、Cb分別表示葉綠素 a、葉綠素 b 的含量,mg·g-1FW;V為提取液體積;W為樣品鮮質(zhì)量。
1.3.4 葉綠素熒光參數(shù)的測定
用Li-6400 型便攜式光合作用測定儀(LI-COR,Inc,USA)熒光葉室測定各處理的葉綠素熒光參數(shù)。每個處理選擇有代表性的植物幼苗6 株,將功能葉充分暗適應(yīng)30 min 后測定初始熒光(Fo)、可變熒光(Fv)、最大熒光(Fm)、PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)換效率(Fv/Fm)和PSⅡ潛在活性(Fv/Fo)。
采用SPSS 19.0 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行顯著性及Pearson相關(guān)性分析,單因素方差分析(One-way ANO?VA)進行不同Cd脅迫差異分析,Duncan法進行多重比較,顯著性檢驗α=0.05,Excel 2007制表做圖。
研究發(fā)現(xiàn)在20 μmol·L-1Cd 脅迫時,龍葵葉片數(shù)目、株高及根長較CK 略有增加,但差異不顯著(P>0.05);而少花龍葵各項生長指標均顯著降低(P<0.05)。隨著Cd 脅迫濃度增大,兩種龍葵均出現(xiàn)葉片脫落、植株矮小、根長變短的情況,兩種龍葵的各項生長指標均呈下降趨勢。與CK 相比,Cd 脅迫下龍葵葉片數(shù)、株高、根長和生物量降低范圍分別為10.38%~30.38%、13.59%~23.60%、9.94%~23.91% 和 45.22%~60.11%,而少花龍葵葉片數(shù)、株高、根長和生物量則分別降低22.43%~68.24%、17.55%~47.36%、16.46%~32.11%和56.90%~76.09%,龍葵各項生理指標降低范圍顯著小于少花龍葵(P<0.05)。
與CK 相比,隨著Cd 脅迫濃度的增加,龍葵和少花龍葵的Pn、Gs、Tr 均呈下降趨勢,且均顯著低于各自CK(P<0.05);與 CK 相比,龍葵Pn 值在20、80、320μmol·L-1的 Cd 濃度下分別減少了 23.73%、32.96%、55.49%,少花龍葵則分別減少了39.39%、71.99%、84.58%,少花龍葵下降幅度明顯高于龍葵。在20μmol·L-1Cd 濃度下,龍葵的 Gs 和 Tr 值與 CK 相比分別降低了35.59% 和27.98%,少花龍葵降低了52.20%、53.08%。Cd 脅迫下,兩種龍葵的Ci 與其他3組氣體交換參數(shù)的變化不同,呈現(xiàn)先降后升的趨勢,少花龍葵在20 μmol·L-1Cd 脅迫時Ci 降低,在中高濃度Cd 處理時(80、320 μmol·L-1)Ci 升高,而龍葵僅在320 μmol·L-1Cd 處理時升高,且少花龍葵的 Ci 值始終高于龍葵;少花龍葵的Ci 值對Cd 脅迫較為敏感,Cd 濃度為20 μmol·L-1時少花龍葵有最低Ci 值,龍葵則在80 μmol·L-1時有最低Ci值(圖1)。
表1 不同濃度Cd脅迫對龍葵和少花龍葵生長指標的影響Table 1 Effects of different Cd content on growth indexes of S.nigrum and S.americanum
由表2 可知,隨Cd 脅迫濃度的增加,龍葵和少花龍葵葉片中葉綠素含量變化呈顯著下降的趨勢(P<0.05),且均在320 μmol·L-1處理有最低值。但龍葵和少花龍葵的葉綠素a/b 值變化趨勢不同,僅在Cd≥320μmol·L-1時,少花龍葵的葉綠素 a/b 與CK 相比有增加趨勢(P<0.05)。Pearson 相關(guān)性分析表明,兩種龍葵的葉綠素a、葉綠素b 及總?cè)~綠素含量與Cd 濃度均呈極顯著負相關(guān)(P<0.01,表3),兩者的葉綠素合成均受到嚴重抑制。
表2 不同濃度Cd脅迫對龍葵和少花龍葵葉綠素含量的影響Table 2 Effects of different Cd stress on chlorophyll content of S.nigrum and S.americanum
表3 龍葵和少花龍葵葉綠素含量與Cd濃度的Pearson相關(guān)性分析Table 3 Pearson correlation between pigment content and Cd content in S.nigrum and S.americanum
與CK 相比,龍葵的Fo 隨Cd 脅迫濃度的增加顯著降低(P<0.05),而少花龍葵的Fo 在Cd 脅迫下均高于CK(圖2)。兩種龍葵的Fm 都隨Cd 濃度增加呈顯著下降趨勢(P<0.05)(圖2)。在Cd 脅迫下,F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo 與Fm 變化趨勢一致,均呈隨Cd 脅迫濃度增大而下降的趨勢,且在同一Cd 濃度下,龍葵的Fm、Fv/Fm、Fv/Fo 均高于少花龍葵(圖2)。此外,兩種龍葵Fv/Fo 的降低幅度均大于Fv/Fm。相關(guān)性分析(表4)表明,龍葵的 Fo、Fm、Fv/Fm 及Fv/Fo 之間都呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),說明其在龍葵應(yīng)對Cd 脅迫中具有相同的適應(yīng)性;而少花龍葵的Fo 與Fm、Fv/Fm、Fv/Fo之間相關(guān)性不顯著(P>0.05)。
生物量是反映植物生長狀況最直觀的表現(xiàn),Cd脅迫組與CK組生物量的比較可以一定程度反應(yīng)植物對Cd 的耐受性,超富集植物能耐受一定程度高濃度重金屬脅迫且不表現(xiàn)明顯毒害現(xiàn)象[7]。研究表明,不同濃度Cd 脅迫(0、5、20 mg·L-1)對 Cd 超富集植物忍冬生物量的積累無顯著影響[18],但高濃度Cd(Cd≥150 mg·kg-1)會抑制小報春的生物積累[3]。本試驗中龍葵和少花龍葵的總生物量在Cd 脅迫下均顯著下降(P<0.05,表1),物種和試驗條件是造成差異的主要原因。同一脅迫濃度下Cd對少花龍葵生物量的抑制作用較龍葵更強,說明在生物量積累方面龍葵更耐受Cd 脅迫。這可能是受根系活性的影響[19]:根系是植物最早接觸土壤重金屬污染的器官,重金屬脅迫能影響植物的主根伸長和側(cè)根發(fā)生,脅迫效果與重金屬濃度和植物種類相關(guān)[20-21],如研究表明Cd脅迫會抑制小麥根細胞的分裂及伸長[22]。本研究中少花龍葵形態(tài)指標表明,在Cd濃度為20μmol·L-1時其生長已經(jīng)受到抑制,而此時龍葵生長較CK 有所增加;Cd 濃度為80、320μmol·L-1時,兩種龍葵均出現(xiàn)株高、根長降低的情況;Cd 對龍葵和少花龍葵根系的毒害可能是主要原因。20 μmol·L-1Cd 對龍葵生長并未產(chǎn)生顯著影響(P>0.05),表明龍葵對Cd 的耐性強于少花龍葵。植物根長的降低將直接導(dǎo)致養(yǎng)分吸收不足,間接影響植物地上部的生長(表1)。脫落酸(ABA)除促進葉片掉落外還能響應(yīng)逆境脅迫,研究發(fā)現(xiàn)ABA 的增加能夠減輕Cd 脅迫對胡楊的毒害[23];本試驗中Cd 脅迫導(dǎo)致兩種龍葵都出現(xiàn)葉片大量脫落的情況,少花龍葵的葉片數(shù)目比龍葵下降幅度大(表1),這可能是由于少花龍葵合成了更多的ABA 以減輕Cd 脅迫造成的傷害。在整個脅迫過程中,龍葵各形態(tài)指標受抑制情況均小于少花龍葵,說明在生長方面,龍葵對Cd脅迫的耐受強度高于少花龍葵。
表4 龍葵和少花龍葵葉綠素熒光參數(shù)間的相關(guān)性Table 4 Correlation between chlorophyll fluorescence parameters of S.nigrum and S.americanum
一般認為,導(dǎo)致光合作用降低的因子包括氣孔限制和非氣孔限制,Ci的大小是評判氣孔限制和非氣孔限制的依據(jù)[24]。當Pn、Gs和Ci值三者同時降低時,光合作用受氣孔限制影響;當葉片Pn 的降低伴隨著Ci值的升高,則可認為光合作用受非氣孔限制的影響[3]。對不同植物的研究發(fā)現(xiàn)其限制因子并不一致:如Cd脅迫下富集植物小報春和黃麻的光合速率下降受非氣孔限制[25];超富集植物圓葉錦葵的光合速率則受氣孔和非氣孔復(fù)合限制[1,13]。本試驗中,隨Cd 脅迫濃度的增加,龍葵和少花龍葵的Pn 和Gs 均呈降低趨勢,Ci 值則呈先降后升的趨勢(圖1):說明20 μmol·L-1Cd 脅迫下Gs 的降低是引起兩種龍葵光合作用減弱的主要原因;隨Cd 脅迫濃度增大,Ci 反而升高,這說明此時主要是非氣孔因素(擴散限制或生化限制)阻礙光合[26],其限制部位可能主要位于葉肉細胞[24]。以上結(jié)果表明Cd脅迫對兩種龍葵光合作用的限制因素與Cd脅迫濃度有關(guān),是受氣孔和非氣孔復(fù)合限制;但唐星林等[27]認為Cd 脅迫下非氣孔限制是影響龍葵光合的主要因素,Cd 濃度設(shè)置及脅迫時長可能是造成研究差異的主要原因。此外,Gs 和Tr 均與植物組織的水分狀況有關(guān),受氣孔開閉的影響和制約。本試驗中,不同濃度Cd 脅迫后,兩種龍葵的葉片Tr 均減小,Gs、Pn 與Tr 表現(xiàn)出相同受抑制趨勢,這說明水分可能是影響兩種龍葵在Cd 脅迫下葉Gs 下降的主要原因,也可能是由于Cd 引起葉片ABA 水平增加而導(dǎo)致了氣孔關(guān)閉[23]。即使在較低濃度(20 μmol·L-1)Cd脅迫下,少花龍葵的Gs 和Tr 的降幅也大于龍葵(圖1),說明少花龍葵在氣體交換參數(shù)方面對Cd 脅迫的反應(yīng)較龍葵更敏感。
葉綠素是植物進行光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)[13]。研究表明Cd 脅迫會影響植物葉片中葉綠素的合成,并降低其含量[12]。研究表明多種超富集植物如東南景天[28]、天藍遏藍菜[29]等在Cd脅迫下均出現(xiàn)葉綠素合成受抑、葉綠素含量降低的情況。本試驗中,兩種龍葵的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量均與Cd 脅迫濃度呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)(表3),這與對超富集植物圓錐南芥[30]和圓葉錦葵[15]的研究結(jié)果一致。Cd 脅迫下植物葉綠素含量明顯減少可能有兩個原因:其一,由于Cd 與葉綠體中多種酶的巰基(—SH)結(jié)合,導(dǎo)致葉綠體的結(jié)構(gòu)和功能受到破壞,加速葉綠體解體,致使葉綠素降解[12]。其二,Cd 脅迫抑制了第二信使Ca2+的非生物逆境信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[31];在外界環(huán)境脅迫刺激下,Ca2+積極響應(yīng)脅迫信號,通過鈣離子通道和鈣載體蛋白的轉(zhuǎn)運使胞質(zhì)Ca2+濃度增加,以與鈣調(diào)蛋白(CAM)結(jié)合的方式等將外界刺激轉(zhuǎn)化為植物感知信號,啟動下游蛋白質(zhì)磷酸化或去磷酸化的響應(yīng),調(diào)節(jié)包括光合作用、光形態(tài)建成和氧化應(yīng)激等系列生理過程;當逆境信號傳導(dǎo)過程完成后,通過跨膜運輸系統(tǒng)(如Ca2+-ATPase和Ca2+/H+反向傳遞體等)將胞質(zhì)內(nèi)過量的Ca2+排出或在貯Ca2+體中存儲,以維持胞質(zhì)Ca2+穩(wěn)態(tài)[10,32]。但由于Cd2+和Ca2+的相似性,Cd2+會與Ca2+競爭離子通道和載體蛋白[33],影響胞質(zhì)Ca2+的輸入輸出,而植物胞質(zhì)Ca2+濃度的改變是鈣信使傳導(dǎo)過程的中心環(huán)節(jié),故Cd 脅迫會阻礙Ca2+信號傳遞,影響氧化應(yīng)激和葉綠素合成,從而影響光合;此外由于過量的Ca2+和Cd2+積累于胞質(zhì),滲透調(diào)節(jié)作用使得葉綠體等結(jié)構(gòu)腫脹破裂而失去生理功能[34]。Woolhouse[35]認為,隨著葉片的衰老,葉綠素a 會比葉綠素b 下降得更快,葉綠素a/b可作為葉片衰老的指標。本試驗中,Cd 脅迫下龍葵葉片中葉綠素a/b 隨Cd 濃度增大逐漸降低,說明Cd脅迫加速了龍葵葉片的老化;少花龍葵在320μmol·L-1Cd 處理時其葉綠素 a/b 值較 CK 顯著提高(P<0.05),這可能是重金屬破壞了少花龍葵葉綠體結(jié)構(gòu),說明少花龍葵葉片中葉綠素b 對Cd 脅迫更加敏感(表2)。
葉綠素熒光參數(shù)是評價植物生理變化和光能利用的一種較好檢測方法[10,36]。Fo 可以反映PSⅡ的受損程度,F(xiàn)m 則可反映電子的傳遞情況,F(xiàn)v/Fm 可以反映PSⅡ光能轉(zhuǎn)換效率,F(xiàn)v/Fo 值反映PSⅡ捕獲激發(fā)能的傳能效率。研究發(fā)現(xiàn),Cd脅迫下銀牙柳Fv/Fm下降的主要原因是熱耗散的增加和最大光能轉(zhuǎn)換效率的降低,熱耗散又將導(dǎo)致Fo 的降低[37]。本試驗中,龍葵的Fo 隨Cd 濃度降低可能就是熱耗散增加所致(圖2)。但植物體內(nèi)光能過剩會使PSⅡ反應(yīng)中心受到破壞,F(xiàn)o 反而升高,這可能是試驗中少花龍葵Fo 高于CK的原因;此外,少花龍葵葉綠素熒光參數(shù)間的相關(guān)性不顯著也進一步表明其PSⅡ反應(yīng)中心可能受到了破壞失活(表4),這與Cd脅迫下苧麻[25]的研究結(jié)果一致。本研究中,Cd 脅迫下龍葵和少花龍葵的Fv/Fo 與Fv/Fm 都顯著下降,且Fv/Fo 的下降幅度更大,這說明兩者葉片PSⅡ的最大光化學(xué)效率和從天線色素到PSⅡ反應(yīng)中心的傳能效率均明顯受到Cd 脅迫的影響,且Cd 脅迫對其傳能效率的抑制更明顯,這與高桂青等[38]對馬來眼子菜的研究相似;Cd 很有可能通過影響水裂解端的電子流而影響了PSⅡ的活性,從而導(dǎo)致光抑制現(xiàn)象。研究結(jié)果進一步說明,龍葵在應(yīng)對Cd脅迫對光合作用傷害能力方面要優(yōu)于少花龍葵。
(1)龍葵和少花龍葵對Cd 的耐受性存在差異。Cd 脅迫顯著抑制兩種龍葵形態(tài)生長、光合生理和葉綠素熒光指標,但是龍葵受抑制程度均小于少花龍葵。說明龍葵在光合生理和葉綠素熒光特性方面對Cd脅迫有更強的耐受性。
(2)受不同Cd濃度影響,兩種龍葵光合作用的降低是氣孔限制和非氣孔限制綜合作用的結(jié)果。