鎘脅迫對香椿幼苗生理特性的影響

偶 春,王澤璐，沈鐘媛,張 敏,姚俠妹

（1.阜陽師范大學 生物與食品工程學院 抗衰老中草藥安徽省工程技術(shù)研究中心，安徽 阜陽 236037；2.安徽建筑大學 建筑與規(guī)劃學院，安徽 合肥 230022）

近年來，重金屬污染土壤已經(jīng)引起全世界的廣泛關(guān)注，使得生態(tài)環(huán)境和人類身體健康都存在潛在風險[1]。鎘（Cd）是一種劇毒金屬，會對植物和哺乳動物等消費者造成嚴重的有害影響，它在土壤—植物系統(tǒng)中的循環(huán)具有高度的全球相關(guān)性[2]。土壤中的Cd主要來源是各種工業(yè)過程的排放物，以各種化學形式存在，其不穩(wěn)定性和對植物的有效性具有很大差異。與其它金屬相比，Cd具有較低的吸附系數(shù)，較高的土壤植物遷移率和較高的植物積累指數(shù)，很容易被植物富集并積聚在能夠食用的部分[3]。植物對Cd吸收主要是通過根吸收必要養(yǎng)分的特異性和非特異性轉(zhuǎn)運體[4,5]，減少養(yǎng)分吸收、抑制光合作用、植物生長和呼吸作用、改變抗氧化系統(tǒng)和膜功能等途徑，從而引發(fā)植物毒性，以及植物的氧化應(yīng)激和遺傳毒性。植物對Cd毒性的反應(yīng)隨品種、生長條件和暴露時間而變化。在Cd脅迫下，抗氧化防御系統(tǒng)的刺激、滲透調(diào)節(jié)、離子穩(wěn)態(tài)和信號分子的過量產(chǎn)生是植物對Cd耐受性的重要機制[6,7]。研究發(fā)現(xiàn)，Cd脅迫會降低植物幼苗光合色素含量，并對植物的PSI和PSⅡ產(chǎn)生影響，尤其對PSⅡ的抑制作用更為顯著[8,9]；一定程度的Cd脅迫可以增強抗氧化酶活性，清除活性氧，但在較高濃度Cd脅迫下，抗氧化防御酶系統(tǒng)性能下降，活性氧過量引起氧化損傷[10-11]。

香椿（Toona sinensis）是楝科多年生落葉喬木，又名椿花、香椿頭等。香椿原產(chǎn)于我國，主要分布在山東、安徽、河南、河南，河北等諸多省，是一種具有很高的營養(yǎng)、食用、藥用及材用價值的多用途樹種[12]。目前，有關(guān)香椿研究在重金屬和植物激素調(diào)控等生態(tài)適應(yīng)性方面的研究較少。因此，本研究從重金屬脅迫響應(yīng)機制方面著手，分析在不同濃度CdCl2處理下香椿幼苗生長變化和葉片光合生理特性。

1 材料與方法

1.1 材料培養(yǎng)與處理

本實驗采用香椿實生幼苗。種子浸泡消毒24 h后，于阜陽師范大學西湖校區(qū)溫室大棚內(nèi)進行播種栽植，待生長4個月后，選取生長狀態(tài)基本一致的香椿幼苗，連同根部整株自土中取出，放入清水中緩慢清洗后，移入容器中進行水培緩苗，待幼苗恢復正常生長后，進行不同濃度鎘脅迫處理，其中以CdCl2·H2O2形式提供鎘源，設(shè)置五個 CdCl2濃度梯度：0 （CK）、100、200、300 和400μmol/L。每濃度處理20株苗，3個重復，處理8 d后，進行相關(guān)形態(tài)和光合生理指標測定。

1.2 指標測定與方法

葉綠素含量測定采用乙醇提取法；H2O2含量測定使用H2O2試劑盒 （生工生物工程上海股份有限公司）；丙二醛（MDA）含量的測定采用硫代巴比妥酸法[13]；采用LI-6400XT便攜式光合作用測量系統(tǒng)測定光合生理指標，如凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）和氣孔導度（Gs）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS 19進行數(shù)據(jù)處理與分析。各項生理指標測定重復3次后取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘脅迫對香椿葉綠素含量的影響

植物在幼苗受到鎘脅迫威脅時，形態(tài)上出現(xiàn)黃化萎蔫現(xiàn)象，這是由于植物體內(nèi)葉綠素受阻所導致。如圖1所示，在100 μmol/L CdCl2脅迫處理下，香椿幼苗葉片的葉綠素a含量較CK增加了8.96%，葉綠素b含量和葉綠素總量較CK分別下降了6.83%和0.15%；在200μmol/L CdCl2脅迫下，葉綠素a、b和葉綠素總量對比CK都顯著下降了22.51%、20.58%和23.11%；而在300μmol/L CdCl2脅迫時，葉綠素b含量較CK有所增加12.55%，葉綠素a含量和葉綠素總量較CK有所減緩11.57%和2.47%。

圖1 CdCl2脅迫下對香椿葉片葉綠素的含量的影響

2.2 鎘脅迫對香椿H2O2含量的影響

圖2所示，施加不同濃度CdCl2對香椿葉片H2O2積累產(chǎn)生不同的效應(yīng)。正常條件下香椿外施100、200、300 和 400 μmol/L 濃度的 CdCl2，葉片H2O2含量分別較 CK提高 15.96%、67.72%、42.52%和45.54%；其中，在200 μmol/L濃度處理時H2O2含量增幅最大。

圖2 CdCl2脅迫對香椿葉片H2O2含量的影響

2.3 鎘脅迫對MDA含量的影響

如圖3所示，在不同濃度CdCl2脅迫處理條件下（0～400 μmol/L),香椿葉片 MDA 含量整體比CK高。香椿的MDA含量隨著CdCl2脅迫濃度的增加而增加，在100和200 μmol/L CdCl2脅迫下，較CK提高了34.20%和61.75%；而在中高濃度300和400 μmol/L CdCl2脅迫香椿MDA含量時，較CK增加了27.57%和36.72%，與施加100 μmol/L CdCl2濃度時差異不顯著。

圖3 鎘脅迫對香椿葉片MDA含量的影響

2.4 鎘脅迫對香椿葉片光合特性的影響

2.4.1 凈光合速率

香椿葉片的凈光合速率隨著CdCl2濃度的增加而降低（圖4），在 100 μmol/L CdCl2脅迫下，與CK對照下降了16.17%，在200 μmol/L處理下要比在100 μmol/L處理時下降趨勢顯著，對比CK下降了54.61%，但在中高濃度300和400 μmol/L時下降趨勢相對平緩，對比CK分別下降了52.98%和63.71%。

圖4 鎘脅迫對香椿葉片凈光合速率和蒸騰速率的影響

2.4.2 蒸騰速率

圖4所示，不同濃度Cd脅迫期間，香椿幼苗葉片的蒸騰速率與凈光合速率的變化趨勢基本一致。香椿葉片的蒸騰速率隨著CdCl2濃度的增加而降低，在 100 μmol/L CdCl2脅迫時，蒸騰速率降幅顯著，比CK下降了28.92%；在200、300和400μmol/L CdCl2脅迫時，降幅有所減緩，比CK分別下降49.63%、54.14%和59.80%，均與CK差異顯著。

2.4.3 氣孔導度

如圖5所示在不同濃度CdCl2脅迫處理的香椿幼苗葉片的氣孔導度，均低于對照CK，且隨著CdCl2濃度的增加，氣孔導度降幅減緩，在CdCl2濃度為100 μmol/L處理時下降顯著，比CK下降了42.71%； 而在 200、300和400 μmol/L濃度時下降趨勢相對平緩，與CK對比分別下降了和59.93%、64.17%、70.48%。

3 結(jié)論與討論

光合作用可以為植物生存提供有機物、能量和氧氣，是植物體內(nèi)重要的代謝過程，是植物賴以生長和生物量遞增所需的生理過程[14]。有研究證明，鎘是有效的光合抑制劑，鎘脅迫能抑制植物的光合作用，可以增強植物體內(nèi)葉綠素酶的活性，導致分解葉綠素捕獲光能的速度加快，從而使葉綠素含量低于正常值[15]。鎘脅迫可通過影響與光合有關(guān)的元素吸收或同化、改變色素含量、干擾葉片氣孔開閉行為等方面，進而影響植物的光合速率，使植物失綠、黃葉、生長減緩[16]。本試驗發(fā)現(xiàn)鎘脅迫能夠抑制植物光合作用，首先表現(xiàn)在葉綠素的降低和MAD含量的增加，以及光合氣體交換參數(shù)（Pn、Tr和Gs）隨著脅迫濃度的增加表現(xiàn)出下降趨勢。不同濃度的鎘處理到一定濃度時均會抑制香椿幼苗植株的生長，濃度增加，抑制作用變強[17]。本試驗發(fā)現(xiàn)，隨著CdCl2濃度的增加，H2O2和MDA的含量成上升的趨勢，可能是因為鎘脅迫導致香椿葉片產(chǎn)生和積累大量ROS無法及時清除，引發(fā)膜脂過氧化作用增強。鎘脅迫對受鎘毒害的植物體內(nèi)不僅會出現(xiàn)大量活性氧自由基，還會造成膜質(zhì)過氧化，MDA含量顯著升高，而POD、SOD和CAT等抗氧化酶能夠及時消除氧自由基，解除細胞遭受氧化脅迫的危險[18]。結(jié)合試驗對H2O2和MDA含量的分析結(jié)果可以推斷出鎘處理對香椿幼苗有嚴重毒害作用，在長期的鎘脅迫下，會對香椿幼苗的抗脅迫能力減弱，且隨著Cd2+濃度的增加會對香椿生長的抑制逐步加重，其觀賞品質(zhì)也在下降。鎘脅迫還會導致植物葉片萎黃、生長發(fā)育遲緩、根系生長受阻、養(yǎng)分代謝異常、產(chǎn)量和品質(zhì)下降以及其他的生理異常等[19,20]。

植物光合作用能力與蒸騰速率、凈光合速率和氣孔導度有著密切的關(guān)系，植物葉片是通過氣孔與外界進行氣體交換[21]。蒸騰速率是一定時間內(nèi)單位面積葉片上因蒸騰作用而損失掉的水分含量，蒸騰速率和凈光合速率與氣孔導度有直接相關(guān)關(guān)系，植物通過氣孔的開關(guān)來控制葉片的蒸騰速率，進而影響葉片的凈光合速率。本試驗發(fā)現(xiàn)在不同濃度Cd脅迫下香椿葉片的蒸騰速率和凈光合速率呈顯著下降趨勢，蒸騰速率降低是植物自我保護反應(yīng),它減少對水分吸收的同時也減少了對重金屬離子的吸收[22]。不同濃度Cd脅迫對香椿的氣孔導度的變化程度來看，隨著Cd脅迫的增加氣孔導度變小，進入香椿葉片細胞之間的CO2越多，說明光合作用所消耗的C變少，因此蒸騰速率與凈光合速率還有氣孔導度呈正相關(guān)關(guān)系，都隨著Cd脅迫的增加而呈下降趨勢。

綜上所述，鎘處理致使香椿幼苗葉片葉綠素含量降低，同時光合作用受損；MDA含量增加導致香椿細胞過氧化；凈光合速率、蒸騰速率以及氣孔導度隨著Cd2+濃度增加而降低。可知香椿在重金屬鎘脅迫下，香椿幼苗的生長會受到一定程度的破壞，但仍表現(xiàn)出較好的抗逆性，具有廣泛的應(yīng)用前景。