外源脫落酸對鉛脅迫下王族海棠光合特性的影響

朱世琦，孫曉剛

（吉林農業大學園藝學院，吉林 長春 130118）

隨著工業的發展，土壤重金屬污染問題日益嚴峻，重金屬對土壤的污染不可逆，且具有滯后性、易積累等特點。鉛（Pb）是最常見的重金屬之一，也是國家重點監控與控制的五種重金屬之一［1］。因此，Pb污染土壤的治理一直是近年來土壤修復的主要研究方向之一。植物修復技術是當前治理重金屬污染土壤的研究熱點和有效手段，已發現山荊芥［2］、紫花苜蓿［3］等植物對土壤鉛具有超富集作用，紅花風鈴木［4］、竹柏［5］對Pb脅迫具有較強的耐受性。

外源脫落酸（ABA）是一種抑制型激素，參與植物生長發育的多種過程，不僅可以促進種子貯藏蛋白合成、誘導植物休眠，還在氣孔開閉、水分調節、光合作用及植物對逆境的適應等多方面起著重要的調控作用［6，7］。陳仕淼［8］的研究結果顯示對東南景天施用0.2 mg／L外源ABA可以提高其對土壤中Cd的吸收能力，張慧［9］的研究結果顯示外源ABA對于提升菹草重金屬脅迫耐受性具有良好的效果。

王族海棠（Malus‘Royalty’）是薔薇科蘋果屬的一個集觀花、觀葉與觀果為一體的彩色綠化品種，具有較強的耐寒性，且對土壤要求不嚴，耐瘠薄和輕度鹽堿。我國北方，由于氣候原因，園林綠化樹種較為單一，同時，土壤廣泛存在重金屬污染問題，尤其東北工業區是重點污染區域［10－12］。為豐富北方城市景觀綠化樹種，同時發揮植物對重金屬污染土壤的生態修復功能，本研究采用盆栽試驗，以王族海棠為試材，設置不同濃度的Pb（NO3）2溶液處理盆栽土壤以模擬Pb污染環境，同時葉面噴施外源ABA，測試不同處理王族海棠幼苗的光合氣體交換參數、葉綠素熒光參數變化，以探究其光合特性對鉛脅迫的響應以及脫落酸對緩解鉛脅迫的光合作用機理。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為引自遼寧的王族海棠一年生嫁接苗。于2020年4月5日選取長勢一致、生長良好的幼苗移栽至規格為240 mm×190 mm的盆內培養，培養基質為5.5 kg草炭土與原土按1∶1混合的混合土。移栽后進行正常田間管理。

1.2 試驗設計與處理方法

于2020年4月5日將移栽好的王族海棠幼苗移至塑料大棚，并于2020年5月27日，用Pb（NO3）2溶液對土壤進行鉛脅迫處理，設置5個濃度梯度：0（Pb0）、500（Pb500）、1 000（Pb1000）、1 500（Pb1500）、2 000（Pb2000）mg／kg。Pb脅迫處理7 d后，于6月2日用50μmol／L ABA進行葉面均勻噴施（ABA50），對照組以等量蒸餾水（ABA0）代替。

1.3 測定項目與方法

外源ABA噴施3 d后進行相關參數的測定。每個處理測定5片葉子，重復3次。

1.3.1 光合氣體交換參數 利用CIRAS－Ⅱ便攜式光合作用測定系統，分別于2020年6月6日、6月16日、6月28日、7月7日、7月13日晴朗無云的上午8∶00—11∶00，選擇無病蟲害、全展開的王族海棠葉片，測定葉片凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、水分利用效率（WUE）等。

1.3.2 葉綠素熒光參數 選擇完全展開且無傷害的葉片完全暗適應10 h后，使用FMS－Ⅱ熒光儀，分別于2020年6月7日、6月18日、6月29日、7月8日、7月14日測定初始熒光（Fo）、最大熒光（Fm）和可變熒光（Fv）等參數，計算PSⅡ最大光化學量子產量（Fv／Fm）、PSⅡ實際光能轉換效率（ΦPSⅡ）；葉片光適應2 h后測定非光化學猝滅系數（qN）、光化學猝滅系數（qP）等。

1.4 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2007處理試驗數據并制作圖表，用SPSSStatistics22軟件對各組數據進行單因素方差分析及Duncan’s多重比較，差異顯著水平設置為P<0.05。

2 結果與分析

2.1 外源ABA對鉛脅迫下王族海棠光合特性的影響

2.1.1 對Pn的影響 由圖1可知，無論噴施還是未噴施外源ABA，王族海棠葉片的Pn均隨Pb濃度的增加呈先升高后降低的趨勢，且均在Pb1000達到峰值，分別比Pb0升高36.0%與25.6%。不同濃度鉛處理間，Pb1500與Pb0差異不顯著，而低濃度鉛脅迫處理（Pb500和Pb1000）下Pn顯著高于Pb0，高濃度（Pb2000）處理下Pn顯著低于Pb0（P<0.05）。相同濃度Pb處理下，噴施外源ABA的王族海棠葉片Pn顯著高于未噴施的，增幅達50.9%～69.6%。

圖1 外源ABA對鉛脅迫下王族海棠凈光合速率的影響

2.1.2 對Ci的影響 由圖2可知，隨Pb濃度的增加，噴施和未噴施ABA的Ci均在Pb500顯著下降（P<0.05），隨后逐漸升高，其中，未噴施外源ABA的葉片在Pb1000就已高于CK，Pb1500就已顯著高于CK（P<0.05），而噴施ABA的在Pb2000時才略高于CK（P＞0.05）。在沒有Pb脅迫時，噴施ABA顯著提高王族海棠葉片的Ci；而在Pb脅迫下，噴施ABA降低Ci，Pb脅迫濃度在1 000～2 000 mg／kg時差異達到顯著水平。

圖2 外源ABA對鉛脅迫下王族海棠胞間CO2濃度的影響

2.1.3 對Gs的影響 由圖3可知，未噴施ABA時，0～1 500 mg／kg Pb脅迫處理對王族海棠葉片的Gs無顯著影響，而2 000 mg／kg Pb脅迫處理顯著降低Gs 8.2%。噴施ABA后，隨Pb濃度的增加，Gs先顯著升高，在Pb1000達到峰值，顯著高于Pb0 11.5%，而后逐漸下降，Pb2000的Gs顯著低于Pb0。與未噴施ABA相比，噴施ABA可顯著提高各Pb處理的Gs（P<0.05）。

圖3 外源ABA對鉛脅迫下王族海棠氣孔導度的影響

2.1.4 對Tr的影響 圖4顯示，Pb脅迫顯著提高王族海棠葉片Tr，且隨著Pb濃度的增加呈上升趨勢，但不同Pb濃度處理間差異不顯著。噴施ABA顯著提高Tr（P<0.05），在0～2 000 mg／kg Pb脅迫處理下分別高出ABA0組55.1%、49.0%、49.1%、50.0%、50.8%。

圖4 外源ABA對鉛脅迫下王族海棠蒸騰速率的影響

2.1.5 對WUE的影響 圖5顯示，與Pb0相比，除Pb1000增加葉片的WUE外，Pb脅迫處理降低WUE，且有隨Pb濃度增加而下降的趨勢，1 500～2 000 mg／kg Pb脅迫處理降低顯著（P<0.05），降幅達37.9%～57.2%。噴施ABA可提高葉片的WUE，Pb0和Pb1000處理下兩者間差異不顯著，其余Pb脅迫處理下兩者間差異達顯著水平（P<0.05），且Pb濃度越高增幅越大，Pb2000處理下可提高36.2%。

圖5 外源ABA對鉛脅迫下王族海棠水分利用率的影響

2.2 外源ABA對鉛脅迫下王族海棠葉綠素熒光參數的影響

由表1可知，隨著Pb脅迫濃度的增加，王族海棠葉片的Fv／Fm先顯著升高，均在Pb1000時達到峰值，ABA0和ABA50下分別比Pb0提高2.1%和2.6%，之后逐漸降低，濃度越高降低越顯著。噴施ABA可提高Fv／Fm，在Pb脅迫處理下差異達到顯著水平（P<0.05）。

表1 外源ABA對鉛脅迫下王族海棠葉綠素熒光參數的影響

除未噴施ABA時Pb2000與Pb0差異不顯著外，Pb脅迫處理可顯著提高葉片ΦPSⅡ，其隨Pb濃度增加的變化趨勢與Fv／Fm 相同，也均在Pb1000達到峰值，與Pb0相比，ABA0和ABA50組分別顯著高出48.2%和70.8%。噴施ABA可顯著提高各Pb濃度處理的ΦPSⅡ（P<0.05）。

ABA0與ABA50處理的光化學猝滅系數（qP）也均隨著Pb脅迫濃度的增加先升高后下降，并在Pb1000達到峰值，分別高出Pb0 49.6%與72.3%；Pb脅迫處理的qP均顯著高于Pb0（P<0.05）。噴施ABA可顯著提高Pb脅迫處理下的qP（P<0.05）。

ABA0與ABA50的非光化學猝滅系數（qN）與其光化學猝滅系數（qP）的變化趨勢相反，表現為隨著Pb濃度的增加先降低后升高，均在Pb1000降至谷值，與Pb0相比分別降低50.0%與44.7%。噴施ABA的qN均顯著低于ABA0（P<0.05）。

3 討論與結論

3.1 鉛脅迫對王族海棠光合特性的影響

種植耐受性強的植物一直是近年來對Pb污染土壤治理和修復的主要方向。王佳穎［13］研究發現高濃度鉛雖對雷竹光合作用產生一定的抑制，但植株生長表觀特征正常，表明雷竹具有極強的鉛耐性，在重金屬污染土壤的修復上有較大的發展空間；夏紅霞等［14］研究發現低濃度鉛可促進黑麥草葉綠素的合成，促進植株的光合作用，而高濃度鉛會降低其光合作用，抑制植株生長，但未出現明顯的毒害癥狀，說明黑麥草也可用于修復Pb污染土壤。

光合作用是植物生長發育過程中重要的代謝過程，受氣孔因素與非氣孔因素的影響，當胞間Ci和Gs降低時，Pn的下降主要是由氣孔因素引起；而當葉片Pn的降低伴隨著Ci的升高，則光合作用的主要限制因素是非氣孔因素，即葉肉細胞光合活性的下降［15－17］。本試驗結果顯示，低濃度（≤1 000 mg／kg）的土壤Pb脅迫會使王族海棠的Pn和Gs升高、Ci降低，但Pb濃度繼續升高，Pn和Gs下降而Ci升高，尤其2 000 mg／kg時差異達到顯著水平。說明低濃度Pb脅迫不僅未對王族海棠的光合系統造成傷害，反而有一定的促進作用，而高濃度Pb脅迫則導致葉肉細胞光合活性下降，氣孔導度下降，胞間CO2大量積累，顯著抑制其光合作用。

Gs的下降一般來說與葉片水勢降低、氣孔保衛細胞失水有關，進而與植物組織的水分狀況有關［18］。本研究結果表明，Pb脅迫顯著提高了王族海棠葉片的Tr，且隨著土壤中Pb濃度的增加而逐漸升高；降低了除1 000 mg／kg Pb（NO3）2處理的水分利用效率，Pb脅迫濃度越高，下降越顯著。可見，低濃度Pb刺激Tr增強，影響水分利用效率，而隨著Pb脅迫的增強，蒸騰過強，水分利用效率進一步降低，氣孔導度顯著下降。說明水分因子可能是影響王族海棠葉片氣孔導度下降的主要原因，其相關性還有待進一步研究。

ABA作為植物體內一種信號轉導類激素，在非生物逆境脅迫下會對植物的生長發育造成一定影響，使得植物的生長發育能夠正常進行［19］。本研究結果表明，噴施外源ABA能夠提高Pb脅迫下王族海棠葉片的Pn、Gs、Tr和WUE，降低Ci，這與劉小金等［20］的研究結論基本一致。然而，前人相關研究同時發現，噴施外源ABA還可以誘導植物氣孔關閉，從而降低植物葉片的蒸騰速率與氣孔導度［21，22］。造成這種差異的原因可能與試驗材料以及外源ABA的噴施濃度和時間不同相關［23］。范曉榮等［21］在旱作水稻葉片氣孔運動對ABA的響應試驗中發現，5 min內ABA就可使氣孔完全關閉，不同濃度ABA的作用強弱不同，且引起作用所需的時間也不相同。這也說明外源ABA所引起的植物氣孔關閉是一個短期過程，與作用時間及ABA濃度有著密切關系，但有關ABA作用隨處理時間的變化規律有待進一步研究。

3.2 鉛脅迫對王族海棠葉綠素熒光參數的影響

葉綠素熒光憑借其非破壞性、非接觸性和測量方便等優點常被用于評價光合機構的功能和環境脅迫對其的影響［24］。光化學猝滅系數qP在一定程度上反映了光合系統反應中心開放度的高低，而非光化學猝滅系數qN反映了PSⅡ反應中心對天線色素吸收過量光能后以熱能散發的部分，可反映光合機構的受損程度［25］。本試驗結果顯示，隨著土壤中Pb脅迫濃度的增加，王族海棠的Fv／Fm、ΦPSⅡ、qP先升后降，在Pb脅迫濃度為1 000 mg／kg時達到峰值；qN則先降后升，在1 000 mg／kg Pb處理時降至最低。表明王族海棠對輕、中度Pb脅迫具有一定的耐受性，可通過調整一系列生理反應對其進行應激保護［26－29］，但具體作用機制還有待進一步研究；而高濃度Pb脅迫使PSⅡ反應中心遭到破壞而失活，導致其對光能的吸收和轉化效率顯著下降，阻礙了光合碳同化產物的累積，從而影響植物生長發育［28］。而噴施50μmol／L外源ABA，可以顯著提高Pb脅迫下王族海棠葉片的Fv／Fm、ΦPSⅡ、qP，顯著降低qN，說明噴施適宜濃度的外源ABA能夠顯著提高王族海棠抵御Pb脅迫的能力。

綜上所述，王族海棠對低濃度Pb脅迫具有一定的耐受性，但超過1 000 mg／kg的Pb脅迫會破壞其光合系統，濃度越高破壞越顯著；而噴施50 μmol／L ABA可顯著減輕Pb脅迫對王族海棠光合系統造成的傷害。有關王族海棠對其他重金屬的耐受性及富集能力以及外源ABA對抵御重金屬的作用機制還需深入研究。本研究結果可為鉛污染地區生態修復及物種選擇提供參考。