鉛脅迫對滇白前生長、光合作用及葉綠素熒光的影響

王建秋， 曹子林*， 王曉麗， 張晉龍， 彭辰吟

(1.西南林業大學生態與環境學院， 云南 昆明 650224； 2. 云南省山地農村生態環境演變與污染治理重點實驗室， 云南 昆明 650224； 3.西南林業大學林學院， 云南 昆明 650224)

隨著工農業生產的快速發展，重金屬污染已經成為當今全球面臨的一個重要環境問題。鉛是一種有害的重金屬元素，在過去的50年里，大約有7.83×105t的鉛排到土壤環境中，對土壤造成嚴重的重金屬污染[1]。鉛易被植物吸收積累，當其在植物體內累積超過一定限度時，不僅嚴重影響作物的產量和品質，還會通過食物鏈危害人體健康[2]。因此，修復鉛污染的土壤尤其重要。植物修復技術是一種新興的土壤修復技術，具有修復面積廣、操作簡便且綠色無二次污染等優點[3]，對于清除土壤重金屬污染與實現可持續發展具有重要的現實意義。而選擇對重金屬耐性強、生物量大的超富集植物正是植物修復技術的關鍵。

滇白前(Sileneviscidula)是石竹科(Cayophyllaceae)蠅子草屬的一種多年生草本植物，主要生長在海拔1 200～3 200 m的四川、云南、貴州、西藏(東南)等地[4]。據研究，滇白前對鉛(Pb)、鋅(Zn)、鎘(Cd)元素具有很強的耐受性，是新型Pb/Zn/Cd共超富集植物，為土壤重金屬污染地修復提供了新的資源[5]。目前，有關滇白前的研究主要集中于其藥用成分、抗癌作用及轉錄組測序等方面[6-8]。植物的生長指標、光合生理特性及葉綠素熒光可反映植物對外界環境的適應性，是植物能否在重金屬脅迫下成功定植的重要指標[9-10]，但關于鉛脅迫對滇白前生長特性、生理指標和葉綠素熒光的影響未見報道。因此，本研究以滇白前為對象，進行盆栽試驗，通過不同濃度鉛脅迫，測定其生長指標、葉綠素含量、光合生理、熒光特性、根系活力的變化，探究滇白前對鉛脅迫的生理響應機理，以期為鉛污染土壤的生態修復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

栽培基質為昆明市呈貢區的農田土，將土壤陰干并去除其中巖石和殘留的植物后磨細過篩。滇白前種子采自云南省怒江州蘭坪縣金頂鎮鳳凰山金鼎鉛鋅礦區，地理坐標：26°24′3″N，99°24′54″E。2020年6月中旬，用滇白前種子進行育苗，待植物長出4片真葉后用于試驗。

1.2 試驗設計

用外口徑21 cm、盆高11 cm的花盆裝干土2 kg，依次加入相對應濃度的Pb(NO3)2溶液，使土壤添加鉛含量分別為0 mg·kg-1，600 mg·kg-1，1 200 mg·kg-1，1 800 mg·kg-1，2 400 mg·kg-1和3 000 mg·kg-1(以干土計)。添加時溶液剛好把土壤浸濕無滲漏，并充分攪拌混勻，老化3個月后供試驗使用。7月30日，將大小一致、長勢良好的滇白前幼苗移栽到不同濃度鉛的土壤中，每盆種植3株，每個處理3個重復。在試驗區上方搭設爬藤架，在架上蓋上塑料膜，每天適量澆水使土壤含水量大約保持在田間持水量的70%。

1.3 試驗指標測定

脅迫60 d后，每個濃度處理選取滇白前倒三葉片3片，采用Li-6400XT光合儀測定凈光合速率(Net photosynthetic rate，Pn)、氣孔導度(Stomatal conductance，Gs)、蒸騰速率(Transpiration rate，Tr)、胞間二氧化碳濃度(Intercellular oxidation concentration，Ci)。用HAndy PEA植物效率分析儀測定初始熒光(Initial fluorescence，Fo)、最大熒光(Maximum fluorescence，Fm)、可變熒光(Variable fluorescence，Fv)、PSⅡ最大光化學效率(Maximum photochemical efficiency of photosynthetic system Ⅱ，Fv/Fm)、PSⅡ潛在活性(Potential activity of photosynthetic system Ⅱ，Fv/Fo)。采用丙酮-乙醇混合提取法測定葉綠素a(Chlorophyll a，Chl a)、葉綠素b(Chlorophyll b，Chl b)的含量[11]。最后，將植株取出，取根須及根尖0～3 cm，參照王學奎的方法，采用氯化三苯基四氮唑法測定根系活力[12]。測定高度、葉寬、根長，記錄萌條數，反映植物生長狀況。

1.4 數據分析

采用Excel 2016對原始數據進行處理和整理，利用SPSS 20.0軟件對生長指標、光合生理指標及葉綠素熒光特性進行差異顯著性檢驗，并進行這三大指標之間的相關性分析。

2 結果與分析

2.1 鉛脅迫對滇白前生長的影響

由表1可知：總體上，高度、葉寬、萌條數、根長4個指標隨鉛處理濃度的增大呈先升后降的趨勢。在600 mg·kg-1處理下，滇白前高度、葉寬與對照相比略有下降，而萌條數、根長與對照相比均有上升，其中根長達到顯著水平(P<0.05)；高度、萌條數在1 200 mg·kg-1處理時達到最大值，而根長、葉寬在1 800 mg·kg-1處理下達到最大值，鉛處理濃度達到3 000 mg·kg-1時，這4個指標均低于對照。

表1 鉛脅迫對滇白前生長的影響Table 1 The growth of S. viscidula under Pb stress

2.2 鉛脅迫對滇白前葉綠素的影響

由表2可知，隨著鉛濃度增大，滇白前Chl a、Chl b、Chl a+b含量均呈先升后降的趨勢。在600，1 200，1 800 mg·kg-1處理下，這三個指標隨著鉛濃度增加而增大，1 800 mg·kg-1處理下達到最大值，分別為1.35，0.53，1.89 mg·g-1，2 400 mg·g-1處理與1 800 mg·kg-1處理相比，這3個指標均下降，但這4個濃度處理均顯著大于對照(P<0.05)，而在3 000 mg·kg-1處理下，葉綠素含量3個指標均小于對照，達到最小值。

2.3 鉛脅迫對滇白前光合指標的影響

由表3可知，滇白前Pn，Gs，Tr均隨鉛濃度的增大呈先增后降的趨勢，而Ci隨鉛濃度的增大呈先降后增的趨勢。600 mg·kg-1處理時，Pn，Tr，Gs顯著高于對照(P<0.05)，Pn在1 800 mg·kg-1時達到最大值，Tr，Gs在1 200 mg·kg-1時達到最大值，隨后隨處理濃度增大而下降，3 000 mg·kg-1時，Pn，Tr，Gs均最小，僅6.40 μmolCO2·m-2·s-1，2.64 molH2O·m-2·s-1，0.27 molH2O·m-2·s-1，分別比對照增長了75.67%，71.05%，71.88%。600 mg·kg-1處理與對照相比，Ci顯著降低(P<0.05)，在1 800 mg·kg-1處理時為最低值，在3 000 mg·kg-1處理時達到最大值，為586.40 μmolCO2·mol-1。

表2 鉛脅迫對滇白前葉綠素含量的影響Table 2 Effect of Pb stress on chlorophyll content of S. viscidula

表3 鉛脅迫對滇白前光合指標的影響Table 3 Effect of Pb stress on photosynthesis indexes of S. viscidula

2.4 鉛脅迫對滇白前根系活力的影響

從圖1所示，滇白前根系活力(Root activity，RA)隨鉛濃度的增大呈先增后降的趨勢。在600 mg·kg-1處理時RA略高于對照，1 200 mg·kg-1處理時RA最高，之后隨處理濃度增大RA下降，但均高于對照，而在3 000 mg·kg-1處理時RA最低，比對照降低了51.99%(P<0.05)。

圖1 鉛脅迫對滇白前根系活力的影響Fig.1 Effect of Pb stress on root activity of S. viscidula

2.5 鉛脅迫對滇白前熒光特性的影響

由表4可知，隨著鉛濃度的增加，滇白前葉片的Fo呈先降低后升高的趨勢。Fm和Fv均呈現先增加后減小的趨勢，在1 200 mg·kg-1時達到最大值，分別為對照的1.11倍、1.17倍；鉛脅迫下滇白前Fv/Fm呈先增后降的變化規律，Fv/Fo與之相似，鉛濃度為600，1 200，1 800 mg·kg-1時，均顯著大于對照(P<0.05)；鉛濃度在3 000 mg·kg-1為最小值，均顯著低于對照(P<0.05)，滇白前葉片的葉綠素熒光效率受到抑制。

2.6 滇白前生長與光合生理及葉綠素熒光指標的相關性

由表5可知：株高與Pn，Tr，Gs,Chl a+b含量、RA、Fv/Fm，Fv/Fo呈極顯著或顯著的正相關(P<0.01或P<0.05)，與Ci呈極顯著的負相關(P<0.01)；Pn，Tr，Gs與Chl a+b含量、RA,Fv/Fm，Fv/Fo呈極顯著或顯著的正相關(P<0.01或P<0.05)，與Ci呈極顯著或顯著的負相關(P<0.01或P<0.05)；Ci與Chl a+b含量、RA,Fv/Fm，Fv/Fo呈極顯著的負相關(P<0.01)；Pn，Tr，Gs三者之間極顯著正相關(P<0.01)。

表4 鉛脅迫對滇白前葉綠素熒光參數的影響Table 4 Effect of Pb stress on chlorophyll fluorescence of S. viscidula

表5 生長指標與光合生理及葉綠素熒光指標的相關性Table 5 Correlation of growth index with photosynthetic physiology and chlorophyll fluorescence index

3 討論

鉛對植物生長的影響是植物適應環境生長的一個綜合作用的結果。植物對重金屬脅迫產生響應通常表現為低含量刺激正向應答，高含量脅迫產生顯著抑制作用[13]，但不同植物對鉛的耐受性不同。絹毛委陵菜(Potentillasericea)在鉛濃度為300～600 mg·kg-1時，植株能夠生存，但生長緩慢[14]。本研究表明：滇白前在2 400 mg·kg-1處理下，生長指標(高度、葉寬、萌條數和根長)仍高于或略低于對照，其對鉛的耐受性較高，因此，本試驗設置鉛濃度高于普通植物的耐受濃度。生長指標均隨鉛濃度的增加呈先增大后減小的變化趨勢，符合“低促高抑”的規律。中、低濃度(600～2 400 mg·kg-1)鉛脅迫對植物生長的促進可能是一種刺激和保護效應，植物生長越快，重金屬在植物體內的相對濃度就越低；而高濃度(3 000 mg·kg-1)鉛在植物體內積累，保護反應消失，影響了營養物質的吸收和分配，造成植株矮小，生物量減小，生長衰退[15]。這與不同程度脅迫下的根系活力、葉綠素含量、光合生理指標及葉綠素熒光參數的變化密切相關。

水是植物光合作用的原料之一，植物生長所需的水分主要通過根系從土壤中吸收。根系活力是反映根部吸收功能的綜合指標，其值大小是根系對養分和水分吸收能力的體現[16]。郭榮慧等[17]研究表明：0～500 mg·kg-1的鉛處理時，洋甘菊(Chamomile)根系活力隨著鉛濃度升高呈先升后降的趨勢，并且鉛對根系活力有促進作用。本研究也有類似的結論，滇白前根系活力隨著鉛濃度升高呈先升后降的趨勢，但起促進作用的鉛處理濃度明顯比較高，低、中濃度600～2 400 mg·kg-1處理對根系活力都具有促進作用，而高濃度3 000 mg·kg-1處理對根系活力有明顯的抑制作用。同時，本研究表明，根系活力與凈光合速率及生長量呈極顯著正相關。這是由于根系活力影響對光合作用原料水的吸收造成的。在適量鉛環境下，根系活力增強，有利于對養分和水分的吸收，從而促進滇白前光合作用及生長；鉛濃度過量則會抑制根系活力以及對水分養分的吸收和轉運，從而抑制滇白前光合作用及生長。

高等植物光合色素主要是由葉綠素a、葉綠素b組成，葉綠素在光合作用過程中起到接受和轉換能量的作用，將光能轉換成化學能，其含量高低與光合作用密切相關[18-19]。對于一般植物而言，鉛脅迫會導致植物葉綠素含量降低。例如，在鉛濃度為0～600 mg·L-1處理 30 d后，草地早熟禾(Poapratensis)葉綠素a、葉綠素b均隨處理濃度的增加而顯著降低[20]。但對于鉛超富集植物而言，適量的鉛能刺激葉綠素含量的增加。本研究表明：滇白前的葉綠素含量隨鉛脅迫濃度的升高呈先升后降的變化，并與凈光合速率、生長量呈顯著正相關。低、中濃度處理時，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量隨處理濃度增大而增大，且均在1 800 mg·kg-1時達到峰值，2 400 mg·kg-1時下降，但仍高于對照，而高濃度3 000 mg·kg-1時低于對照，這與劉英杰等[21]的研究結論相類似。原因是：低、中濃度處理可能沒有破壞植物體內葉綠體的結構，減緩葉綠素的合成過程，反而可能提高了葉綠素酸酯還原酶的活性和氨基-r-酮戊酸的含量[21-22]，從而促進了植物的葉綠素含量增加。而在高濃度鉛脅迫下，植物抗氧化酶活性降低，體內活性氧自由基含量升高，破壞了葉綠體的結構和功能；可能是鉛阻止了鐵分子進入葉綠素的卟啉環，減少了葉綠素的合成；也可能是抑制了葉綠素酸酯還原酶的活性和氨基-r-酮戊酸的合成，阻礙葉綠素合成，進而影響光合作用[23]。

氣孔是植物葉片上的主要器官，控制著植物光合作用中CO2分子的吸收和蒸騰作用中H2O分子的運輸[24]，所以氣孔對于植物光合生理過程有著重要的決定性作用。鉛脅迫能夠影響植物的氣孔導度和蒸騰速率，進而影響其光合作用[25-26]。本研究表明：氣孔導度、蒸騰速率、凈光合速率隨著鉛脅迫濃度升高呈先升后降的趨勢，這3個指標之間呈極顯著正相關，這與鉛脅迫對金花茶的光合生理影響的規律一致[27]，并且這3個指標與根系活力呈極顯著正相關。而胞間CO2濃度卻隨處理濃度增大呈先降后升的趨勢，與王小平的研究結論相類似[28]。原因是：中、低濃度鉛處理下，滇白前根系活力增大，對土壤水分吸收能力增強，這時氣孔導度增大，蒸騰速率增大，同時這時進入細胞的CO2增多，但由于光合速率增強，葉肉細胞光合能力的增強使其利用CO2的能力增強，導致了胞間CO2濃度下降。相反，在高濃度鉛脅迫下，滇白前根系活力降低，對土壤水分吸收能力減弱，這時氣孔導度降低，蒸騰速率減少，同時這時進入細胞的CO2減少，但由于光合速率減弱，葉肉細胞光合能力的下降使其利用CO2的能力降低，進而導致了胞間CO2濃度升高。

葉綠素熒光參數主要含義是泛指通過直接利用葉綠素熒光技術對植物進行熒光分析而獲得的重要熒光參數，植物體內葉綠素熒光分子能夠成為葉綠素熒光分析技術應用中的天然探針，植物對于光能的綜合利用狀態，能夠通過測得葉綠素熒光動力參數來呈現，從而判斷植物受逆境脅迫的程度[29]。Fv/Fm值用于度量植物葉片PSⅡ原初光能轉化效率，而Fv/Fo值表示PSⅡ潛在活性。本研究結果表明，Fv/Fo,Fv/Fm隨鉛處理濃度升高呈先升高后降低的規律，并與葉綠素含量、凈光合速率呈極顯著正相關。在濃度處理為600 mg·kg-1，1 200 mg·kg-1，1 800 mg·kg-1時，其值顯著上升。原因是：該濃度處理后葉綠素含量提高，進而加速了光合碳同化中以蛋白質為主體的各種酶及多種電子傳遞體的合成，并將更多的光能轉化為化學能，從而提高了光能轉化效率、PSⅡ電子傳遞活性，提高了光能利用效率，體現在凈光合速率的提高[30]。而在濃度處理為3 000 mg·kg-1時，其值顯著下降。原因是：在高濃度鉛脅迫下，葉綠素含量下降，所引起的生理響應過程正好與上述相反，降低了光能轉化效率、PSⅡ電子傳遞活性和光能利用效率，體現在凈光合速率的降低。

4 結論

鉛脅迫濃度在600～2 400 mg·kg-1處理下，滇白前的生長量、根系活力、葉綠素含量、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和熒光參數等指標顯著高于或略低于對照，說明滇白前對鉛脅迫具有較高的耐性，可作為修復土壤鉛污染的植物。