鋅脅迫對(duì)漢麻光合特性及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

保琦蓓， 唐 寅， 田光明

(1.寧波檢驗(yàn)檢疫科學(xué)技術(shù)研究院，浙江寧波 315100；2.浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，浙江杭州 31000)

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鋅脅迫對(duì)漢麻光合特性及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

保琦蓓1， 唐 寅2， 田光明2

(1.寧波檢驗(yàn)檢疫科學(xué)技術(shù)研究院，浙江寧波 315100；2.浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，浙江杭州 31000)

[目的]研究漢麻在重金屬鋅脅迫下的光合特性及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的響應(yīng)。[方法]通過溫室水培試驗(yàn)，研究不同濃度鋅脅迫對(duì)漢麻光合特性及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響。[結(jié)果]與 2 μmol/L鋅濃度處理(CK)相比，缺鋅0 μmol/L和高濃度鋅處理(50、100、200 μmol/L)的漢麻，其葉片的葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素均下降，葉綠素a減少速率最快；高鋅處理隨著鋅濃度的增加，凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)呈下降趨勢，胞間二氧化碳濃度(Ci)緩慢上升。脅迫40d后，高鋅處理的PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)、實(shí)際光量子產(chǎn)量 (Y)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)、光合電子傳遞速率(ETR)隨鋅濃度的升高呈下降趨勢，非光化學(xué)熒光猝滅系數(shù)(NPQ)在200 μmol/L鋅濃度水平下脅迫10 d后取得最大值，而后隨時(shí)間延長而迅速衰減，葉綠素b與非光化學(xué)熒光猝滅機(jī)制對(duì)漢麻的光合作用起重要保護(hù)作用。[結(jié)論]鋅對(duì)漢麻光合機(jī)制有明顯的影響，缺鋅和高濃度鋅對(duì)漢麻光合代謝過程有抑制和損害。

鋅脅迫；漢麻；光合速率；熒光特性

鋅作為植物必需的營養(yǎng)元素之一，也是一種重金屬污染元素。近年來，關(guān)于鋅對(duì)植物的毒害與植物耐鋅機(jī)制已有大量研究，主要集中于對(duì)細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)、遺傳物質(zhì)、生理功能、生長發(fā)育等的影響[1-3]。其中，光合作用是最重要的同化過程，并為植物的生長發(fā)育提供物質(zhì)基礎(chǔ)。關(guān)于鋅脅迫對(duì)光合作用的影響研究較多,都反映出高濃度鋅對(duì)光合作用有顯著的抑制作用，同時(shí)缺鋅也能引起植物生長發(fā)育受阻，但具體的機(jī)制仍不清楚[4-6]。研究表明，麻類作物對(duì)重金屬有較強(qiáng)的耐性和富集能力，漢麻屬于四氫大麻酚含量低于0.3%的工業(yè)大麻，我國將工業(yè)大麻稱為漢麻。漢麻屬大麻屬大麻科大麻種的一年生草本植物，具有生物量大、抗逆性強(qiáng)、生長速度快、易種植管理等優(yōu)良特性，對(duì)低濃度污染區(qū)域?qū)嵤┲参镄迯?fù)具有廣泛的應(yīng)用前景[7-9]。

目前對(duì)鋅脅迫與植物光合作用的關(guān)系研究主要集中在非耐性植物方面，如糧食作物、果樹等食用作物[10-11],而對(duì)大生物量的紡織類作物漢麻的研究鮮見報(bào)道。筆者研究不同鋅脅迫水平條件下漢麻光合特性和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化,以期為探討漢麻的鋅耐性機(jī)理及推動(dòng)鋅污染環(huán)境的植物修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 供試漢麻種子為漢麻的改良品種“云麻一號(hào)”，由云南漢麻產(chǎn)業(yè)投資控股有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 挑選子粒飽滿的漢麻種子用超純水沖洗干凈，然后用超純水浸泡12 h，置于墊有雙層紗布的10目篩子中萌發(fā)，溫度為25 ℃左右，萌發(fā)過程中保持紗布濕潤。約7～8 d后待其長出2片真葉時(shí)，選擇健壯、長勢一致的漢麻幼苗于2015年5月28日轉(zhuǎn)移至10 L塑料箱內(nèi)，先用1/2 Hoagland(加鋅)營養(yǎng)液進(jìn)行培養(yǎng)，并保持曝氣防爛，光照12 h/d,光照強(qiáng)度為5 000 lx,溫度控制在25～30 ℃。培養(yǎng)5 d后，6月2日用全Hoagland營養(yǎng)液(未加鋅)進(jìn)行鋅處理，將ZnSO4·7H2O加入營養(yǎng)液中,設(shè)置5個(gè)Zn2+濃度梯度：0、2、50、100、200 μmol/L,其中0為缺鋅組，2 μmol/L為適鋅組(1倍Hoagland營養(yǎng)液的含Zn2+為2 μmol/L)[對(duì)照(CK)]，50、100、200 μmol/L為高鋅組[12]。每處理3次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)放置20株漢麻植株。在鋅脅迫的第40天分別測定根莖葉的生物量、葉綠素含量及光合參數(shù)，在10和40 d測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)。

1.3 測定項(xiàng)目與方法1.3.1 生物量的測定。在7月12日取出植株,根系先用5 mmol/L CaCl2洗脫,再用去離子水沖洗干凈,濾紙吸干,測定各處理每株的株高、根長,然后將地上和根鮮樣置于105 ℃下殺青15 min,于80 ℃烘至恒重,兩者干重之和即為生物量。1.3.2 光合參數(shù)的測定。處理40 d后，于9：30～11:00用Li-6400型便攜式光合作用儀(美國Li-Cor公司)測定漢麻完全展開葉的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間二氧化碳濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)。光量子密度通量為1 000 μmol/(m2·s)。

1.3.3 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定。葉綠素?zé)晒鈪?shù)采用葉綠素?zé)晒獬上駜x(德國WALZ公司的Imaging-PAM ChlorophyⅡFluorometer)進(jìn)行測定。測定時(shí)間分別在6月12日和7月12日的上午，測定前將活體植株暗適應(yīng)30 min，選取最上部大小適宜的完全展開葉，在軟件的Kinetics窗口檢測各葉綠素?zé)晒鈪?shù)的動(dòng)力學(xué)變化曲線，相應(yīng)的數(shù)據(jù)可直接從Report窗口導(dǎo)出[13]。相關(guān)的葉綠素?zé)晒鈪?shù)分別包括PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm,),φpsll實(shí)際產(chǎn)量(Y)、光化學(xué)熒光猝滅系數(shù)(qP)、非光化學(xué)熒光猝滅系數(shù)(NPQ)和光合電子傳遞速率(ETR)。以上每項(xiàng)重復(fù)測定3次。

1.3.4 葉綠素含量的測定。取新鮮植株葉片0.2 g去掉中脈并剪碎放入研缽中(取樣部位為頂端第2和第3片完全展開葉),加入少量石英砂和3 mL 80%丙酮,研成勻漿后用7 mL丙酮沖洗干凈轉(zhuǎn)移到離心管，在4 000 r/min下離心10 min,取上清液倒入比色皿中，以80%丙酮為空白對(duì)照，分別在波長665、649、 470 nm下測定吸光度[14]。根據(jù)公式(1)、(2)、(3)計(jì)算葉綠素濃度。

Ca=12.21A663-2.81A646

(1)

Cb=20.13A646-5.03A663

(2)

Cx,c=(1000A470-3.27Ca-104Cb)/229

(3)

葉綠素含量=(色素濃度提取液體積×稀釋倍數(shù))/樣品鮮重(mg/g)

(4)

式中,Ca、Cb、Cx,c分別為葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素的濃度，mg/g;A470、A663和A646分別為葉綠素溶液在470、663和646 nm的吸光度。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel、SPSS 17.0軟件進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 鋅脅迫對(duì)漢麻生長的影響 由表1可知，鋅脅迫40 d后，0和200 μmol/L鋅處理的莖長、生物量均顯著低于其他處理，這表明缺鋅和高鋅對(duì)漢麻的生長均有抑制作用。鋅對(duì)漢麻地上部分的生長抑制作用相對(duì)大于根部，低濃度的鋅處理對(duì)漢麻根的生長有刺激作用，50 μmol/L處理的根長最長，達(dá)14.63 cm隨著鋅濃度繼續(xù)增加，漢麻根長反而減小。0、50、100、200 μmol/L處理的漢麻生物量與CK相比分別下降了70.04%、15.29%、31.32%、58.99%。缺鋅脅迫處理的根系數(shù)比CK明顯減少，須根幾乎消失，葉片失綠嚴(yán)重；而高鋅處理的根部顏色灰暗，葉片發(fā)黃，出現(xiàn)灰色的壞死斑點(diǎn)。高鋅脅迫下隨著鋅濃度的升高，鋅對(duì)漢麻生長的抑制作用逐漸增大。

表1 鋅脅迫對(duì)漢麻生長的影響

注：同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note: Difference letters in the same column stand for significant difference(P<0.05).

2.2 鋅脅迫對(duì)漢麻葉綠素含量的影響 由表2可知，缺鋅脅迫會(huì)顯著降低漢麻葉中葉綠素含量，而高鋅組隨著鋅濃度的增加，葉綠素含量隨之降低。與CK相比，缺鋅組的葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量相應(yīng)下降了64.84%、60.86%、43.88%。與CK相比，高鋅處理(50、100、200 μmol/L)的葉綠素a含量分別下降了29.59%、46.56%、58.63%，葉綠素b含量分別下降了12.80%、36.79%、51.46%，類胡蘿卜素含量分別下降了11.36%、27.63%、31.09%。0～200 μmol/L鋅濃度處理的葉綠素a/b分別為1.32、1.47、1.14、1.24、1.25。

植物葉片中的葉綠素含量降低是高濃度鋅脅迫最常見的癥狀之一，原因是一方面高濃度鋅抑制了合成葉綠素必需元素Mg和Fe等的吸收，使葉綠素合成受阻[15-17]；另一方面，高濃度鋅會(huì)改變?nèi)~綠素的結(jié)構(gòu)，從而影響其正常功能。該試驗(yàn)結(jié)果表明，缺鋅和50 μmol/L以上鋅濃度脅迫都會(huì)明顯降低葉綠素a、葉綠素b及類胡蘿卜素的含量，這可能是由于漢麻的自我保護(hù)機(jī)制，與漢麻的耐鋅性有一定關(guān)系。

2.3 鋅脅迫對(duì)漢麻光合氣體交換參數(shù)的影響 由表3可知，試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)結(jié)果，缺鋅和高鋅脅迫都會(huì)顯著影響漢麻葉片的光合速率，各處理的Pn、Tr、Gs、Ci差異顯著(P<0.05)。高鋅處理的Pn、Tr、Gs隨著鋅濃度的增加呈下降趨勢，Ci 隨著鋅濃度的增加呈現(xiàn)上升趨勢。鋅脅迫40 d后，當(dāng)鋅濃度為0、50、100、200 μmol/L時(shí)，與CK相比，Pn分別下降了50.81%、17.72%、36.24%、55.62%,Tr分別下降了40.35%、19.30%、28.35%、52.56%，Gs分別下降46.72%、14.81%、34.07%、58.52%，Ci分別上升了32.69%、4.62%、6.92%、18.85%。

導(dǎo)致植物光合作用下降的因子包括氣孔限制和非氣孔限制，Ci與Gs的變化趨勢是判斷限制類型的基本依據(jù)[17-19]。在脅迫40 d后，鋅處理的Pn、Gs持續(xù)下降，但Ci顯著上升。這表明光合下降的主要因素是非氣孔限制，葉綠素含量和葉綠素?zé)晒鈪?shù)證明了這一點(diǎn)。

表2 鋅脅迫對(duì)漢麻葉綠素含量的影響

注：同列不同小寫和大寫字母分別表示差異達(dá)到顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)。

Note: Different lowercases and capital letters in the same column stand for significant(P<0.05) and extremely significant difference(P<0.01).

表3 鋅脅迫對(duì)漢麻葉片氣體交換參數(shù)的影響

注：同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note: Different letters in the same column stand for significant difference(P<0.05).

2.4 鋅脅迫對(duì)漢麻葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

2.4.1 對(duì)PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)的影響。從圖1可見，脅迫10 d后，各處理Fv/Fm的差異相對(duì)較小，50 μmol/L鋅處理的Fv/Fm值最高，缺鋅和100、200 μmol/L鋅處理的Fv/Fm較低。鋅脅迫40 d后，各處理的差異明顯，200 μmol/L鋅脅迫處理的Fv/Fm降低極為明顯，0、50、100、200 μmol/L鋅脅迫處理的Fv/Fm比CK分別下降了27.01%、8.01%、30.20%、41.90%。

2.4.2 對(duì)實(shí)際光量子產(chǎn)量(Y)的影響。Y反映PSⅡ反應(yīng)中心在有部分關(guān)閉情況下的實(shí)際原初光能捕獲效率,該值越大則 PSⅡ光能轉(zhuǎn)化率越高，其PSⅡ活性越強(qiáng)。從圖2可見，在鋅脅迫10 d后，隨著鋅濃度的增大，實(shí)際Yield逐漸增大，50 μmol/L處到達(dá)峰后緩慢減小。鋅脅迫40 d后缺鋅處理的Y顯著減少，與CK相比，隨著鋅濃度的增大，Yield值呈下降趨勢。

2.4.3 對(duì)光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)的影響。qP表示葉綠素?zé)晒獾墓饣瘜W(xué)猝滅，反映PSⅡ天然色素捕獲光能用于光化學(xué)電子傳遞的份額。從圖3可見，qP的變化趨勢與Y的變化趨勢相近，處理40 d后在2 μmol /L處出現(xiàn)峰值，而后隨著鋅濃度的增加而迅速降低。

2.4.4 對(duì)非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)的影響。NPQ反映PSⅡ天線色素吸收的光能中不能用于光化學(xué)電子傳遞而以熱能的形式耗散掉的部分。從圖4可見，在鋅脅迫10 d后，鋅濃度從0 μmol /L上升到2 μmol/L時(shí)，NPQ下降；鋅濃度從2 μmol/L上升到200 μmol/L時(shí)，NPQ迅速上升。脅迫40 d后，隨著鋅濃度的增加，NPQ總體呈降低趨勢，其中鋅濃度2～50 μmol/L時(shí)，NPQ上升，說明植物的非光化學(xué)淬滅效率增加，而后急劇下降，說明光化學(xué)保護(hù)機(jī)制已經(jīng)受到嚴(yán)重?fù)p傷。

2.4.5 對(duì)光合電子傳遞速率(ETR)的影響。ETR代表光合量子傳遞效率。ETR與Fv/Fm的變化趨勢相近。從圖5可見，脅迫10 d后ETR無顯著變化，脅迫40 d后，與CK相比，缺鋅處理和高鋅處理的ETR顯著下降。

圖1 不同鋅濃度脅迫處理對(duì)漢麻PSⅡ最大原初光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)的影響Fig.1 Effects of different concentrations of zinc stress on Fv/Fm of C.sativa

圖2 不同鋅濃度脅迫處理對(duì)漢麻實(shí)際光量子產(chǎn)量(Y)的影響Fig.2 Effects of different concentrations of zinc stress on Yield of C.sativa

圖3 不同鋅濃度脅迫處理對(duì)漢麻光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)的影響Fig.3 Effects of different concentrations of zinc stress on qP of C.sativa

圖4 不同鋅濃度脅迫處理對(duì)漢麻非光化學(xué)熒光猝滅系數(shù)(NPQ)的影響Fig.4 Effects of different concentrations of zinc stress on NPQ of C.sativa

圖5 不同鋅濃度脅迫處理對(duì)漢麻光合電子傳遞速率(ETR)的影響Fig.5 Effects of different concentrations of zinc stress on ETR of C.sativa

3 結(jié)論與討論

(1)缺鋅或高鋅脅迫會(huì)引起漢麻葉片葉綠素含量、部分光合氣體交換參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)下降，表明鋅對(duì)漢麻光合機(jī)制存在明顯影響。Pn下降的原因主要是非氣孔限制因素，這表明缺鋅和高濃度鋅處理下漢麻光合代謝過程都受到抑制和損害，高鋅比缺鋅的影響更嚴(yán)重。高濃度鋅脅迫下，3種光合色素的減少速率從大到小依次為葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素，這可能是犧牲類胡蘿卜素而保護(hù)葉綠素的一種自我保護(hù)機(jī)制，從而減少鋅脅迫對(duì)光合作用的影響。

(2)PSⅡ是光合作用重要部位，也是探討重金屬對(duì)植物脅迫的重要位點(diǎn)。Linger等[15]研究表明，重金屬脅迫能降低PSⅡ的活性。該研究結(jié)果表明，缺鋅或高鋅處理對(duì)PSⅡ活性都有顯著的抑制作用，F(xiàn)v/Fm和ETR明顯降低。在正常生理狀態(tài)下，F(xiàn)v/Fm變化較小，但植物受到脅迫后，F(xiàn)v/Fm下降，因此，它也是植物生長環(huán)境良好與否的一個(gè)重要參數(shù),并可在植物受到脅迫較短的時(shí)間內(nèi)指示出鋅對(duì)光合作用的抑制[20]。起初qP顯著降低，NPQ顯著增加,表明這時(shí)PSⅡ原初光化學(xué)反應(yīng)受脅迫損傷并不大，葉片通過有效的熱耗散機(jī)制來保護(hù)PSⅡ。但隨著高濃度鋅脅迫時(shí)間的延長，NPQ反而減少，其他熒光參數(shù)都出現(xiàn)顯著的下降,表明此時(shí)PSⅡ原初光化學(xué)反應(yīng)已受到嚴(yán)重傷害。在此過程中，非光化學(xué)熒光猝滅保護(hù)機(jī)制發(fā)揮顯著的效果，這可能與漢麻的鋅耐性有一定關(guān)聯(lián)。今后將進(jìn)一步研究鋅脅迫下植物超微結(jié)構(gòu)的變化對(duì)光合作用的影響。

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Effects of Zinc Stress on Photosynthesis and Chlorophyll Flouorescence Characteristics of Cannabis sativa L.

BAO Qi-bei1,TANG Yin2,TIAN Guang-ming2

(1.Ningbo Academy of Science & Technology for Inspection & Quarantine,Ningbo,Zhejiang 315100; 2.College of Environmental & Resource Sciences,Zhejiang University,Hangzhou,Zhejiang 310029)

[Objective] The aim was to investigate the effects of zinc stress on photosynthesis and chlorophyll flouorescence characteristics ofCannabissativa. [Method] The effects of different concentrations of zinc on the photosynthesis and chlorophyll fluorescence characteristics ofC.sativawere studied with a solution culture.[Result] The results showed that with the increase of zinc concentration,the levels of chlorophyll a,chlorophyll b and carotenoids decreased,and the reduction orate of chlorophylla was the fastest compared with 2 μmol zinc treatment(CK).For the plants under zinc stress,net photosynthetic rate (Pn),transpiration rate (Tr) and stomatal conductance (Gs) showed a downward tendency as the concentration of Zn increased,while intercellular CO2concentration (Ci) increased.During the stress process,(Fv/Fm),actual quantum yield (Y),photochemical quenching coefficient(qP),and electron transport rate (ETR) decreased.The non-photochemical quenching coefficient (NPQ) reached its maximum value at zinc level of 200 μmol/L on the 10th day,and then rapidly decay over time.The zinc tolerance ofC.sativawas related to the protection mechanism of chlorophyll b and non-photochemical quenching coefficient.[Conclusion] Zinc had significant effects on photosynthetic mechanism ofC.sativa.The process of photosynthesis and metabolism was inhibited and damaged under zinc deficiency and high concentration of zinc.

Zinc stress;CannabissativaL.; Photosynthetic rate; Fluorescence characteristic

浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LQ13B070003)；國家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014IK178)。

保琦蓓(1982- )，女，貴州普安人，高級(jí)工程師，博士，從事環(huán)境中重金屬遷移轉(zhuǎn)化研究。

2016-08-17

S 563

A

0517-6611(2016)28-0085-04