甜高粱對(duì)鎘脅迫的生理生化響應(yīng)及鎘富集研究

郝正剛, 趙會(huì)君, 魏玉清, 曾周琦, 王志恒

(北方民族大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院, 銀川 750021)

土壤重金屬污染是全球面臨的重大環(huán)境污染之一。近年來，由于工業(yè)“三廢”的不科學(xué)排放，使得土壤重金屬含量顯著增加[1]。目前，我國(guó)鎘(Cd)污染情況比較嚴(yán)重，2014年《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》指出，我國(guó)耕地土壤點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)到了19.4%，其中重金屬鎘污染點(diǎn)位超標(biāo)率占了7.0%，位居無機(jī)污染物超標(biāo)率第一位[2]。劉鳳蓮等[3]調(diào)查分析指出，寧夏農(nóng)村土壤鎘含量平均值為0.187 mg·kg-1，高于《中國(guó)土壤元素背景值》中寧夏地區(qū)的0.112 mg·kg-1，鎘含量超標(biāo)倍數(shù)為1.67，說明寧夏農(nóng)村土壤鎘元素也有富集現(xiàn)象。

重金屬鎘不是植物生長(zhǎng)所必需的元素，但是被吸收后會(huì)在植物體內(nèi)積累，最終有可能通過食物鏈進(jìn)入人體，對(duì)人類的健康造成危害[4-5]。20世紀(jì)40年代，日本富士山縣神通川流域發(fā)生的“痛痛病”事件就是人類食用了含鎘的大米所致[6]。因此，為了人類健康，修復(fù)被重金屬污染的土壤顯得尤為重要，但是常規(guī)的物理、化學(xué)等方法對(duì)土壤破壞力度大、成本高、費(fèi)用昂貴。相比之下，生物修復(fù)以對(duì)土壤破壞力度小、安全性高、成本低的優(yōu)點(diǎn)越來越受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注[7]。近年來，關(guān)于蜈蚣草(Pterisvittata)、向日葵(Helianthusannuus)、芥菜(Brassicajuncea)等植物修復(fù)重金屬污染的研究較多，但有關(guān)甜高粱(SorgghumbicolorL. Moench)的報(bào)道甚少[8]。甜高粱具有生物產(chǎn)量高、適應(yīng)性強(qiáng)、耐鹽堿等特性，其作為一種新興的生物質(zhì)能源作物受到廣泛重視[1]。相關(guān)研究主要報(bào)道了鎘脅迫對(duì)甜高粱種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)、抗氧化酶活性、光合參數(shù)、超微結(jié)構(gòu)及微量元素吸收的影響[9]。在前人研究基礎(chǔ)上，本研究以甜高粱為對(duì)象，通過盆栽水培，探討了鎘脅迫對(duì)甜高粱生長(zhǎng)、生理生化的影響及甜高粱對(duì)重金屬吸收效應(yīng)，旨在為利用邊際性土地和重金屬污染土壤發(fā)展能源作物甜高粱提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為甜高粱雜交品種遼甜1號(hào)，由遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用盆栽試驗(yàn)方法，于2018年在北方民族大學(xué)植物逆境生理室進(jìn)行。選取大小均勻、健康飽滿的種子，自來水反復(fù)沖洗后，用10%次氯酸鈉消毒10 min。常溫下，用滅菌水沖洗并浸泡8 h，擺放在鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿中，置于27 ℃ 恒溫生化培養(yǎng)箱內(nèi)催芽。將催芽后的種子移至裝有等量石英砂(直徑約為0.3 cm)的塑料花盆(11.7 cm×7.7 cm×10.7 cm)中，每盆8粒種子，置于28 ℃、光照周期為13 h/11 h(晝/夜)的光照培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行光照培養(yǎng)。待苗高為3葉1心時(shí)，每盆定苗6株，并轉(zhuǎn)至自然光條件下培養(yǎng)。培養(yǎng)過程中，每周更換1次Hoagland營(yíng)養(yǎng)液。培養(yǎng)4周后，將幼苗隨機(jī)分成4組，每組6盆即重復(fù)6次。以鎘溶液(CdCl2·2.5H20)模擬重金屬脅迫環(huán)境，共設(shè)置5個(gè)梯度水平：CK(0 μmol·L-1)、T1(50 μmol·L-1)、T2(100 μmol·L-1)、T3(200 μmol·L-1)、T4(300 μmol·L-1)，每組加處理液2 L，脅迫過程中，根據(jù)墑情補(bǔ)加等量的營(yíng)養(yǎng)液和水。分別在處理的第3、7、11 d采樣，測(cè)定葉片的保護(hù)酶活性，并對(duì)處理后第3 d的葉片采用垂直板聚丙烯酰胺凝膠電泳(PAGE)進(jìn)行同工酶分析；于第30 d測(cè)定葉綠素含量、光合參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)和凈光合速率(net photosynthetic rate，Pn)對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)曲線；第31 d測(cè)定生物量，并對(duì)地上部和地下部進(jìn)行前處理，用于鎘含量的測(cè)定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1保護(hù)酶活性的測(cè)定及同工酶分析 稱取0.5 g鮮葉，在冰浴條件下加酶提取液0.1 mol·L-1Tris-HCl緩沖液[每100 mL含半胱氨酸0.073 g、抗壞血酸0.105 g、乙二胺四乙酸二鈉(Na2-EDTA) 0.075 g、甘油10 mL、1mol·L-1HCl 5.84 mL，pH 8.0]2 mL，快速研磨至勻漿。然后在4 ℃下，于低溫冷凍離心機(jī)中13 000 r·min-1離心20 min，上清液即為酶提取液。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性測(cè)定采用邵從本等[10]方法；過氧化物酶(peroxidase，POD)活性測(cè)定采用李合生[11]方法；過氧化氫酶(catalase，CAT)活性測(cè)定采用李仕飛等[12]方法；抗壞血酸過氧化物酶(ascorbate peroxidase，APX)活性測(cè)定參照孫云[13]方法。

同工酶分析：分離膠濃度CAT為7.5%，POD、SOD、APX為10%；濃縮膠濃度為3%。SOD同工酶染色采用四氮哇藍(lán)NBT法[14]；POD同工酶染色采用聯(lián)苯胺法[14]；CAT同工酶染色采用淀粉法[15]；APX同工酶染色參考文獻(xiàn)[16-17]方法。

遷移率(Band RF)=固定染色后凝膠中酶蛋白區(qū)帶的遷移距離/固定染色中指示劑的遷移距離。

1.3.2葉綠素及光合參數(shù)的測(cè)定 葉綠素含量的測(cè)定：參照陳福明等[18]的混合液提取法。

光合參數(shù)及響應(yīng)曲線的測(cè)定：選擇生長(zhǎng)健康、完全展開的甜高粱葉片，于上午09:00—11:00采用LI-6400XT便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)(美國(guó)LI-COR公司)進(jìn)行測(cè)定，每處理取3次重復(fù)。光合參數(shù)凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(stomatal conductance，Gs)、胞間CO2濃度(intercellular CO2concentrations，Ci)、蒸騰速率(net photosynthetic rate，Tr)在控制條件下進(jìn)行，設(shè)定光強(qiáng)(photosynthetic active radiation intensity，PAR)為1 000 μmol·m-2·s-1固定紅藍(lán)光源，F(xiàn)low為500 μmol·s-1，CO2R為400 μmol·mol-1，Temp為25 ℃，等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后開始記錄數(shù)據(jù)。測(cè)定光響應(yīng)曲線時(shí)，采用自動(dòng)測(cè)量程序，使用CO2注入系統(tǒng)濃度控制為(CO2R)400 μmol·mol-1，光強(qiáng)由強(qiáng)到弱依次設(shè)定PAR為2 000、1 500、1 200、1 000、750、500、250、150、100、60、20、0 μmol·m-2·s-1，Temp為20 ℃，測(cè)定脅迫下葉片的Pn，測(cè)定前用800 μmol·m-2·s-1冷光源誘導(dǎo)20 min，在每個(gè)光強(qiáng)下平衡120～300 s后開始測(cè)定。

熒光參數(shù)的測(cè)定：采用LI-6400XT便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)的熒光葉室進(jìn)行測(cè)定，選擇生長(zhǎng)健康、完全展開的甜高粱葉片，全部做標(biāo)記后，暗適應(yīng)一個(gè)晚上，測(cè)定原初光能轉(zhuǎn)換效率(Fv/Fm)，然后在自然光下活化，測(cè)定Fs、Fm′和Fo′，計(jì)算光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)、光合電子傳遞效率(φPSⅡ)、非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)。

1.3.3生物量及鎘元素含量的測(cè)定 將甜高粱苗從花盆中移除，用剪刀使地上部與地下部分離，量取地上部長(zhǎng)度即株高(cm)，用電子天平稱取地上部鮮重(g)。將地上部與地下部用20 mmol·L-1Na2-EDTA 浸泡 1 h，除去根表面粘附的金屬離子，然后用自來水沖洗3遍，再用蒸餾水沖洗2遍，隨后在105 ℃殺青 30 min，在80 ℃下烘干至恒重，稱取地上部干重(g)與地下部干重(g)。

將烘干至恒重的地上部與地下部分別用粉碎機(jī)粉碎并過60目篩，稱取0.5 g樣品置于微波消解儀(MARS5，美國(guó)CEM公司)襯罐內(nèi)，按順序滴加3 mL超純水、5 mL優(yōu)級(jí)純濃硝酸、2～3滴H2O2，加蓋后置于SEM微波消解爐里，消解結(jié)束經(jīng)放氣后取出內(nèi)襯罐，將消解液用定量濾紙過濾并定容至50 mL搖勻，最后用全譜直讀等離子體發(fā)射光譜儀(iCAP 6300，美國(guó)Thermo Fisher SCIENTIFIC公司)測(cè)定分析鎘元素的含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)采用3個(gè)重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差，利用 Microsoft Excel 2003和GraphPad Prism 5.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和方差分析,采用SPSS Statistics 21擬合光響應(yīng)曲線，采用經(jīng)典的Farquhar模型來擬合[19]，具體操作參照陸燕元等[20]的方法，該模型的理論公式如下。

式中，Pn為凈光合速率，I為光合有效輻射強(qiáng)度，φ為表觀量子效率，Pmax為最大凈光合速率，Rd為暗呼吸速率，θ為非直角雙曲線的凸度(曲角)。

在低光強(qiáng)下，Pn隨I的增加呈線性增高，通過對(duì)200 μmol·m-2·s-1以下所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行直線回歸分析，得出的線性方程與X軸的交點(diǎn)數(shù)值即為光補(bǔ)償點(diǎn)(light compensation point，LCP)，而與Pmax的交點(diǎn)在X軸上的數(shù)值則為光飽和點(diǎn)(light saturation point，LSP)。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘脅迫對(duì)甜高粱生長(zhǎng)的影響

表1顯示，甜高粱幼苗在不同濃度的鎘處理下，地上部鮮重、株高、地上部干重、地下部干重有不同的響應(yīng)。總體表現(xiàn)為各指標(biāo)隨著鎘濃度的增加呈降低的趨勢(shì)。各處理組較對(duì)照組均有顯著差異(P<0.05)，T4處理下生物量降至最低，地上部鮮重、株高、地上部干重、地下部干重較對(duì)照分別降低了55.41%、24.66%、56.50%、71.57%。

表1 鎘脅迫對(duì)甜高粱生長(zhǎng)的影響Table 1 Effects of cadmium sress on the growth of sweet sorghum

2.2 鎘脅迫對(duì)甜高粱抗氧化酶的影響

2.2.1不同處理下抗氧化酶活性 由圖1可知，鎘脅迫下，甜高粱幼苗超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(抗壞血酸APX)活性的響應(yīng)不同。SOD活性隨鎘濃度升高呈先上升后下降的趨勢(shì)，且隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，處理組顯著高于對(duì)照(P<0.05)。POD活性在處理第3、11 d隨鎘濃度升高呈上升的趨勢(shì)，而在第7 d呈先上升后下降的趨勢(shì)；脅迫期間，T1處理與對(duì)照差異不顯著，而T2、T3、T4處理與對(duì)照差異顯著(P<0.05)。CAT活性隨鎘濃度升高呈下降的趨勢(shì)，且伴隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，處理組顯著低于對(duì)照(P<0.05)。APX活性在脅迫第3 d，隨著鎘濃度升高呈先下降后上升再下降的趨勢(shì)，處理組與對(duì)照無顯著性差異；在脅迫第7 d，隨著鎘濃度升高呈先下降后上升的趨勢(shì)，T1和T2處理較對(duì)照差異顯著(P<0.05)；在脅迫的第11 d，隨著鎘濃度升高呈下降的趨勢(shì)，各處理組與對(duì)照組均有顯著差異(P<0.05)。

2.2.2脅迫早期過氧化物同工酶電泳結(jié)果 對(duì)脅迫第3 d的甜高粱葉片進(jìn)行抗氧化同工酶分析，結(jié)果見圖2。在SOD同工酶方面，處理組的S5、S4、S3條帶較對(duì)照組色度加深；T2、T3處理下出現(xiàn)了新的S2條帶，且隨著處理濃度的增加，色度先加深后消失；而S1則隨著處理濃度的增加色度先變淺后加深，其中T1處理色度最淺，這與脅迫下SOD酶活性的測(cè)定結(jié)果一致。在POD同工酶方面，處理組的P9、P8、P7、P6、P5條帶較對(duì)照亮度加深；P4、P3、P1條帶均隨著處理濃度的增加亮度先加深后變淺，其中P4、P3在T3處理下亮度最深，P1條帶在T1處理下最深；而P2條帶在CK、T4處理下無表達(dá)，在T3處理下亮度最深，這也進(jìn)一步證實(shí)了脅迫下POD酶活性呈上升的趨勢(shì)。在APX同工酶方面，A6、A5、A4、A3、A2條帶均隨著處理濃度的增加，亮度先加深后變淺再加深，其中于T1處理亮度最深；而A1條帶則隨著處理濃度的增加亮度先變淺后加深再變淺，其中在T2處理下亮度最深。在CAT同工酶方面，C2、C1條帶處理組較對(duì)照組亮度均變淺，其中C2條帶在T2處理下亮度最淺，而C2在T3處理下亮度最淺，這與脅迫下CAT酶活性呈下降趨勢(shì)的結(jié)果一致。

2.3 鎘脅迫對(duì)甜高粱光合作用的影響

2.3.1對(duì)甜高粱葉綠素含量的影響 由圖3可知，鎘脅迫下，甜高粱葉片葉綠素a、b及a+b的含量隨著鎘濃度的增加而降低，處理組與對(duì)照組相比差異均顯著(P<0.05)，其中T4處理下降至最低，較對(duì)照分別降低了63.21%、67.61%、64.34%。葉綠素a/b隨著鎘濃度的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)，處理組與對(duì)照組相比差異均顯著(P<0.05)，其中在T3處理下最高，較對(duì)照升高了17.24%。

2.3.2對(duì)甜高粱葉片光合參數(shù)的影響 由圖4可知，鎘脅迫會(huì)嚴(yán)重影響甜高粱葉片光合作用的進(jìn)行。凈光合速率(Pn)隨著鎘濃度的增加而呈降低的趨勢(shì)，其中T1處理與對(duì)照無顯著性差異，T2、T3、T4處理較對(duì)照差異均顯著(P<0.05)，分別降低了31.05%、45.29%、61.24%。氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)隨著鎘濃度的增加也呈降低的趨勢(shì)，處理組與對(duì)照組相比差異均顯著(P<0.05)。隨著鎘濃度的增加，胞間CO2濃度(Ci)呈上升的趨勢(shì)，T1處理與對(duì)照無顯著性差異，其他處理較對(duì)照差異均顯著(P<0.05)。

2.3.3對(duì)甜高粱葉片熒光參數(shù)的影響 葉綠素?zé)晒鈪?shù)是被用來描述植物光合系統(tǒng)生理狀況和葉綠素結(jié)構(gòu)狀態(tài)的指標(biāo)。由圖5可知，葉片原初光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)隨著鎘濃度的增加呈下降的趨勢(shì)，其中T3、T4處理較對(duì)照均有顯著性差異(P<0.05)。光合電子傳遞效率(φPSⅡ)隨著鎘濃度的增加也呈降低的趨勢(shì)，其中T2、T3、T4處理較對(duì)照分別降低了18.82%、34.71%、61.35%，且均有顯著差異(P<0.05)。而非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)則隨著鎘濃度的增加呈上升的趨勢(shì)，其中T1、T2處理較對(duì)照無顯著差異，T3、T4較對(duì)照分別上升了84.41%、90.32%，且均有顯著差異(P<0.05)。

2.3.4對(duì)甜高粱幼苗葉片光合響應(yīng)曲線變化及相關(guān)參數(shù)的影響 圖6顯示，光強(qiáng)PAR在0～500 μmol·m-2·s-1左右時(shí)，凈光合速率Pn快速上升，當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到500 μmol·m-2·s-1左右時(shí)上升的幅度較弱。PAR在200 μmol·m-2·s-1以下時(shí)，各處理下光響應(yīng)曲線都呈線性增長(zhǎng)，其中直線方程的斜率為表觀量子效率(φ)，主要反映甜高粱葉片對(duì)弱光的利用能力。對(duì)各處理下的葉片光響應(yīng)曲線的變化趨勢(shì)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，T1、T2處理較對(duì)照無顯著差異，而T3、T4較對(duì)照具有顯著差異(P<0.05)。

由表2可以看出，鎘脅迫下甜高粱葉片最大凈光合速率(Pmax)、表觀量子效率(φ)、暗呼吸速率(Rd)、光飽和點(diǎn)(LSP)均隨著鎘濃度的增加呈降低的趨勢(shì)。其中，各處理組的Pmax較對(duì)照均有顯著性差異(P<0.05)，分別降低了31.05%、38.13%、70.83%、84.15%。T3、T4處理下φ、Rd較對(duì)照均有顯著性差異(P<0.05)，φ分別降低了50.00%、83.33%，Rd分別降低了37.31%、55.22%。T2、T3、T4處理下LSP較對(duì)照均有顯著性差異(P<0.05)，分別降低了25.71%、43.32%、51.81%。而鎘脅迫下甜高粱葉片光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)隨著鎘濃度的增加呈上升的趨勢(shì)，其中T4處理較對(duì)照升高了89.29%，且具有顯著性差異。

表2 鎘脅迫對(duì)甜高粱葉片光合響應(yīng)曲線相關(guān)參數(shù)的影響Table 2 Effects of cadmium stress on related parameters of photosynthetic response curves of sweet sorghum leaf

2.4 甜高粱對(duì)鎘的富集特征

富集量(地上部、地下部生物量(干重)與其鎘濃度的乘積)和富集率(地上部、地下部富集量占處理液鎘含量的百分比)均可以反映甜高粱在鎘脅迫下對(duì)鎘的富集能力。由表3可以看出，同一處理下，甜高粱地下部鎘濃度均高于地上部。甜高粱植株地上部、地下部的鎘濃度均隨著處理梯度的增加而呈上升的趨勢(shì)，其中，地上部的鎘濃度在T4處理下與T3、T2、T1差異顯著(P<0.05)；地下部的鎘濃度T1處理與T4、T3、T2相比差異均顯著(P<0.05)。地上部富集量隨著處理梯度的增加而呈下降的趨勢(shì)，而地下部富集量則隨著處理梯度的增加而呈先上升再下降的趨勢(shì)，但處理組之間均無顯著性差異(P>0.05)；地上部富集率、地下部富集率、單株富集率均隨著處理濃度的增加而降低，處理組之間差異均顯著(P<0.05)。

表3 甜高粱對(duì)鎘的富集特征Table 3 Enrichment characteristics of cadmium by sweet sorghum

3 討論

植物體在其生命活動(dòng)中不斷與環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)、能量及信息的交換，其生長(zhǎng)發(fā)育受到環(huán)境制約[21]。植物通過不斷調(diào)節(jié)自身的生理狀態(tài)以適應(yīng)逆境條件帶來的脅迫，保護(hù)酶活性調(diào)節(jié)是植物在逆境條件下防御自由基氧化損傷的重要機(jī)制之一，其中，超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)是植物內(nèi)源的活性氧清除劑，在逆境中只有保持相對(duì)較高的活性才能緩解外界對(duì)自身膜結(jié)構(gòu)的傷害[22]。鎘進(jìn)入植物體后，破壞了植物正常的生理生化過程，活性氧產(chǎn)生。當(dāng)脅迫發(fā)生后，植物會(huì)采取各種措施提高抗性以適應(yīng)不良環(huán)境，但當(dāng)脅迫發(fā)生超過植物忍受的極限時(shí)，其防御措施也就相應(yīng)減弱，乃至死亡。因此，通過分析保護(hù)酶的活性可以初步了解植物對(duì)脅迫的適應(yīng)性[23]。本研究結(jié)果顯示，甜高粱SOD活性呈現(xiàn)低濃度增加、高濃度下降的趨勢(shì)，POD活性隨著處理濃度的增加呈升高的趨勢(shì)，這與李冬琴等[24]的結(jié)論一致。而CAT活性則隨著處理濃度的增加而降低，這與Romero-puertas等[25]的結(jié)論一致；APX活性隨著處理濃度的增加在不同時(shí)期呈現(xiàn)不同的趨勢(shì)，這可能與APX活性和基因表達(dá)不受鎘的影響有關(guān)[26]。這說明，甜高粱在鎘脅迫下主要是SOD、POD發(fā)揮抗氧化功能，并伴隨著CAT活性的降低和APX的增加或減少，抗氧化酶類之間保持良好的平衡將脅迫產(chǎn)生的活性氧維持在平衡的狀態(tài)。同工酶是基因表達(dá)的直接產(chǎn)物，穩(wěn)定性較高，在植物體的合成和表達(dá)主要受遺傳因子和環(huán)境二者的影響[27-28]。因此，通過同工酶的分析，可以了解甜高粱對(duì)脅迫的適應(yīng)及基因的表達(dá)情況，同時(shí)也能進(jìn)一步印證各抗氧化酶活性對(duì)鎘的響應(yīng)。本研究顯示，鎘脅迫下甜高粱SOD酶譜多條帶的表達(dá)不盡相同，在T2、T3處理下出現(xiàn)了新的S2條帶；POD的很多條帶隨處理濃度的增加而亮度加深，在T1、T2、T3出現(xiàn)了新的P2條帶；而CAT、APX酶譜沒出現(xiàn)新的條帶，但在各組處理中各個(gè)條帶的表達(dá)量均不相同。這說明，鎘脅迫會(huì)打破脅迫前保護(hù)酶之間的平衡，甜高粱通過增加或抑制自身一些同工酶的合成與表達(dá)、甚至被誘導(dǎo)某個(gè)基因的表達(dá)產(chǎn)生新的酶譜條帶來抵御鎘脅迫，酶帶的加深或變淺、新增或缺失與甜高粱抵御鎘毒害有關(guān)，是甜高粱對(duì)不同程度鎘脅迫的適應(yīng)機(jī)制。

植物作為生態(tài)系統(tǒng)中的生產(chǎn)者，依靠光合作用不僅可以獲得能量，同時(shí)也合成營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。植物葉片中存在一定量的葉綠素蛋白復(fù)合物，在光能的吸收、傳遞、轉(zhuǎn)換中起著重要的作用，因此，葉綠素含量的高低和植物光合作用的強(qiáng)弱密切相關(guān)[29-30]。本研究表明，鎘脅迫使得甜高粱葉片葉綠素a、b及總含量、凈光合速率(Pn)，氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(Tr)均下降，而胞間CO2濃度(Ci)則增加，且隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)變化更顯著，這與前人利用草莓[5]、煙草[31]得出的研究結(jié)果相似。相關(guān)研究表明，影響植物光合作用的主要因素包括氣孔因素和非氣孔因素，當(dāng)植物葉片Pn、Gs、Ci同時(shí)降低，則說明Pn的下降主要是氣孔因素導(dǎo)致的；當(dāng)Pn、Gs下降，Ci升高，則表明Pn下降的主要原因是非氣孔因素的限制[19]。本鎘脅迫下，Pn、Gs降低而Ci升高，這說明鎘脅迫下甜高粱幼苗光合作用的降低不是氣孔導(dǎo)度下降使得CO2供應(yīng)減少導(dǎo)致的，可能是葉綠素含量降低，使得葉肉細(xì)胞光化學(xué)活性受到限制而影響了CO2同化利用造成的。鎘脅迫使得葉片葉綠素含量降低的原因可能是鎘被植物吸收后進(jìn)入葉綠體，取代了葉綠體中的Fe2+、Zn2+和Mg2+，使得葉綠體的亞顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，主要表現(xiàn)在基粒垛疊結(jié)構(gòu)的解體和片層系統(tǒng)相關(guān)的基質(zhì)減少[32-33]。

葉綠素?zé)晒夂凸夂献饔玫年P(guān)系十分密切，當(dāng)強(qiáng)光持續(xù)照射植物時(shí)，為了避免葉綠體吸收光能超過光合作用過程中光化學(xué)反應(yīng)的消耗能力以及過量的光能灼傷損害光合機(jī)構(gòu)，熒光起到了重要的保護(hù)作用，主要表現(xiàn)為一部分光能以熒光的形式被耗散掉[34]。葉綠素?zé)晒鈪?shù)可以反映葉片PSⅡ反應(yīng)中心的狀態(tài)，與“表觀性”的氣體交換指標(biāo)相比，葉綠素?zé)晒鈪?shù)具有反映“內(nèi)在性”特點(diǎn)[35]，其中Fv/Fm是植物暗適應(yīng)下PSⅡ反應(yīng)中心完全開放時(shí)的最大光化學(xué)效率，它反映了PSⅡ反應(yīng)中心最大光能轉(zhuǎn)化率；φPSⅡ是實(shí)際光化學(xué)效率，反映植物在照光條件下PSⅡ反應(yīng)中心部分關(guān)閉的情況下的實(shí)際光化學(xué)效率，表示光化學(xué)反應(yīng)消耗的能量占葉片吸收光能的比例[36]；光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)反映PSⅡ反應(yīng)中心的開放程度，反映葉片中捕光激發(fā)能用于光化學(xué)反應(yīng)的程度[37]；而非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)則代表植物熱耗散的能力。本研究結(jié)果顯示，鎘脅迫下甜高粱葉片F(xiàn)v/Fm、φPSⅡ、qP均減小，而NPQ則增加，這與李伶[38]、曹玲等[39]得出的結(jié)果相同，說明鎘脅迫下甜高粱葉片PSⅡ原初光化學(xué)活性受到影響，PSⅡ活性中心被損傷或破壞，使得反應(yīng)中心捕獲激發(fā)能下降，PSⅡ功能受到抑制。因此，通過熱耗散途徑來耗掉過剩的光能來盡量保護(hù)光合機(jī)構(gòu)免受傷害，使得用于光化學(xué)反應(yīng)的比例減少，導(dǎo)致甜高粱葉片CO2同化能力下降。

植物對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)曲線變化也是研究植物光合作用的手段之一，同一植物的光合響應(yīng)相關(guān)參數(shù)不是固定的數(shù)值，會(huì)隨著外界環(huán)境的變化而變化[40-41]。其中，葉片Pmax反映植物最大凈光合能力，其大小受Rusbico活性和電子傳遞效率的影響[42-43]。表觀量子效率φ的大小反映了葉片在弱光下吸收轉(zhuǎn)換及利用光能的能力，該值越大說明葉片利用弱光的能力越強(qiáng)，光能轉(zhuǎn)化率較高[44-45]。而LCP、LSP則反映植物葉片對(duì)光的利用能力，是植物需光特性的體現(xiàn)，相關(guān)研究表明，較低的LCP、LSP使植物在有限的光照條件下以最大能力利用低光量子密度，這與低光強(qiáng)下單位面積葉綠素含量升高和暗呼吸速率降低有關(guān)[46]。本研究中，鎘脅迫降低了甜高粱葉片Pmax、φ、Rd、LSP，使得LCP升高，這說明鎘脅迫降低了甜高粱葉片Rusbico活性和電子傳遞效率，使得葉片對(duì)光的吸收、傳遞、轉(zhuǎn)化能力下降，從而降低甜高粱葉片對(duì)光的利用能力。

甜高粱作為能源材料被用于修復(fù)土壤鎘污染，其生物量的高低以及對(duì)鎘的富集量是評(píng)價(jià)修復(fù)能力的重要指標(biāo)。本試驗(yàn)條件下，甜高粱的生物量隨脅迫濃度的增加顯著降低，而地上部與地下部的鎘濃度則顯著升高，且地上部低于地下部，這與前人的研究結(jié)果一致[47-48]。本研究中，鎘脅迫造成了甜高粱光合作用能力的下降是生物量降低的主要原因之一。對(duì)地上部與地下部的鎘濃度并結(jié)合生物量進(jìn)一步分析得出，地上部富集量與地下部富集量伴隨脅迫濃度的增加而降低，同時(shí)地上部、地下部及單株富集率也降低；低濃度(50 μmol·L-1)脅迫下地上部富集量、富集率高于地下部，同時(shí)單株富集率最高達(dá)6.05%，而高濃度脅迫下則富集量、富集率趨于相同。這主要是由于鎘脅迫下甜高粱地上部、地下部的生物量均降低，雖然地上部、地下部的鎘濃度均隨著處理梯度的增加而上升，但是由于其生物量降低，從而導(dǎo)致了富集能力下降。

綜上所述，在鎘脅迫下，甜高粱通過調(diào)控SOD、POD、CAT、APX相關(guān)基因的表達(dá)來提高SOD、POD酶活性，降低CAT酶活性，以此維持抗氧化酶類之間的動(dòng)態(tài)平衡，從而減輕脅迫帶來的活性氧對(duì)植株造成的傷害，保證植株細(xì)胞的正常代謝。鎘脅迫是通過降低葉片中葉綠素的含量，使得PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率降低，電子傳遞受到抑制，使得葉片對(duì)CO2的吸收、固定和同化效率下降，以此來降低甜高粱幼苗的光合能力，甜高粱葉綠體為了避免過多、剩余的光能灼傷光合機(jī)構(gòu)，因此增加了熱耗散來適應(yīng)鎘脅迫。鎘脅迫降低了甜高粱地上部與地下部的生物量，使得地上部與地下部的鎘濃度升高；低濃度脅迫下富集能力較強(qiáng)，單株富集率伴隨處理濃度的增加而降低，這主要跟脅迫后生物量的降低有關(guān)。

本研究以甜高粱幼苗為研究對(duì)象，采用水培模擬脅迫環(huán)境，探討和分析了鎘脅迫對(duì)甜高粱生理生化的影響，在此基礎(chǔ)上評(píng)價(jià)了對(duì)鎘的吸收效應(yīng)。脅迫時(shí)間較短，沒有考慮成熟期的甜高粱對(duì)鎘的富集能力和鎘脅迫對(duì)其汁液生產(chǎn)乙醇的影響。鑒于甜高粱作為能源材料，對(duì)重金屬的富集效率與其生物量有關(guān)，因此，土壤鎘脅迫下成熟期甜高粱的鎘富集能力、汁液發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的得率和生產(chǎn)乙醇后含鎘的廢棄秸稈的處理等問題是后續(xù)的研究方向。