硅對鎘脅迫下煙草葉片PSⅡ葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/h1>

2019-09-19 02:03:34羅麗娟唐莉娜陳星峰

煙草科技訂閱 2019年8期 收藏

關(guān)鍵詞：供體葉綠素煙草

羅麗娟，唐莉娜，陳星峰，李 延*

1. 福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福州市倉山區(qū)洪山橋上下店路15 號 350002

2. 福建省土壤環(huán)境健康與調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州市倉山區(qū)洪山橋上下店路15 號 350002

3. 福建省煙草公司煙草科學(xué)研究所，福州市五四北路306 號 350003

鎘是生物毒性最強(qiáng)的重金屬元素之一，遷移性強(qiáng)，是我國耕地土壤重金屬污染最主要元素[1]，其超標(biāo)率居土壤無機(jī)污染物的第一位[2]。鎘可通過食物鏈進(jìn)入人體，并在人體中積累進(jìn)而對人體產(chǎn)生危害。由于煙草對鎘的吸收富集能力強(qiáng)[3]，而煙草體內(nèi)的鎘主要來源于土壤[4]，因此土壤鎘污染會(huì)導(dǎo)致煙草產(chǎn)量和品質(zhì)降低[5]。研究表明，鎘可通過煙氣進(jìn)入人體，人體中鎘含量會(huì)隨吸煙年限的增加而提高[6]。因此，鎘污染對煙草生長的影響研究被廣泛關(guān)注。硅是土壤和地殼中含量最豐富的元素之一，作為高等植物中重要的無機(jī)組成成分，被公認(rèn)為植物體的有益元素。大量研究表明，硅可通過改善植物光合性能來提高植物對逆境脅迫（重金屬[7-9]、鹽脅迫[10]、干旱[11]）的抗性。近年來，已有研究發(fā)現(xiàn)，施硅可以緩解鎘脅迫對植物葉片光系統(tǒng)Ⅱ的影響，高雨等[12]研究提出，施用硅酸鈉可以提高鎘脅迫下鋪地竹對光能的吸收利用能力，維持較高的電子傳遞速率，緩解光抑制作用，但該研究未排除硅酸鈉的加入，引起介質(zhì)pH 升高對鎘毒性的影響。馮建鵬[13]研究表明，施用硅素可提高鎘毒害下黃瓜幼苗的光反應(yīng)中心活性，但該試驗(yàn)中利用硫酸來調(diào)節(jié)營養(yǎng)液的pH，不能排除調(diào)節(jié)pH 時(shí)SO42-的加入對鎘有效性的影響，因有研究表明硫可以提高植物對鎘脅迫的耐性[14]。上述研究結(jié)果均不能準(zhǔn)確反映硅能提高鎘脅迫下的植物PSⅡ反應(yīng)活性這一觀點(diǎn)。而目前有關(guān)硅對鎘脅迫下煙草PSⅡ熒光參數(shù)的影響鮮見報(bào)道。因此，通過水培試驗(yàn)，利用葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)技術(shù)分析了硅對鎘脅迫下煙草葉片PSⅡ的影響，探討硅在緩解煙草鎘脅迫下的光合生理機(jī)制，以期為煙草合理施用硅肥、防治鎘污染提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置在福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院盆栽房（自然光、溫條件）。參照鄭明瑜等[8]的試驗(yàn)方案，以云煙87 為供試煙草品種進(jìn)行室內(nèi)水培試驗(yàn)，選取基質(zhì)育苗6 葉齡且長勢一致的煙苗，將煙苗根系洗凈后，移栽至裝有9 L Hoagland 完全營養(yǎng)液的聚乙烯塑料桶中，用具孔的塑料板通過海綿固定煙苗，每桶種植4 株，培養(yǎng)3 周后間苗至2 株，同時(shí)進(jìn)行鎘、硅處理。在前期預(yù)備試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)置5 個(gè)處理，分別為對照（CK）、0.05 mmol·L-1Cd2+（Cd0.05）、0.10 mmol·L-1Cd2+（Cd0.10）、0.05 mmol·L-1Cd2++1.00 mmol·L-1SiO2（Cd0.05+Si）、0.10 mmol·L-1Cd2++1.00 mmol·L-1SiO2（Cd0.10+Si），每處理3 次重復(fù)，每重復(fù)2 株煙苗。以CdCl2·2.5H2O 作為鎘源，K2SiO3作為硅源，K2SiO3引入的鉀離子通過調(diào)節(jié)營養(yǎng)液中KNO3濃度來消除，而由此引起的NO3-損失用1 mol·L-1HNO3補(bǔ)充，使各處理的氮、鉀離子濃度保持一致。試驗(yàn)期間采用電動(dòng)泵每隔2 h 通氣1 h，每2 d 用1 mol·L-1HCl、1 mol·L-1NaOH 調(diào) 節(jié)pH，使?fàn)I養(yǎng)液pH 保持在6.0±0.2 范圍內(nèi)。

1.2 測定方法

煙株生長至團(tuán)棵期時(shí)，選取煙株從上往下數(shù)的第4 片葉，參照吳敏蘭等[15]的方法測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)，采用英國Hansatech 公司的Handy PEA植物效率儀測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)，并記錄葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線的快相部分。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Handy PEA 植物效率儀自帶的軟件PEA Plus 1.0 將測定各個(gè)處理的熒光數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel 表，參照Han S 等[16]的方法計(jì)算熒光參數(shù)，見表1。并利用Excel 表和SPSS 19 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。其中，利用SPSS 19 軟件進(jìn)行單因素方差分析和數(shù)據(jù)間差異的顯著性比較（Duncan 法），顯著性水平為P＜0.05。

2 結(jié)果與討論

2.1 硅對鎘脅迫下煙草葉片葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線的影響

將經(jīng)過充分暗適應(yīng)的葉片突然暴露在可見光下，會(huì)呈現(xiàn)熒光隨時(shí)間變化的曲線，該曲線一般包含O、I、J、P 4 個(gè)特征位點(diǎn)，即快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線（OJIP 曲線）。OJIP 曲線可直觀反映植物受到逆境傷害的程度[17]。如圖1 所示，鎘脅迫下煙草葉片OJIP 曲線發(fā)生變化，J-I-P 相降低，最大熒光值下降，Cd0.10處理出現(xiàn)K 相升高；圖2顯示，鎘脅迫下最小熒光值（Fo）顯著降低，表明鎘脅迫下煙草葉片光合機(jī)構(gòu)受到破壞。加入硅處理后，曲線O-I-P 相熒光值升高，接近CK 水平，Cd0.10+Si 處 理 的 曲 線K 相 消 失，F(xiàn)o恢 復(fù) 到CK 水平。表明硅處理可以緩解鎘對煙草葉片光合機(jī)構(gòu)的影響。

圖1 硅對鎘脅迫下煙草葉片快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線的影響Fig.1 Effects of silicon on fast chlorophyll fluorescence induction dynamics curve of tobacco leaves under cadmium stress

圖2 硅對鎘脅迫下煙草葉片初始熒光值和最大熒光值的影響Fig.2 Effects of silicon on Fo and Fm of tobacco leaves under cadmium stress

表1 快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線OJIP 分析中使用的熒光參數(shù)及定義Tab.1 Fluorescence parameters and definitions used in fast chlorophyll fluorescence induction dynamics curve（OJIP）

2.2 硅對鎘脅迫下煙草葉片可變熒光和光化學(xué)效率的影響

由表2 可知，與CK 相比，Cd0.05和Cd0.10處理的可變熒光（Fv）分別降低了4.48%和11.03%，差異顯著；Cd0.05處理的最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）和潛在光化學(xué)效率（Fv/Fo）差異不明顯，Cd0.10處理的Fv/Fm和Fv/Fo顯著降低。表明較低鎘濃度處理對煙草葉片光化學(xué)效率的影響不明顯，而較高鎘濃度處理導(dǎo)致煙草葉片光化學(xué)效率受到抑制。Fv/Fm在Cd0.05處理時(shí)變化不大，但Fv和Fm的變化顯著，這可能是由于部分葉綠體超微結(jié)構(gòu)的改變引起的。有研究表明，類囊體發(fā)生腫脹、高度破壞，光合合成單位及膜結(jié)合電子傳遞進(jìn)程也會(huì)受到破壞，即使Fv/Fm沒有或很小變化，初始熒光參數(shù)也會(huì)受到葉片結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響[18]。加硅處理后，F(xiàn)v較脅迫處理顯著增加，F(xiàn)v/Fm和Fv/Fo在Cd0.05+Si 處理時(shí)略有上升，在Cd0.10+Si 處理時(shí)顯著增加，這可能是由于加硅處理使葉綠體超微結(jié)構(gòu)變得完整[9]，提高了煙草葉片Mg 的含量[19]，使鎘脅迫條件下煙草葉片的光合色素含量增加[8]，進(jìn)而有利于光化學(xué)效率的提高。

2.3 硅對鎘脅迫下煙草葉片PSⅡ供體側(cè)的影響

相對可變熒光ΔVt的分析結(jié)果（圖3）表明，鎘脅迫下，在0.3 ms 特征位點(diǎn)處出現(xiàn)K 相的正向升高（ΔK＞0），葉綠素?zé)晒庵翟黾用黠@，K 相的出現(xiàn)主要是由于電子傳遞鏈中水的裂解過程被抑制和電子初級醌受體（QA）部分被抑制所造成的，可以作為放氧復(fù)合體（OEC）受損的特殊標(biāo)記[20]。也表明從Cd0.05處理到Cd0.10處理，葉片PSⅡ供體側(cè)受到的傷害程度逐漸增加，逐漸減弱了向下游提供電子的能力。加硅處理后，相對可變熒光ΔVt的變幅明顯減小，Cd0.05+Si 處理在0.3 ms 處的葉綠素?zé)晒猱a(chǎn)量與對照相比無明顯變化，Cd0.10+Si 處理在0.3 ms 處的葉綠素?zé)晒猱a(chǎn)量略高于對照。這說明加硅處理可以緩解鎘脅迫下電子從QA向QB傳遞的抑制作用，有利于維持放氧復(fù)合體的穩(wěn)定性，且Cd0.05+Si 處理的效果好于Cd0.10+Si 處理。

K 相相對可變熒光（Vk）、放氧復(fù)合體（OEC）也可以反映PSⅡ供體側(cè)的受損程度[21-22]。由表3 可知，與CK 相 比，Cd0.05和Cd0.10處 理 的Vk分 別 增 加11.76%和57.55%，OEC 分別降低5.10%和23.70%，差異均達(dá)到顯著水平，表明鎘處理使PSⅡ供體側(cè)受到傷害，且隨著鎘濃度的增加，傷害程度提高。這可能是由于錳簇復(fù)合體從放氧復(fù)合體上裂解出來[17]，導(dǎo)致水裂解系統(tǒng)受抑制，干擾了PSⅡ上放氧復(fù)合體的機(jī)能發(fā)揮[23]。與不加硅處理相比，Cd0.05+Si 處理和Cd0.10+Si 處理的Vk分別降低11.39%和28.74%，OEC 分別提高5.58%和24.77%，差異達(dá)顯著水平。這可能是由于硅可以促進(jìn)植物對Mn 的吸收[19，24]。而Mn作為放氧復(fù)合體的組成成分[25]，其含量的提高有利于放氧復(fù)合體的結(jié)構(gòu)恢復(fù)，降低受損程度，使水裂解反應(yīng)正常進(jìn)行，從而減輕了鎘脅迫對煙草葉片PSⅡ供體側(cè)的傷害。

2.4 硅對鎘脅迫下煙草葉片PSⅡ受體側(cè)的影響

由圖4 可知，鎘脅迫下，煙草葉片PSⅡ受體側(cè)受到傷害，電子傳遞發(fā)生變化。鎘脅迫下的J 相相對可變熒光（VJ）和QA還原速率（Mo）較CK 分別增加7.09%～31.70%和11.45%～57.30%，受體庫容量（Sm）在Cd0.05處理時(shí)變化不明顯，而在Cd0.10處理時(shí)明顯降低。煙草葉片電子傳遞到電子傳遞鏈Q(jìng)A-下游的電子的概率（ψo(hù)）和用于電子傳遞的量子產(chǎn)額（φEo）分別降低4.46%～19.91%和4.29%～20.19%，說明鎘脅迫下電子傳遞受到抑制。這可能是由于葉綠體是植物產(chǎn)生活性氧的重要部位，在鎘脅迫下導(dǎo)致葉綠體內(nèi)活性氧含量增加，活性氧會(huì)攻擊葉綠素和PSⅡ反應(yīng)中心的D1蛋白，從而影響光合電子的傳遞，損傷光合機(jī)構(gòu)[22]。鎘脅迫下加硅處理，可以緩解煙草葉片PSⅡ受體側(cè)受到傷害。在0.05 mmol·L-1鎘濃度下，各參數(shù)與CK 沒有明顯差異，在0.10 mmol·L-1鎘濃度處理下，VJ和Mo得到有效恢復(fù)，Sm、ψo(hù)和φEo與CK 差異不明顯。這表明硅可以減輕鎘脅迫對PSⅡ受體側(cè)的傷害，緩解鎘對煙草葉片電子傳遞的抑制作用。其原因可能是加硅處理提高了酶活性，降低活性氧含量[24，26]，緩解膜脂過氧化程度，減輕活性氧對類囊體膜和PSⅡ反應(yīng)中心D1蛋白的損傷所致。

表2 硅對鎘脅迫下煙草葉片可變熒光和光化學(xué)效率的影響①Tab.2 Effects of silicon on variable fluorescence and photochemical efficiency of tobacco leaves under cadmium stress

圖3 硅對鎘脅迫下煙草葉片相對可變熒光ΔVt的影響Fig.3 Effects of silicon on relative variable fluorescence ΔVt of tobacco leaves under cadmium stress

表3 硅對鎘脅迫下煙草葉片PSⅡ供體側(cè)參數(shù)的影響Tab.3 Effects of silicon on PSⅡdonor side parameters of tobacco leaves under cadmium stress

2.5 硅對鎘脅迫下煙草葉片PSⅡ反應(yīng)中心的影響

2.5.1 煙草葉片PSⅡ反應(yīng)中心數(shù)量

如 圖5 所 示，與CK 相比，Cd0.05和Cd0.10處 理 的煙草葉片單位面積PSⅡ有活性的反應(yīng)中心數(shù)量（RC/CSo）分別降低8.76%和23.81%，表明鎘處理使煙草葉片PSⅡ有活性的反應(yīng)中心數(shù)量顯著減少，阻礙了反應(yīng)中心色素分子對光能的吸收轉(zhuǎn)化；而加硅處理后，RC/CSo顯著提高，與不加硅處理相比，Cd0.05+Si 和Cd0.10+Si 處理分別提高8.80%和24.35%。這表明施用硅可增加單位面積有活性的PSⅡ反應(yīng)中心的數(shù)量，有利于反應(yīng)中心色素分子對光能的吸收利用。

2.5.2 煙草葉片單位PSⅡ反應(yīng)中心能量流參數(shù)

由表4 可知，鎘脅迫下，單位反應(yīng)中心對光能的吸收（ABS/RC）、捕獲（TRo/RC）以及耗散（DIo/RC）增加，與對照相比，Cd0.05處理的ABS/RC、TRo/RC 和DIo/RC 分別上升4.00%、4.13%和3.01%，差異不明顯，而Cd0.10處理的ABS/RC、TRo/RC 和DIo/RC分別上升20.35%、19.31%和25.56%，差異達(dá)到顯著水平。單位反應(yīng)中心用于電子傳遞的能量（ETo/RC）在鎘脅迫下降低，與對照相比，Cd0.05處理降低了0.44%，差異不明顯；Cd0.10處理降低了4.52%，差異達(dá)到顯著水平。這種變化趨勢與孟力力等[27]的試驗(yàn)結(jié)果一致，這可能是PSⅡ反應(yīng)中心發(fā)生了可逆失活，形成一個(gè)能量陷阱，能夠吸收光能，但不能用于推動(dòng)電子傳遞[20]。進(jìn)而也導(dǎo)致單位反應(yīng)中心用于熱耗散的能量（DIo/RC）增加，說明煙草葉片PSⅡ反應(yīng)中心的防御機(jī)制在鎘脅迫后啟動(dòng)，以熱能和熒光的形式將葉片中剩余的激發(fā)能耗散掉，造成煙草葉片對光能的利用率降低。加硅處理后，ABS/RC、TRo/RC 和DIo/RC 降低，ETo/RC 提高。Cd0.05+Si 處理下的各參數(shù)較Cd0.05處理略有提高，差異不明顯；Cd0.10+Si 處理較Cd0.10處理的ABS/RC、TRo/RC 和DIo/RC 分別降低13.78%、12.91%和18.16%，ETo/RC 提高3.33%，差異達(dá)到顯著水平。這表明加硅處理可以提高用于電子傳遞的能量，減少因熱耗散而損失的能量。

圖4 硅對鎘脅迫下煙草葉片PSⅡ供體側(cè)、受體側(cè)參數(shù)值相對于對照組數(shù)值百分比的影響Fig.4 Percentages of parameter value of PSⅡdonorand acceptor-side in tobacco leaves under cadmium stress comparing to the control

圖5 硅對鎘脅迫下煙草葉片RC/CSo的影響Fig.5 Effects of silicon on RC/CSo of tobacco leaves under cadmium stress

表4 對鎘脅迫下煙草葉片單位PSⅡ反應(yīng)中心能量流參數(shù)的影響Tab.4 Effects of silicon on energy fluxes per PSⅡreaction center of tobacco leaves under cadmium stress

2.6 硅對鎘脅迫下煙草葉片PSⅡ性能指數(shù)的影響

光合性能指數(shù)PIabs反映了PSⅡ系統(tǒng)的整體功能，包含了3 個(gè)獨(dú)立參數(shù)：RC/ABS、ψo(hù)和φPo，可以更準(zhǔn)確地反映植物光合機(jī)構(gòu)的狀態(tài)[27-28]。從圖6可知，鎘脅迫下PIabs極顯著降低，與CK 相比，Cd0.05處理的PIabs降低13.48%，Cd0.10處理降低51.65%，表明PSⅡ系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能受到損害。而加硅處理后，Cd0.05+Si 處理的PIabs較Cd0.05處理增加17.58%，Cd0.10+Si 處理較Cd0.10處理增加76.30%，差異達(dá)到顯著水平。這表明加硅處理可提高煙草葉片PSⅡ系統(tǒng)的整體性能，有利于光合作用的進(jìn)行。

3 結(jié)論

在室內(nèi)（自然光照和溫度）水培試驗(yàn)條件下，試驗(yàn)結(jié)果表明：①鎘脅迫可導(dǎo)致快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線發(fā)生變化，F(xiàn)o和最Fm顯著降低，Cd0.10處理出現(xiàn)K 相。Fv/Fm和PIabs降低，光合機(jī)構(gòu)受到破壞；加硅處理后，熒光動(dòng)力學(xué)曲線基本與對照重合，F(xiàn)v/Fm和PIabs提高，可減輕光合機(jī)構(gòu)受到的破壞。②鎘脅迫下煙草葉片PSⅡ供體側(cè)和受體側(cè)受到破壞，向下游提供電子的能力減弱，阻礙光合電子傳遞；加硅處理可以緩解煙草葉片PSⅡ供體側(cè)和受體側(cè)受到破壞，有利于光合電子的傳遞。③鎘脅迫可使單位PSⅡ反應(yīng)中心數(shù)量減少，能量流參數(shù)發(fā)生變化，使更多的能量用于熱耗散；加硅處理可增加單位PSⅡ反應(yīng)中心數(shù)量，優(yōu)化能量流參數(shù)，使更多的能量用于電子傳遞，緩解鎘對光合機(jī)構(gòu)的傷害，增強(qiáng)煙草對鎘脅迫的抗性。

圖6 硅對鎘脅迫下煙草葉片性能指數(shù)（PIabs）的影響Fig.6 Effects of silicon on performance index (PIabs) of tobacco leaves under cadmium stress

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