銅鋅復合脅迫對番茄幼苗生長及光合特性的影響

張云芳，陳 楚，程曉敏，陳 高 (淮北師范大學生命科學學院，安徽省資源植物生物學重點實驗室，安徽淮北 235000)

銅(Cu)、鋅(Zn)是植物必需的微量元素，主要作為酶的輔助因子，參與植物的光合作用、呼吸作用、碳水化合物和蛋白質(zhì)的代謝等過程，對植物的生長和發(fā)育起著重要的生理調(diào)控作用。然而，植物生長所需的Cu、Zn生理濃度較低，一般在5～20和10～100 mg/kg ，過量的Cu、Zn會對植物產(chǎn)生毒害作用，嚴重影響植物的生長發(fā)育。近年來，國內(nèi)工農(nóng)業(yè)進入高速發(fā)展時期，工業(yè)三廢的大量排放以及農(nóng)藥、化肥的濫用，重金屬污染已成為主要的土壤污染類型，污染土壤的重金屬元素主要包括鎘(Cd)、汞(Hg)、銅(Cu)、鉛(Pb)、鉻(Cr)、鋅(Zn)等。我國設施蔬菜由于國內(nèi)需求的增加而發(fā)展迅速，但設施蔬菜生產(chǎn)復種指數(shù)高、農(nóng)化用品投入量大、生產(chǎn)環(huán)境封閉等特點，導致設施菜田土壤重金屬持續(xù)累積，生態(tài)環(huán)境風險加劇。賈麗等研究表明，Cu、Zn是設施菜田土壤中主要污染元素，且隨種植年限的增加而累積趨勢明顯，不僅影響設施蔬菜的生長及品質(zhì)，同時可以通過膳食途徑進入人體，對人體健康產(chǎn)生潛在危害。

番茄(L.)是我國栽培面積最大、最重要的設施大棚蔬菜，重金屬污染對番茄生長的影響已有相關(guān)報道，包括Cd、Cu、Zn的單一脅迫以及Cd-Cu、Cd-Zn的復合脅迫，但Cu-Zn復合脅迫對番茄幼苗生長的影響研究較少，僅在蓖麻、觀賞草、包菜、蘆竹、珠芽蓼等植物上有所報道。為此，筆者主要探討Cu-Zn復合脅迫對番茄幼苗生長及光合特性的影響，以確定番茄幼苗生長對Cu、Zn的耐受范圍，為設施蔬菜的安全生產(chǎn)以及復合污染的環(huán)境生態(tài)效應評價提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

供試番茄品種為“金鵬一號”，購自淮北市種子公司。

番茄種子經(jīng)55 ℃浸泡15 min，消毒后平鋪于含有2層濕潤濾紙的培養(yǎng)皿中，置于恒溫光照培養(yǎng)箱中催芽。種子露白后播種于蛭石中，室溫下培養(yǎng)。種子萌發(fā)長出真葉后，選取長勢一致的幼苗移栽至裝有石英砂的塑料小花盆，每盆2株，每天定時澆灌Hoagland營養(yǎng)液(pH 5.8)。待幼苗長出5～6片真葉時，用含不同濃度的Cu、Zn營養(yǎng)液處理15 d(表1)。處理5、10、15 d時，測定番茄幼苗的葉綠素含量和光合參數(shù)，處理15 d后收取番茄幼苗，測定相關(guān)形態(tài)指標。

表1 復合脅迫中銅、鋅的添加量Table 1 The amounts of copper and zinc in combined stress mmol/L

幼苗形態(tài)指標。取不同處理下的植株，用直尺測量幼苗的株高，用電子天平稱量幼苗地上部分及根的鮮重。

葉片光合生理指標。用LI-6400便攜式光合測定儀(美國LI-COR公司)測定植株葉片的光合參數(shù)，包括凈光合速率()、氣孔導度()、胞間二氧化碳濃度()和蒸騰速率()。光強設定為1 000 μmol/(m·s)，測定時間為09：00—11：00，取各處理植株相同部位的葉片進行測定。

葉綠素含量。用SPAD-502 Plus葉綠素儀(日本Konica公司)測定葉片葉綠素的相對含量。選擇不受遮擋的倒2葉進行測定。

采用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，以SPSS 20.0軟件Duncan氏法進行數(shù)據(jù)差異顯著性分析，應用SigmaPlot 12.0 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

由表2可知，低濃度Cu-Zn(T，0.001 mmol/L Cu-Zn)處理對番茄幼苗的生長影響不明顯，番茄的株高、地上部鮮重、根鮮重與對照相近，無顯著差異。隨著Cu-Zn處理濃度的升高，抑制效應加劇，抑制程度與Cu-Zn濃度呈正相關(guān)。與對照相比，中高濃度Cu-Zn(0.010～1.000 mmol/L Cu-Zn)處理的番茄株高降低了13.8%～26.1%，地上部鮮重降低了17.2%～48.7%，根鮮重降低了41.5%～71.6%，差異均顯著。

表2 銅鋅復合脅迫對番茄幼苗形態(tài)指標的影響 (處理15 d)Table 2 Effects of Cu and Zn combined stress on morphological characteristics of tomato seedlings(15 d)

葉綠素是參與植物光合作用的重要色素，與植物生長密切相關(guān)。由圖1可知，隨Cu-Zn復合脅迫濃度和時間的增加，番茄葉片的葉綠素含量總體呈逐漸下降趨勢。處理5 d時，T、T、T和T處理的葉綠素含量與對照相比無顯著差異；處理10～15 d時，T處理與對照相比無顯著差異，而T、T和T(0.010～1.000 mmol/L Cu-Zn)處理的葉綠素含量均顯著低于對照。處理15 d時，T、T和T處理的葉綠素含量下降幅度最大，分別較對照減少12.0%、18.8%、31.3%。

注：不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05) Note：Different lowercase letters indicated significant difference between different treatments(P < 0.05)圖1 銅鋅復合脅迫對番茄葉綠素含量的影響Fig.1 Effects of Cu and Zn combined stress on the chlorophyll content of tomato seedlings

由圖2可知，隨著Cu-Zn復合處理時間和濃度的增加，番茄葉片的光合性能總體呈下降趨勢。T、T和T(0.010～1.000 mmol/L Cu-Zn)處理5～15 d，番茄植株的凈光合速率()、氣孔導度()和蒸騰速率()逐步下降，與對照相比差異顯著；處理15 d時，T、T和T處理的、和降幅達到最大，較對照分別減少32.5%～87.5%、 44.5～94.7%和45.6～89.6%。此外，T(0.001 mmol/L Cu-Zn)處理5～10 d，番茄植株的、和均呈下降趨勢，但與對照差異不顯著，處理15 d 時僅下降顯著。各Cu-Zn(0.001～1.000 mmol/L Cu-Zn)處理的胞間二氧化碳濃度()，整體上與對照相比接近，只在處理5 d時T和T處理的顯著低于對照。

注：不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05) Note：Different lowercase letters indicated significant difference between different treatments(P < 0.05)圖2 銅鋅復合脅迫對番茄光合特性的影響Fig.2 Effects of Cu and Zn combined stress on the photosynthetic characteristics of tomato seedlings

Cu、Zn作為植物的必需營養(yǎng)元素，在植物的生長與發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用，但過量Cu或Zn會導致植物代謝紊亂，產(chǎn)生毒害并抑制植物的生長。該試驗結(jié)果表明，低濃度Cu-Zn(0.001 mmol/L Cu-Zn)處理對番茄生長勢無明顯影響，而中高濃度Cu-Zn(0.010～1.000 mmol/L Cu-Zn)復合處理明顯抑制番茄的生長，其株高、地上和地下部分的鮮重顯著下降，且隨著處理時間的延長，植株受害愈嚴重。研究表明，Cu-Zn復合處理對包菜、西瓜、水仙花的幼苗表現(xiàn)出低促高抑效應。許志敏等、朱志國等和趙玉紅等在觀賞草、蘆竹和珠芽蓼中研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的Cu-Zn復合處理可以對幼苗產(chǎn)生輕度傷害。上述研究中低濃度Cu-Zn復合處理的生理效應不盡相同，可能與試驗設計的Cu-Zn處理濃度以及植物對Cu或Zn的耐受性有關(guān)。該試驗中，Cu-Zn復合處理對根系的毒害及抑制高于地上的莖葉，這與許志敏等、孫金金等研究結(jié)果一致。這是因為大量的Cu和Zn在根中積累，加劇根系的毒害，導致根系發(fā)育不良與功能受損，進而造成水分和營養(yǎng)物質(zhì)的吸收障礙，在一定程度上抑制地上部分的生長。

Cu、Zn與植物光合過程的電子傳遞以及葉綠素的合成密切相關(guān)。然而，Cu、Zn濃度過高會導致葉綠素的結(jié)構(gòu)和功能遭到破壞，分解加速。該研究發(fā)現(xiàn)，中高濃度Cu-Zn復合處理15 d，葉綠素含量顯著下降，這與前人研究結(jié)果相一致；隨著Cu-Zn復合脅迫的增強，番茄的光合性能顯著下降，依據(jù)前人研究，導致降低的因素可依據(jù)值的變化分為氣孔限制和非氣孔限制。該研究中，0.100～1.000 mmol/L Cu-Zn復合處理5 d時，與對照相比，番茄的、、均顯著下降，而葉綠素含量下降不顯著，這表明Cu-Zn短期處理下降的主要原因是氣孔限制；0.010～1.000 mmol/L Cu-Zn復合處理15 d時，番茄的、和葉綠素含量顯著下降，而變化不顯著，這表明Cu-Zn長期處理下降的主要原因是非氣孔限制，與葉肉細胞光合活性被抑制有關(guān)。Cu-Zn復合脅迫下，番茄根系生長受阻，吸水性能下降，為維持水分平衡，葉片部分氣孔關(guān)閉，蒸騰作用減弱，因此和下降顯著，這與張義凱等研究結(jié)果一致。

以上表明，0.001 mmol/L Cu-Zn復合處理下，番茄無明顯受害反應，超過0.010 mmol/L Cu-Zn復合處理，番茄的生長受到抑制，光合性能下降。