鈣離子濃度對兩種蕨類植物光合作用的影響

羅緒強，王世杰，張桂玲，王程媛，楊鴻雁，廖昕榮

1. 貴州師范學(xué)院地理與旅游學(xué)院，貴州 貴陽550018；2. 中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國家重點實驗室, 貴州 貴陽550002；

3. 貴陽學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院, 貴州 貴陽550005

鈣素是植物生長發(fā)育所必需的礦質(zhì)營養(yǎng)元素，在植物體內(nèi)發(fā)揮著重要的生理功能[1-2]。但是，植物體內(nèi)較高的Ca2+濃度會影響植物的光合作用和生長速率，嚴(yán)重的還會破壞細(xì)胞器而致植物死亡[3-4]。另外，細(xì)胞質(zhì)中過多的游離態(tài)Ca2+可與PO43-形成沉淀，干擾與磷代謝有關(guān)的生理過程，抑制呼吸作用，或因妨礙正常的信號傳導(dǎo)而影響植物生長[5-6]，這可能是許多植物在土壤高Ca2+地區(qū)難以正常生長的原因之一。

石灰土作為喀斯特地區(qū)分布最廣的非地帶性土壤，是其下伏碳酸鹽巖風(fēng)化的產(chǎn)物。由于對母巖的繼承性，土壤Ca2+含量普遍較高。據(jù)報道，同為常綠落葉闊葉混交林下，石灰土Ca2+濃度是酸性土的3倍以上[7]?？λ固氐貐^(qū)石灰土的高鈣含量已成為影響該區(qū)植物生理特征及植物多樣性最重要的環(huán)境因素之一[8]。

本文分別選取石灰土專屬種柳葉蕨(Cyrtogonellum Ching)和酸性土專屬種薄葉雙蓋蕨(Diplazium pinfaense Ching) 2種蕨類植物為研究對象，模擬石灰土高Ca2+濃度的環(huán)境特征，用具有不同Ca2+濃度梯度的營養(yǎng)液對2種蕨類植物進(jìn)行培養(yǎng)，根據(jù)其凈光合速率、蒸騰作用、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度等光合指標(biāo)特性，探討鈣離子脅迫對兩種蕨類植物光合作用的影響，并比較分析了柳葉蕨和薄葉雙蓋蕨對土壤高Ca2+環(huán)境的生理響應(yīng)特征。以期為喀斯特喜鈣植物適生機制的理解及退化生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)的物種選擇提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料來源

實驗樣品材料石灰土專屬種柳葉蕨 (Cyrtogonellum Ching)和酸性土專屬種薄葉雙蓋蕨(Diplazium pinfaense Ching)為野外(貴州茂蘭國家級自然保護(hù)區(qū))采集植物孢子，室內(nèi)培養(yǎng)成株。

1.2 材料培養(yǎng)與處理

實驗于室溫室內(nèi)進(jìn)行。采用60目石英砂作為培養(yǎng)基，霍格蘭氏(Hoagland’s)營養(yǎng)液配加阿農(nóng)(Arnon)微量元素混合液作為母液，通過改變配加硝酸鈣調(diào)節(jié)和配置不同營養(yǎng)液Ca2+濃度，配成Ca2+濃度分別為4、30、100、200 mmol·L-1的4種營養(yǎng)液，其中4 mmol·L-1的Ca2+濃度用以模擬酸性土中交換態(tài)鈣含量，100 mmol·L-1用以模擬石灰土中交換態(tài)鈣平均含量，并用0.1 mol·L-1的鹽酸及氫氧化鈉溶液將營養(yǎng)液pH值控制在6~6.5。于溫度23~27 ℃，濕度70%、光照強度15( ± 5 ) μmol·m-2·s-1條件下砂培2種植物。每種營養(yǎng)液設(shè)置4次重復(fù)，于室內(nèi)測定植株的各項光合作用指標(biāo)參數(shù)。

1.3 測定指標(biāo)及方法

采用美國LI-COR公司生產(chǎn)的LI-6400i便攜式光合儀，對不同Ca2+濃度培養(yǎng)液培養(yǎng)的兩種蕨類植物進(jìn)行凈光合速率( Pn, μmol·m-2·s-1)、蒸騰速率 ( Tr, mmol·m-2·s-1)、氣孔導(dǎo)度( Gs, mol·m-2·s-1)、胞間CO2濃度( Ci, μmol·mol-1)等光合作用參數(shù)的測定。測定時間為09:00～18:00，每小時測定1次。每次測定2片葉，每片葉記錄5組數(shù)據(jù)，取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS、Origin等軟件對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析和制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 Ca2+濃度對2種蕨類植物凈光合速率的影響

2.1.1 不同Ca2+濃度對2種蕨類植物凈光合速率 Pn的影響

由表1可見，當(dāng)Ca2+濃度低于100 mmol·L-1時，柳葉蕨的Pn略高于薄葉雙蓋蕨的Pn，而當(dāng)Ca2+濃度為200 mmol·L-1時，薄葉雙蓋蕨的Pn高于柳葉蕨的Pn。同時，隨Ca2+濃度升高，柳葉蕨的Pn減小，而薄葉雙蓋蕨的Pn整體上呈先增大后減小趨勢。

表1 不同Ca2+濃度下2種蕨類植物日間 凈光合速率均值(μmol·m-2·s-1 ) Table 1 The net photosynthetic rate ( μmol·m-2·s-1 ) of the two ferns’ leaves under different calcium concentration in medium level

4個濃度梯度上，兩植物全日最大凈光合速率Pn(max)均出現(xiàn)在正午12:00。從表1可知，柳葉蕨在Ca2+濃度為30 mmol·L-1時的日Pn(max)達(dá)到最高值，為1.57 μmol·m-2·s-1，說明其在Ca2+濃度為30 mmol·L-1時有最佳的生長狀態(tài)。薄葉雙蓋蕨在Ca2+濃度為4 mmol·L-1時的日Pn(max)值最高，為1.41 μmol·m-2·s-1，顯示薄葉雙蓋蕨在低Ca2+濃度(4 mmol·L-1)時有最佳的生長狀態(tài)，該濃度與通常情況下酸性土中交換態(tài)鈣濃度基本一致[9]。

2.1.2 2種蕨類植物凈光合速率( Pn )與胞間CO2濃度( Ci )的日變化關(guān)系

植物胞間CO2濃度作為光合作用的底物，其濃度能夠在一定程度上反映光合作用的強度。由圖1可見，柳葉蕨和薄葉雙蓋蕨葉片Pn與Ci均呈顯著中度負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，其相關(guān)系數(shù)分別為-0.712和-0.804。顯示二者光合作用降低均受到一定的非氣孔限制，凈光合速率的降低可能是由葉肉細(xì)胞光合活性下降引起的[10]。

2.2 不同Ca2+濃度下2種蕨類植物的其他生理參數(shù)特征

2.2.1 蒸騰速率( Tr )日變化

圖1 2種植物凈光合速率( Pn )日變化與胞間CO2 濃度( Ci )日變化關(guān)系圖 Fig. 1 The relationship between diurnal variations of net photosynthetic rate ( Pn ) and intercellular CO2 concentration ( Ci ) of the two ferns’ leave

蒸騰作用是植物吸收和運輸水分的主要動力，在維持植物各部分水分飽和，保持細(xì)胞組織形態(tài)，促進(jìn)礦質(zhì)元素及無機鹽類在體內(nèi)的運輸和分布，降低葉片溫度等方面均具有重要生理意義[11]。

從圖2可見，當(dāng)Ca2+濃度為30 mmol·L-1時，柳葉蕨的Tr與薄葉雙蓋蕨的Tr基本相近，其余濃度梯度上二者差異顯著(P< 0.001)，前者僅為后者的1/2左右。Ca2+濃度為4 mmol·L-1時，柳葉蕨(圖2A) Tr日變化曲線呈輕微的“雙峰”態(tài)，“峰”分別出現(xiàn)在13:00時和17:00時，“谷”出現(xiàn)于15:00時；30 mmol·L-1時，其Tr日變化曲線有明顯的“峰”，出現(xiàn)在13:00時，“谷”出現(xiàn)在14:00時，這與午后14:00時左右氣溫和光照強度為1 d中最大有關(guān)；隨Ca2+濃度升高，其Tr日變化曲線由“雙峰”變?yōu)椤皢畏濉?，且強度明顯減弱。薄葉雙蓋蕨(圖2B)在Ca2+濃度較低時(4mmol·L-1)的Tr隨時間變化趨勢最為明顯，在12:00時和17:00時出現(xiàn)“峰”，而“谷”期出現(xiàn)于13:00時，與柳葉蕨略有差異，這應(yīng)與物種自身遺傳性有關(guān)；與柳葉蕨類似，薄葉雙蓋蕨隨 Ca2+脅迫程度的加劇，蒸騰作用強度亦降低，不同的是，Ca2+濃度較高時，薄葉雙蓋蕨的Tr隨時間(外界氣溫)變化的規(guī)律性減弱。說明薄葉雙蓋蕨可能只在Ca2+濃度較低時才可以敏銳應(yīng)對1 d之中光照強度和溫度的變化。

圖2 不同Ca2+濃度下2種植物蒸騰速率( Tr )的日變化 Fig. 2 Diurnal variations of transpiration rate ( Tr ) of the two ferns’ leaves at different calcium concentration level

2.2.2 蒸騰速率( Tr )、氣孔導(dǎo)度( Gs )的組間差異情況

氣孔是CO2進(jìn)入和水蒸汽逸出植物體的通道，植物通過調(diào)節(jié)氣孔開閉程度對光合作用和蒸騰作用這兩個相互耦合的過程進(jìn)行調(diào)控[12-13]，進(jìn)而影響到植物的生長發(fā)育。一般說來，植物的 Tr 與 Gs 呈線性正相關(guān)，遭遇環(huán)境脅迫時，氣孔表現(xiàn)為關(guān)閉，即氣孔導(dǎo)度降低，蒸騰強度減弱[14-15]。

實驗表明，柳葉蕨和薄葉雙蓋蕨兩種植物的Tr與Gs在不同Ca2+濃度間均具有極顯著差異(P< 0.001 )，經(jīng)多重比較檢驗后可以歸為如表2所示的3個系列。相對于薄葉雙蓋蕨，不同 Ca2+濃度梯度下柳葉蕨的 Tr 和 Gs 均處于較低水平，該現(xiàn)象的產(chǎn)生可能是柳葉蕨的遺傳因素造成的。兩植物在Ca2+濃度為4 mmol·L-1時均有最大的Tr和Gs，所不同的是，柳葉蕨Tr和Gs驟然降低的拐點在Ca2+濃度為100 mmol·L-1時，而薄葉雙蓋蕨出現(xiàn)在Ca2+濃度為30 mmol·L-1時。在Ca2+濃度為100 mmol·L-1和200 mmol·L-1時，柳葉蕨的Gs值分別為Ca2+濃度為4 mmol·L-1時的23.53%和35.29%；當(dāng)Ca2+濃度為30 mmol·L-1和100 mmol·L-1時，薄葉雙蓋蕨的Gs值分別為Ca2+濃度為4 mmol·L-1時的28.38% 和48.65%。由此可見，隨Ca2+脅迫程度的加劇，柳葉蕨的Gs波動相對較小。在Tr方面亦有近似的變化趨勢。從而反映了柳葉蕨的氣孔開合和蒸騰作用過程對Ca2+濃度變化有較優(yōu)的適應(yīng)性，保證了其對外界環(huán)境變化的積極響應(yīng)，這很有可能是其能在有高Ca2+濃度的石灰土地區(qū)得以生存的原因之一。

由表2還可以看出，薄葉雙蓋蕨在Ca2+濃度大于100 mmol·L-1時的蒸騰速率及氣孔導(dǎo)度遠(yuǎn)高于在Ca2+濃度為30 mmol·L-1時的蒸騰速率及氣孔導(dǎo)度，這一方面可能是因為較高的Ca2+濃度破壞了薄葉雙蓋蕨的氣孔結(jié)構(gòu)，使其不能及時調(diào)節(jié)氣孔開合[3]，另一方面可能是因為脅迫出現(xiàn)時，薄葉雙蓋蕨僅關(guān)閉了相對小部分的氣孔，通過強的蒸騰作用吸收更多的水分進(jìn)入體內(nèi)以降低體內(nèi)Ca2+濃度。

表2 2種蕨類植物蒸騰速率均值(Tr, mmol·m-2·s-1) 與氣孔導(dǎo)度均值(Gs, mol·m-2·s-1) Table 2 Transpiration rate ( Tr, mmol·m-2·s-1 ) and stomatal conductivity ( Gs, mol·m-2·s-1 ) in medium level of the two ferns’ leave under different calcium concentration level

3 討論及結(jié)論

3.1 討論

Ca2+濃度從30 mmol·L-1增加到100 mmol·L-1，2種植物的凈光合速率( Pn )均陡然下降，其中柳葉蕨下降了35.48%，薄葉雙蓋蕨下降了42.71%，顯示當(dāng)受Ca2+脅迫時，柳葉蕨光合速率降低相對緩慢，這時高光合有利于應(yīng)對鈣脅迫。在更高Ca2+濃度 ( 200 mmol.L-1) 控制下，薄葉雙蓋蕨的 Pn 略高于柳葉蕨的 Pn，這可能是由于薄葉雙蓋蕨受 Ca2+脅迫加劇，到了必須通過加快提高代謝速率以降低體內(nèi) Ca2+濃度的程度，而使作為植物最基礎(chǔ)代謝過程的光合作用被瞬時增強所致[3-6,16]。但在該濃度下，柳葉蕨并無此特征表現(xiàn)，這一過程進(jìn)一步說明了柳葉蕨較薄葉雙蓋蕨更利于在高鈣環(huán)境中生存，柳葉蕨具有相對更高的耐鈣能力。

土壤中的Ca2+可通過植物根部的Ca2+通道直接進(jìn)入根系表皮細(xì)胞及根毛[17-18]，并在Ca2+-ATPase的協(xié)助下進(jìn)入木質(zhì)部[16]。雖然“Ca2+的吸收同步于水分的吸收”這一觀點一直備受爭議[19]，但蒸騰作用的增強既有助于植物對Ca2+的吸收，又有利于Ca2+依靠蒸騰拉力在植物體內(nèi)運移和積累已被實驗證明[20]。因此，植物適應(yīng)高鈣環(huán)境應(yīng)該涉及到植株對Ca2+的吸收、轉(zhuǎn)運、積累等各個環(huán)節(jié)。薄葉雙蓋蕨在高Ca2+濃度環(huán)境中保持較高的光合作用強度，為加快代謝速率降低體內(nèi)Ca2+提供了可利用的能量；而同樣條件下，柳葉蕨通過關(guān)閉大部分氣孔、降低蒸騰作用強度等行為，在減少水分散失的同時亦限制了過量Ca2+進(jìn)入植株地上部分，這與前人的相關(guān)研究結(jié)論基本一致[4]。另外，在較高Ca2+濃度時，柳葉蕨仍能使其蒸騰作用對氣溫變化進(jìn)行較敏銳的積極響應(yīng)，也為其能在Ca2+含量較高的石灰土地區(qū)生存提供了條件。

不同Ca2+濃度控制下，2種植物的葉片凈光合速率 ( Pn )始終與胞間CO2濃度 ( Ci ) 呈顯著負(fù)相關(guān) (P< 0.01 )，從而認(rèn)為，柳葉蕨和薄葉雙蓋蕨在 Ca2+濃度控制下發(fā)生的凈光合速率降低的行為很有可能是由非氣孔限制因素引起的[21]。同時，隨 Ca2+脅迫加劇，柳葉蕨的 Pn 與 Tr 均降低，說明由 Ca2+濃度升高引起的柳葉蕨 Pn 降低可能與其葉片受熱害、葉肉細(xì)胞羧化酶活性降低有關(guān)[22]；當(dāng) Ca2+濃度大于 30 mmol·L-1時，薄葉雙蓋蕨的 Pn 降低，但 Tr 略有上升，說明薄葉雙蓋蕨Pn降低除了與其葉片葉肉細(xì)胞羧化能力有關(guān)外，還可能與過量 Ca2+引起葉片葉綠素含量降低等因素有關(guān)[23-24]。

3.2 結(jié)論

實驗設(shè)計Ca2+營養(yǎng)液4個濃度梯度上，柳葉蕨和薄葉雙蓋蕨的日 Pn(max)最高值對應(yīng)的Ca2+濃度分別為30 mmol·L-1和4 mmol·L-1。當(dāng) Ca2+濃度為 30 mmol·L-1時，柳葉蕨的 Tr 與薄葉雙蓋蕨的 Tr基本相近，其余濃度梯度上二者差異顯著 (P< 0.001 )。柳葉蕨和薄葉雙蓋蕨的葉片Pn與Ci 均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系 (P< 0.01 )。不同Ca2+濃度梯度下柳葉蕨相對于薄葉雙蓋蕨的Tr和Gs均處于較低水平，2種植物的Tr與Gs在不同Ca2+濃度間均具有極顯著差異 (P< 0.001 )。

從植物光合作用特征的角度考慮，柳葉蕨能夠在高鈣環(huán)境的石灰土上正常生存的原因在于：鈣離子脅迫發(fā)生時，柳葉蕨能保持相對穩(wěn)定的光合速率及蒸騰速率變化趨勢；脅迫持續(xù)期間，在保證生存的前提下控制其光合速率及蒸騰速率處于較低的水平，以相對保守的姿態(tài)度過脅迫。

[1] LIANG W J, WANG M L, AI X Z. The role of calcium in regulating photosynthesis and related physiologicalindexes of cucumber seedlings under low light intensity and suboptimal temperature stress[J]. Scientia Horticulturae, 2009, 123: 34-38.

[2] 李強, 曹建華, 余龍江, 等. 干旱脅迫過程中外源鈣對忍冬光合生理的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2010, 19(10): 2291-2296.

[3] 李青云, 葛會波, 胡淑明, 等. 鈉鹽和鈣鹽脅迫對草莓光合作用的影響[J]. 西北植物學(xué)報, 2006, 26(8): 1713-1717.

[4] 姬飛騰, 李楠, 鄧馨. 喀斯特地區(qū)植物鈣含量特征與高鈣適應(yīng)方式分析[J]. 植物生態(tài)學(xué)報, 2009, 33(5): 926-935.

[5] WHITE P J, BROADLEY M R. Calcium in plants[J]. Annals of Botany, 2003, 92: 487-511.

[6] HIRSCHI K D. The calcium conundrum, both versatile nutrient and specific signal[J]. Plant Physiology, 2004, 136: 2438-2442.

[7] 曹建華, 袁道先, 潘根興. 巖溶生態(tài)系統(tǒng)中的土壤[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2003, 18(1): 37-44.

[8] 謝麗萍, 王世杰, 肖德安. 喀斯特小流域植被—土壤土壤系統(tǒng)鈣協(xié)變關(guān)系研究[J]. 地球與環(huán)境, 2007, 35(1): 26-32.

[9] 安德艷, 艾復(fù)清. 銅仁地區(qū)植煙土壤類型及肥力分析[J]. 貴州農(nóng)業(yè)科學(xué), 2010, 38(6): 126-129.

[10] 許大全. 光合作用氣孔限制分析中的一些問題[J]. 植物生理學(xué)通訊, 1997, 33(4): 241-244.

[11] MARKS C O, LECHOWICZ M J. The ecological and functional correlates of nocturnal transpiration[J]. Tree Physiology, 2007, 27: 577-584.

[12] TUZET A, PERRIER A, LEUNING R. A coupled model of stomatal conductance, photosynthesis and transpiration[J]. Plant, Cell and Environment, 2003, 26: 1097-1116.

[13] 王建林, 林榮芳, 于貴瑞, 等. 光和CO2作用下C3和C4作物氣孔導(dǎo)度—光合速率耦合關(guān)系的差異[J]. 華北農(nóng)學(xué)報, 2008, 23(1): 71-75.

[14] MIYASHITA K, TANAKAMARU S, MAITANI T, et al. Recovery responses of photosynthesis, transpiration, and stomatal conductance in kidney bean following drought stress[J]. Environmental and Experimental Botany, 2005, 53: 205-214.

[15] 廖巖, 陳桂珠. 三種紅樹植物對鹽脅迫的生理適應(yīng)[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2007, 27(6): 2208-2214.

[16] WHITE P J. The pathways of calcium movement to the xylem[J]. Journal of Experimental Botany, 2001, 52: 891-899.

[17] DAVENPORT R, TESTER M. A weakly voltagedependent,non-selective cation channel mediates toxic sodium influx in wheat[J]. Plant Physiology, 2000, 122: 823-834.

[18] WHITE P J. Calcium channels in higher plants[J]. Biochimiea et Biophysica Acta, 2000, 1465: 171-189.

[19] ATKINSON C J, RUIZ L P, MANSFIELD T A. Calcium in xylem sap and the regulation of its delivery to the shoot[J]. Experimental Botany, 1992, 43: 1315-1324.

[20] GIUSEPPE M, BARTOLOMEO D, CRISTOS X. Significance of fruit transpiration on calcium nutrition in developing apricot fruit[J]. Plant Nutr. Soil Sci, 2010, 173: 618-622.

[21] FARQUHAR G D, SHARKEY T D. Stomatal conductance and photosynthesis[J]. Ann Rev Plant Physiol, 1982, 33: 317-345 .

[22] 郭衛(wèi)東, 鄭建樹, 張真真, 等. 短暫低溫對佛手光合生理的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2009, 29(5): 2286-2293.

[23] CANDANA N, TARHANB L. Effects of Calcium, Stress on Contents of Chlorophyll and Carotenoid, LPO Levels, and Antioxidant Enzyme Activities in Mentha[J]. Journal of Plant Nutrition, 2005, 28:127-139.

[24] 鄒文桐, 熊德中. 土壤交換性鈣水平對烤煙若干生理代謝的影響[J]. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2010, 37(2): 369-373.