鎘脅迫對洋常春藤葉綠素熒光特性的影響*

自海云 李琬婷 程小毛 黃曉霞

(西南林業(yè)大學園林學院，國家林業(yè)局西南風景園林工程研究中心，云南 昆明 650224)

重金屬近年來受到廣泛關注[1]。鎘由于其毒性強并極易被植物吸收與積累，是危害最嚴重的重金屬之一[2-3]。研究表明，鎘會降低植物體內酶的活性[4]及光合強度[5]，改變細胞膜透性[6]，抑制其對水分和養(yǎng)分的吸收等[7-8]。重金屬污染地區(qū)，人為種植耐性強植物，通過其本身的富集作用來積累重金屬而凈化土壤，稱為植物修復[9]。因此研究不同植物對重金屬脅迫的耐性及抗性具有重要意義。光合作用中光系統(tǒng)Ⅱ (PSⅡ) 是逆境下敏感脆弱的部位之一[10]。重金屬對植物PSⅡ的影響都可通過植株內葉綠素熒光誘導動力學變化反映出來[11]，因此葉綠素熒光動力學技術是研究植物光合生理特性及與逆境脅迫相互關系的理想探針[12]，通過對這些因素的綜合分析可為不同植物在重金屬脅迫下的耐性機理研究提供極高參考價值。

洋常春藤 (Hederahelix) 引種自歐洲，是五加科 (Araliaceae) 常春藤屬 (Hedera) 觀葉常綠藤本植物。由于其生長快，對環(huán)境因子的要求較低，生態(tài)幅廣，在蔭蔽、土壤瘠薄、干旱、水漬等環(huán)境條件下均能生長良好，因此被廣泛引種應用作地被、室外護坡、邊坡綠化、水土保持等。目前關于對洋常春藤的研究，大多集中于藥用[13]、組織培養(yǎng)[14]和扦插繁殖[15]等方面，在其生長速度[16]、光合作用[17]等方面也有少量研究，而關于洋常春藤抗性方面的研究較少。因此，本實驗通過對地被植物洋常春藤進行不同濃度鎘脅迫，測定并分析其葉綠素熒光特性的變化情況，探究鎘脅迫對其PSⅡ的影響，以期為該植物的推廣應用及重金屬污染地區(qū)綠化植物選擇奠定一定的參考依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

于2016年4月初選取當年生洋春藤半木質化枝條扦插于營養(yǎng)袋中，生根后于6月中旬移栽至水培瓶中，選pH值為5.5～6.5，不加蔗糖和瓊脂的MS培養(yǎng)液進行水培培養(yǎng)，隔天更換1次營養(yǎng)液。所有苗木在人工氣候培養(yǎng)箱中進行培養(yǎng)，每日光照時長設定為12 h (光強 ≥ 56.6 μmol/(m2·s))，白天/夜間溫度設定為25/20 ℃，相對濕度保持在80%。待植株生長達到平緩穩(wěn)定時，選取其中長勢整齊，生長狀況良好的幼苗進行鎘脅迫處理。

1.2 實驗設計

選取生長一致、生長狀況良好的當年生洋常春藤幼苗為實驗材料，通過在MS培養(yǎng)液中加入不同濃度梯度的CdCl2溶液進行處理。根據前人研究方法[18]以及預實驗結果綜合分析，實驗共設5個處理組，CK、Cd1、Cd2、Cd3、Cd4，其Cd2+濃度分別為0、20、80、200、400 μmol/L。每處理10瓶重復，每瓶1株處理時間為60天。

1.3 指標測定方法

處理結束之后，每株選其從頂部往下葉面完全展開的第3～5枚葉片作為各指標待測定樣品。

1.3.1葉綠素含量的測定

參照Inskeep與Bloom的方法[18]測定葉綠素含量。

1.3.2葉綠素熒光參數的測定

測定葉綠素熒光參數所使用的儀器是調制式IMAGING-PAM葉綠素熒光成像系統(tǒng) (WALZ, Germany)[19]。首先，設定測量光強 (0.5 μmol/(m2·s)) 測定初始熒光 (F0)，然后再利用為脈沖2 700 μmol/(m2·s) (脈沖時間0.8 s) 的飽和光誘導最大熒光產量 (Fm)，其中作用光強度為76 μmol/(m2·s)[20]。把待測的實驗葉片放置在葉室中，選中多個直徑1 cm的存在明顯差異的區(qū)域 (AOI)，各葉綠素熒光參數的動力學變化曲線通過軟件的Kinetics窗口檢測[21]，隨后在Report窗口導出實驗相關的數據。實驗檢測所得到F0、PSⅡ潛在最大光化學效率 (Fv/Fm)、PSⅡ實際光化學效率 (YⅡ)、光化學淬滅 (qP)、非光化學淬滅 (qN) 以及電子傳遞速率 (ETR) 等葉綠素熒光參數的計算，由儀器自動輸出[22]。實驗植株測試之前應經充分暗適應 (20～30 min)，測量時應避免葉片的主脈位于葉室打光的中部，每個處理5次重復。

1.4 分析方法

數據利用SPSS 19.0對原始數據進行平均數等統(tǒng)計分析，在利用Ducan′s法多重比較并在Excel表格中繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 鎘脅迫對洋常春藤葉片葉綠素含量的影響

鎘脅迫對洋常春藤葉片葉綠素含量的影響見表1。

由表1可知，與CK比，洋常春藤幼苗葉片在不同濃度鎘脅迫下，葉綠素a、葉綠素b以及總葉綠素含量均顯著降低 (P< 0.05)，且葉綠素b的降低幅度比葉綠素a的降低幅度更大，促使葉綠素a/b顯著增加 (P< 0.05)。此外，隨著脅迫濃度的增加，葉綠素總量呈下降趨勢，且在高濃度鎘脅迫Cd4處理下降至最低值。葉綠素b含量在Cd1、Cd2、Cd3、Cd4間無顯著差異。葉綠素a/b在Cd2處理下為最高值，相比較CK上升了34.17%。

表1 鎘脅迫對洋常春藤葉片葉綠素含量的影響Table 1 Effects of Cd2+ stress on chlorophyll content of H.helix

注：不同小寫字母表示差異顯著。

2.2 鎘脅迫對洋常春藤F0的影響

鎘脅迫對洋常春藤初始熒光的影響見圖1。

圖1鎘脅迫對洋常春藤F0的影響
Fig.1 Effects of Cd2+stress onF0ofH.helix

鎘脅迫對洋常春藤葉片初始熒光F0影響顯著 (P< 0.05)。與CK相比，F0在Cd2、Cd3與Cd4處理下呈顯著升高 (P< 0.05)，且隨著鎘脅迫濃度的增加，其升高程度亦增大，且在這3個組間差異顯著 (P< 0.05)。但其在Cd1處理下，相比CK無顯著差異。而在高濃度鎘脅迫下 (Cd4)，F0由最初的0.070 9升至0.133 9。

2.3 鎘脅迫對洋常春藤Fv/Fm及YⅡ的影響

鎘脅迫對洋常春藤Fv/Fm與YⅡ的影響見圖2。

圖2鎘脅迫對洋常春藤Fv/Fm與YⅡ的影響
Fig.2 Effects of Cd2+stress onFv/Fm>andYⅡofH.helix

與CK相比，Fv/Fm及YⅡ隨著鎘脅迫濃度的增加均呈降低趨勢。Cd1、Cd2的Fv/Fm與CK比較，無顯著差異。Cd3、Cd4的Fv/Fm相對于CK顯著降低 (P< 0.05)，分別下降了15.77%、25.89%。與CK比較，Cd1、Cd2、Cd3的YⅡ分別下降了5.28%、14.33%、18.53%，但3組間無顯著差異；Cd4的YⅡ顯著降低26.54% (P< 0.05)?？梢钥闯?，Cd4對Fv/Fm及YⅡ的影響最大，明顯低于CK。

2.4 鎘脅迫對洋常春藤qP與qN的影響

鎘脅迫對洋常春藤qP與qN的影響見圖3。

圖3鎘脅迫對洋常春藤qP與qN的影響
Fig.3 Effects of Cd2+stress onqPandqNofH.helix

隨著鎘脅迫濃度的增加，qN呈先微弱升高后急劇降低的趨勢，但在Cd1、Cd2、Cd3中與CK無顯著差異，而在Cd4中qN顯著降低 (P< 0.05)，相比CK下降了27.33%。本實驗中設置的鎘脅迫濃度對qP值無顯著影響，但在4個不同濃度鎘處理下有一定的變化，qP值大小順序表現為Cd3> CK > Cd1> Cd2> Cd4?？梢钥闯?，鎘脅迫下，洋常春藤qP比qN更加穩(wěn)定。

2.5 鎘脅迫對洋常春藤ETR的影響

鎘脅迫對洋常春藤光合電子傳遞速率的影響見圖4。

圖4鎘脅迫對洋常春藤ETR的影響
Fig.4 Effects of Cd2+stress on ETR ofH.helix

隨著鎘脅迫濃度上升，ETR表現為降低趨勢。與CK比較，Cd1、Cd2、Cd3ETR分別降低了5.29%、14.39%、18.59%，但在3組間差異不顯著；隨著鎘脅迫濃度的進一步增加，在Cd4中，ETR急劇下降，與CK相比降低了26.86%，并與其他各組差異顯著 (P< 0.05)。

3 結論與討論

葉綠素作為光合作用中不可缺少的重要光合色素之一，其含量變化會直接影響光合作用能力，葉片中葉綠素分子的減少將減弱植物光合作用的能力，進一步導致植物的生長發(fā)育緩慢甚至停滯，生物量隨之降低[23]。有關實驗結果表明，鎘脅迫會導致植物葉片中葉綠素分子合成過程受到阻礙，或加快其降解速度[24]。本實驗中，洋常春藤的葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素含量隨著鎘脅迫濃度的增加均顯著降低 (P< 0.05)，在類似的結果在前人對浮萍 (Lemnaminor)[25]、丁香蓼 (Ludwigiaprostrata)[26]、草莓 (Fragaria×ananassa)[27]的鎘脅迫研究中也有曾經有過報道。導致葉綠素含量下降的原因可能是鎘抑制了合成葉綠素所需要的酶 (如葉綠素酸脂還原酶) 的活性[28]；或者是鎘脅迫使細胞中的活性氧大幅增加，更多O2-和H2O2擴散至葉綠體，從而促進了葉綠素的降解[29]。除此之外，葉綠素a/b值可以作為衡量光合作用是否正常的指標之一[30]。本實驗中，與CK相比較，鎘脅迫下葉綠素b的下降程度比葉綠素a更為明顯，且洋常春藤葉綠素a/b比值隨鎘脅迫濃度增加而顯著升高 (P< 0.05)，表明洋常春藤葉片中的葉綠素b比葉綠素a對鎘脅迫響應更為敏感，或是葉綠素a向葉綠素b的轉化加快。有研究表明，葉綠素a/b的比值增加，代表著類囊體的垛疊程度加大，能夠緩解光抑制作用的發(fā)生[31]。這種緩解光抑制的現象可能是洋常春藤應對鎘脅迫的一種自我調節(jié)方式。

葉綠素熒光參數是光化學過程的指示劑，PSⅡ反應中心被認為是遭受重金屬脅迫的主要目標[32]。本實驗中，F0、Fv/Fm、YⅡ、qN、qP、ETR在鎘濃度20 μmol/L處理中均無顯著變化，表示當在濃度小于 20 μmol/L的鎘脅迫下，洋常春藤光合機構未受到傷害，光反應依舊正常進行。說明洋常春藤對20 μmol/L的鎘脅迫有著很強的適應性。F0表示不參與PSⅡ光化學反應的光輻射部分[33]。隨著鎘脅迫濃度增加，F0呈顯著性變化且表現為升高趨勢 (P< 0.05)，表明洋常春藤在大于20 μmol/L鎘脅迫下，PSⅡ反應中心可能出現了可逆的失活或者不易逆轉的破壞[34]，導致光合機構一系列的損傷。Fv/Fm與YⅡ是研究PSⅡ反應中心利用所捕獲激發(fā)能情況的重要指標[35]，可以較直觀的表示植物在逆境情況下受脅迫的程度。本實驗中，Fv/Fm在20、80 μmol/L鎘脅迫下無顯著變化，而在200、400 μmol/L鎘脅迫下顯著降低 (P< 0.05)；YⅡ在小于200 μmol/L的3個鎘脅迫處理中無顯著變化，而在400 μmol/L鎘脅迫下顯著降低 (P< 0.05)?？赡苁且驗樵?00 μmol/L鎘脅迫時，洋常春藤PSⅡ反應中心受到破壞，導致Fv/Fm顯著下降 (P< 0.05)；當脅迫濃度進一步加大至400 μmol/L時，YⅡ顯著降低 (P< 0.05)。說明400 μmol/L的鎘脅迫對洋常春藤的光化學效率造成顯著的抑制 (P< 0.05)，從而影響植株正常的生理生長。植物在吸收的光能超過所利用的能量時，會啟動非光合能量的耗散途徑來耗散過剩的激發(fā)能以保護光合機構免受傷害[36]。

本實驗中，qN在20、80、200 μmol/L鎘脅迫中略有升高，說明此時洋常春藤可通過能量耗散機制來適應鎘脅迫的影響；而隨著鎘脅迫的加重，qN顯著降低 (P< 0.05)，可能是在高濃度脅迫下，洋常春藤葉片內葉綠素含量降低比較嚴重，從而導致吸收的光能減少，進而引起qN的顯著下降 (P< 0.05)，也可能與此時光合機構嚴重受損有關。本實驗中，洋常春藤葉片qP隨鎘濃度的增加呈下降趨勢。qP降低意味著光系統(tǒng)Ⅱ反應中心的開放比例以及參與CO2固定的e-減少，導致光合電子傳遞能力減弱，再導致植物碳反應受阻，使得光合速率下降[37]。本實驗中ETR的變化與qP的變化基本一致，也再次驗證了這一觀點。

綜上所述，鎘脅迫下，洋常春藤的葉綠素含量及葉綠素熒光參數均受到顯著影響 (P< 0.05)。其中葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素含量、Fv/Fm、YⅡ、qN、qP、ETR均隨著鎘脅迫濃度的增大而降低，而葉綠素a/b、F0則呈升高的趨勢。其中洋常春藤的葉綠素a/b、qN的變化是其對鎘脅迫環(huán)境的一種應對機制。20、80 μmol/L的鎘脅迫對洋常春藤光合機構無明顯傷害，200 μmol/L鎘脅迫對洋春藤PSⅡ有一定影響，而400 μmol/L的鎘脅迫則會使得葉綠素含量嚴重減少，光合機構受到嚴重損傷。從本研究可以看出，洋常春藤對鎘脅迫有一定的耐受性，可在鎘脅迫濃度低于200 μmol/L的地區(qū)作為生態(tài)修復植物進行推廣栽種。