鎘對黃瓜嫁接苗葉綠素含量、氣體交換和葉綠素熒光參數的影響

張媛媛 黃遠 別之龍

（華中農業大學園藝林學學院，教育部園藝作物生物學重點實驗室，湖北武漢，430070）

鎘對黃瓜嫁接苗葉綠素含量、氣體交換和葉綠素熒光參數的影響

張媛媛 黃遠 別之龍

（華中農業大學園藝林學學院，教育部園藝作物生物學重點實驗室，湖北武漢，430070）

以津春2號自嫁苗、“超豐抗生王”和“黑籽南瓜”嫁接苗為材料，研究了0，5，10 mg/L Cd2+處理下，3種黃瓜嫁接苗氣體交換及葉綠素熒光參數的變化。研究結果表明，鎘處理降低了黃瓜葉片的葉綠素含量，抑制了葉片光合作用。其中“超豐抗生王”嫁接苗受抑制程度最大，其電子傳遞速率、凈光合速率等均下降，并且顯著低于自嫁苗?！昂谧涯瞎稀奔藿用缛~綠素含量維持在較高水平。

鎘 黃瓜 嫁接 葉綠素 氣體交換 葉綠素熒光

隨著城市工業化的迅速發展，鎘（Cd）已成為環境中為害較大的重金屬之一，其在植物體內大量積累可對植物造成毒害。研究發現，鎘能顯著降低植物葉綠素含量[1]、氣孔導度和光能的吸收及電子的傳遞等，從而降低植物的光合性能[2]。嫁接是提高植物抗逆性的有效措施之一，本試驗以不同砧木嫁接的黃瓜幼苗為材料，研究了不同濃度鎘離子對其葉綠素含量、氣體交換及葉綠素熒光參數的影響，以期為重金屬脅迫的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗處理

試驗在武漢市華中農業大學華中蔬菜分中心的玻璃溫室內進行。材料為“津春2號”（天津科潤黃瓜研究所選育）自嫁苗（J/J），“超豐抗生王”（鄭州果樹研究所選育）嫁接苗（C/J），“黑籽南瓜”（云南農作資源開發研究所提供）嫁接苗（H/J）（津春2號作接穗）。津春2號、“超豐抗生王”和 “黑籽南瓜”砧木種子分別于2007年9月10日，14日，17日播種在裝有基質的50孔穴盤中（草炭∶蛭石∶珍珠巖=2∶1∶1），津春2號接穗種子9月21日播種于70孔穴盤中，待接穗子葉展平后嫁接，采用插接的方法進行。嫁接苗成活后移栽至裝有20 LHoagland完全營養液的水培盆中，自然光下培養7 d后，更換營養液，用 0，5，10 mg/L的 CdCl2· 2.5H2O處理，每個處理重復3次，每重復12株，以津春2號自嫁苗作為對照。

1.2 測定方法

取黃瓜從上往下第1片完全展開葉，用SPAD計測定葉綠素含量；氣體交換參數參照史慶華等[4]的方法，用英國PP-systems公司生產的TPS-1型光合儀測定。葉綠素熒光參數的測定參照周艷虹等[3]的方法，用英國Hansatech公司生產的FMS-2型便攜式熒光儀測定。

2 結果與分析

2.1 不同鎘濃度處理對黃瓜嫁接苗葉綠素含量的影響

與正常植株相比，鎘脅迫顯著降低了3種嫁接苗的葉綠素相對含量（表1）。比較各濃度下3種嫁接苗的SPAD發現，“超豐抗生王”嫁接苗SPAD含量均為最低。而“黑籽南瓜”嫁接苗的SPAD在處理前與自嫁苗無顯著差異，但是在10 mg/L的鎘處理后，顯著高于自嫁苗。

2.2 不同鎘濃度處理對黃瓜嫁接苗葉綠素熒光參數的影響

鎘處理后，自嫁苗ETR呈逐漸下降的趨勢 （表1），“超豐抗生王”和“黑籽南瓜”嫁接苗ETR表現為先顯著下降后小幅度上升。與自嫁苗相比，“超豐抗生王”嫁接苗不同濃度下的ETR均顯著低于自嫁苗，而“黑籽南瓜”嫁接苗在未處理濃度下與自嫁苗無明顯差異，在5 mg/L下顯著低于自嫁苗，但是在10 mg/L時與自嫁苗相差不大。

隨著鎘濃度的上升，3種嫁接苗的Fv/Fm均呈下降趨勢，其中“超豐抗生王”嫁接苗下降幅度最大，接近12%，而“黑籽南瓜”嫁接苗下降最少。正常生長條件下，3種嫁接苗Fv/Fm值無顯著差異，而鎘處理后，“超豐抗生王”嫁接苗顯著低于另外2種嫁接苗，在高濃度下，“黑籽南瓜”嫁接苗Fv/Fm值最高。

隨著鎘離子濃度的增加，自嫁苗與“超豐抗生王”嫁接苗的φPSII呈逐漸遞減的趨勢，“黑籽南瓜”嫁接苗則先顯著遞減后上升恢復到對照水平，其中“超豐抗生王”嫁接苗在高濃度下的φPSII降低了約30%。此外數據還顯示，在Cd2+濃度10 mg/L處理下，φPSII值表現為“黑籽南瓜”嫁接苗>自嫁苗>“超豐抗生王”嫁接苗。

鎘處理后，“超豐抗生王”嫁接苗qP顯著降低，自嫁苗在10 mg/L時下降達顯著水平，而“黑籽南瓜”嫁接苗并無顯著變化。正常條件下，三者的qP相差不大。5 mg/L和0 mg/L處理下，“超豐抗生王”嫁接苗的qP均顯著低于自嫁苗和“黑籽南瓜”嫁接苗，而后二者間無顯著差異。隨著鎘處理濃度的增加，自嫁苗的qNP變化不顯著（表1）。“超豐抗生王”嫁接苗的qNP在10 mg/L時顯著增加了101.1%。“黑籽南瓜”嫁接苗則先顯著上升后顯著下降。正常生長條件下，三者qNP值相差不大，10 mg/L時“超豐抗生王”嫁接苗>自嫁苗>“黑籽南瓜”嫁接苗。

2.3 不同鎘濃度處理對黃瓜嫁接苗氣體交換參數的影響

表2顯示，鎘處理后，自嫁苗Pn與對照相比無顯著變化，“超豐抗生王”嫁接苗和“黑籽南瓜”嫁接苗的Pn值則顯著低于對照。正常條件以及5 mg/L處理下，三者的Pn值無顯著差異，但在10 mg/L時超嫁苗Pn值顯著低于自嫁苗和“黑籽南瓜”嫁接苗。

鎘處理后，3種嫁接苗的Gs均顯著降低（表2）。其中“黑籽南瓜”嫁接苗的Gs最低，顯著低于自嫁苗，而“超豐抗生王”嫁接苗的Gs與自嫁苗無顯著差異。

鎘處理后，自嫁苗的Evap無顯著變化，“超豐抗生王”嫁接苗的Evap值先顯著下降后恢復到正常水平，而“黑籽南瓜”嫁接苗的Evap則先保持不變后顯著上升。各濃度下自嫁苗和“超豐抗生王”嫁接苗的Evap間無顯著差異，而“黑籽南瓜”嫁接苗的Evap在0 mg/L和5 mg/L時均低于自嫁苗，但是在10 mg/L時卻顯著高于自嫁苗。

處理前后，自嫁苗和“黑籽南瓜”嫁接苗的Ci基本保持不變，而“超豐抗生王”嫁接苗的Ci則呈上升趨勢，且在10 mg/L時顯著高于未處理時。5 mg/L和10 mg/L時，“超豐抗生王”嫁接苗的Ci顯著高于自嫁苗和“黑籽南瓜”嫁接苗，其中10 mg/L時，“超豐抗生王”嫁接苗>自嫁苗>“黑籽南瓜”嫁接苗，而且差異達顯著水平。

3 小結與討論

3.1 葉綠素和葉綠素熒光參數

葉綠素含量降低是植物重金屬毒害的普遍表現，大量研究發現鎘處理會導致葉片變黃，關于鎘脅迫導致葉片黃化的原因，目前有3種觀點：一是Cd脅迫導致Fe、Mg等元素的虧缺[5]，二是Cd脅迫間接抑制了葉綠素的生物合成[6]，三是Cd抑制葉綠體的合成而間接導致失綠癥[7]。本試驗中也發現鎘處理后3種黃瓜嫁接苗的相對葉綠素含量均降低，“超豐”嫁接苗表現最為明顯，其次是自嫁苗，“黑籽南瓜”嫁接苗葉綠素含量最高，所受影響較小。

表1 鎘對黃瓜嫁接苗相對葉綠素含量（SPAD），熒光參數（ETR，Fv/Fm，Fv'/Fm'，qP，qNP）的影響

Fv/Fm和Fv'/Fm'表示PSII最大光化學量子產量和PSII有效光化學量子產量，分別反映了PSII反應中心的光能轉化效率和開放的PSII反應中心原初光能捕獲效率[8]。表1數據顯示，鎘顯著降低了“超豐抗生王”嫁接苗的Fv/Fm和Fv'/Fm'，表明Cd2+導致超嫁苗PSII反應中心受損，抑制了光合作用的原初反應，阻礙其光合電子傳遞，這可能與其葉綠素合成受到顯著抑制有關。

qP和qNP為光化學猝滅和非光化學猝滅，分別反映PSII天線色素吸收的光能用于光化學電子傳遞的份額和不能用于光合電子傳遞而以熱形式耗散掉的部分[8]。本試驗發現自嫁苗和“超豐抗生王”嫁接苗在鎘處理后qP下降，qNP維持較高水平，表明葉片電子由PSII的氧化側向PSII反應中心的傳遞受阻，用于進行光合作用的電子減少，以熱或其他形式耗散的光能增加，同時卡爾文循環的活性受抑制程度增大，能量利用率降低?！昂谧涯瞎稀奔藿用缭阪k脅迫下，qP保持不變，qNP值先升后降，表明其PSII的電子傳遞活性較大，卡爾文循環的活性較強。有研究認為，qNP的變化與葉黃素循環有關[9]，重金屬離子脅迫下不同嫁接苗qNP表現差異可能是由于葉黃素循環過程不同而引起的，有待進一步證明。

3.2 氣體交換

鎘處理后葉片的Pn降低（表2），“超豐抗生王”降低最為明顯，葉綠素含量降低可能是引起嫁接苗葉片光合速率下降的原因之一。

通常認為，導致光合作用降低的因子包括氣孔限制和非氣孔限制。研究認為，Ci值的大小是判斷氣孔限制和非氣孔限制的依據，Pn、Gs和Ci值同時下降時，Pn的下降為氣孔限制。相反如果葉片Pn的降低伴隨著Ci值的增加，說明光合作用的限制因素是非氣孔限制[10]。通過比較發現自嫁苗和“黑籽南瓜”嫁接苗的光合作用限制是由氣孔限制導致，由于氣孔導度的下降使得CO2供應不足，導致光合速率降低。“超豐抗生王”嫁接苗的光合作用的限制由非氣孔限制引起，不是由于CO2供應不足，而可能是鎘通過影響光合機構或暗反應酶活性來影響光合作用。

蒸騰速率的高低在一定程度上可反映植物體內水分狀況，表2可以看出10 mg/L Cd2+濃度下 “黑籽南瓜”嫁接苗的蒸騰速率顯著高于自嫁苗和“超豐抗生王”嫁接苗，表明在高濃度鎘脅迫下“黑籽南瓜”嫁接苗體內水分狀況依舊可以維持植物正常的生理代謝。

表2 鎘脅迫下黃瓜嫁接苗氣體交換參數Pn，Gs，Evap，Ci的變化

[1]胡彥，陳沁，鄧志瑞，等．辣椒光合系統對重金屬Cd2+脅迫的響應[J]．上海大學學報：自然科學版，2005，11（5）：531-534.

[2]朱建玲，徐志防，曹洪麟，等．鎘對南美蟛蜞菊光合特性的影響[J]．生態環境，2008，17（2）：657-660.

[3]周艷虹，黃黎鋒，喻景權.持續低溫弱光對黃瓜葉片氣體交換、葉綠素熒光猝滅和吸收光能分配的影響[J].植物生理與分子學報，2004，30（2）：153-160.

[4]史慶華，朱祝軍，應泉盛，等.不同光強下高錳對黃瓜光合作用特性的影響[J].應用生態學報，2005，6（16）：1 047-1 050.

[5]Polle A,Schützendübel A.Heavy metal signalling in plants: linking cellular and organismic responses//Hirt H,Shinozaki K,et al.Plant responses to abiotic stress[M].Berlin：Springer-Verlag,2004,187-215.

[6]Schützendübel A,Polle A.Plant response to abiotic stresses:heavy metal-induced oxidative stress and protection by mycorrhization[J]．J.Exp.Bot.，2002，53：1 351-1 365.

[7]Pietrini F,Iannelli M A,Pasqualini S,et al．Interaction of cadmium with glutathione and photosynthesis in developing leaves and chloroplasts ofPhragmites australis(Cav.)Trin. ex Steudel[J].Plant physiol.2003,133：829-837.

[8]張守仁.葉綠素熒光動力學參數的意義及討論[J]．植物學通報，1999，16（4）：444-448.

[9]馮志立，馮玉龍，曹坤芳．光強對砂仁葉片光合作用光抑制及熱耗散的影響[J].植物生態學報，2002，26（1）：77-82. [10]孫光聞，朱祝軍，方學智，等．鎘對小白菜光合作用以及葉綠素熒光參數的影響[J]．植物營養與肥料學報，2005，11（5）：700-703.

Effect of Cadmium on the Chlorophyll Content,Gas Exchange and Chlorophyll Fluorescence Parameters of Grafted Cucumber Seedlings

ZHANG Yuanyuan,HUANG Yuan,BIE Zhilong
(College of Horticulture and Forestry,Huazhong Agricultural University/Key Laboratory of Horticultural Plant Biology, Ministry of Education,Wuhan 430070)

Effect of different Cd2+concentrations on the chlorophyll content,gas exchange and chlorophyll fluorescence parameters were investigated in grafted cucumber seedlings,and the materials were"Jinchun No.2",grafted "Chaofengkangshengwang"and"Heizi pumpkin".The results showed that photosynthetic performance of all graftedseedlings decreased under cadmium stress.However,ETR and Pn of grafted"Chaofengkangshengwang"were significantly lower than the other grafted plants.In contrast,higher chlorophyll content and ETR of grafted"Heizin pumpkin"were observed,suggesting that the Calvin Cycle and energy utilization were maintained at a high level in these plants under cadmium stress.

Cadmium;Cucumber;Grafting;Chlorophyll;Gas exchange;Chlorophyll fluorescence

10.3865/j.issn.1001-3547(x).2009.02.012

國家科技支撐計劃（2006BAD17B08）、武漢市科技攻關項目（200820422171）

張媛媛（1985-），女，碩士研究生，研究方向為設施栽培生理。

別之龍（1970-），通信作者，男，華中農業大學教授，博士，主要從事設施栽培與生長發育調控研究。E-mail:biezl001@yahoo.com.cn

2009-01-14