鎘脅迫對山蒼子幼苗光合特性變化的影響

崔仕杰, 何介南, 曾 諦，薛佑明，肖佐鈺，楊 航

(中南林業科技大學,湖南 長沙 41004)

1 引言

土壤環境是自然環境的組成部分，是地球生物體賴以生存的基礎。重金屬在自然界中廣泛存在，不易被降解，易沉積于土壤、水體中，在生態系統中循環，不僅對生態系統以及生物多樣性造成嚴重危害，且最終在植物，或魚類等富集，后通過食物鏈進入人體，對人體健康造成威脅。進入21世紀以來，伴隨工業化進程加速以及城市化面積擴張，工業污水排放，大面積化肥農藥的使用，汽車尾氣排放，礦區污染等因素，加劇了土壤重金屬污染。

土壤中主要的重金屬污染物為鎘、鎳、銅、砷、汞、鉛等，其中鎘為毒性最強的重金屬元素之一，其通過占用植物體內其他必需元素金屬離子的運輸通道，進而導致植物對營養元素的吸收及代謝活性降低，抑制植物的生長發育[1～3]。根據此前已公布的《全國土壤污染狀況調查公報》，我國約有7%的土壤存在不同程度的 Cd 污染[4]。據環保部門估算，全國每年因重金屬污染的糧食高達1200萬t，造成的直接經濟損失超過200億元[5]。鎘污染耕地修復技術主要有化學鈍化技術[6]、物理修復技術、植物修復技術、微生物修復技術[7，8]?；瘜W鈍化技術修復效果好，成本低，該類修復技術主要是通過改變重金屬鎘的賦存形態和生物可利用性，減少鎘向農作物遷移，但隨著環境條件的變化，土壤中鎘的有效性可能會發生變化[9～11]。物理修復技術涉及工程量大，費用高，而且容易引起耕層破壞，農田肥力減弱[12]。植物修復技術直接利用植物對重金屬的轉化、提取和揮發等機制來修復重金屬污染土壤[13]；植物修復技術是利用自然生長的超富集植物對土壤中鎘進行吸收、富集，轉運到植物地上部，最后通過將其收獲、安全處置等過程減少土壤中鎘含量[14]，是相對安全的綠色修復技術，具有良好的應用前景。植物修復技術有效實施的關鍵是篩選出生物量大、生長速度快且能富集一種或多種重金屬的植物。植物修復技術有效實施的關鍵是篩選出生物量大、生長速度快且能富集一種或多種重金屬的植物[15]。植物提取修復技術最終收獲的是富集或超富集植物的地上部，所以植物地上部重金屬積累量的大小是植物修復過程中最具有實際意義的指標之一，表征了植物的修復潛力，決定了植物提取修復技術效率的高低[16]。

山蒼子(Litseacubeba( Lour．) Pers．)，又名山雞椒、山胡椒、木姜子、蓽澄茄等，為樟科，樟屬落葉小喬木，樹高3～10 m。其樹皮為灰白色，幼枝黃綠色，被柔毛，老枝為黑褐色，無毛。頂芽呈圓錐形，鱗片無毛。葉互生，傘狀花序生于葉腋短枝上，先葉開放。山蒼子的花期在3～5月份，7～9月份結果實。其果實近球形，成熟時為藍黑色[17]。從植物修復的角度來看，山蒼子具有生物量大、生長迅速、適應性強的優點，主要分布于我國長江以南、西南直至西藏等區域，生長于丘陵、山地的荒山、荒地、灌叢、疏林地、林緣和路邊等[18]。此前，胡文俐已提出山蒼子對鉛、鋅有較強的耐受性，并在后續進行了鉛鋅脅迫對山蒼子生長的影響[19]。本實驗以此為基礎，探究山蒼子對鎘脅迫的抗性以及濃度，測定其光合指標和特性，鎘脅迫下山蒼子光合特性的變化，后期可結合其生長指標，進一步探究鎘脅迫對山蒼子生長的影響。

2 材料與方法

2.1 實驗材料

供試材料為山蒼子1年生實生幼苗，采自湖南省瀏陽苗圃，移栽前用去離子水將植株根部洗凈。

2.2 實驗設計

將長勢基本相同的幼苗預培養 20 d，再將其移至盆中(275 mm×240 mm×280 mm)，每盆土壤重10 kg。鎘以CdCl2的形態加入。每盆栽種 1 株幼苗，30個重復，共計120株。以未經重金屬處理的個體為對照(CK)，試驗質量分數設計見表 1，質量分數梯度設計依據我國土壤環境質量標準設計。

表1 脅迫濃度實驗設計

2.3 測定方法

(1)光合氣體測量。光合氣體交換參數測定凈光合速率(Pn) 、蒸騰速率(Tr) 、氣孔導度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)使用 Li-6400XT便攜式光合測定儀，于 2022 年 8 月一個晴天上午 9:00～11:00 進行測定，葉片均選用同方位成熟的功能葉，每個處理重復測定3株，每株測定3個葉片。

(2)光合-光響應曲線測定。使用 Li-6400xt進行測定，測定時間為2022年8月多個晴天上午(8:30～11:30) ，葉片選擇標準與數量同上。光強梯度設定為1600、1500、1200、1000、800、600、400、200、100、50、20、0 μmol/(m2·s)。設定參比室CO2濃度為400 μmol/mol。

2.4 數據處理

使用 Excel 2016 軟件( Microsoft Office，USA) 進行數據處理，采用SPSS22.0對數據進行單因素方差分析 ( One-way ANOVA) ，用Duncan's 法進行多重比較，最后用origin2019進行繪圖。光響應參數則結合二項式曲線擬合和Li-COR公司提供的光合助手( Photosynthesis) 軟件分析而得[20]，同時獲得最大凈光合( Pmax )、光補償點( LCP)、光飽和點( LSP) 和暗呼吸速率(Rd) 等光合特征參數。

3 結果與討論

3.1 不同濃度Cd2+脅迫下山蒼子光合生理指標的變化

如圖1所示，對照組與C1、C2兩個處理間的葉片氣孔導度并無顯著性差異，Cd2+脅迫濃度達到C3時，C3與C4兩個處理組的葉片氣孔導度與對照組存在極顯著差異，且C3與C4處理組間不存在顯著性差異，氣孔導度較為接近。C3和C4處理組的氣孔導度較對照組、C1和C2處理組降低了50%左右。

如圖2所示，對照組與C1、C2處理組間相比較，其葉片的凈光合速率不存在極顯著性差異，但C1與C2處理組間存在顯著性差異，且C2處理組的凈光合速率略高于C1。C3和C4處理組的葉片凈光合速率出現大幅度下降，與對照組間存在極顯著性差異，且C3與C4處理組間也存在極顯著性差異，但差異較對照組小，凈光合速率的整體變化趨勢為，伴隨脅迫濃度的升高，出現小幅度的上升后呈現下降趨勢，且下降幅度緩慢變小。

圖1 不同濃度Cd2+脅迫下山蒼子葉片氣孔導度變化

圖2 不同濃度Cd2+脅迫下山蒼子葉片凈光合速率變化

如圖3所示，通過分析可知，較低濃度的鎘離子脅迫對于山蒼子葉片的胞間二氧化碳濃度存在一定的影響，C1處理組較對照組，其濃度下降，且存在顯著性差異，當濃度達到C2時，甚至可以提高其濃度。此外，與氣孔導度、凈光合速率一致，當鎘離子脅迫濃度繼續升高后，山蒼子葉片的胞間二氧化碳濃度呈現下降趨勢，C3與C4處理組與對照組相比均出現極顯著性差異，表明脅迫濃度升高后，山蒼子受到了嚴重的毒害作用。

如圖4所示，通過分析可知，對照組的葉片蒸騰速率與4個處理組間均存在極顯著性差異，葉片蒸騰速率的整體變化趨勢為先下降后上升，再下降。C1處理下，葉蒸騰速率出現下降，當脅迫濃度達到C2時，其蒸騰速率上升，高于對照組，且存在顯著性差異。脅迫濃度繼續升高，C3與C4處理組的葉片蒸騰速率驟降，與其他指標變化趨勢一致。

圖3 不同濃度Cd2+脅迫下山蒼子葉片胞間 二氧化碳濃度變化

圖4 不同濃度Cd2+脅迫下山蒼子葉片蒸騰速率變化

3.2 不同濃度Cd2+脅迫下山蒼子光響應曲線的變化

如圖5與圖6所示，山蒼子幼苗不同濃度鎘脅迫處理組的光響應曲線在光合有效輻射(PAR)低于200 μmol/(m2·s)時均近似線性直線，之后均呈拋物線趨勢，即緩慢上升后呈現急劇下降的變化趨勢，因此選取各光響應曲線在PAR低于200 μmol/(m2·s)時的數據作線性擬合，取一元二次方程組的斜率為表觀量子效率(AQY)，而表示此方程組的直線與橫軸的交點為光補償點(LCP)，與縱軸的交點為暗呼吸速率，高于200 μmol/(m2·s)時的數據作二項式擬合，二項式曲線頂點的縱坐標即為擬合最高凈光合速率，橫坐標為光飽和點(LSP)。

由圖5分析可知，當PAR低于200 μmol/(m2·s)時，各組的凈光合速率伴隨PAR的上升而逐漸增大，其中C2處理組的凈光合速率最大，這與此前測定的各項光合生理指標結果相對應，其他三個處理組的凈光合速率均低于對照組，表明過高的鎘離子脅迫會降低山蒼子的凈光合速率，影響植株正常的發育生長和代謝。

由圖6分析可知，當PAR高于200 μmol/(m2·s)后，對照組、C1、C2、C3處理組的凈光合速率均呈現先上升后下降的變化趨勢，當PAR大于各自的光飽和點后，各處理組的凈光合速率開始呈現下降趨勢，其中C1和C2處理組的凈光合速率均大于對照組，且其擬合曲線在上升和下降過程中的斜率均大于對照組；但出現峰值的位置或區間較為一致，表明鎘離子脅迫對于山蒼子植株的光飽和點影響不大。C3和C4處理組的凈光合速率基本全程低于対照組，2個處理組的擬合曲線斜率均減小，C4處理組的凈光合速山蒼子葉片的光合作用，進一步的影響山蒼子植株的發育生長。

圖5 不同濃度Cd2+脅迫對快速光響曲線的影響(低PAR)

圖6 不同濃度Cd2+脅迫對快速光響曲線的影響

由表1分析可知，對照組與4個處理組的表觀量子效率(AQY)相比較，C1、C3和C4的AQY均出現不同程度的降低，C1處理組的下降較小，C3和C4處理組的下降較為顯著；而C2處理組的AQY則較對照組上升近一倍。結合圖6與表1共同分析，C1與C2處理組的最大凈光合速率均大于對照組，且C2的最大凈光合速率為對照組的兩倍多，C3處理組的最大凈光合速率較對照組降低50%左右，C4處理組較對照組降低了將近2 μmol/(m2·s)，以上結果表明當土壤中鎘離子脅迫濃度達到100 mg/kg或更高時，鎘離子的毒害作用會嚴重影響山蒼子植株的光合作用。

由表2可知，對照組山蒼子植株的光飽和點(LSP)為898.76 μmol/(m2·s)，其中C1、C2、C3 3個處理組的LSP均較對照組有不同程度的上升，其中C1處理組的光飽和點最高，為1003.69 μmol/(m2·s)；C3處理組的LSP與對照組相比降低了57.5 μmol/(m2·s)，以上結果表明適量的鎘離子會提高山蒼子植株的LSP，而過高濃度的鎘離子脅迫會降低其LSP。對照組的光補償點(LCP)僅為11.78 μmol/(m2·s)，4個處理組的LCP較對照組均有不同成對的升高，其中C4處理組的LCP最高，為108.25，上升了將近10倍，表明不同濃度的鎘離子脅迫均會影響山蒼子植株對于光能的利用和吸收，進而影響其光合作用。從表2可知，對照組山蒼子植株的暗呼吸速率(Rd)約為0.14 μmol/(m2·s)，4個處理組的Rd均大于對照組，其中C1與C2處理組二者較為接近，0.55 μmol/(m2·s)左右；C3與C4處理組二者較為接近，0.22 μmol/(m2·s)左右。以上結果表明土壤中鎘離子脅迫會提高山蒼子植株的暗呼吸速率，較低濃度時，山蒼子植株可能需要更多的消耗光合作用產物，以作為能量補充維持正常的生長與代謝，但當脅迫濃度進一步升高時，鎘離子的毒害作用太大，已經威脅到山蒼子的生長與生命力，所以此時其暗呼吸速率上升的較少，表明當脅迫濃度等于或大于100 mg/kg時，已經超過了山蒼子對于鎘離子的耐受度。

表2 不同濃度Cd2+脅迫下山蒼子葉片光合生理指標變化

4 結論

實驗表明，當山蒼子植株受到鎘離子脅迫時，鎘的毒害作用會影響山蒼子植株的光合作用以及生理代謝，當鎘離子脅迫濃度為25、50 mg/kg時，鎘離子對山蒼子植株的毒害作用不顯著，且山蒼子植株的各項光合生理指標，如葉片氣孔導度、凈光合速率、胞間二氧化碳濃度、以及蒸騰速率均出現一定程度的上升，這可能是植物應激反應造成的，當植物受到脅迫時，會需要更多的養分和能量來抵抗脅迫[21]，當脅迫濃度達到100 mg/kg時，已經超過山蒼子植株對鎘離子的耐受度，其氣孔導度、凈光合速率、胞間二氧化碳濃度、以及蒸騰速率等均出現不同程度的下降，此前已有研究表明，在 Cd2+脅迫下，滇楊葉片凈光合速率隨著脅迫濃度的升高而降低，而胞間 CO2濃度隨著脅迫濃度的升高呈先降低后增加的趨勢[22]，這與本研究中的結果存在不一致的地方，這可能與脅迫濃度不一致有關。本文中，當脅迫濃度為25、50 mg/kg時，山蒼子植株的凈光合速率均有所上調，而后才呈現出下降的變化趨勢，而鄭武揚等[22]的最低脅迫濃度與本文不一致。結合快速光響應曲線的分析結果，山蒼子植株的最大凈光合速率、光飽和點、光補償點、以及暗呼吸速率均受到了鎘脅迫的影響，另有研究表明，高濃度的重金屬離子會抑制植物體內某些酶活性，而這些酶與葉綠素生物合成密切相關，進而導致葉綠素含量下降[23]，推測以上指標的變化與其體內葉綠素的變化有關，通過以上分析，就目前的實驗結果表明，山蒼子植株在鎘濃度為50～100 mg/kg耐受性最強，在200 mg/kg其耐受性最弱，且生長發育受到嚴重的毒害作用，此外，陳衛軍等[24]對不同年齡階段山蒼子植株的光合生理特性進行了相關研究[24]，結合起來，本文可為鎘脅迫下山蒼子植株的光合生理特性以及其對抗鎘脅迫方面研究提供一定的參考。