鉻脅迫對葎草雌雄植株光合生理特性的不同影響

王碧霞，肖娟，馮旭,甘麗芬，唐婭

(1.西華師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,四川省環(huán)境科學(xué)與生物多樣性保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 南充637009； 2.西華師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,西南野生動(dòng)植物資源保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 南充637009； 3.西華師范大學(xué)研究生學(xué)院,四川 南充637009)

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鉻脅迫對葎草雌雄植株光合生理特性的不同影響

王碧霞1，肖娟1，馮旭2,甘麗芬3，唐婭1

(1.西華師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,四川省環(huán)境科學(xué)與生物多樣性保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 南充637009； 2.西華師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,西南野生動(dòng)植物資源保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 南充637009； 3.西華師范大學(xué)研究生學(xué)院,四川 南充637009)

摘要：采用盆栽法研究不同鉻濃度(Cr3+)(分別為0，50，200，300 mg/kg)下葎草雌雄植株氣體交換及光合生理特性的不同影響。結(jié)果表明，1)對照處理下，雌株的凈光合速率(Pn)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)、根鮮重和主莖長比雄株高，葉綠素含量和丙二醛含量比雄株低。2)50 mg/kg時(shí)雌雄植株的Pn顯著升高，除葉綠素?zé)晒鈪?shù)有顯著減少之外，雄株其余各項(xiàng)指標(biāo)顯著增加，而雌株則與對照相近。200 mg/kg時(shí)雌雄植株的Pn與對照相近，MDA含量沒有差異，但根鮮重和葉綠素?zé)晒鈪?shù)卻顯著降低，且雄株的葉綠素含量和主莖長也明顯減少，而雌株卻沒有變化。300 mg/kg時(shí)雌雄植株的Pn和根鮮重顯著降低，雄株各項(xiàng)指標(biāo)的下降比雌株更顯著，雌株則通過提高根鮮重、主莖長、蒸騰速率(Tr)和瞬時(shí)水分利用效率(WUEi)，并調(diào)整光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心，增強(qiáng)修復(fù)能力，以利于有效緩解光合機(jī)構(gòu)的損傷。3)從總體上來看，隨Cr3+脅迫的加劇，雌雄植株的凈光合速率呈現(xiàn)出先升后降，主莖長、根鮮重和葉綠素?zé)晒鈪?shù)則呈下降趨勢，而MDA含量和表觀光合電子傳遞速率(ETR)呈上升趨勢；但雄株的葉綠素含量隨著Cr3+濃度的增加而逐漸下降，而雌株在不同濃度的鉻脅迫下葉綠素含量和光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心的變化卻沒有明顯規(guī)律。因此，適量的鉻有利于葎草雌雄植株的生長，顯著提高凈光合速率，但過高濃度的鉻脅迫對雌雄植株具有明顯的抑制作用，顯著降低光合速率，在逆境脅迫下二者均表現(xiàn)出明顯的自我保護(hù)的抗逆生理響應(yīng)機(jī)制，尤其是雌株具有更靈活的響應(yīng)策略以及更強(qiáng)的適應(yīng)性和耐受性。

關(guān)鍵詞：葎草；鉻脅迫；雌雄植株；光合生理特性

鉻(Cr)是一種過渡金屬元素，在土壤、水體、大氣中均有分布[1]。由于鉻在印染、電鍍、皮革、化工等行業(yè)上的廣泛應(yīng)用，我國每年新排放鉻渣約60萬t，歷年累積存鉻渣近600萬t，含鉻廢水的排放量至少為1.8億t[2]。農(nóng)田土壤中的鉻最終將通過食物鏈累積危害人類健康，為此國內(nèi)外眾多學(xué)者針對鉻對植物生長的影響做了大量研究，但相關(guān)研究多集中在水稻(Oryzasativa)、辣椒(Capsicumannuum)、油菜(Brassicacampestris)和煙草(Nicotianatabacum)等農(nóng)作物的影響上[1,3-6]，很少涉及雌雄異株植物。據(jù)報(bào)道，由于長期進(jìn)化的結(jié)果，雌雄異株植物的雌雄植株在生長、生理、耐受機(jī)制等方面已出現(xiàn)明顯的性別差異[7-9]，該類植物為我國生態(tài)系統(tǒng)中的常見物種，如楊屬(Populus)、柳屬(Salix)、槭屬(Acer)、桑屬(Morus)等常見植物，對維持陸地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性起著重要作用。若鉻脅迫對該類植物的生長發(fā)育具有不同的影響，則勢必會引起種群性比的組成發(fā)生變化，最終導(dǎo)致當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變。因此，研究鉻脅迫對雌雄異株植物的性別差異具有重要意義。

葎草(Humulusscandens)為?？?Moraceae)葎草屬(Humulus)雌雄異株植物，一年或多年生草本，我國除青海、新疆外，南北各省區(qū)廣泛分布，且生長周期短，同時(shí)野生葎草還是工程礦地、裸露地和棄耕地的先鋒物種，因此葎草非常適合作為研究鉻脅迫對雌雄異株植物光合生理特性的實(shí)驗(yàn)材料。然而，近年來關(guān)于葎草的研究卻主要集中在其花器官、藥用成分、性別鑒定等生理生化方面[10-12]，雖然也偶見其在干旱和水分脅迫下具有性別差異的研究[10,13]，但重金屬脅迫對葎草雌雄植株光合生理特性的影響尚未見報(bào)道。故本研究以常見的葎草為試材，探討不同鉻濃度下葎草雌雄植株在根鮮重、主莖長、氣體交換、葉綠素含量、葉綠素?zé)晒鈪?shù)等指標(biāo)間的性別差異，以期揭示：雌雄植株對鉻脅迫的耐受性是否一致；哪種性別具有更強(qiáng)的適應(yīng)性；同時(shí)為進(jìn)一步探討該類植物對環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制提供參考，也為工程礦地、裸露地和棄耕地控制水土流失及改善生態(tài)環(huán)境方面提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

2012年10月中下旬采集南充市本地葎草野生種子，于2013年2月20日播種，待生長1個(gè)月后，選擇長勢基本一致的幼苗60株移栽到體積為10 L的塑料盆內(nèi)，毎盆裝入勻質(zhì)土壤7.5 kg，河沙1.5 kg，毎盆1株，緩苗20 d。于4月15日進(jìn)行鉻脅迫，重金屬試劑為Cr3+。參照王愛云等[6]的方法，設(shè)濃度為0，50，200，300 mg/kg共4個(gè)處理，將Cr3+按相應(yīng)濃度配成1000 mL的溶液，于4月15日一次性緩慢均勻澆灌于土壤中，每處理分別15株，對照組(15株)澆施等量清水。為防止溶液滲漏，對照組和處理組塑料盆內(nèi)均套有塑料袋(土壤置于塑料袋內(nèi))。

1.2測量方法

1.2.1氣體交換參數(shù)測定于2013年5月3日，隨機(jī)選取不同處理下的植株各10株，采用LI-6400便攜式光合測定儀(Li-Cor公司，美國)測定氣體交換特征。每個(gè)處理隨機(jī)選擇10株，測定植株上部第5或6片全展向陽葉片。測定時(shí)間為上午8:00-11:30，測定指標(biāo)為凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)等。瞬時(shí)水分利用效率(WUEi)為Pn與Tr之比，氣孔限制值[Ls=(Ca-Ci)/Ca]，采用Berry和Downton[14]方法計(jì)算。測定時(shí)的環(huán)境溫度為(28.0±1.0) ℃；大氣相對濕度為40%～43%；大氣CO2濃度(Ca)為(370±10) mmol/mol；光照強(qiáng)度為(1400±50) mmol/(m2·s)。

1.2.2丙二醛(MDA)含量及葉綠體色素含量測定隨機(jī)選擇各處理下雌雄植株各5株取植株上部第5或6片全展向陽葉片，采用硫代巴比妥酸(TBA)比色法測定MDA含量[15]，采用丙酮提取法測定葉綠素含量[16]，在波長663，646和470nm下分別測定吸光值，按照Lichtenthaler[17]的公式計(jì)算出：葉綠素a (Chl a，Ca=12.21A663-2.81A646)、葉綠素b (Chl b，Cb=20.13A646-5.03A663)、類胡蘿卜素[Chl x，Cx=(1000A470-3.27Ca-104Cb)/229]和葉綠素a/b(Chl a/b=Ca/Cb)的含量。

1.2.3葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定采用便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x(Junior-Pam， Heinz Walz， Effeltrich, Germany)于20：00-24：00時(shí)測定自然條件下葎草雌雄植株的葉綠素?zé)晒鈪?shù)[18]。選取長勢一致健康的植株進(jìn)行測量，每株植物從頂端數(shù)第4～6片充分展開的葉片中部進(jìn)行活體測定，每葉片重復(fù)3次，光化光強(qiáng)度設(shè)為190 μmol/(m2·s)，每隔20 s照射飽和脈沖光(6000 μmol/m2·s，0.6 s)。測量指標(biāo)包括：光下最大熒光(Fm′)、 光下最小熒光(Fo′)、最小熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、表觀光合電子傳遞速率(ETR)、最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)和非光化學(xué)淬滅系數(shù)(qN)，均由儀器自動(dòng)測得，依次計(jì)算出PSⅡ潛在活性(Fv/Fo)，可變熒光(Fv=Fm-Fo)。

1.2.4根鮮重及主莖長的測定試驗(yàn)結(jié)束后，清洗植株根部泥土用吸水紙吸干后稱鮮重，并用直尺法測定主莖長。

1.2.5統(tǒng)計(jì)分析利用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。平均值間的比較采用單因素方差分析方法(One-Way ANOVA)；不同處理間的差異采用Duncan多重比較檢驗(yàn)(Duncan’s multiple range test)。顯著性水平設(shè)定為a=0.05。

2結(jié)果與分析

2.1Cr3+脅迫對葎草雌雄植株氣體交換參數(shù)的影響

由表1可以看出，葎草雌雄植株的Pn在50 mg/kg 時(shí)高于CK， 200 mg/kg 時(shí)與CK相近，而300 mg/kg 時(shí)低于CK。CK處理下雌株的Pn、Gs、Ls、Tr均比雄株高，Ci比雄株略低，WUEi相同，但其差異均不顯著。50和200 mg/kg 時(shí)，雄株的Pn、Gs、Tr比雌株高，Ls比雌株低；但300 mg/kg 時(shí)，雄株的Pn、Gs、Tr卻低于雌株，Ls高于雌株。由此可見，葎草雌雄植株的Pn、Gs、Ci、Tr、Ls、WUEi均受到了Cr3+脅迫的顯著影響 (P=0.045，0.039，0.007，0.018，0.002，0.002)，雌、雄植株的Pn、Gs、Ci、Tr均隨Cr3+脅迫的加重呈下降趨勢，而Ls和WUEi則呈上升趨勢。

2.2Cr3+脅迫對葎草雌雄植株葉綠素含量及丙二醛含量的影響

由表2可以看出，雄株的Chl a、Chl b、Chl a/b、Chl x含量在CK時(shí)均比雌株高。50 mg/kg 時(shí)，雌、雄株的葉綠體色素含量與對照無顯著差異；200和300 mg/kg 時(shí)，雄株的Chl a、Chl b、Chl a/b、Chl x含量顯著低于CK，而雌株則沒有變化，甚至雌株的Chl x含量還比CK高。另外，除雄株的MDA含量在50 mg/kg 時(shí)顯著低于CK外，雌雄植株的MDA含量隨著鉻濃度的增加而增加，但上升趨勢不明顯。從總體上來說，Cr3+脅迫對葎草雌、雄植株的Chl a、Chl b、Chl a/b及Chl x含量造成了較大影響，存在差異性(P=0.009，0.010，0.002，0.045)，但MDA含量的變化卻不顯著(P=0.053)。其中，雄株的Chl a、Chl b、Chl a+b、Chl x含量隨著Cr3+脅迫的加劇而呈下降趨勢，而雌株無明顯變化。

F：雌株；M：雄株；FS表示性別處理；同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)，測定值以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示；*，P<0.05；**，P<0.01；***，P<0.001;ns：無顯著差異；下同。

F: Female; M: Male; FS: Sex effect; Means with the different letters in the each column are significant differences atP<0.05, each value is the mean±standard error; ns: No significance; The same below.

表2　鉻脅迫對葎草雌雄植株葉綠體色素和丙二醛(MDA)含量的影響Table 2　Chlorophyll pigments content and MDA contents of male and female H. scandens under chromium stress

2.3Cr3+脅迫對葎草雌雄植株葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

2.3.1Cr3+脅迫下雌雄植株Fo′、Fm′、Fo、Fm、Fv、ETR的變化從表3可以看出，葎草雌雄植株的Fo′、Fm′、Fo、Fm、Fv、ETR受到了Cr3+脅迫的顯著影響(P=0.000，0.000，0.000，0.000，0.000，0.002)。雌雄植株的Fo′、Fm′、Fo、Fm和Fv均隨著Cr3+脅迫(從50～300 mg/kg )的加劇而逐漸下降，且都顯著低于CK；同時(shí)，ETR則隨著Cr3+脅迫的加重而先低后高，逐漸上升。但從總體上來看，雌雄植株的Fo′、Fm′、Fo、Fm、Fv、ETR在CK處理下性別間的差異較為明顯，但在Cr3+脅迫下卻不顯著。

2.3.2Cr3+脅迫下雌雄植株Fv/Fo、Fv/Fm、qP、qN的變化從圖1可以看出，與雄株相比，雌株的Fv/Fo、Fv/Fm、qP在CK時(shí)較高，而50和200 mg/kg 時(shí)卻較低，尤其是200 mg/kg 時(shí)雌株的下降幅度明顯，而qN在雌、雄植株間的變化則與之相反。300 mg/kg 時(shí)，與CK相比，雄株的Fv/Fo和Fv/Fm顯著下降，且顯著低于雌株，qN略有上升并顯著高于雌株，同時(shí)qP也比雌株略高；此時(shí)，雌、雄株的qP均比CK明顯減少，雌株的Fv/Fo、Fv/Fm、qN與CK沒有顯著差異。因此，葎草雌、雄植株光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心在不同的Cr3+脅迫下呈現(xiàn)出了不同的變化規(guī)律，F(xiàn)v/Fo和Fv/Fm存在差異(P=0.016，0.014)，qP差異顯著(P=0.001)，qN沒有差異(P=0.091)；其中，雄株的Fv/Fo、Fv/Fm、qP隨Cr3+脅迫的加劇呈下降趨勢，雌株在不同Cr3+濃度下其變化規(guī)律不顯著。

表3　鉻脅迫對葎草雌雄植株葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響Table 3　Chlorophyll fluorescence parameters of male and female H. scandens under chromium stress

圖1　鉻脅迫下葎草雌雄植株的光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心特征Fig.1　PSⅡof male and female H. scandens under chromium stress不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。Means with the different letters are significant differences at P<0.05. The same below.

2.4Cr3+脅迫對葎草雌雄植株根鮮重和主莖長的影響

由圖2可以看出，對照處理下葎草雌株的根鮮重顯著高于雄株，且主莖長也較雄株高。與CK相比，50 mg/kg 時(shí)雄株的根鮮重和主莖長顯著增加，而雌株則略有減少；200 mg/kg 時(shí)雌雄株的主莖長略有下降，差異不顯著，但二者的根鮮重卻大幅度下降；300 mg/kg時(shí)雌雄株的根鮮重仍顯著降低，其主莖長也顯著減少。盡管在同一脅迫濃度下雌雄植株的性別差異不顯著，但不同Cr3+濃度下雌雄植株的生長差異顯著，其雄株的根鮮重和主莖長受到的影響明顯比雌株更大。由此可見，隨著Cr3+脅迫濃度的增加，雄株的根鮮重和主莖長呈現(xiàn)出顯著的先升后降的趨勢，同時(shí)雌株也呈下降趨勢，但下降幅度卻較雄株小。因此，雌雄植株的根鮮重和主莖長在Cr3+脅迫下具有顯著差異(P=0.041，0.003)。

圖2　鉻脅迫下葎草雌雄植株的根鮮重和主莖長Fig.2　Root fresh weight and stem length of male and female H. scandens under chromium stress

3討論

鉻對植物生長具有影響。適量的鉻對植物生長和產(chǎn)量存在著明顯的刺激效應(yīng)[19-21]，如Bonet等[21]利用Cr3+與Fe、P和Mn的互作，研究了富鐵和缺鐵豆類植物的生長后指出，低濃度的Cr3+可顯著促進(jìn)富鐵和缺鐵植物的生長，并有效減輕后者的失綠癥狀。還有研究表明，鉻在植物體內(nèi)過量積累會造成光合速率和同化系統(tǒng)能力降低，光合電子傳遞受阻，葉綠體超微結(jié)構(gòu)破壞，嚴(yán)重時(shí)還可致植物死亡[18,22-23]。本研究發(fā)現(xiàn)，與CK相比，葎草雌雄株的Pn在50 mg/kg 時(shí)顯著升高，在200 mg/kg 時(shí)沒有變化。這說明葎草雌雄植株的氣體交換能力在合適的濃度范圍不僅沒有受到抑制，反而得到了促進(jìn)。但在300 mg/kg 時(shí)，雌株和雄株的Pn比CK下降了21.46%和22.52%，Gs和Ci顯著低于CK，但Ls卻顯著高于CK(表2)。根據(jù)Farquhar和Sharkey的觀點(diǎn)[24]，判斷葉片光合速率降低的主要原因是氣孔還是非氣孔限制的兩個(gè)可靠判據(jù)是Ci和Ls的變化方向：Ci降低Ls升高表明是氣孔限制，反之則是非氣孔限制。這說明雌、雄植株受到了高濃度鉻脅迫的抑制，光合速率顯著下降，其主要原因既有氣孔因素也有非氣孔因素。同時(shí)，這還反映出葎草與大多數(shù)植物相似，也表現(xiàn)出對重金屬脅迫具有“低促高抑”的現(xiàn)象[19-23]。

本研究還發(fā)現(xiàn)，不同濃度的鉻脅迫導(dǎo)致雌、雄植株在性別間的光合生理響應(yīng)出現(xiàn)很大差異。與雌株相比，雄株的Pn在50和200 mg/kg 時(shí)分別增高了18.61%和12.45%，且Ci降低而Ls升高，即Ci降低是雌株較低光合速率的主要原因。而300 mg/kg 時(shí)雄株的Pn卻比雌株下降了28.06%，Gs、Tr、WUEi也略有下降，但Ci和Ls卻略有上升，這可能是氣孔限制和非氣孔限制兩種因素的共同作用導(dǎo)致了雄株的低光合速率。另外，CK處理時(shí)雌株的Pn比雄株高40.90%，此現(xiàn)象與雌雄異株植物在水分充足或濕潤生境下性比偏雌性的研究結(jié)果較為一致[7-9]，而與逆境脅迫下多數(shù)雌雄異株植株的雄株具有更高的光合能力不相符[7-9,25-26]，究其原因，雌雄植株性別間對鉻脅迫的敏感性可能具有物種間的差異，對重金屬脅迫的性別響應(yīng)差異說明其耐受機(jī)制也可能存在不同。但本研究與葎草、復(fù)葉槭(Acernegundo)、中國沙棘(Hippophaerhamnoidesssp.sinensis)和俄羅斯沙棘(Hippophaerhamnoides)在水分和干旱脅迫下，雄株保持著較低的Gs、Pn、Tr和CO2同化速率等指標(biāo)較為相似[13,27]。這表明高濃度鉻脅迫對雄株光合生理的影響程度大于雌株，雌株更具有鉻脅迫的適應(yīng)性和耐受性。另外，雌雄株的Pn降低不僅受到了Gs的影響，而且還與其他非氣孔因素有關(guān)。

高濃度鉻脅迫導(dǎo)致光合作用的降低還可能與植物葉綠素含量的降低有關(guān)。50 mg/kg 時(shí)，雌雄株的Chl a、Chl b、Chl a/b和Chl x含量與CK相近；200和300 mg/kg 時(shí)，葎草雄株的葉綠素含量及Chl a/b顯著降低，與文獻(xiàn)[28-30]類似，而雌株葉綠素含量無顯著變化(表2)。由于光合色素尤其是葉綠素在光合作用過程中起到接受和轉(zhuǎn)換能量的作用，Chl a/b值的降低說明其捕獲、轉(zhuǎn)化光能的能力下降。因此，葎草雄株的葉綠素含量和Chl x含量的顯著降低反映出雄株葉片的光能轉(zhuǎn)化和能量提供能力受到明顯抑制。這可能是活性氧代謝平衡破壞后的H2O2大量累積誘導(dǎo)酚特異過氧化物酶(PPOD)的合成，而PPOD則將酚氧化成酚自由基，進(jìn)一步促使了葉綠素的降解。然而，鉻脅迫下葎草雌株的葉綠素含量及Chl x含量卻無顯著變化，說明引起雌株光合降低的主要因素可能與光合作用酶的限制有關(guān)。另外，雌雄植株的MDA含量無顯著差異。由于MDA含量是植物在逆境條件下膜脂過氧化作用形成的產(chǎn)物，其含量的高低是衡量植物適應(yīng)環(huán)境的一個(gè)重要指標(biāo)，較低的MDA含量反映了該類植物對環(huán)境具有較強(qiáng)的抗逆性。

另一方面，葉綠體是光合作用的主要場所，是對重金屬脅迫較為敏感的細(xì)胞器，因此熒光變化也可以反映光合作用的情況。Cr3+脅迫后，雌雄植株的Fo′、Fm′、Fo、Fm、Fv、ETR、Fv/Fo、Fv/Fm、qP均降低，使雌雄植株葉片的PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率、PSⅡ潛在活性、PSⅡ潛在光合作用活力受到抑制，還使光合電子傳遞和光合膜的能量化作用受抑制(表3)。這說明葎草的葉綠素?zé)晒鈱︺t脅迫非常敏感，與文獻(xiàn)[31-32]研究結(jié)果基本一致。另外，ETR是反映實(shí)際光強(qiáng)條件下的表觀電子傳遞效率，Cr3+脅迫后雌雄植株的ETR在總體上呈上升的趨勢，有利于提高光能轉(zhuǎn)化效率，為暗反應(yīng)中心的光合碳同化積累更多所需的能量，以促進(jìn)碳同化的運(yùn)轉(zhuǎn)和有機(jī)物的積累。

還有研究表明，青楊(Populuscathayana)扦插苗除雌株qN大于雄株外，其他指標(biāo)Fo′、Fm′、Fo、Fm、ETR、qN均是雄株大于雌株[33]。葎草雌雄株的葉綠素?zé)晒鈪?shù)在Cr3+脅迫為50和200 mg/kg時(shí)，也表現(xiàn)出與青楊扦插苗相類似的性別變化。這說明適量的鉻脅迫后，葎草雄株葉片開放的PSⅡ反應(yīng)中心原初光能轉(zhuǎn)化效率和用于光合電子傳遞的能量占所吸收能量的比例要高于雌株，雄株相對較高的Fv/Fo、Fv/Fm和qP，而雌株較低水平的Fo′、Fm′、Fo、Fm、qN，反映出雌株的潛在熱耗散能力大于雄株，雄株更容易受到光抑制。Fv/Fm被稱為開放的PSⅡ反應(yīng)中心的能量捕獲效率，一般植物恒定在0.75～0.85；Fv/Fo表示的PSⅡ潛在活性，其變化常用來判斷植物葉片是否受到了光抑制[34]。300 mg/kg時(shí)，雌株的Fv/Fo與Fv/Fm顯著增高(圖1)。由此可以看出，雌株通過自身調(diào)節(jié)可以部分降低Cr3+脅迫的抑制，且較高的ETR說明其具有較強(qiáng)的損傷修復(fù)能力，而鉻脅迫卻使雄株的PSⅡ受體側(cè)功能發(fā)生了改變，PSⅡ電子傳遞受阻，PSⅡ反應(yīng)中心出現(xiàn)光抑制。同時(shí)，雌、雄株的qP受到高濃度鉻脅迫后同時(shí)降低，為耗散過高的激發(fā)能，qN增高，以利于有效緩解光合機(jī)構(gòu)的損傷。這被認(rèn)為是葎草在逆境脅迫下的一種自我保護(hù)的抗逆生理響應(yīng)機(jī)制，尤其是葎草雌株在逆境脅迫下具有靈活的生存策略[10]。另外，試驗(yàn)中盡管鉻脅迫使葎草雌雄植株的葉綠素?zé)晒鈪?shù)均有減小，但性別間的差異并不顯著，可能與Cr3+脅迫的濃度以及處理時(shí)間有關(guān)，其耐鉻閾值還待于進(jìn)一步研究。

另外，生物量也是衡量植物耐性的重要指標(biāo)。重金屬對植物生長的抑制主要表現(xiàn)在株高、鮮重、葉面積等生物量和形態(tài)指標(biāo)方面[1,6-13,35]，其中對雌雄異株植物的影響也較為顯著，如鉛處理后桑樹(Morusalba)雌雄幼苗的形態(tài)生長與地上部生物量顯著增加，而鋁脅迫后青楊雌雄植株的葉干質(zhì)量、莖干質(zhì)量和比葉面積的變化均有差異[36-37]。本研究中，Cr3+脅迫對葎草雌雄植株的根鮮重和主莖長也有明顯的影響，二者在總體上呈顯著的下降趨勢，尤其是300 mg/kg時(shí)雌、雄株的根鮮重和主莖長比對照分別減少了82.85%和12.35%、40.14%和52.95%。雖然相同濃度下雌、雄株的性別差異不顯著，但300 mg/kg脅迫時(shí)雌株卻以較高的根鮮重和主莖長維持較高的Gs、Tr和WUEi，避免由于氣孔關(guān)閉而導(dǎo)致光合作用受阻，以利于在高濃度脅迫中保持較高的Pn，與文獻(xiàn)[10-13]較為吻合。這也反映出不同性別的植株在不同環(huán)境中采用的生存策略不相同，還可能與物種的差異及葎草雌、雄株在種群繁衍中雌株個(gè)體需要投入更多的能量有關(guān)[7-13]。

4結(jié)論

鉻脅迫影響了葎草雌雄植株的氣體交換參數(shù)、葉綠素含量、MDA含量、葉綠素?zé)晒鈪?shù)、根鮮重和主莖長等光合生理特征，但不同濃度的鉻脅迫下雌雄植株的響應(yīng)存在顯著的性別差異。在50 mg/kg處理下雌、雄植株除葉綠素?zé)晒怙@著減少之外，雄株其余各項(xiàng)指標(biāo)顯著增加，而雌株則與對照差異不顯著。在200 mg/kg處理下雌、雄植株的根鮮重和葉綠素?zé)晒鈪?shù)大幅度降低，MDA含量沒有差異，雄株的葉綠素含量和主莖長已明顯減少，但雌株卻沒有變化。在300 mg/kg處理下雌、雄植株的光合速率和根鮮重顯著降低，其雄株的各項(xiàng)指標(biāo)比雌株下降更為顯著，尤其是雌株的光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心呈現(xiàn)出明顯的抗逆生理響應(yīng)，這表明受到了明顯的抑制作用。因此，研究認(rèn)為葎草雌株對鉻脅迫具有靈活的響應(yīng)策略，具有更強(qiáng)的適應(yīng)性和耐受性，更有利于作為工程礦地、裸露地和棄耕地的草本植物進(jìn)行“變廢為寶”式的開發(fā)利用。

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DOI：10.11686/cyxb2015436

*收稿日期：2015-09-14；改回日期：2015-11-23

基金項(xiàng)目：四川省教育廳項(xiàng)目(12ZB142)和西華師范大學(xué)科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助。

作者簡介：王碧霞(1977-)，女，四川南充人，講師，碩士。E-mail:696wbx@163.com

* 1Effects of Chromium stress on physiological and ecophysiological characteristics of male and female plants ofHumulusscandens

WANG Bi-Xia1, XIAO Juan1, FENG Xu2, GAN Li-Fen3, TANG Ya1

1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,ChinaWestNormalUniversity,KeyLaboratoryofEnvironmentalScienceandBiodiversityConservation,Nanchong637009,China; 2.CollegeofLifeScience,ChinaWestNormalUniversity,MinistryofEducationKeyLaboratoryofSouthwestChinaWildlifeResourcesConservation,Nanchong637009,China; 3.CollegeofPostgraduates,ChinaWestNormalUniversity,Nanchong637009,China

Abstract:This paper studied the differences of sex-specific and photophysiological characteristics of male and female plants of Humulus scandens exposed to chromium (0, 50, 200 and 300 mg Cr3+/kg soil). The results showed: 1) the net photosynthetic rate (Pn), chlorophyll fluorescence parameters, root fresh weight and stem length were greater in the females than males for the plants grown under 0 mg/kg (control), but the chlorophyll and malondialdehyde (MDA) concentrations were lower for females than for the males. 2) Compared with control plants, Pn was significantly increased in the 50 mg/kg Cr3+treatment for both male and female plants, but chlorophyll fluorescence parameters were significantly decreased by Cr3+in male plants and the value of other photophysiological indexes and plant growth were slightly increased by Cr3+, while Cr3+had no effect on the value of photophysiological indexes and growth of female plants. The value of Pn and the MDA concentration were similar to those of control plants in 200 mg/kg Cr3+treatment, but the root fresh weight and chlorophyll fluorescence parameters were significantly lower than for control plants. However, the 300 mg/kg Cr3+treatment significantly inhibited both of the male and female plants, and in this treatment Pn was significantly decreased (especially in male plants; females demonstrated enhanced ability to repair damage) compared to control plants, and all of the above-mentioned indexes and parameters were also significantly lower than control plants. 3) Overall, Pn of male and female plants first increased and then decreased with Cr3+exposure time, while stem length, root fresh weight and chlorophyll fluorescence parameters were directly decreased, and MDA content and the apparent electron transport rate (ETR) were promoted. However, the chlorophyll content of males decreased with increasing Cr3+concentration, but there was no significant decrease in chlorophyll content and photosystem II reaction centers for the female plants. In summary, Pn was increased by low Cr3+concentration and inhibited by higher Cr3+both in male and female plants. The plants demonstrated self-protective physiological response mechanisms. This was especially true for the female plants, which have a more flexible response strategy with higher tolerance capacity.

Key words:Humulus scandens; chromium stress; dioecious; photosynthetic characteristics

http://cyxb.lzu.edu.cn

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