趙弘益 管玨鑭 張雪媛 梁 清 張 健 胡紅玲*

（1. 四川農(nóng)業(yè)大學林學院，生態(tài)林業(yè)研究所，成都 611130；2. 四川農(nóng)業(yè)大學林學院，成都 611130）

近年來，由于工業(yè)化及城市的快速發(fā)展，環(huán)境污染和生態(tài)破壞問題日益嚴重，其中，土壤重金屬污染已成為當下全球范圍內(nèi)突出的環(huán)境問題之一。鎘（Cd）是一種銀白色的有毒金屬元素，由于其本身難以降解和較強的隱蔽性，是目前最具威脅的重金屬元素之一［1～2］。土壤中的Cd 可被植物根系吸收并在植物體內(nèi)積累，當植物體內(nèi)積累的Cd 濃度達到一定水平，會對植物產(chǎn)生毒害作用［3］。光合作用是植物物質(zhì)生產(chǎn)重要的生理生化過程，相關(guān)研究表明，植物的光合生理特性在一定程度上能體現(xiàn)植物對生境的響應(yīng)情況［4～5］，且光合作用對重金屬離子的作用較為敏感［6］。土壤中重金屬Cd 可能通過不同機制影響植物的光合作用。相關(guān)研究指出，當土壤中Cd含量為100 mg·kg-1時，植物的光合能力及生物量的積累受到顯著抑制［7］。過量的Cd 會損害植物的光合機制，抑制光合作用，Dalla等［8］研究表明Cd 脅迫會破壞植物的葉綠體內(nèi)囊體膜結(jié)構(gòu)，從而抑制葉綠體的增加［9］。光合參數(shù)能表征植物的光合特性，通?？捎晒夂稀忭憫?yīng)曲線擬合得出［10～11］，獲得的光合參數(shù)可用于判斷植物光合機構(gòu)的狀態(tài)以及反映葉片利用光、CO2等的能力［12］。

檫木（Sassafras tzumu Hemsl.）屬于樟科（Lau?raceae）檫木屬（Sassafras）落葉高大喬木，是四川珍貴的鄉(xiāng)土用材樹種，材質(zhì)優(yōu)良，常用于造船及上等家具；樹形優(yōu)美，秋葉變紅，同時也是優(yōu)良的園林觀賞樹種［13～14］。因此國內(nèi)大多對檫木的研究集中在遺傳選育與繁殖技術(shù)、栽培與造林技術(shù)、病蟲害防治等方面［15～17］，而有關(guān)檫木在重金屬脅迫下的生長生理狀況鮮有研究報道。鑒于此，本研究通過研究Cd脅迫對檫木光合特性的影響，分析檫木光合機制對Cd脅迫的響應(yīng)，旨在為進一步研究檫木對重金屬Cd的耐受性及富集策略提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于四川農(nóng)業(yè)大學（成都校區(qū)）教學科研 試 驗 基 地，地 理 位 置 為103°51′29″E，30°42′18″N，屬于亞熱帶濕潤氣候區(qū)，四季分明，氣候溫和，四季雨量充沛。年平均氣溫約為16.8°C，月平均最高氣溫為25.9°C（7 月），月平均最低氣溫為6.9°C（12月），極端最高氣溫為38°C（7月），極端最低氣溫為-2°C（1 月）；年平均相對濕度為84%，全年平均降水量為759.10～1 155.00 mm；年平均日照時數(shù)為840.2 h。

1.2 試驗材料及試驗設(shè)計

1.2.1 試驗材料

供試植物為四川地區(qū)常見的鄉(xiāng)土樹種檫木1年生幼苗。取自同一種源，無病蟲害。供試土壤為黃壤，取自四川省雅安市洪雅縣林場，土壤pH為5.75，N 為9.10 g·kg-1，P 為0.64 g·kg-1，K 為12.59 g·kg-1。

1.2.2 試驗設(shè)計

本試驗采取盆栽控制試驗的方法，稱取約12 kg 混勻后的供試土壤裝入花盆中，并根據(jù)土壤干重計算各組花盆土壤中Cd2+含量（mg·kg-1），其中Cd2+以CdCl2形式水溶施入。采用單因素試驗設(shè)計，共設(shè)置5 個鎘處理水平：CK（0 mg·kg-1），T1（5 mg·kg-1），T2（20 mg·kg-1），T3（50 mg·kg-1），T4（100 mg·kg-1）。以上各處理組均設(shè)置5 個重復(fù)，且所有處理植株均放置在大棚內(nèi)培養(yǎng)，試驗于2019年5 月初開始，處理前測定植株的初始株高，分5次施入CdCl2，每間隔15 d 施入一次。施入時，將配置的溶液均勻澆在盆內(nèi)土壤表面，另用托盤墊在盆底收集可能滲出的CdCl2溶液，并將其澆回土壤中，CK 處理澆入等量的純水。于2019 年7 月中旬結(jié)束施入CdCl2，待植株生長30 d后，于8月中旬開始，選擇晴天的上午9：00～11：00 測定植株葉片的各光合參數(shù)。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 葉綠素含量測定

隨機選取各處理檫木植株健康成熟的功能葉片2～3 片進行測定，測定時將葉片去除葉中脈并剪碎后，準確稱取0.1 g，裝入10 mL 離心管中，加入9 mL 葉綠素提取液（80%丙酮與無水乙醇1∶1混合），放入暗處，靜置24 h 以上直至葉片完全變白，在663和646 nm波長下進行比色。

各葉綠素計算公式如下：

式中：A663和A646分別為葉綠素提取液在紫外分光光度在波長663和646 nm處的吸光光度值。

1.3.2 光合氣體交換參數(shù)測定

選擇晴天，于上午9：00～11：00，對各處理植株樹冠中上部選取健康成熟的功能葉片，采用Li-6800 便攜式光合測定儀（Li-Cor Inc.，USA）進行測定。設(shè)定光合有效輻射為（PAR）1 200μmol˙m-2˙s-1，CO2濃度為400μmol˙mol-1，溫度為30℃，相對濕度為45%～65%，測定各處理植株凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci），每個處理選擇3 株，每株選擇3 片葉子，每片葉片記錄10個數(shù)據(jù)。測定葉片做標記。

1.3.3 光合-光響應(yīng)特性的測定

選取相同部位葉片，采用Li-6800便攜式光合測定儀測定各處理葉片光合—光響應(yīng)曲線，光合有效輻射（PAR）梯度設(shè)定值為1 800、1 600、1 200、1 000、800、600、400、200、100、75、50、25、0 μmol˙m-2˙s-1，CO2濃度設(shè)定為400 μmol˙mol-1，葉室溫度設(shè)定為30℃。測定時保持葉片在植株的原方位上，測定前對每個葉片進行20 min 的光誘導，本試驗光誘導強度為800μmol˙m-2˙s-1。每個處理選擇3株，每株選擇3片葉子記錄測定數(shù)據(jù)。

利用葉子飄直線雙曲線修正模型對不同濃度鎘處理下檫木葉片光合—光響應(yīng)曲線進行擬合。直線雙曲線修正模型擬合方程為：

式中：Pn為凈光合速率（μmol˙m-2˙s-1）；Pnmax為光飽和時的最大凈光合作用速率（μmol˙m-2˙s-1）；α為初始量子效率；I為光合有效輻射（μmol˙m-2˙s-1）；Rd為暗呼吸速率（μmol˙m-2˙s-1）；β 為光抑制系數(shù)，是修正系數(shù)（m2˙s˙μmol-1）；γ 為光飽和系數(shù)（m2˙s˙μmol-1），是植物葉片光響應(yīng)曲線的初始斜率與植物最大凈光合速率之比。

當Pn=0時，可得光補償點Ic：

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2016 和SPSS24.0 軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用單因素（one-way ANOVA）和LSD法進行方差分析和多重比較（α=0.05）。利用Ori?gin8.5軟件作圖，圖中數(shù)據(jù)為平均值±標準誤差。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘脅迫下檫木葉片葉綠素含量

由圖1 可知，隨著鎘處理濃度增加，檫木葉片葉綠素含量先增加后下降，且均在T2 處理下達到最大值。葉綠素a 含量和葉綠素總量在T1、T2、T3處理下與CK 相比并無顯著性差異，T4 處理較CK差異顯著。葉綠素b含量在T1、T2處理較CK 無顯著差異，T3、T4處理較CK差異顯著。

2.2 鎘脅迫下檫木光合氣體交換參數(shù)的變化

由圖2可知，不同濃度鎘處理僅對葉片的凈光合速率（Pn）影響較大，隨著鎘處理濃度增大，檫木葉片的凈光合速率（Pn）呈現(xiàn)下降趨勢，T1 處理較CK 差異不顯著，T2、T3 和T4 處理下，凈光合速率（Pn）較CK 差異顯著。不同濃度鎘處理對氣孔導度（Gs）、胞間二氧化碳濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）并沒有產(chǎn)生明顯影響，各處理間沒有顯著差異。

2.3鎘脅迫下光合—光響應(yīng)曲線的變化

隨著鎘處理濃度的增加，檫木葉片光合—光響應(yīng)曲線變化如圖3 所示。當光合有效輻射較弱時（PAR≤200 μmol˙m-2˙s-1），葉片凈光合速率幾乎呈現(xiàn)線性增加趨勢，且CK 的凈光合速率增幅顯著高于其他鎘處理濃度，T1、T2、T3、T4 處理下光合速率增幅隨鎘處理濃度增加而依次下降。當光合有效輻射超過200 μmol˙m-2˙s-1，不同鎘濃度處理條件下檫木葉片凈光合速率增加趨勢減緩，當光合有效輻射在800～1 800 μmol˙m-2˙s-1時，檫木葉片凈光合速率變化趨于平緩，最終達到光飽和點后，葉片的光合作用出現(xiàn)了光抑制現(xiàn)象。

根據(jù)葉子飄模型，利用直角雙曲線修正模型擬合不同鎘濃度處理下檫木葉片的光合—光響應(yīng)曲線，并計算其光響應(yīng)特征參數(shù)（見表1）。由表1可知，隨著鎘處理濃度增大，各處理條件下檫木葉片最大凈光合速率（Pnmax）顯著降低，CK的最大凈光合速率（Pnmax）最大，為9.19μmol˙m-2˙s-1，T1、T2、T3和T4 處理下與CK 相比分別下降了37.11%、50.38%、80.20%和84.22%。不同鎘濃度處理下檫木葉片的暗呼吸速率（Rd）與CK相比并無顯著差異。

表1 光合-光響應(yīng)參數(shù)Table 1 Photosynthetic light-response parameters

檫木葉片的光補償點（LCP）在T3 處理時最大，在T4 處理時最小，但各處理間無顯著差異；檫木葉片的光飽和點（LSP）在T1 處理時最大，在T4處理時最小，各處理間也無顯著差異。5個濃度鎘處理條件下檫木葉片光合—光響應(yīng)曲線擬合方程的決定系數(shù)R2范圍為0.94～0.99，除T2、T3 和T4 未達0.99以外，CK和T1處理的擬合曲線均具有較高擬合度。

3 討論

光合作用是植物重要的生理過程，大量研究表明，重金屬鎘脅迫能抑制植物光合作用，且與重金屬脅迫濃度顯著相關(guān)［18～19］，其對植物光合作用的影響主要體現(xiàn)在破壞葉綠素結(jié)構(gòu)、降低光合色素含量等方面，而光合色素含量則能影響植物光合作用的能力［20］。葉綠素含量與光合作用強弱直接相關(guān)，可以反映葉片對光能的吸收和轉(zhuǎn)化能力。作為參與光合作用的主要色素，葉綠素a在光反應(yīng)中心負責將光能轉(zhuǎn)化為化學能，葉綠素b則負責捕獲和傳遞光能［21］。在不同濃度Cd 脅迫下，檫木葉片葉綠素含量先增加后下降，說明低濃度Cd 促進了葉綠素含量增加，而高濃度Cd 抑制葉綠素形成，這可能是由于低濃度Cd 的絡(luò)合物會使植物加速從土壤中吸取Mg、Fe、K、P 等離子，促進葉片卟琳環(huán)形成，進而促使葉綠素含量增加［22］；高濃度Cd處理破壞葉綠素體結(jié)構(gòu)和生理活性，抑制了光合色素的形成，從而使葉綠素含量降低［23］。

研究表明，隨著重金屬濃度升高，植物的凈光合速率一般呈現(xiàn)下降趨勢［24］，與本試驗研究結(jié)果一致。影響植物葉片光合速率的因素可分為氣孔因素和非氣孔因素，F(xiàn)arquhar 等［25］認為，判斷影響植物光合速率的因素，要同時觀測氣孔導度的大小和胞間二氧化碳濃度的變化，若光合速率下降時，兩者同時下降則表明光合速率主要受氣孔因素限制，若氣孔導度下降而胞間二氧化碳濃度升高則主要受非氣孔因素限制。本試驗中，檫木葉片的凈光合速率、氣孔導度下降，胞間二氧化碳濃度升高，表明檫木葉片光合速率受非氣孔因素限制。

光合—光響應(yīng)參數(shù)能反映植物在逆境條件下的光合潛能、光能利用率及光抑制水平等［26～27］。Pnmax能體現(xiàn)植物潛在光合能力，其值越大則植物葉片的光合潛能越大，表明葉片能在有效的光照條件下合成更多的光合產(chǎn)物［28］。本研究中，隨著Cd脅迫濃度升高，檫木葉片的Pnmax呈現(xiàn)顯著下降趨勢，表明重金屬脅迫顯著影響檫木葉片的光合能力。α（初始量子效率）能反映植物對光能的利用效率，可表征植物在弱光條件下捕獲光量子用于光合作用的能力［29］；α 越大，則表明植物利用弱光的能力越強，植物吸收與轉(zhuǎn)換光能的色素蛋白復(fù)合體可能越多［30］。T1 處理下，檫木葉片的α 值最大，表明此時檫木葉片對弱光利用率的能力最強，可能由于低濃度Cd 處理促使葉綠素含量增加，從而提高了植物葉片光合作用的能力。相關(guān)研究指出，植物一般在適宜生長環(huán)境下的α 值為0.04～0.07［31］，本試驗中檫木葉片在不同Cd 濃度處理下的α 值為0.05～0.13，與該研究結(jié)果不一致。LCP（光補償點）、LSP（光飽和點）分別反映植物利用弱光和強光的能力［32］，本研究中，隨著Cd 濃度處理的增加，檫木葉片的光補償點和光飽和點總體呈現(xiàn)下降趨勢，表明重金屬Cd 脅迫減弱了檫木葉片對弱光、強光的利用能力。齊欣等［33］研究表明，降低LCP 是植物對低光環(huán)境的適應(yīng)反應(yīng)，能有利于植物在低光強下保持碳平衡。葉片較低的暗呼吸速率（Rd）和光補償點（LCP）更有利于減少植物葉片光合產(chǎn)物消耗，進而增加凈光合積累以獲得最大碳積累量［28］，檫木葉片在重金屬Cd 脅迫條件下通過降低暗呼吸速率及光補償點以此維持葉片光合作用的正常運作，體現(xiàn)了檫木葉片光合作用對重金屬Cd脅迫的響應(yīng)機制。

綜上所述，在不同濃度Cd 脅迫處理條件下，檫木葉綠素含量先增后減，在T1、T2 處理下高于CK，體現(xiàn)了Cd 脅迫“低促高抑”的效應(yīng)；光合氣體交換參數(shù)及光合—光響應(yīng)參數(shù)較CK 總體上均呈現(xiàn)下降趨勢，體現(xiàn)了Cd 脅迫對檫木光合作用的危害。本研究僅從光合特性方面探討了Cd 脅迫對檫木葉片光合作用的影響，未能從生理特性和葉片結(jié)構(gòu)等多方面來闡述Cd 脅迫對植物光合生理機制的影響，未來擬結(jié)合生理指標測定等多種手段進一步研究Cd 脅迫對檫木葉片光合作用的影響。