土壤鉛和鎘脅迫對紅花檵木葉片光合特性及色素含量的影響

王飛翔，王妙媛，李 達，于曉英

（1.湖南省農業科學院，湖南 長沙 410125；2.湖南農業大學園藝園林學院，湖南 長沙 410128）

隨著工業的迅猛發展和各種化學產品的廣泛使用，土壤中重金屬污染日益加劇[1]，在重金屬的污染中，以鎘（Cd）和鉛（Pb）的污染尤為突出[2]。植物光合生理過程是植物生長和生存最為基礎的過程，也是受環境影響最為敏感的過程[3]。近年來，Pb、Cd 對植物光合作用的影響研究主要集中在綠葉植物上[4-7]。有關鉛、鎘對彩葉植物光合作用影響的研究尚少。紅花檵木是目前唯一的紅花紅葉、常年有花、四季不落葉的觀賞樹木，具有極大的觀賞價值和經濟價值，且由于其耐逆境脅迫能力強，在園林造景中使用廣泛。城市土壤的重金屬污染日益加劇，使城市園林植物的生境不可避免地遭到了破壞。根據有關研究，金屬離子對紅花檵木葉片中的花色素等提取物的穩定性和呈色有很大的關系[8]。本文選用彩葉植物紅花檵木為材料，研究Pb、Cd 單一脅迫對紅花檵木光合特性及葉片色素含量的影響，力求探討紅花檵木對Pb、Cd 脅迫的響應機制，以期為紅花檵木在Pb、Cd 污染地段的應用及城市Pb、Cd 土壤污染的植物修復提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為紅花檵木（Loropetalum chinense Var.rubrum）“雙面紅”類型的一年生扦插苗。

1.2 試驗方法

1.2.1 盆栽試驗 試驗用土壤取自湖南農業大學試驗田，土壤中全Pb 含量為35.35 mg/kg，全Cd 含量為0.28 mg/kg。3月上旬將土壤風干，過篩，添加Pb（NO3）2或CdCl2，拌勻，裝盆。鉛用量（以Pb2+計）分別為100、500、1 000、2 000 mg/kg；鎘用量（以Cd2+計）分別為10、50、100、200 mg/kg，將一年生紅花檵木苗，移栽于12 cm 深，18 cm 的塑料盆中，每處理重復3 次。20 d 后，取樣分別測紅花檵木葉片的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Gs）、氣孔導度（Tr）和CO2濃度（Ci）等指標。30 d 后，取有代表性的新生葉片（從上往下數第3～4 片葉），帶回室內，測定葉綠素、可溶性糖、花色素苷含量和苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性。

1.2.2 測定方法 Pn、Gs、Tr 和Ci 濃度用CID-301 PS 便攜式CO2氣體分析儀（美國CID 公司）測定，光合有效輻射（PAR）= 1 000 μmol/m2·s。葉綠素含量采用80%丙酮提取液測定；花色素苷含量采用1%鹽酸乙醇溶液（體積分數）提取比色法測定；可溶性糖采用蒽酮比色法測定；PAL 活性采用0.1 mol/L 硼酸緩沖液（pH 值8.8）提取液比色法測定。

2 結果與分析

2.1 Pb2+、Cd2+脅迫對紅花檵木葉片光合特性的影響

由表1 可知，低Pb2+脅迫（100 mg/kg）下，紅花檵木幼苗葉片的光合特性指標均顯著升高，當Pb2+濃度500 mg/kg 以上時，Pn、Gs 和Tr 均隨Pb2+濃度的增加下降，尤以Pn 下降幅度大；Ci 隨Pb2+濃度的增加顯著升高。

Cd2+處理下，Pn 和Gs 隨Cd2+濃度的增加顯著降低，高Cd2+處理（100、200 mg/kg）明顯抑制Pn 和Gs。Tr 隨Cd2+濃度的升高略有下降，差異不顯著。除Cd2+濃度為50 mg/kg，其余各濃度處理均使Ci 濃度顯著升高。

表1 Pb2+、Cd2+脅迫對紅花檵木葉片光合特性的影響

2.2 Pb2+、Cd2+脅迫對紅花檵木葉片光合色素的影響

從表2 可以看出，低Pb2+處理（100、500 mg/kg）使葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素含量顯著升高，當Pb2+濃度500 mg/kg 以上時，葉綠素a 含量顯著下降；葉綠素b 含量與對照并無顯著差異；總葉綠素含量隨Pb2+濃度的增加而降低，Pb2+濃度達2 000 mg/kg 時，總葉綠素含量顯著低于對照。葉綠素a/b隨著Pb2+濃度的升高呈下降趨勢，說明葉綠素a 受Pb2+的影響比葉綠素b 大。Pb2+脅迫對類胡蘿卜素的影響不大，只有最高濃度處理下，其顯著低于對照。

表2 Pb2+、Cd2+脅迫對紅花檵木葉片葉綠素及類胡蘿卜素含量的影響

隨著Cd2+處理濃度的增大，紅花檵木葉片葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素含量略微上升后降低，高濃度Cd2+處理（100、200 mg/kg）對葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素含量的影響較大，說明高濃度Cd2+處理對葉綠素的合成有明顯的抑制作用。從葉綠素a 和b 的比值來看，高Cd2+處理（100、200 mg/kg）下葉綠素a/b 低于對照，說明在Cd2+濃度較高時，葉綠素a受Cd2+的影響比葉綠素b 大。類胡蘿卜素含量隨著Cd2+濃度的增加而下降，高濃度Cd2+處理（100、200 mg/kg）顯著降低了類胡蘿卜素的含量。

2.3 Pb2+、Cd2+脅迫對葉片花色素苷含量、PAL 酶活性和可溶性糖含量的影響

苯丙轉氨酸酶（PAL）是催化植物體內糖轉化成花色素苷類物質的關鍵酶[5]，紅花檵木葉片中花色素苷是使其葉片呈現紅色的主要因子之一，其含量主要受PAL 酶活性的控制。研究結果表明，隨著Pb2+濃度的升高，紅花檵木葉片中PAL 活性和花色素苷含量呈下降趨勢。方差分析表明，Pb2+濃度1 000 mg/kg 以上時，PAL 活性下降，顯著低于對照；Pb2+濃度500 mg/kg 以上時，花色素苷含量顯著低于對照。隨著Cd2+濃度的升高，紅花檵木葉片中PAL 活性和花色素苷含量呈先下降后上升再下降的趨勢。方差分析表明，200 mg/kg 的Cd2+濃度處理下，PAL 活性和花色素苷含量顯著低于對照。

可溶性糖是葉片中一種主要的滲透調節物質，其含量增加可以提高細胞液濃度，降低滲透勢，可對外界脅迫進行適應調節[5]。由表3 可知，隨著Pb2+濃度的升高，紅花檵木葉片中可溶性糖含量呈先升高后下降的趨勢，高濃度Pb2+處理（1 000、2 000 mg/kg）下其與對照相比顯著下降。Cd2+處理下，紅花檵木葉片中的可溶性糖含量隨著Cd2+濃度的升高而增加，在Cd2+濃度為200 mg/kg 可溶性糖略微下降，但仍顯著高于對照。

表3 Pb2+、Cd2+脅迫對紅花檵木葉片花色素苷含量、PAL 活性和可溶性糖含量的影響

3 小結與討論

試驗中，除Pb2+濃度為100 mg/kg 外，紅花檵木葉片凈光合速率（Pn）隨著Pb2+、Cd2+處理濃度的增加均較對照顯著降低。Mediavilla 等[9]認為，Pn 降低主要有兩方面的原因：一是受氣孔導度影響的氣孔限制；二是受葉肉細胞光合活性的下降影響的非氣孔限制。Pb2+處理下，Pn、Gs 顯著降低，而Ci 升高，表明葉肉消耗CO2的能力降低，非氣孔因素可能是Pn 降低的主要原因。低濃度Cd2+處理下，Pn、Gs 降低的同時Ci 略微降低，表明Gs 的降低是Pn 降低的主要原因，高濃度Cd2+處理使Pn、Gs 顯著降低，而Ci 升高，表明非氣孔限制因素是Pn 降低的主要原因。

葉綠素是植物進行光合作用的主要色素，在光能吸收、傳遞、轉換中起著重要作用[3-4]。在本試驗中，Pb2+、Cd2+脅迫下，紅花檵木葉片葉綠素含量先增加后顯著下降。高濃度Pb2+、Cd2+脅迫下紅花檵木葉綠素含量下降，可能是由于重金屬使葉綠素生物合成所必需的原葉綠素酸酯還原酶和氨基-r-酮戊酸的活性下降，或直接破壞葉綠體微結構，降低葉綠素的含量。葉綠素a/b 的比值代表著類囊體的垛疊程度，類囊體的垛疊程度越小，光抑制越強。高濃度Cd2+脅迫下葉綠素a/b 的比值降低，意味著類囊體的垛疊程度減小，光抑制增強，PSⅡ光化學效率降低，從而降低了光合速率。而本試驗中，葉綠素含量的下降程度比凈光合速率的小，這與張杰等[10]在水稻上所作的結果相同，說明在Cd2+脅迫下，葉綠素的下降可能不是引起植物凈光合速率降低的主要原因。

花色素苷含量是直接影響紅花檵木葉片顏色的主要因子，紅花檵木葉片中花色素苷的含量與PAL 酶的活性有密切的關系。糖作為花色素苷合成的前體物質及作為信號分子調節花色素苷的合成直接影響著花色素苷的含量[7]。本研究結果表明，低濃度的Pb2+處理顯著促進了紅花檵木葉片中花色素苷的含量，而高濃度的Pb2+處理使紅花檵木葉片中花色素苷的含量降低；Cd2+分別為最低濃度10 mg/kg 和最高濃度200 mg/kg 時，花色素苷含量與對照相比顯著下降；且花色素苷含量與PAL 酶活性呈顯著甚至極顯著正相關；同時，Pb2+、Cd2+脅迫下紅花檵木可溶性糖含量與花色素苷含量變化趨勢相近，即紅花檵木經過50 及100 mg/kg Cd2+處理后出現可溶性糖含量與花色素苷含量同時升高現象，可能是葉片中累積的還原性糖含量促進了花色素苷積累的原因。本試驗中，Pb2+濃度為100 mg/kg 時，紅花檵木葉片的各個光合特性指標均顯著上升。Kaznina 等[8]認為，其原因是低濃度的Pb2+對植物具有刺激作用，而刺激作用的產生則可能與植物體新陳代謝的活化作用有關，但相似的研究結果很少。而低濃度Cd2+（10 mg/kg）顯著降低了紅花檵木花色素苷含量，其原因有待進一步的探討。

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