■宋玉芝 彭擎 劉洋 張嵐嵐 溫銀曉
(南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院 江蘇南京210044)
低溫脅迫對兩種水生植物葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/p>
■宋玉芝 彭擎 劉洋 張嵐嵐 溫銀曉
(南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院 江蘇南京210044)
實(shí)驗(yàn)以水生浮葉植物鳳眼蓮和銅錢草為研究對象,分別在8℃、4℃、0℃3低溫下分別處理2h、4h、6h后以及去除低溫后在自然條件下恢復(fù)1d,3d,5d,7d兩種植物的最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm)和快速光曲線。結(jié)果表明:相同溫度梯度下隨著處理時(shí)間的增長以及不同梯度處理溫度的降低,鳳眼蓮和銅錢草的最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm)均顯著降低(P<0.05),最大電子傳遞速率、半飽和光強(qiáng)也均顯著降低(P<0.05),恢復(fù)性培養(yǎng)的過程中經(jīng)8℃處理的植物最快恢復(fù),0℃恢復(fù)最慢,總體來說,銅錢草的恢復(fù)速度快于鳳眼蓮。
環(huán)境學(xué)低溫脅迫鳳眼蓮銅錢草最大光化學(xué)量子產(chǎn)量快速光曲線恢復(fù)培養(yǎng)
近年來城市環(huán)境污染加劇,一些湖泊水體水質(zhì)惡化,大部分城市湖泊水體已出現(xiàn)富營養(yǎng)化。國內(nèi)外對控制湖泊水體富營養(yǎng)化問題已進(jìn)行了較多的研究和報(bào)道[1~3],且試圖用不同的方法進(jìn)行控制。水生高等植物和藻類在光能和營養(yǎng)物質(zhì)上是競爭者。適當(dāng)恢復(fù)水生高等植物,不僅可抑制浮游植物的生長,對改善水質(zhì)有利的,而且水生高等植物易于收獲和利用,因此是防止湖泊富營養(yǎng)化的有效措施。實(shí)驗(yàn)證明,水生植物修復(fù)對去除氮、磷具有明顯的效果[4~5],可用于控制湖泊富營養(yǎng)化。目前已有報(bào)道利用銅錢草對污水及總磷總氮進(jìn)行凈化的研究,并發(fā)現(xiàn)銅錢草對水的凈化具有良好的效果[6]。鳳眼蓮則是公認(rèn)的去除氮磷效果最佳的植物[7]。但另一方面水體營養(yǎng)化也會造成了水生植物的瘋長,若是在冬季,瘋長的植物因受低溫影響,植物受損腐敗的殘?bào)w反而對水體有嚴(yán)重污染,因此研究低溫脅迫對水生植物的影響對選擇治理富營養(yǎng)化水體植物,以及處理水生植物瘋長具有重要意義。
葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)具有測量快速、簡便、準(zhǔn)確和無損傷等特點(diǎn),已被視為植物光合作用與環(huán)境關(guān)系的內(nèi)在探針,為植物光合生理研究提供了方便[8]。目前,熒光技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于陸生高等植物,以及大型的海草和珊瑚的生理生態(tài)研究,而在淡水水體中水生高等植物的生理生態(tài)研究方面運(yùn)用較少[9-11]。本文以淡水水生植物鳳眼蓮,銅錢草作為研究對象,進(jìn)行不同溫度和時(shí)間的處理,對所獲得的葉綠素?zé)晒鈪?shù)進(jìn)行比較,得出低溫脅迫與參數(shù)之間的關(guān)系,以期了解葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)在篩選處理富營養(yǎng)化水體水生植物的可行性。
1.1供試材料
選取長勢相似、植株健碩的鳳眼蓮和銅錢草,種植于塑料集裝箱中在(25+1)℃、3 000lx,16h/8h(光/暗)光照周期條件下進(jìn)行適應(yīng)性培養(yǎng)。培養(yǎng)液用Hoagland's營養(yǎng)液配方,培養(yǎng)兩周后進(jìn)行處理取長勢一致的鳳眼蓮和銅錢草每組各5株,共4組置于光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行低溫脅迫處理,分別設(shè)置0℃,4℃,8℃3個(gè)不同溫度處理,以25℃處理為對照,在處理鳳眼蓮和銅錢草每個(gè)溫度下分別處理2h,4h,6h后進(jìn)行測定,低溫處理后在(25+1)℃、3 000lx,16 h/8 h(光/暗)光照周期條件下進(jìn)行恢復(fù)性培養(yǎng)。
1.2測定方法
利用DIVING-PAM水下脈沖調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x(德國WALZ公司)對處理的植物葉綠素參數(shù)進(jìn)行測定。暗處理后測定初始熒光(F0)、最大熒光(Fm)根據(jù)F0和Fm計(jì)算出PSⅡ最大量子產(chǎn)量(Fv/Fm, Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm),以反映PSⅡ反應(yīng)中心內(nèi)稟光能轉(zhuǎn)換效率或潛在的光能轉(zhuǎn)化效率.然后開啟光強(qiáng)度分別為:0、93、153、227、 311、457、617、920、1243μmol.m-2.s-1的光化光,在任一光合有效輻射(photosynthetically active radiation PAR)強(qiáng)度下,打開飽和脈沖前的熒光為F,打開飽和脈沖得到的最大熒光為Fm',可變熒光△F=Fm'-F,由此得出光適應(yīng)條件下水生植物PSII的有效量子產(chǎn)量(Y);
Y=△F/Fm'=(Fm'-F)/Fm'
根據(jù)Y和PAR計(jì)算出相對電子傳遞速率 (relative electron transport rate,rETR)[12]
rETR=Y*PAR*0.5*0.84
1.3快速光曲線擬合
采用Statistica軟件進(jìn)行快速光曲線擬合.曲線擬合采用最小二乘法,快速光曲線的擬合采用Platt等提出的方程.其方程形式如下:
rETR=rETRm(1-exp(-α*PAR/rETRm))*exp(-β*PAR/rETRm)
式中:rETRm為無光抑制時(shí)的最大潛在相對電子傳遞速率;為α 為rETR-RAR曲線的初始斜率,反映了植物對光能的利用能力;β為光抑制參數(shù).由此可以得出半飽和光強(qiáng):Ek(Ek=rETRm/α)。
1.4數(shù)據(jù)處理
采用EXCEL 2003和SPASS 23.0軟件對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用單因素方差分析(one-way ANOVA)比較不同數(shù)據(jù)組間的差異。
2.1不同溫度和處理時(shí)間下兩種植物的Fv/Fm的比較
由圖1可以看出,在自然生長狀態(tài)下,鳳眼蓮和銅錢草Fv/Fm值分別為0.814和0.828,說明正常情況下銅錢草的光能轉(zhuǎn)化效率要比鳳眼蓮高。經(jīng)過8℃低溫處理的的植物,鳳眼蓮和銅錢草的Fv/Fm值隨著處理時(shí)間的增長而逐漸下降,說明低溫對植物的最大光化學(xué)量子產(chǎn)量造成了影響,植物的生存受到了威脅。經(jīng)過4℃低溫2h,4h,6h處理后鳳眼蓮與銅錢草的Fv/Fm值下降的百分比較8℃要明顯;植物的最大光化學(xué)量子產(chǎn)量下降明顯(P<0.05),且銅錢草的Fv/Fm值下降更為顯著(P<0.05),說明了4℃低溫對植物正常生長有較嚴(yán)重影響。經(jīng)過0℃低溫2h,4h,6h處理后眼蓮與銅錢草的Fv/Fm值下降的百分比更為顯著,說明了兩種植物處于0℃條件時(shí)受到的損傷更為嚴(yán)重。
圖1 不同條件下植物的Fv/Fm變化圖
2.2不同溫度和處理時(shí)間下兩種植物快速光曲線分析
不同植物在不同溫度、不同時(shí)間處理下的快速光曲線具有巨大差異。表觀光合電子傳遞速率(ETR)是反映實(shí)際光強(qiáng)下的表觀電子傳遞,同時(shí)也是表示植物光合能力大小的有效參數(shù)[13]。在低溫脅迫處理期間,兩種植物的ETR在相同PAR下呈下降趨勢,說明低溫脅迫降低了兩種水生植物對光能的利用能力。鳳眼蓮的ETR下降趨勢較之銅錢草更明顯,說明低溫對鳳眼蓮的脅迫作用比對銅錢草的強(qiáng)。
圖3 不同條件下植物的最大電子傳遞速率(rETRm)和半飽和光強(qiáng)(Ek)
同一種植物的rETRm和Ek值在正常條件下都顯著高于低溫處理?xiàng)l件下(p<0.05),其中在溫度最低、處理時(shí)間最長條件下達(dá)到極顯著水平(p<0.01)(圖3)。對于兩種植物在相同處理?xiàng)l件下,銅錢草的rETRm和Ek的下降趨勢較鳳眼蓮明顯??芍~錢草應(yīng)更能適應(yīng)低溫環(huán)境。
圖4 植物的恢復(fù)Fv/Fm變化曲線
2.3兩種植物恢復(fù)處理后Fv/Fm的比較
由圖4可以看出,8℃處理過的鳳眼蓮和銅錢草經(jīng)過1d,3d,5d,7d的恢復(fù)培養(yǎng)后,其Fv/Fm值的下降百分比逐漸回升,基本恢復(fù)到正常值,4℃處理過的鳳眼蓮和銅錢草經(jīng)過1d,3d,5d,7d的恢復(fù)培養(yǎng)后,其Fv/Fm值的下降百分比也逐漸回升;0℃處理過的鳳眼蓮和銅錢草,經(jīng)過1d,3d,5d,7d的恢復(fù)培養(yǎng)后,F(xiàn)v/Fm值下降百分比回升速度較4℃處理更慢;由圖4可以看出隨著恢復(fù)培養(yǎng)時(shí)間的增長,鳳眼蓮和銅錢草的Fv/Fm值逐漸趨向正常值,恢復(fù)7d時(shí)8℃處理過的鳳眼蓮和銅錢草基本完全恢復(fù)到正常,4℃與0℃處理過的鳳眼蓮和銅錢草的Fv/Fm值雖仍未回到正常值水平但恢復(fù)趨勢十分明顯(P<0.05),且4℃處理的鳳眼蓮和銅錢草恢復(fù)速度顯著高于0℃處理過的鳳眼蓮和銅錢草。另一方面,同時(shí)結(jié)合處理時(shí)鳳眼蓮和銅錢草的Fv/Fm值下降的百分比可以看出,銅錢草的恢復(fù)速度顯著快于鳳眼蓮。
本試驗(yàn)中,隨著溫度降低以及處理時(shí)間的增長,鳳眼蓮和銅錢草葉片的Fv/Fm值顯著下降,表明PSⅡ已經(jīng)受到低溫脅迫的損害。而在恢復(fù)培養(yǎng)過程中隨著恢復(fù)天數(shù)的增長,鳳眼蓮和銅錢草的Fv/Fm值逐漸上升,但不同溫度處理的植物恢復(fù)的速度有所不同,且銅錢草的恢復(fù)狀態(tài)比鳳眼蓮更佳。
本實(shí)驗(yàn)中植物受低溫脅迫越小則Ek與rETRm越大,這是因?yàn)镋k反映了植物耐受強(qiáng)光的能力[14],植物所受脅迫越低則植物具有越高的最大光合速率。由于本文僅對每種水生植物部分成熟葉片的光合熒光特征進(jìn)行了分析,而不同部位葉片具有異質(zhì)性,可能無法代表整株植物的光合能力.這有待于進(jìn)一步研究.
[1]胡春華,濮培民,王國祥等.冬季凈化湖水的效果和機(jī)理 [J].中國環(huán)境科學(xué),1999,19(6):561~565.
[2]李科德,胡正嘉.蘆葦床系統(tǒng)凈化污水的機(jī)理 [J].中國環(huán)境科學(xué),1995,15(2): 140~144.
[3]李文朝.富營養(yǎng)水體中常綠水生植物組建及凈化效果研究 [J].中國環(huán)境科學(xué),1997,17(1):53~57.
[4]唐述虞,史建文等.鳳眼蓮在煉油廢水中的生長及其凈化作用 [J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),1994,15(1):98~104.
[5]童昌華,楊肖娥,濮培民.低溫季節(jié)水生植物對污染水體的凈化效果研究 [J].水土保持學(xué)報(bào),2003,17(2):159~163.
Q948.8[文獻(xiàn)碼]A
1000-405X(2016)-2-308-1
宋玉芝,副教授,研究方向?yàn)樘w富營養(yǎng)化方面。
國家自然基金項(xiàng)目(41471446),南京信息工程大學(xué)大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201410300150)