銅脅迫對菜豆幼苗葉綠素熒光及光合氣體交換的影響

馮漢青，魏 陽，焦青松，湯淑珍，賈凌云

（西北師范大學生命科學學院，甘肅 蘭州 730070）

隨著工業的迅速發展，重金屬污染所引起的環境問題越來越引起人們的重視.重金屬可進入水體—土壤—生物系統的循環中，進而被植物吸收并大量積累在其根、莖、葉等器官中，通過生物鏈進入人體危及人類健康［1］.

近年來，銅礦開采以及含銅殺蟲劑（藍礬、波爾多液等）的大量使用導致生態系統的銅污染問題越發嚴重［2］.有研究表明，銅脅迫會降低植物的呼吸作用、抑制淀粉酶和抗氧化酶類的活性、減緩細胞分裂，從而導致胚根和次生根數量減少、生長減緩和萌發抑制［3］.目前，銅對植物的毒害已成為植物及作物學家關注的焦點問題.

光合作用是綠色植物吸收光能，同化CO2，制造有機物并釋放出氧氣的過程，是植物合成有機物的重要生理學步驟，也是農作物產量的決定性因素.一些學者也探討了銅對植物光合作用的影響，證明銅脅迫能導致植物葉片光合速率和氣孔導度的降低；分離遭受銅脅迫的玉米內囊體膜，可發現光系統Ⅱ的電子傳遞速率較對照顯著降低［4－5］.

然而目前關于銅對于植物光合作用影響的研究多是反映光合作用的部分生理學特性，關于銅脅迫下植物光合的光能利用效率和氣體交換共同變化的研究相對較少.本文以重要的農作物菜豆為實驗材料，通過葉綠素熒光技術和氣體交換測量技術，分析了銅脅迫條件下菜豆幼苗葉片光合作用的變化情況，以為進一步了解農作物對重金屬脅迫的響應提供一定的借鑒.

1 材料和方法

1.1 植物材料的種植和處理

供試菜豆（Phaseolus vulgaris L.）為“農普”12號，購自廣州市農業科學研究院.先將種子用蒸餾水清洗，1%的次氯酸鈉消毒15min，再用蒸餾水充分清洗后進行萌發.挑選露白一致的菜豆種子種植培養，培養溫度為25℃，光照強度為100μmol／（m2·s），光照周期為16h光照／8h黑暗.選取生長2周齡、長勢相當的菜豆幼苗轉移至150mL的三角瓶中，加入100mL的Hoagland全營養液培養，適應24h后進行重金屬脅迫.將硫酸銅（CuSO4·5H2O）加入到Hoagland全營養液中，設置3個脅迫濃度梯度：0（對照），10，100mg／L，對菜豆幼苗脅迫24，48h后進行測定.每組至少3次重復.

1.2 葉綠素熒光參數的測定

采用脈沖調制式葉綠素熒光儀（PAM－2500Waltz，德國）對各組菜豆幼苗葉片的葉綠素熒光參數進行測定.將經過充分暗適應的菜豆幼苗葉片照射測量光，得到初始熒光最小熒光參數F0；接著打開飽和脈沖光，得到暗適應下最大熒光參數Fm.打開作用光，使得光合作用開始進行，并打開飽和脈沖，得到穩態熒光參數Ft和光下最大熒光參數F′m；關閉作用光，打開遠紅光，得到光適應下的最小熒光參數F′0.根據上述參數計算［6－7］：PSⅡ的最大量子參數Fv／Fm＝（Fm－F0）／Fm；光適應下葉片的最大光化學量子產率F′v／F′m＝（F′m－F′0）／F′m；光照狀態下PSⅡ的實際的量子效率ΦPSⅡ＝（F′m－Ft）／F′m）；光合電子傳遞速率RET；光化學淬滅系數qP＝（F′m－Ft）／（F′m－F0）和非光化學猝滅系數CNPQ＝Fm／F′m－1.

1.3 光合氣體交換生理參數的測定

應用美國PP Systems公司的TPS－2光合儀測定各個實驗組菜豆幼苗的光合生理指標.溫度維持在25℃，依照指導手冊分別測量Pn（凈光合速率）、Gs（氣孔導度）以及Ci（細胞間隙CO2濃度）.

1.4 數據處理

將各個生理參數與濃度處理做相關性分析.采用Excel和Origin6.0統計軟件完成原始實驗數據的處理和制圖.所有數據均采用平均值±標準差（n＝3）表示，其中P≥0.05和P＜0.05分別表示無顯著性和有顯著性差異.“＊”表明在統計學分析中具有顯著性差異（P＜0.05）.

2 結果與分析

2.1 銅脅迫對菜豆幼苗葉綠素熒光參數的影響

光適應下葉片的最大光化學量子產率（F′v／F′m）、PSⅡ的實際量子效率（ΦPSⅡ）、光合電子傳遞速率（RET）以及光化學猝滅系數（qP）在銅脅迫處理下表現出相似的變化趨勢.10mg／L和100mg／L的銅脅迫處理24h后，F′v／F′m，ΦPSⅡ，RET以及qP 和對照相比均無顯著性差異（見圖1），表明較短時間的銅脅迫未對植物的PSⅡ光能利用效率產生明顯的影響；但10mg／L和100mg／L的銅脅迫處理48h后，F′v／F′m，ΦPSⅡ，RET以及qP顯著下降（見圖1），表明銅脅迫時間的延長可導致光能利用效率的下降.

圖1 不同質量濃度和時間銅脅迫對菜豆幼苗葉綠素熒光參數的影響

葉片的非光學猝滅系數（CNPQ）在10mg／L和100mg／L銅脅迫處理24h后，較對照有所增加，但增加的并不顯著（見圖2）.銅脅迫處理48h導致CNPQ上升，其中10mg／L銅脅迫處理組上升的并不顯著，而100mg／L的銅脅迫處理組CNPQ顯著上升（見圖2）.表明隨著脅迫時間的延長，只有較高水平的銅才會導致PSⅡ吸收光能力的下降.

圖2 不同質量濃度和時間銅脅迫對菜豆幼苗非光學猝滅系數的影響

2.2 銅脅迫對菜豆幼苗氣體交換的影響

葉片的凈光合作用速率（Pn）在10mg／L和100mg／L的銅脅迫處理24h后顯著下降（見圖3F）；10mg／L和100mg／L銅脅迫48h處理組的Pn也同樣呈現出顯著下降的趨勢（見圖3F）.表明較低水平的銅脅迫已可以抑制菜豆幼苗的光合能力，且隨著脅迫濃度的增加和時間的延長，對光合能力的抑制逐漸增強.

10mg／L銅脅迫處理24h，Gs（氣孔導度）出現了一定程度的上升，但上升并不顯著；100mg／L銅脅迫處理24h，Gs和對照處于同一水平（見圖3G）.相似地，在10mg／L銅脅迫處理48h，Gs出現了并不顯著的上升；而100mg／L銅脅迫處理48h，Gs和對照處于同一水平（見圖3G）.細胞間二氧化碳濃度（Ci）在銅脅迫處理24h后沒有顯著性變化（見圖3H）；10mg／L銅脅迫處理24h，Gs出現了上升，但上升并不顯著；而100mg／L銅脅迫處理48h顯著提升了Ci的水平（見圖3H）.表明銅脅迫時間的延長所導致的光合速率下降和Gs無關，類似地，與Ci也不明顯相關.

圖3 不同質量濃度和時間的銅脅迫對菜豆幼苗光合生理指標的影響

3 討論與結論

10mg／L和100mg／L銅脅迫處理24h后，葉片的Pn值顯著下降，分別下降了67.6%和63.6%.植物光合固定CO2的水平取決于多種因素：首先，光反應階段為CO2的光合固定提供了能量和還原力，而CO2的吸收為其光合固定提供了原初底物，并最終通過RuBP羧化酶等相關酶類的輔助完成這一過程［8］.本研究發現，10mg／L和100mg／L銅脅迫處理24h后，Gs和Ci未發生顯著性變化.有研究表明，銅脅迫能夠降低黃瓜葉片的光合速率，但胞間CO2濃度變化不明顯［9］；銅脅迫降低了水稻葉片的光合速率，但并沒有顯著影響氣孔導度和胞間CO2濃度［10］.以上研究均表明，銅脅迫導致的光合速率受抑制的現象可能和葉片的光合氣體交換無直接關聯.我們的研究結果進一步顯示，在24h銅脅迫處理下，葉片的F′v／F′m，ΦPSⅡ，RET，qP 和CNPQ和對照相比均無顯著性差異，表明較短時間的銅脅迫也未對植物的光系統Ⅱ的光能利用效率產生明顯的影響.因此，在植物的CO2固定階段對銅脅迫更為敏感，其顯著性下降并非受到了光反應階段或底物的限制，而很可能是銅脅迫直接影響了與CO2光合固定相關的酶類的活性所致.Padua等的研究也發現，銅脅迫對于植物光合的抑制作用首先是通過影響暗反應中卡爾文循環的相關酶類開始的［11］.

在10mg／L和100mg／L的銅脅迫處理48h條件下，Pn下降較之在24h脅迫下更加劇烈：10mg／L和100mg／L的銅脅迫分別導致Pn下降了77.0%和73.8%.銅脅迫處理48h，葉片的F′v／F′m，ΦPSⅡ，RET，qP也顯著下降，CNPQ則在100mg／L的銅脅迫48h后顯著上升，表明銅脅迫時間的延長也開始導致了光系統Ⅱ光能利用效率的下降和所吸收光能的散失.Gs在銅脅迫48h后仍然沒有顯著性變化，Ci在100mg／L銅脅迫處理48h后甚至出現了上升，表明了銅脅迫時間的延長所導致的光合速率下降仍然和氣體交換無關.

綜上，銅脅迫下光合速率的下降可能主要由PSⅡ光能利用效率的下降和所吸收光能的散失，以及與CO2光合固定相關的酶類的活性降低所致，與葉片的光合氣體交換無直接關聯.本文可為農作物對重金屬脅迫的響應研究提供一定的參考.

［1］賈廣寧.重金屬污染的危害與防治［J］.有色礦冶，2004，20（1）：39－42.

［2］劉軍.銅對土壤中擬除蟲菊酯農藥主要環境行為影響及復合污染生態效應研究［D］.鎮江：江蘇大學，2009.

［3］甄泉，嚴密，楊紅飛，等.銅污染對野艾蒿生長發育的脅迫及傷害［J］.應用生態學報，2006，17（8）：1505－1510.

［4］楊麗麗，馮中濤，王寶山.銅脅迫對甜菜幼苗生長和光合特性的影響［J］.山東師范大學學報：自然科學版，2012（4）：120－123.

［5］SWARNA K，BHANUMATHI G，REDDY V B，et al.Copper stress induced alterations in the primary photosynthetic processes of maize leaves［J］.International Journal of Plant，Animal and Environmental Sciences，2012，2（3）：120－124.

［6］GENTY B，BRIANTAIS J M，BAKER N R.The relationship between the quantum yield of photosynthetic electron transport and quenching of chlorophyll fluorescence［J］.Biochim Biophys Acta，1989，990：87－92.

［7］BILGER W，BJ?RKMAN O.Role of the xanthophyll cycle in photoprotection elucidated by measurements of light－induced absorbance changes，fluorescence and photosynthesis in leaves of Hedera canariensis［J］.Photosynth Res，1990，25：173－185.

［8］龔春梅，寧蓬勃，王根軒，等.C3和C4植物光合途徑的適應性變化和進化［J］.植物生態學報，2009，33（1）：206－221.

［9］ALAOUI－SOSSéB，GENET P，VINIT－DUNAND F，et al.Effect of copper on growth in cucumber plants（Cucumis sativus）and its relationships with carbohydrate accumulation and changes in ion contents［J］.Plant Science，2004，166：1213－1218.

［10］LIDON F C，RAMALHO J C，HENRIQUES F S.Copper inhibition of rice photosynthesis［J］.Plant Physiol，1993，142：12－17.

［11］PADUAA M，CAVACOB A M，AUBERTC S，et al.Effects of copper on the photosynthesis of intact chloroplasts：interaction with manganese［J］.Physiologia Plantarum，2010，138（3）：301－311.