張寶龍　陳美靜　辛士剛　陳強　李雪妹　李雪梅

摘要鉛脅迫是影響植物正常生長發(fā)育的重要環(huán)境脅迫因素之一。從葉綠體超微結(jié)構(gòu)、葉綠素含量、活性氧代謝、葉綠素?zé)晒鈪?shù)以及礦質(zhì)元素方面，分析了鉛脅迫對植物光合作用的影響，并且分析了光合作用中氣孔限制因素與非氣孔限制因素之間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞鉛脅迫；光合作用；氣孔因素；非氣孔因素

中圖分類號S432.2+2文獻標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2014）12-03468-03

基金項目國家自然科學(xué)基金資助項目（31270369，31070285）；沈陽師范大學(xué)生態(tài)與環(huán)境中心主任基金項目（EERCK201302）；沈陽師范大學(xué)大學(xué)生課題。

作者簡介張寶龍（1988-），男，遼寧沈陽人，碩士研究生，研究方向：生物化學(xué)與分子生物學(xué)、植物逆境生理方面的研究。*通訊作者，教授，博士，從事植物逆境生理方面的研究。

收稿日期20140409隨著工業(yè)化的發(fā)展，土壤和農(nóng)作物面臨越來越嚴(yán)重的重金屬污染。重金屬在生物體內(nèi)富集，最終通過食物鏈危害人類健康[1]。土壤中的鉛進入植物體內(nèi)對植物光合作用造成損傷，而光合作用是植物生存的能量和物質(zhì)基礎(chǔ)，對植物健康生長有重要作用，因此研究鉛對植物光合作用的影響對預(yù)防和治理鉛污染有著重要的意義。已有研究表明，在被鉛污染的土壤中，植物生長的諸多代謝途徑都會受到影響，進而生長被抑制[2-4]。筆者就鉛脅迫對植物光合作用的影響以及光合作用中氣孔限制因素與非氣孔限制因素限制之間的關(guān)系進行了闡述，為進一步研究鉛脅迫對植物光合作用的影響提供理論基礎(chǔ)，也為今后防治鉛污染提供參考。

1 鉛脅迫對植物光合作用的影響

抑制植物光合作用的原因既有氣孔因素又有非氣孔因素。氣孔因素是指氣孔導(dǎo)度下降，CO2進入葉片受阻而導(dǎo)致光合速率下降，影響植物的光合作用，使植物的生長受阻；非氣孔因素主要是指葉肉細胞光合活性受到限制，從而影響植物的光合作用。鉛脅迫降低植物的光合能力是通過影響氣孔導(dǎo)度、破壞葉綠體結(jié)構(gòu)和降低葉綠素含量等途徑實現(xiàn)的[5-7]。

1.1鉛脅迫下光合作用的氣孔限制葉片通過氣孔與外界進行氣體交換。氣孔導(dǎo)度（Gs）是影響CO2從空氣中向葉綠體光合部位擴散的因素之一。它的變化影響植物水分狀況和碳同化。Wong等[8]認為，Gs與光合速率相互影響，即氣孔導(dǎo)度在有利于光合作用時增大，在不利于光合作用時減小，兩者存在一定的線性關(guān)系。李壓藏等[5]對山梨的研究證明了這一點。山梨葉片的凈光合速率（Pn）持續(xù)下降，Gs先升后降，同時伴隨著蒸騰速率（Tr）的升高。因此，低濃度鉛可能刺激Tr和Gs增強，隨著鉛濃度的增加，過強的蒸騰作用導(dǎo)致Gs下降，造成Pn下降。鉛脅迫也有可能使得保衛(wèi)細胞的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，增加氣孔阻力，阻礙葉片內(nèi)外氣體交換，降低植物Gs，導(dǎo)致Pn下降，抑制光合作用。

1.2鉛脅迫下光合作用的非氣孔限制

1.2.1 鉛脅迫對葉綠體超微結(jié)構(gòu)的影響。葉綠體是植物的重要功能細胞器，與光合作用有密切聯(lián)系。它由被膜、基質(zhì)和類囊體組成，正常情況下呈長橢球形或梭形，被膜雙層和類囊體片層結(jié)構(gòu)清晰，基粒排列整齊、緊密，內(nèi)部含少量的高電子密度的小球形脂質(zhì)球[6，9]。在鉛脅迫下，植物葉綠體結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變[7]。周朝彬等[10]研究表明，隨著鉛濃度的升高，草木樨葉綠體超微結(jié)構(gòu)受到破壞，出現(xiàn)基粒片層消失、類囊體空泡、基粒垛疊混亂等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致葉綠體產(chǎn)生球形皺縮，出現(xiàn)大量的脂質(zhì)小球，膜系統(tǒng)崩潰。葉綠體膜系統(tǒng)的受損和類囊體的破壞導(dǎo)致葉綠素含量的下降。這是導(dǎo)致植物光合作用效率降低的重要非氣孔因素。而原海燕等[6]研究表明，當(dāng)馬藺受到鉛脅迫時并未造成植物葉綠體超微結(jié)構(gòu)的破壞。這可能是與試驗材料、處理方法不同有關(guān)。因此，鉛對于葉綠體超微結(jié)構(gòu)的影響還需要進一步的研究。

1.2.2 鉛脅迫對植物葉綠素含量的影響。光合色素是在光合作用中參與吸收、傳遞光能或引起原初光化學(xué)反應(yīng)的色素，其含量直接影響植物的光合能力。尤其葉綠素，對植物光合作用影響最為重要。韓金龍等[11]研究發(fā)現(xiàn)，在鉛脅迫下糯玉米幼苗葉片中葉綠素含量隨著鉛脅迫濃度的升高而逐漸降低，從而影響光合作用。在對紫穗槐幼苗進行鉛脅迫后，發(fā)現(xiàn)葉片葉綠素含量下降[12]。袁紅艷等[13]對費菜的研究也表明，在較高濃度的鉛脅迫下，葉綠素含量呈下降趨勢。鉛脅迫使得植物葉綠素含量降低的原因是多方面的。首先，可能由于植物受到鉛脅迫后體內(nèi)活性氧自由基作用，光合色素降解，阻礙光合作用正常進行，使得植物生長受到抑制；也有可能是高濃度的鉛破壞了葉綠素合成過程中所必需的葉綠素酸酯還原酶的活性，影響氨基-r-酮戊酸的合成，導(dǎo)致植物的葉綠素含量減少，從而影響光合作用[14-15]。Kupper等[16]提出了一種可能導(dǎo)致葉綠素含量減少的原因，即Pb2+可能取代葉綠素分子中的Mg2+，使得葉綠素結(jié)構(gòu)受到破壞，影響光合作用的正常進行。

1.2.3 鉛脅迫對植物活性氧代謝的影響。在正常生長情況下，植物體內(nèi)活性氧代謝保持平衡。當(dāng)植物處于逆境時，活性氧的產(chǎn)生和清除之間的平衡被破壞，大量的活性氧產(chǎn)生和積累，導(dǎo)致膜脂過氧化，丙二醛（MDA）含量增加，膜的功能和結(jié)構(gòu)遭到破壞，對植物造成傷害。因此，在鉛脅迫下，葉綠體內(nèi)的氧活化成活性氧，對葉綠體結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生不同程度的傷害。

超氧化物歧化酶（SOD）在植物清除活性氧方面起到重要作用。林杰等[17]研究表明，在低濃度鉛脅迫下，香根草葉片SOD活性先升高，隨著鉛濃度的繼續(xù)增加，SOD活性開始降低。朱啟紅等[18]研究表明，蜈蚣草葉片SOD活性隨著鉛濃度增加呈下降趨勢。楊楠等[19]研究也證明在較高鉛脅迫時，刺槐葉片SOD活性呈下降趨勢。

過氧化氫酶（CAT）可以將H2O2分解為H2O和O2，從而消除H2O2的毒害，是生物防御H2O2體系的關(guān)鍵酶之一；過氧化物酶（POD）的主要作用是將植物體內(nèi)過多的H2O2還原為H2O和O2，消除H2O2對植物的危害，POD與CAT共同消除過量的H2O2，使得H2O2維持在一個較低的水平[20-21]。朱啟紅等[18]研究表明，在低濃度鉛脅迫下蜈蚣草的POD和CAT活性有所上升，隨著鉛濃度的增加，POD和CAT活性呈下降趨勢。這與韓金龍等[11]對糯玉米幼苗的研究的結(jié)果相似。這是由于在低濃度鉛脅迫下，活性氧清除酶系統(tǒng)被誘導(dǎo)而加快，但在較高濃度鉛脅迫下，活性氧大量產(chǎn)生，并且細胞保護酶系統(tǒng)被破壞，活性氧代謝平衡被打破，細胞膜系統(tǒng)和大分子生命物質(zhì)被破壞，破壞了光合器官及其功能，損害了光合作用。

1.2.4 鉛脅迫對植物光合酶的影響。光合酶對光合作用非常關(guān)鍵，其活性直接影響光合速率，如1，5二磷酸核酮糖羧化酶（Rubisco）、PEP羧化酶。Rubisco活性對光合作用的CO2羧化階段十分重要[22]。在鉛脅迫條件下，Pb可能與蛋白質(zhì)的巰基結(jié)合，從而影響酶活性[23]。姚廣等[24]對玉米葉片的研究發(fā)現(xiàn)，其羧化效率顯著下降，證明Rubisco活性受到抑制。目前，關(guān)于鉛脅迫對植物光合酶活性的影響研究較少，有待于進一步研究。

1.2.5 鉛脅迫對植物葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響。光合作用包括一系列復(fù)雜過程。植物在原初反應(yīng)中將吸收的光能傳遞、轉(zhuǎn)換為電能的過程中，以較長的熒光方式釋放其中一部分光能。葉綠素?zé)晒夂凸夂献饔糜兄置芮械年P(guān)系。葉綠素?zé)晒鈪?shù)可以反映出光合機構(gòu)在逆境脅迫下的內(nèi)在變化。在葉綠素?zé)晒鈪?shù)中，PSⅡ最大光化學(xué)量子產(chǎn)量（Fv/Fm）是一個較恒定的參數(shù)，反映在無環(huán)境脅迫下經(jīng)過充分暗適應(yīng)的植物葉片PSⅡ最大的或潛在的量子效率；光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）在一定程度上反映PSⅡ反應(yīng)中心的開放程度，PSⅡ?qū)嶋H的電子傳遞的量子效率；PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率（ФPSⅡ）反映PSⅡ所吸收光中用于光化學(xué)部分的比率[25-28]。王天弘[28]研究表明，在鉛脅迫下互花米草Fv/Fm、ФPSⅡ隨著鉛脅迫濃度的增加而降低。姚廣等[24]對鉛脅迫下玉米幼苗的研究也證明鉛脅迫使ФPSⅡ下降。對茶條槭和五角槭進行鉛脅迫的研究表明，隨著鉛濃度的增加，2個樹種苗木葉片F(xiàn)v/Fm先升后降，qP和ФPSⅡ逐漸下降[29]。這說明在鉛脅迫下植物葉片的光合機構(gòu)受到一定程度的傷害，破壞了光能的吸收和轉(zhuǎn)化效率，PSⅡ活性中心受到損傷，PSⅡ光合電子傳遞能力受到抑制，光化學(xué)反應(yīng)的效率降低，最終導(dǎo)致植物葉片凈光合速率的下降。

1.2.6 鉛脅迫對光合作用相關(guān)礦質(zhì)元素的影響。礦質(zhì)元素對植物光合作用有著重要作用，例如N是植物體內(nèi)的大量元素之一，參與組成光合色素、葉綠體的元素之一，通過調(diào)節(jié)葉綠體發(fā)育、葉綠素合成及相關(guān)酶活性影響光合作用；Ca2+是植物體生長發(fā)育所必須的元素之一，可以穩(wěn)定細胞膜，調(diào)節(jié)植物的滲透壓；K+作為酶的活化劑活化植物代謝中的大部分酶，并且在包括蛋白質(zhì)的合成、糖的協(xié)同運輸?shù)壬磉^程中起重要作用；Mg2+是葉綠素的重要組成成分，植物生長在缺鎂的環(huán)境中會抑制葉綠素的合成，從而影響光合作用[30-32]。童建華等[33]研究發(fā)現(xiàn)，隨著鉛脅迫濃度的升高，水稻對Ca2+、Mg2+、K+等元素的吸收受到抑制，說明鉛脅迫破壞了植物細胞內(nèi)的礦質(zhì)元素平衡。張志堅等[32]研究表明，隨著鉛脅迫濃度的增加，菲白竹體內(nèi)K+含量隨著鉛脅迫濃度的增加而下降，Na+含量上升。植物體內(nèi)Na+/K+離子平衡對Na+/K+的選擇性吸收和在細胞原生質(zhì)膜上的交換對維持植物抗逆性至關(guān)重要。Na+/K+離子平衡被打破，對植物抗逆性造成損害[34]。因此，鉛可能通過抑制植物對礦質(zhì)元素的吸收造成光合速率的降低。其他重金屬對植物礦質(zhì)元素吸收的影響研究也得到類似的結(jié)果[35-36]。段昌群等[37]提出植物受到重金屬脅迫后，通過加速生理生化活動，產(chǎn)生大量代謝物與重金屬絡(luò)合以解毒，但使更多的重金屬進入植物體內(nèi)，最終對植物產(chǎn)生毒害作用。關(guān)于植物體內(nèi)鉛與其他礦質(zhì)營養(yǎng)元素之間吸收效應(yīng)的研究還有待進一步研究。

2氣孔限制因素與非氣孔限制因素的關(guān)系

對植物光合作用影響的限制因素包括氣孔限制和非氣孔限制2種。氣孔限制因素主要是指由氣孔導(dǎo)度下降所導(dǎo)致的光合速率下降；非氣孔限制因素主要是指葉肉細胞光合能力的損害，諸如葉綠體超微結(jié)構(gòu)的破壞和活性氧代謝平衡的破壞等導(dǎo)致光合速率下降。氣孔限制和非氣孔限制對光合作用的影響是一個復(fù)雜的問題。Farquhar等[38]研究表明，通過胞間CO2濃度（Ci）和Gs的變化趨勢可檢查氣孔是否是造成Pn下降的原因。當(dāng)Pn下降時，如果Ci下降而Gs升高，說明導(dǎo)致Pn下降的主要原因是氣孔導(dǎo)度下降；反之，如果Ci升高，而Gs下降，說明葉肉細胞光合能力的損害是導(dǎo)致Pn下降的主要原因。韓紅江等[39]研究發(fā)現(xiàn)，在低濃度鉛脅迫下，小麥的氣孔導(dǎo)度仍維持著正常的光合作用，此時氣孔因素沒有限制光合作用，在高濃度鉛處理下小麥葉片Pn下降，此時Ci升高，Gs下降，表明高濃度鉛對Pn表現(xiàn)出一定的抑制效應(yīng)，此時小麥葉片光合作用的下降是由非氣孔因素所致。李亞藏等[5]對山荊子的研究也得到了相同的結(jié)果。因此，在較低濃度鉛脅迫時，氣孔限制起主要作用；在重度鉛脅迫時，以非氣孔限制為主。因此，氣孔限制和非氣孔限制對光合作用的影響取決于鉛脅迫的程度。

3展望

光合作用是生物界賴以生存的基礎(chǔ)，提供了生命的基礎(chǔ)物質(zhì)和生命活動所需的能量，是植物物質(zhì)代謝和能量轉(zhuǎn)化的最初來源[40]。鉛脅迫可以通過氣孔因素和多種非氣孔因素影響植物的光合作用。前人就鉛對植物光合作用的脅迫傷害已開展了一些研究，為今后的研究提供很多理論和信息，但是研究結(jié)果多是關(guān)于氣孔與非氣孔因素結(jié)構(gòu)、含量的變化，鉛脅迫對光合作用的傷害機理及氣孔與非氣孔因素之間的關(guān)系仍有不明之處，有待進一步研究。分子生物學(xué)的發(fā)展為研究鉛脅迫傷害機理提供了新的方法。如果可以從分子水平上提高植物抗重金屬脅迫能力并將其應(yīng)用到農(nóng)作物上，那么將對緩解糧食危機起重要作用。因此，應(yīng)結(jié)合分子生物學(xué)技術(shù)，更全面、系統(tǒng)、完善地研究鉛脅迫對光合作用的傷害，加強葉綠素?zé)晒馓匦?、礦質(zhì)元素吸收和光合酶活性等方面的研究，并探索緩解這種傷害的方法。

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