重金屬Mn對苦楝葉片光系統性能的影響

王仁杰,朱 凡,,*,梁惠子,黃鑫浩,王旭旭,楚晶晶

1 中南林業科技大學生命科學與技術學院, 長沙 410004 2 南方林業生態應用技術國家工程實驗室, 長沙 410004

Mn是植物生長所必需的微量元素,參與植物光合電子傳遞鏈的氧化還原過程和光系統Ⅱ(PSⅡ)中水的光解,并且對維持葉綠體的正常結構具有重要作用[1],但是過量的Mn對植物具有毒害作用,抑制植物生長[2]。特別是Mn脅迫對光合系統有顯著影響。重金屬Mn脅迫會引起葉綠體結構改變,使葉綠素含量降低,從而捕獲和傳遞到光系統反應中心的光能減少,抑制光系統的原初反應,導致光合電子傳遞鏈受阻,凈光合速率降低[3- 5]。在高Mn脅迫下,大量積累的活性氧不能及時清除,會導致光合系統PSⅡ反應中心D1蛋白的降解[6],蛋白組和轉錄組學研究證明,Mn脅迫下,與CO2同化和光合作用相關的葉綠體核蛋白表達下調[7]。湖南Mn礦區土壤可溶性Mn含量過高對當地土壤已造成嚴重污染。湖南湘潭Mn礦礦渣廢棄地土壤可溶性Mn含量最高達湖南省背景值的66倍[8]；湘南5個Mn礦恢復區污染嚴重,尾砂壩下游旱地也受到不同程度污染[9]。重金屬嚴重污染下,原有的森林群落被破壞,隨后在植被自然演替恢復過程中,形成以多年生草本植物為主的植被群落[10- 11]。因此,研究Mn對木本植物的脅迫機制對Mn污染區的森林群落重建和適應苗木的篩選具有重要意義。

光合作用是植物生長發育的基礎,光系統I (PSI)和光系統Ⅱ (PSⅡ)是光合氧化還原的重要位點。快速葉綠素熒光誘導動力學和820 nm光吸收曲線技術能夠快速、靈敏、無損傷地反映兩個光系統對光能的吸收、傳遞及耗散等生理狀況[12- 14]。近年來,上述技術被較好地應用在逆境條件下植物光合機構變化的相關研究中。如利用快速葉綠素熒光技術研究發現Fe2+對玉米(Zeamays)和大豆(Glycinemax)PSⅡ的電子供體側和受體側產生抑制作用[15]；Cd對銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)的毒性效應主要表現為抑制PSⅡ的反應中心和電子傳遞,對 PSⅡ供體側的電子供體和受體側的電子受體都產生了毒害,進而抑制了光合作用[16]；Al對柑橘類兩種植物葉片的PSⅡ的性能有影響[17]；Li 等[5]發現過量Mn會抑制雪柚葉片從PSⅡ供體側到PSI受體側的整個電子傳遞,并伴隨著PSⅡ反應中心通量發生變化。此外,利用該技術發現木本植物西府海棠(Malusmicromalus)的葉擴展過程中PSⅡ和PSI光合活性增加,且PSⅡ活性增加快于PSI[18],低溫脅迫首先導致杏樹(Armeniacavulgaris)和黃瓜(Cucumissativus) PSI發生光抑制[19- 20],鹽脅迫導致金銀花(Lonicerajaponica)PSI氧化受阻,受抑制程度大于PSⅡ[21]。但是重金屬脅迫下植物葉片PSⅡ和PSI的活性變化的研究還很少。

苦楝(Meliaazedarach)是湖南常見的抗逆性強的鄉土木本植物[22]。目前,國內外對苦楝的研究主要包括驅蟲[23]、抗病毒[24- 25]、抗鹽[26]、抗旱[27]、抗寒[28]等。因此,本文選擇苦楝作為研究對象,通過快速葉綠素熒光誘導動力學、820 nm光吸收曲線和光合氣體交換參數技術,分析Mn脅迫下,苦楝光系統(PSⅡ和PSI)的性能、Mn在光合傳遞鏈的作用位點以及苦楝的光合能力,為深入研究苦楝光合機構對重金屬Mn脅迫的生理適應性,也為Mn污染地區的生態治理提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗采用室內單株盆栽方法,于2016年8月至9月在湖南長沙中南林業科技大學溫室進行。供試土壤采自于中南林業科技大學校園內10—20 cm土,無重金屬污染歷史,土壤pH為5.05,土壤全C、全N及Mn的含量分別為12.18 g/kg、0.36 g/kg和463.53 mg/kg。土壤過5 mm×5 mm的篩,去除石頭等雜物后裝入塑料花盆(內徑25.4 cm,高17.8 cm),每盆裝風干土7 kg。選取苗高、地徑和生長狀態基本一致的1年生苦楝苗(容器苗)栽植在盆中,每盆栽種1株樹苗,在溫室培養3個月,定期澆水松土,以保證供試苗木的生長穩定性。

1.2 試驗設計

根據重金屬污染場地土壤修復標準和湖南Mn礦污染現狀[8- 9],設置Mn的2個污染濃度水平,即10 g和30 g的MnCl2(分析純)溶于純水中配成L1和L2污染水平。具體步驟是將MnCl2分多次溶于純水中摻入到盆栽土中,每次摻入時以植株為中心圍繞土壤四周均勻摻入,避免溶液直接接觸到植物任何部位,確保溶液不滲出。經分析測定,土壤L1、L2水平下Mn含量分別為1220.58 mg/kg、3743.27 mg/kg,根據土壤重金屬污染等級劃分標準[8],分別為中度污染和重度污染。同時設置對照 (CK),即摻入等量的純水。

Mn污染處理結束后第7天開始第1次的測定,此后每隔7天測定1次,共測定5次；每種處理下3個重復,每個重復選取5片完全展開葉進行相關測定。試驗期間,溫室光照為自然光,最大光照強度處在900—1100 μmol m-3s-1范圍內,溫度保持在25—27℃,所有供試苗木用純水澆灌,并適當松土,避免土壤板結。

1.3 測定方法

光合氣體交換參數和RuBP羧化效率的測定：采用Li-6400便攜式光合測定系統(Li-Cor Inc.,USA),測定時光強設定為1000 μmol m-3s-1,CO2濃度為360、300、250、200、150、100、50 μmol/mol,葉室空氣溫度控制在25℃,葉室空氣濕度控制在45%—65%,大氣CO2濃度為((360±10) μmol/mol),測定其最大凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、并計算氣孔限制值(Ls)和RuBP羧化效率[31]。

1.4 數據統計分析

試驗數據采用Microsoft Excel 2003進行計算,SPSS 20.0進行ANOVA單因素方差分析和Duncan多重比較檢驗,并采用SigmaPlot 12.0進行作圖。

2 結果

2.1 Mn對苦楝PSⅡ性能的影響

2.1.1Mn對苦楝PSⅡ反應中心的影響

圖1 不同濃度Mn對苦楝葉片PIABS的影響 Fig.1 Effects of different Mn concentrations on PIABS in M. azedarach leaves CK:對照組the control; L1: 土壤中Mn濃度為1220.58 mg/kg,the soil contained 1220.58 mg/kg of Mn per pot; L2:土壤中Mn濃度為3743.27 mg/kg,the soil contained 3743.27 mg/kg of Mn per pot;不同小寫字母表示同一天不同處理間差異達5%顯著水平

以吸收光能為基礎的性能指數(PIABS)主要用于衡量PSⅡ整體性能。由圖1可知,相對于對照來說,兩組Mn污染水平下,苦楝葉片的PIABS隨著時間的推移都呈現出下降趨勢,即L2

2.1.2Mn對PSⅡ供體側/受體側的影響

K點的可變熒光Fk占振幅F0—Fj的比例(Wk)和J點的可變熒光Fj占振幅F0—Fp的比例(Vj),分別表示PSⅡ供體側放氧復合體和受體側QA之后電子傳遞鏈的受損程度,其值越大表明受損傷越嚴重。由圖2可知,相對于對照來說,兩組Mn污染水平下,苦楝葉片的Wk和Vj隨著時間的推移都呈現出上升趨勢,在L1污染水平下,Wk和Vj在前28天與對照相比均無明顯變化,僅第35天顯著上升(P<0.05)；在L2污染水平下,Wk從第7天起與對照相比出現顯著上升(P<0.05),Vj從第21天起與對照相比出現顯著上升(P<0.05),總體來說,L2污染下的Wk和Vj上升幅度明顯大于L1污染水平(P<0.05)；與CK處理相比,L1、L2污染水平下,Wk增幅均在第35天最大,增幅分別為17.51%和71.36%,Vj增幅同樣在第35天最大,分別為7.72%,24.67%。表明兩種Mn污染水平導致苦楝PSⅡ供體側和受體側均受損,且L1污染水平下,受損較小。

圖2 不同濃度Mn對苦楝葉綠素可變熒光Wk與Vj的影響Fig.2 Effects of different Mn concentrations on ratio of a variable fluorescence Wk and Vj in M. azedarach leaves

2.2 Mn對苦楝光合電子傳遞鏈的影響

圖3 不同濃度Mn對苦楝葉片Ψ(Ro)、Ψ(Eo)、δ(Ro)的影響Fig.3 Effects of different Mn concentrations on Ψ(Ro),Ψ(Eo),δ(Ro) in M. azedarach leaves

2.3 Mn對苦楝光系統I性能的影響

820 nm光吸收的相對振幅(ΔI/I0)作為衡量PSI的最大氧化還原活性,是對PS I性能的綜合評價[32]。由圖4可知,相對于對照來說,兩組Mn污染水平下,苦楝葉片的ΔI/I0隨著時間的推移呈現出下降的趨勢。在L1污染水平下,ΔI/I0在前21天與對照相比無明顯變化,從第28天顯著下降(P<0.05)；在L2污染水平下,ΔI/I0在第7天與對照相比顯著下降(P<0.05),從28天起,L2污染下的ΔI/I0顯著低于L1污染水平(P<0.05),表明兩種Mn處理都造成苦楝ΔI/I0下降,且污染濃度越高,性能下降越早、下降程度越大。

2.4 Mn對苦楝光系統I與光系統Ⅱ協調性的影響

Ψ(Eo)和ΔI/I0之間的協同關系可以表明兩個光系統之間的協調性Φ(PSI/PSⅡ)[33]。由圖5可知,與對照相比,在L1和L2污染水平下,苦楝葉片的Φ(PSI/PSⅡ)在各個時間點均小于對照(CK)。在L1污染水平下,Φ(PSI/PSⅡ)從一開始下降,僅第14天呈現顯著差異性(P<0.05),但隨后Φ(PSI/PSⅡ)在逐漸上升,與對照相比無顯著差異性；在L2污染水平下,Φ(PSI/PSⅡ)除第21天外,與對照相比均顯著下降(P<0.05),且下降幅度大于L1污染水平,差異性顯著(P<0.05),表明L1污染水平下,兩個光系統之間的協調性受到抑制后又逐漸恢復,L2污染水平下,兩個光系統之間的協調性一直處在抑制狀態。

2.5 Mn對苦楝葉片光合氣體交換參數及RuBP羧化酶活性的影響

由圖6可知,兩組Mn污染水平下,凈光合作用(Pn)、氣孔限制值(Ls)和RuBP羧化效率都隨著時間的推移呈現出下降的趨勢,胞間CO2濃度(Ci)隨著時間的推移呈現上升的趨勢。相對于對照來說,在L1和L2污染水平下,凈光合作用(Pn)從第7天均顯著下降(P<0.05),L1和L2污染水平之間從第21天呈顯著性變化(P<0.05)；胞間CO2濃度(Ci)從第7天均顯著上升(P<0.05),僅在第21天時CK和L1之間差異性不明顯。相對于對照來說,在L1污染水平下,氣孔限制值(Ls)從28天顯著下降(P<0.05),在L2污染水平下,氣孔限制值(Ls)從第7天顯著下降(P<0.05)；在L2污染水平下,RuBP羧化效率從第7天顯著下降(P<0.05),在L1污染水平下,RuBP羧化效率從第14天顯著下降(P<0.05),且CK、L1、L2之間也從第14天開始呈現顯著性變化(P<0.05)。

圖4 不同濃度Mn對苦楝玉米葉片ΔI/I0的影響 Fig.4 Effects of different Mn concentrations on ΔI/I0 in M. azedarach leaves

圖5 不同濃度Mn對苦楝葉片Φ(PSI/PSⅡ)的影響 Fig.5 Effects of different Mn concentrations on Φ(PSI/PSⅡ) in M. azedarach leaves

圖6 不同濃度Mn對苦楝葉片氣體交換參數和RuBP羧化酶效率的影響Fig.6 Effects of different Mn concentrations on gas exchange parameters and RuBP carboxylase efficiency in M. azedarach leaves

3 討論

快速葉綠素熒光OJIP曲線中K點的上升作為PSⅡ供體側(OEC)傷害程度的指標已被廣泛接受,并用Wk反映K點的變化[34- 36]。K相的產生是由于放氧復合體從Mn-復合體上解離,導致PSⅡ供體側流向反應中心的電子與從反應中心流向PSⅡ受體側的電子不平衡,次級電子供體酪氨酸殘基Z(Yz)的氧化態(Z+)不斷積累。因此,Wk反應了Z+積累量的變化,Wk的上升表示PSⅡ供體側受傷[37],近期研究還表明,Vj上升僅反映PSⅡ受體側受傷,Wk的上升不僅反映PSⅡ供體側受傷,同時也反映PSⅡ供體側受傷程度大于PSⅡ受體側的受傷程度[38]。在本試驗中,Mn脅迫造成PIABS明顯下降,Wk、Vj上升,說明Mn脅迫下苦楝葉片PSⅡ的整體性能下降[39],苦楝PSⅡ供體側和受體側同時受到傷害,特別是Wk最大上升幅度大于Vj,表明供體側受傷導致從PSⅡ供體側流向反應中心的電子減少幅度小于PSⅡ受體側受傷導致反應中心流向受體側的電子減少幅度,次級電子供體酪氨酸殘基Z(Yz)的氧化態(Z+)仍然不斷積累,最終導致PSⅡ供體側受傷程度大于受體側。

研究表明,PSⅡ和PSI性能降低或PSⅡ和PSI之間電子傳遞協調性下降,最終都會導致植物光合能力下降,凈光合作用降低,不利于植物生長[45],當PSⅡ和PSI性能下降,協調性也降低,就說明光系統遭到嚴重破壞,光合作用仍會持續降低,最終導致植物死亡[46]。在本試驗結果還發現,不同Mn污染水平下,苦楝凈光合作用(Pn)明顯下降,RuBP羧化效率顯著下降,而胞間CO2濃度上升,根據Farquhar等[31]測定氣孔限制值(Ls)的方法,當凈光合作用(Pn)下降,植物葉片胞間CO2(Ci)減小,Ls增大時,光合作用下降的主要原因是氣孔限制造成的,而植物葉片胞間CO2(Ci)增大,Ls減小時,光合作用下降的主要原因則是非氣孔限制造成的。本試驗研究結果表明,Mn污染脅迫下,苦楝光合作用下降的主要原因是非氣孔限制造成的,說明Mn污染造成苦楝葉片PSⅡ和PSI受損,光合能力下降。但是該試驗并不能很好闡述受損的機理,只有結合光系統反應中心的蛋白及其基因編碼的表達才能充分說明光系統受損現象。

4 結論