劉 珍,黃碧捷,桂思琪,林雪瑩
(江漢大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 武漢 430056)
葉綠素(chlorophyll)是植物光合作用(photosynthesis)中最重要的色素,是植物是否能通過合成一些有機(jī)化合物將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的關(guān)鍵。葉綠素分為葉綠素a、葉綠素b、葉綠素c、葉綠素d、葉綠素f、原葉綠素和細(xì)菌葉綠素等。高等植物主要以葉綠素a和葉綠素b的形式存在。鋅在葉片中大多數(shù)以自由離子、低分子化合物和金屬蛋白存在,也有少部分和細(xì)胞壁結(jié)合,呈現(xiàn)不溶的形態(tài),植物中可溶的Zn2+是引起生理作用的主要形態(tài)[1]。研究鋅對植物葉綠素的影響對其植物毒性效應(yīng)研究具有很好的指示意義。
準(zhǔn)備白菜(北京慧達(dá)偉實(shí)科技發(fā)展公司,生長期30 d)和香蔥(北京南無科貿(mào)公司,生長期60 d)種子各1包,若干個Φ10 cm×5 cm的花盆。每組取5 Kg土壤,按照N、P、K均為0.1 g/kg干土的量施配置好的NH3NO3、KH2PO4、K2SO4肥料,將肥料與土混勻;分別用濃度為100 mg/L、200 mg/L、300 mg/L和500 mg/L的ZnCl2溶液浸泡土壤24 h,風(fēng)干后過2 mm篩。每個花盆內(nèi)放5顆種子,6組平行,置于人工氣候箱中培養(yǎng)24 d后,用95 %乙醇提取-原子分光光度法測量葉片葉綠素含量。
將不同濃度鋅存在下,白菜和香蔥葉片總?cè)~綠素、葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a與葉綠素b的比值(以下簡寫為葉綠素a/b)含量繪于圖1。
以下將分別對總?cè)~綠素、葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a/b的變化進(jìn)行分析與討論。
圖1 不同鋅濃度對白菜和香蔥葉綠素的影響
由圖1(a)可見:白菜和香蔥的總?cè)~綠素含量隨鋅含量的增加而降低,鋅顯著影響了白菜和香蔥葉綠素的合成,100 mg/kg的鋅使得總?cè)~綠素含量降低了57 %。鋅的存在使得植物光合作用減弱,從而抑制了植物的生長。隨著鋅濃度的逐步提高,總?cè)~綠素含量緩慢升高,植物在逆境下抑制了葉綠素a的生成,葉綠素a向葉綠素b轉(zhuǎn)化,加強(qiáng)了利用弱光的能力,這可能是更高濃度鋅促使總?cè)~綠素含量增加的原因。鋅是植物的必需元素,可能參與了葉綠素的合成過程,鋅對植物的毒性還能通過改變植物鐵的利用性而實(shí)現(xiàn),而鐵的利用對葉綠素的形成起著決定性的作用,一旦葉綠素的形成受到抑制,會大大影響植物光合作用并且減少植物產(chǎn)量[2]。高濃度的鋅也會使植物缺乏鐵,從而出現(xiàn)大豆葉片失綠和減少干物質(zhì)產(chǎn)量的現(xiàn)象[3]。劉茵[4]等也發(fā)現(xiàn)鋅對植物光合作用的影響的直接表現(xiàn)便是植物葉綠素含量的降低。白菜葉片總?cè)~綠素的損失較香蔥更為嚴(yán)重,500 mg/kg的鋅使得白菜和香蔥總?cè)~綠素含量分別損失36.74 %和10.78 %,白菜總?cè)~綠素含量的損失是香蔥的近4倍。鋅對白菜生長,尤其是其葉片生長的抑制作用更甚。
由圖1(b)可見:鋅顯著降低了白菜和香蔥葉片葉綠素a的含量,影響了葉片對紅光的吸收,這對于喜陰的白菜和間性喜陽的香蔥而言,對白菜的影響更甚。白菜葉綠素a含量迅速降低,100 mg/kg和500 mg/kg的鋅使得白菜葉綠素a分別降低了55.14%和48.73%。葉綠素循環(huán)是植物在不同生理調(diào)節(jié)下實(shí)現(xiàn)的葉綠素a和葉綠素b間的相互轉(zhuǎn)化。在鋅的脅迫下白菜可能通過增加葉綠素a向葉綠素b的轉(zhuǎn)化而增加對弱光的利用從而抵抗脅迫對其生長的影響,但隨著外界脅迫的增強(qiáng),這種對生長促進(jìn)的作用會被脅迫對生長的毒害而抵消,從而導(dǎo)致葉綠素含量的大量降低。
由圖1(c)可見:白菜和香蔥的葉綠素b的含量隨鋅含量的增加出現(xiàn)先降低后升高的趨勢,葉綠素b主要吸收藍(lán)紫光,鋅脅迫下,白菜和香蔥通過調(diào)節(jié)自身對弱光的吸收而耐受鋅的毒害,維持自身的生長。鋅對葉綠素b的抑制也是顯著的,鋅最大能分別使白菜和香蔥葉綠素b含量下降65.27%和53.89%。葉綠素b的來源也可能通過葉綠素a的轉(zhuǎn)化而實(shí)現(xiàn),弱光或鋅脅迫條件下,葉綠素a向葉綠素b的轉(zhuǎn)化加快,葉綠素a水解形成脫植基葉綠素a,脫植基葉綠素a再轉(zhuǎn)化為脫植基葉綠素b,最后合成葉綠素b。
由圖1(d)可見,隨鋅含量的增加,白菜和香蔥的葉綠素a/b變化波動較大,白菜葉綠素a/b整體出現(xiàn)先增大后減小的趨勢,香蔥則整體呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。200 mg/kg的鋅使得香蔥葉綠素a/b的值增大1倍;而500 mg/kg的鋅使得白菜葉綠素a/b的值減小了55.78%。在不同生理?xiàng)l件下,葉綠素a和葉綠素b的合成與分解速度影響了葉綠素a/b的比值。鋅的存在,極大的擾動了植物正常的葉綠素循環(huán),影響植物的生長。葉綠素a/b的值也可以表征葉片的老化,其值越小,表明葉片老化越嚴(yán)重[5]。
300 mg/kg的鋅存在下,白菜和香蔥葉片內(nèi)鋅的含量分別為15.21 mg/kg和188.23 mg/kg,香蔥葉片對鋅的積累較白菜更高。不同植物對鋅的富集作用不同,任珺[6]等人發(fā)現(xiàn)濕地植物中,菖蒲富集Zn2+能力最強(qiáng),其次為水香蔥和蘆葦。葉片中鋅的積累量主要與生長時間有關(guān),隨著生長時間的延長而增加,隨老葉數(shù)量增加,全株含鋅量明顯增加[7]。一般而言:復(fù)合污染條件下植物可能受到的刺激作用較單一毒性更強(qiáng),植物對鋅等金屬元素的吸收存在極限,超過一定量后,植物便不能進(jìn)一步富集這種元素。如菠菜根上和根下部分的鋅含量隨鋅添加濃度升高而升高,但超過一定的范圍時,菠菜體內(nèi)的鋅含量再無明顯變化[8]。
(1)鋅脅迫下,白菜和香蔥葉片葉綠素a、葉綠素b及其比值發(fā)生變化,擾動了正常的葉綠素循環(huán),光合作用受到影響,生長受到了抑制。
(2)白菜和香蔥耐受鋅脅迫的機(jī)理可能不一致,值得進(jìn)一步研究。