重金屬離子對2種草坪草熒光特性及根系形態(tài)的影響

陳偉，張苗苗，宋陽陽，陳建綱，張德罡*

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院 草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中－美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州730070；2.蘭州城市學(xué)院，甘肅 蘭州730070；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州730070）

光合作用為植物生長發(fā)育提供物質(zhì)和能量，是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)［1］。自然界各種脅迫因素對植物光合作用也產(chǎn)生了重要影響，特別是近年來隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的發(fā)展，土壤重金屬污染日益嚴(yán)重［2-3］，人們就重金屬離子對植物光合作用產(chǎn)生影響的研究越來越多。而草坪草作為城鎮(zhèn)綠化不可或缺的植物種類，研究重金屬離子對其光合作用的影響也具有重要意義。谷巍等［4］研究了Hg2＋、Cd2＋、Cu2＋對菹草（Potamogeton crispus）光合系統(tǒng)及保護(hù)酶系統(tǒng)的毒害作用，結(jié)果表明，Hg2＋、Cd2＋、Cu2＋均可通過對其光合系統(tǒng)、保護(hù)酶系統(tǒng)、物質(zhì)代謝系統(tǒng)等的共同破壞作用，導(dǎo)致植物死亡，說明重金屬離子對植物的毒害有著共同的作用機(jī)制。劉俊祥等［5］也研究了Cd2＋對結(jié)縷草（Zoysia japonica）葉片光合特性的影響，結(jié)果表明，Cd2＋脅迫下，除胞間CO2濃度（Ci）外，結(jié)縷草葉片凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）均降低。

葉綠素?zé)晒庾鳛楣夂献饔玫挠行结槪湓跍y定葉片光合作用過程中光系統(tǒng)對光能的吸收、傳遞、耗散、分配等方面具有獨(dú)特的作用，并已逐漸在環(huán)境脅迫對植物光合作用影響研究方面得到應(yīng)用［6］。重金屬脅迫對葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響是比較復(fù)雜的。鄧培雁等［7］通過Fv／Fm顯著下降確定了蜈蚣草（Pteris vittata）光合作用受到明顯的砷脅迫，然而寶山堇菜（Viola baoshanensis）的Fv／Fm與鎘的相關(guān)性較低，但是Fm會(huì)隨鎘含量的增加而降低［8］。至今，重金屬離子對光合作用的影響機(jī)理仍處于探索階段。

根系是植物吸收養(yǎng)分和水分的重要器官，其形態(tài)直接或間接影響地上部的生長和發(fā)育［9］，同時(shí)，土壤重金屬污染也會(huì)對根系產(chǎn)生重要影響［10-11］。王喆和王強(qiáng)［12］在研究中指出，當(dāng)鎘對植物產(chǎn)生毒害作用時(shí)，首先會(huì)表現(xiàn)在根部的形態(tài)和生理功能的改變上。房娟等［13］研究了Pb脅迫對柳樹（Salix babylonica）根系形態(tài)和生理特性的影響，結(jié)果表明，Pb脅迫顯著抑制蘇柳172和垂柳2種柳樹的根系伸長，垂柳根系表面積、根體積、根平均直徑先增后降，蘇柳172根系表面積、根體積、根平均直徑均受到Pb的顯著抑制。何俊瑜等［14］研究了鎘脅迫對不同水稻（Oryza sativa）品種幼苗根系形態(tài)和生理特性的影響，結(jié)果表明，低濃度鎘處理對水稻根系生長有一定的促進(jìn)作用，表現(xiàn)為植株干質(zhì)量、根系總長度、根系表面積、根體積和根系活力均略有升高，但隨著鎘濃度增加，表現(xiàn)出一定的抑制作用。由此可見，重金屬對不同植物的根系和葉綠素?zé)晒舛紩?huì)產(chǎn)生作用，但是以草坪草作為研究對象的還比較少見，特別是將兩者結(jié)合對同一草坪草根系形態(tài)和葉綠素?zé)晒馓卣鬟M(jìn)行比較的研究還未見報(bào)道。

多年生黑麥草（Lolium perenne）和高羊茅（Festuca elata）是北方重要的草坪草種。本研究通過測定Cd2＋、Cu2＋、Pb2＋和Zn2＋等4種重金屬離子處理下的多年生黑麥草和高羊茅的熒光特性以及根系形態(tài)，以揭示2種草坪草光合系統(tǒng)和根系形態(tài)對4種重金屬離子的生理響應(yīng)，為其在植物修復(fù)中的應(yīng)用提供有效途徑，并為草坪草耐重金屬脅迫機(jī)制的研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試草種：多年生黑麥草（首相Premier）和高羊茅（銳步Barrera）。供試金屬離子：CuSO4·5 H2O，ZnSO4·7 H2O，CdSO4·8 H2O，Pb（NO3）2均為分析純試劑。試驗(yàn)于2012年4－8月進(jìn)行。

1.2 重金屬離子處理梯度設(shè)置

4種重金屬離子以溶液形式加入到花盆中，濃度依據(jù)GB15618-1995，3級(jí)土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行配制，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果設(shè)置4個(gè)濃度梯度，分別為：Cu2＋（200，300，400，500 mg／kg）；Cd2＋（1，50，100，150 mg／kg）；Pb2＋（500，1000，1500，2000 mg／kg）；Zn2＋（500，800，1100，1400 mg／kg），以不添加為對照。

1.3 試驗(yàn)方法

用0.1%KMn O4溶液浸泡凈種子15 min后，先用自來水沖洗至無紅色，再用去離子水沖洗3次。用濾紙將水吸干。將種播入以蛭石為基床、直徑12 cm花盆中，并將重金屬無機(jī)鹽溶液按梯度施入，待多年生黑麥草和高羊茅幼苗長出2片展開葉時(shí)按照1株／cm2的標(biāo)準(zhǔn)剔除多余幼苗，根據(jù)培養(yǎng)基70%持水量每天注入Hoagland’s營養(yǎng)液進(jìn)行培養(yǎng)。發(fā)芽方法按GB／T 2930.4—2001。當(dāng)幼苗長出第4片葉時(shí)進(jìn)行熒光特性及根系結(jié)構(gòu)形態(tài)測定。

1.4 測定指標(biāo)與方法

葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定：每處理隨機(jī)取10株，采用葉綠素?zé)晒鈭D像分析系統(tǒng)（IMAGING-PAM M-series ChlorophyⅡFluorescence）進(jìn)行快速無接觸的葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定。光化作用、光照處理時(shí)間、飽和脈沖和暗適應(yīng)期等測定程序以及初始熒光（F0）、最大熒光產(chǎn)量（Fm）、光化學(xué)淬滅系數(shù)（q P）、非光化學(xué)淬滅系數(shù)（q N）和電子傳遞效率（ETR）等熒光參數(shù)均由測定軟件控制并自動(dòng)計(jì)算，PSⅡ最大量子產(chǎn)量（Fv／Fm）通過公式Fv／Fm＝（Fm－F0）／Fm計(jì)算得出［15］。

根系形態(tài)測定：將參與葉綠素?zé)晒鉁y定后的植株取其根系，用蒸餾水沖洗根系，剔除雜質(zhì)，用EPSON掃描儀記錄根系形態(tài)，用根系圖像分析軟件Win RHIZO分析總根長、根總表面積、總分叉數(shù)和總根尖數(shù)等參數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2007整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)并繪圖，用SPSS 13.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬離子對葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

2.1.1 對Fv／Fm的影響 高羊茅和多年生黑麥草的Fv／Fm均受4種重金屬離子的影響。在不同濃度Cd2＋處理中，高羊茅的Fv／Fm值均低于對照，并有隨濃度升高而降低的趨勢，當(dāng)Cd2＋濃度達(dá)到50 mg／kg時(shí)，F(xiàn)v／Fm值顯著低于對照；在濃度為200和300 mg／kg時(shí)，F(xiàn)v／Fm值與對照差異不顯著，而到400和500 mg／kg時(shí)，F(xiàn)v／Fm值則顯著低于對照；Pb2＋處理下，高羊茅Fv／Fm值均與對照差異不顯著；在Zn2＋處理中，濃度為500，800和1100 mg／kg時(shí)的Fv／Fm值與對照差異不顯著，濃度達(dá)到1400 mg／kg時(shí)，其Fv／Fm值顯著低于對照（圖1）。

圖1 4種不同濃度重金屬離子處理對高羊茅F v／F m的影響Fig.1 Effect of four heavy metal treatments on maximal quantum yield of PSⅡ（F v／F m）of tall fescue圖中不同小寫字母表示差異顯著（P＜0.05）。The different small letters indicate significant difference among treatment time（P＜0.05）.

圖2 4種不同濃度重金屬離子處理對多年生黑麥草F v／F m的影響Fig.2 Effect of four heavy metal treatments on maximal quantum yield of PSⅡ（F v／F m）of perennial ryegrass

Cd2＋處理的多年生黑麥草Fv／Fm值均高于對照，但與對照差異不顯著；Cu2＋濃度為500 mg／kg的Fv／Fm值顯著低于其他濃度，當(dāng)濃度在200，300和400 mg／kg時(shí)，F(xiàn)v／Fm值與對照差異不顯著；在不同濃度Pb2＋處理中均與對照差異不顯著；不同濃度Zn2＋處理中，其Fv／Fm值除濃度為500 mg／kg處理高于對照外，其他各濃度處理均顯著低于對照，并且有隨著離子濃度的升高逐漸降低的趨勢（圖2）。

圖3 4種重金屬離子對高羊茅光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）和非光化學(xué)淬滅系數(shù)（q N）的影響Fig.3 Effect of four kinds of heavy metal treatments on qP and q N of tall fescue

2.1.2 對光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）和非光化學(xué)淬滅系數(shù)（q N）的影響 從圖3可以看出，4種不同濃度重金屬離子處理下，高羊茅q P值均低于對照，這與其Fv／Fm值的趨勢一致，但與對照的差異程度不同，總體上來看，不同濃度Cd2＋處理與對照差異較大，其余各濃度處理差異不大，且隨著離子濃度升高而降低的趨勢不明顯；在Cd2＋處理下，在濃度為1 mg／kg時(shí)，q N值低于對照，其他濃度處理與對照差異不大，在Pb2＋處理中，q N值低于對照；在Zn2＋處理中，除濃度為500 mg／kg時(shí)q N值高于對照外，其余各濃度處理均低于對照；在不同濃度Cu2＋處理下，除濃度為500 mg／kg的處理低于對照外，其余各濃度處理均高于對照。

圖4 4種重金屬離子對多年生黑麥草光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）和非光化學(xué)淬滅系數(shù)（q N）的影響Fig.4 Effect of four kinds of heavy metal treatments on qP and qN of perennial ryegrass

圖5 4種重金屬離子對高羊茅和多年生黑麥草PSⅡ電子傳遞速率（ETR）的影響Fig.5 Effect of four kinds of heavy metal treatments on ETR of tall fescue and perennial ryegrass

從圖4可以看出，4種不同濃度重金屬離子處理多年生黑麥草q P值均低于對照；且各濃度Cu2＋處理其q P值有隨著濃度升高而不斷降低的趨勢；從q N值來看，Cd2＋處理下，濃度為1 mg／kg時(shí)顯著低于對照，其他各濃度與對照差異不大；各濃度Cu2＋處理下，除濃度為500 mg／kg處理高于對照外，其余各濃度處理均低于對照，并且q N值有隨著處理濃度的升高而逐漸減小的趨勢；在熒光動(dòng)力學(xué)時(shí)間為0～140 s內(nèi)，各濃度Pb2＋處理其q N值均高于對照，但隨著熒光動(dòng)力學(xué)時(shí)間的增加，差異不明顯；在各濃度Zn2＋處理中，濃度為500和800 mg／kg時(shí)其q N值高于對照，而在處理濃度為1100和1400 mg／kg時(shí)低于對照，并且有隨著處理濃度的升高而逐漸降低的趨勢。

2.1.3 對PSⅡ電子傳遞速率（ETR）的影響 從圖5可以看出，4種不同濃度重金屬離子處理下，高羊茅和多年生黑麥草ETR值均低于對照，這與其q P的變化趨勢是一致的；但是不同濃度重金屬離子其ETR值之間相關(guān)性不強(qiáng)。

2.2 重金屬離子對根系形態(tài)的影響

從表1可以看出，在4種重金屬離子處理下，高羊茅總根長均顯著低于對照；在根總表面積方面，除Cd2＋1 mg／kg濃度處理、Cu2＋200 mg／kg濃度處理、Pb2＋500 mg／kg濃度處理和Zn2＋500和800 mg／kg處理與對照差異不顯著外，其余各處理均顯著低于對照；從根系總分叉數(shù)來看，除Cu2＋300 mg／kg濃度處理、Pb2＋500 mg／kg濃度處理與對照差異不顯著外，其余各濃度處理均顯著低于對照；從根系總根尖數(shù)來看，4種重金屬離子各濃度處理均顯著低于對照；從總體來看，高羊茅總根長、根總表面積、總分叉數(shù)和總根尖數(shù)均有隨著離子處理濃度升高而逐漸降低的趨勢。

從表2可以看出，多年生黑麥草總根長除Cu2＋200 mg／kg和Zn2＋500 mg／kg處理濃度與對照差異不顯著外，其余各濃度處理均顯著低于對照；根總表面積則表現(xiàn)出4種重金屬離子低濃度處理?xiàng)l件下與對照差異不顯著，其余處理均顯著低于對照；從總分叉數(shù)來看，Cd2＋濃度為1 mg／kg、Pb2＋2000 mg／kg和Zn2＋500 mg／kg濃度處理下高于對照，但差異不顯著，除Pb2＋處理表現(xiàn)出先隨濃度升高而降低，但高濃度處理又升高的趨勢外，其余各處理均有隨著重金屬離子濃度升高而不斷降低的趨勢；從總根尖數(shù)來看，4種重金屬離子處理均顯著低于對照；總體上來看，多年生黑麥草總根長、根總表面積和總根尖數(shù)均有隨著處理濃度的升高而不斷降低的趨勢。

表1 重金屬離子處理對高羊茅根系形態(tài)特征的影響Table 1 Effect of heavy metal treatments on roots morphological characteristics of tall fescue

表2 重金屬離子處理對多年生黑麥草根系形態(tài)特征的影響Table 2 Effect of heavy metal treatments on roots morphological characteristics of perennial ryegrass

3 討論

在室溫條件下，葉綠素?zé)晒庑盘?hào)絕大多數(shù)來自于天線色素蛋白復(fù)合體中的葉綠素a分子，是檢測功能葉片PSⅡ活性的有效探針，可反映光合作用過程中PSⅡ?qū)饽艿奈铡鬟f、耗散和分配情況［15］。PSⅡ最大量子產(chǎn)量（Fv／Fm）在正常環(huán)境下很少發(fā)生變化，與物種和生長條件沒有關(guān)系，但是當(dāng)植物受到逆境脅迫時(shí)該參數(shù)數(shù)值會(huì)明顯下降［16］。試驗(yàn)結(jié)果表明，高羊茅在4種重金屬離子處理下，其Fv／Fm值均低于對照，說明高羊茅在受到重金屬離子脅迫后，其PSⅡ活性受到傷害。在Cd2＋不同濃度處理中，高羊茅Fv／Fm值雖然低于對照，并且有隨著濃度升高脅迫作用逐漸加強(qiáng)的趨勢；在Cu2＋濃度達(dá)到400和500 mg／kg，Zn2＋濃度達(dá)到1400 mg／kg時(shí)，高羊茅Fv／Fm值顯著低于對照，說明高羊茅對Cu2＋高濃度和Zn2＋高濃度脅迫抗性較差，其光合作用也受到較大影響；多年生黑麥草則表現(xiàn)不同，在Cd2＋不同濃度處理下，其Fv／Fm值均略高于對照，但差異不顯著，說明Cd2＋脅迫對多年生黑麥草的PSⅡ系統(tǒng)的活性影響不大；但是Cu2＋濃度達(dá)到500 mg／kg，Zn2＋濃度達(dá)到500 mg／kg以上時(shí)，對多年生黑麥草Fv／Fm值影響較大，均顯著低于對照；同時(shí)多年生黑麥草還表現(xiàn)出Zn2＋低濃度促進(jìn)PSⅡ系統(tǒng)的活性的作用，且有隨著濃度升高，對PSⅡ系統(tǒng)抑制作用越來越強(qiáng)的表現(xiàn)?？傮w上來說，Pb2＋不同濃度處理對高羊茅和多年生黑麥草Fv／Fm值影響不大，這可能是兩種草激發(fā)了各自的Pb2＋解毒機(jī)制，將Pb2＋脅迫對PSⅡ系統(tǒng)抑制作用降到最低；2種草同時(shí)還表現(xiàn)出對Cu2＋高濃度和Zn2＋高濃度抗性差，F(xiàn)v／Fm顯著降低，而Cd2＋對高羊茅的影響要高于多年生黑麥草。

葉綠素?zé)晒獯銣缡侨~綠體耗散能量的一種途徑［16］，分為光化學(xué)淬滅和非光化學(xué)淬滅2種。光化學(xué)淬滅（q P）是由光合作用引起的熒光淬滅，反映了植物光合活性的高低［17］。qP值的大小反映了PSⅡ原初電子受體QA的氧化還原狀態(tài)和PSⅡ開放中心的數(shù)目，值越大說明PSⅡ的電子傳遞活性越高［18］；q P值的下降表明PSⅡ反應(yīng)中心的開放程度和參與CO2固定的能量減少［19］。q N值反映的是PSⅡ天線色素吸收的光能不能用于光合電子傳遞而以熱的形式耗散掉的激發(fā)能部分［18］，激發(fā)能的熱耗散增加可以降低PSⅡ和電子傳遞鏈的還原程度［20］。電子傳遞鏈的過度還原會(huì)增加電子通過電子漏傳遞給氧氣產(chǎn)生氧自由基的機(jī)會(huì)［21］，從而對光合單位產(chǎn)生氧化脅迫，q N值升高能夠保護(hù)PSⅡ免受光氧化傷害［22］。ETR反映了實(shí)際光強(qiáng)條件下的表觀電子傳遞效率［23］，在脅迫下，植物葉片的ETR會(huì)下降［16］。在4種重金屬離子不同濃度處理下2種草坪草的q P值和ETR值均低于對照，說明其光合活性和電子傳遞效率均受到影響，但從試驗(yàn)結(jié)果上得不到與濃度直接的相關(guān)性，在這方面的研究還有待進(jìn)一步探討；在對這2種草的處理中，q N值并沒有非常一致的變化趨勢，高羊茅和多年生黑麥草在受到重金屬離子脅迫q P值降低的同時(shí)，并沒有一致引起q N值的升高，只有在Cu2＋200，300和400 mg／kg處理高羊茅，Cu2＋200 mg／kg處理多年生黑麥草和Zn2＋500和800 mg／kg處理多年生黑麥草中其q N值高于對照，說明在這些處理中，2種植物PSⅡ的電子傳遞活性在降低的同時(shí)，有更多的光能不能用于光合電子傳遞而以熱的形式耗散掉，有助于保護(hù)PSⅡ免受光氧化傷害；但是出現(xiàn)q N值也同時(shí)降低的情況說明可能在PSⅡ的電子傳遞活性降低的同時(shí)，過剩光能通過熱能途徑耗散受阻，從而對光合單位產(chǎn)生氧化脅迫，進(jìn)而影響植物正常的光合作用。

重金屬污染會(huì)對根系產(chǎn)生重要影響［10］。有研究表明，當(dāng)鎘對植物產(chǎn)生毒害作用時(shí)，首先會(huì)表現(xiàn)在根部的形態(tài)和生理功能的改變上［12］。試驗(yàn)結(jié)果表明，4種重金屬離子對高羊茅和多年生黑麥草的影響是十分顯著的，對高羊茅來說，經(jīng)過4種重金屬離子處理后，除部分離子低濃度處理外，其總根長、根表面積、總分叉數(shù)和總根尖數(shù)均顯著低于對照，并且有隨著離子處理濃度升高而逐漸降低的趨勢；多年生黑麥草根系則表現(xiàn)出對低濃度重金屬離子抗性較強(qiáng)，對高濃度抗性較差，并且也有隨濃度升高而不斷降低的趨勢。

總體上來看，重金屬離子脅迫對高羊茅和多年生黑麥草葉綠素?zé)晒夂透敌螒B(tài)都會(huì)產(chǎn)生一定的影響，但這種影響在對根系形態(tài)上表現(xiàn)得尤為突出，并且有隨著離子濃度的升高影響力逐漸升高的趨勢，而根系總根長、根表面積、總分叉數(shù)和總根尖數(shù)的顯著降低勢必會(huì)嚴(yán)重影響根系活力，包括根系縱向和橫向生長能力等，從而影響根系發(fā)揮其生理功能，進(jìn)而影響整個(gè)植株的生長；從結(jié)果可以看出，不同重金屬離子對高羊茅和多年生黑麥草葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊懓ń档推銹SⅡ系統(tǒng)的活性，影響其光合活性和電子傳遞效率等，這種影響與根系受損的相關(guān)性機(jī)制還有待于進(jìn)一步研究。