降香黃檀幼苗在重度Mn2+脅迫下不同時(shí)期的光響應(yīng)

楊紅蘭，黃秋嬋，李曉東，梁海紅，甘寧，馮守富*

（1.廣西民族師范學(xué)院 化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西崇左 532200；2.貴港市大將國際學(xué)校，廣西貴港 537100）

環(huán)境中重金屬離子濃度超過一定的值，就會(huì)成為一個(gè)逆境因子脅迫植物各個(gè)生理過程，抑制植物的生長。大量研究表明，重金屬污染會(huì)直接影響到植物的水分代謝、光合作用、呼吸作用、碳水化合物代謝以及氮素代謝等[1]。重金屬一旦污染環(huán)境，其在土壤中會(huì)產(chǎn)生累積效應(yīng)導(dǎo)致難以降解，而不同重金屬元素之間具有協(xié)同、拮抗等相互效應(yīng)，會(huì)使重金屬污染在治理、修復(fù)等方面變得更為復(fù)雜。土壤中重金屬含量過高，會(huì)影響植物的生長、發(fā)育及產(chǎn)量[2]。植物根系吸收重金屬離子并運(yùn)輸?shù)降厣喜糠?，?huì)導(dǎo)致植物葉片受到重金屬毒害，破壞葉綠體結(jié)構(gòu)，最終造成植物葉片光合能力下降。

Mn2+在維持葉綠體的正常結(jié)構(gòu)方面起著重要作用。植物受到Mn2+脅迫，內(nèi)部葉綠體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致葉綠素含量降低，從而抑制光合作用，降低凈光合速率[3]。汪結(jié)明[4]的研究表明，Mn2+脅迫會(huì)導(dǎo)致藤本植物薜荔、忍冬、五葉地錦和絡(luò)石葉綠素總含量下降。土壤中Mn2+濃度過高還會(huì)對(duì)植物的生長發(fā)育及其產(chǎn)量造成不利影響。王洋[5]的研究顯示Mn2+濃度過高會(huì)制約植物生長發(fā)育，引起植物自身結(jié)構(gòu)及功能的改變。曾琦[6]研究發(fā)現(xiàn)，在植物的生長環(huán)境中隨著Mn2+濃度的不斷增大，地上部分中的生物量顯著減少，說明過量的Mn2+會(huì)抑制植物生長。

降香黃檀（Dalbergia odoriferaT.Chen）又名花梨木，屬豆科黃檀屬植物，常綠半落葉喬木樹種，在廣東、廣西及云南等地均有引種栽培[7]。降香黃檀具有優(yōu)良的耐干旱耐貧瘠特性，是林地恢復(fù)和人工造林的理想樹種。降香黃檀適應(yīng)力強(qiáng)、萌芽率高，大樹移載存活率高，樹勢恢復(fù)快，在園林環(huán)境綠化中是極具開發(fā)潛力的優(yōu)良樹種[8]。推進(jìn)珍貴樹種的地區(qū)引種，礦區(qū)環(huán)境修復(fù)研究，可深入挖掘其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

植物生長發(fā)育過程離不開光合作用，研究植物受重金屬脅迫時(shí)的光響應(yīng)，能夠較為直接判斷植物對(duì)重金屬的適應(yīng)性。目前關(guān)于降香黃檀引種栽培的研究很多，但關(guān)于降香黃檀對(duì)重金屬脅迫光響應(yīng)的研究較少。開展降香黃檀幼苗對(duì)重度Mn2+脅迫的光響應(yīng)研究，對(duì)受Mn2+污染地區(qū)的適宜苗木的篩選具有重要意義，也對(duì)存在土壤Mn2+污染問題地區(qū)的人工育種、地區(qū)引種有著重要的實(shí)踐意義。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用降香黃檀種子采于廣西民族師范學(xué)院校園，選擇完好且飽滿的種子，經(jīng)泡種、發(fā)苗、培育得到脅迫實(shí)驗(yàn)所用幼苗。

YX1102 便攜式光合測定儀，北京雅欣理儀科技有限公司。

1.2 幼苗培育方法

實(shí)驗(yàn)采用盆栽法，于口徑15 cm 的種植盆各裝取相同質(zhì)量的混合壤（黑土∶紅土∶營養(yǎng)土∶沙土=5 ∶2 ∶2 ∶1，質(zhì)量比），每盆移栽5 株長勢相似的幼苗（株高15 ～20 cm）。緩苗一周后，將MnSO4（結(jié)合前期實(shí)驗(yàn)0.4 mg/kg、2.0 mg/kg、10.0 mg/kg、50.0 mg/kg 濃度梯度結(jié)果，設(shè)定Mn2+濃度50 mg/kg 為重度脅迫）一次填埋施入（實(shí)驗(yàn)組），以不做填埋處理（Mn2+濃度為0 mg/kg）為對(duì)照組（CK），每個(gè)處理5 個(gè)重復(fù)。

1.3 光合參數(shù)的測定

分別于脅迫處理14 d（初期）、28 d（后期）測定各項(xiàng)光合指標(biāo)，測定時(shí)間為8:00—15:00，從8:00 開始后每1 h 測一次。選取長勢相同朝向一致的3 片成熟葉進(jìn)行測量，每盆測量3 個(gè)重復(fù)，每次記錄5 組數(shù)據(jù)。測定的光合指標(biāo)包括幼苗的凈光合速率（net photosynthetic rate，Pn）、蒸騰速率（Transpiration rate，Tr）、氣孔導(dǎo)度（stomatal conductance，Gs）、胞間CO2濃度（intercellular CO2concentration，Ci）、光合有效輻射（Photosynthetically Active Radiation，PAR）、大氣相對(duì)濕度（Relative air Humidity，RH）、大氣二氧化碳濃度（air CO2concentration，Ca）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)采用Excel 2010 進(jìn)行處理和作圖分析。將5 組重復(fù)處理的數(shù)據(jù)去除波動(dòng)較大的數(shù)值，最后取均值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并作圖。

2 結(jié)果與分析

各檢測指標(biāo)的日均值統(tǒng)計(jì)表見表1。

表1 各項(xiàng)指標(biāo)日均值統(tǒng)計(jì)表

2.1 環(huán)境因子日變化

植物的光合作用，不單由內(nèi)在生理因子制約，同時(shí)還會(huì)受外界環(huán)境因子的影響。由圖1 可知，脅迫初期PAR 日變化和CK 的PAR 日變化均呈“雙峰型”，實(shí)驗(yàn)組PAR 在9:00 出現(xiàn)第一個(gè)峰值，在12:00 出現(xiàn)第二個(gè)峰值，PAR 最大值為1 617.50 μmol/（m2·s），脅迫初期PAR 的日平均值為878.24 μmol/（m2·s）。脅迫后期，PAR 日變化曲線規(guī)律性不明顯，實(shí)驗(yàn)組的PAR 最大值為1 376.00 μmol/（m2·s），峰值出現(xiàn)在15:00，日平均值為814.40 μmol/（m2·s）。脅迫初期、后期實(shí)驗(yàn)組的平均PAR 分別比CK 組高4.6%和7.2%。

圖1 不同時(shí)期光合有效輻射日變化曲線

由圖2 可知，脅迫初期大氣相對(duì)濕度的日變化呈不明顯的“W”型。兩組試驗(yàn)的RH 均在10:00 出現(xiàn)最低值；脅迫后期RH 總體呈現(xiàn)下降的趨勢。由圖3 可知，脅迫初期Ca 呈“單峰型”曲線，最大值出現(xiàn)在9:00，之后持續(xù)下降，脅迫初期Ca 日均值為457.67 μmol/mol；脅迫后期Ca 沒有出現(xiàn)明顯的峰值，總體呈下降趨勢，日均值為433.59 μmol/mol。

圖2 不同時(shí)期空氣相對(duì)濕度日變化曲線

圖3 不同脅迫時(shí)期大氣CO2 濃度日變化曲線

2.2 生理因子日變化

2.2.1 凈光合速率（Pn）日變化

光合速率日變化的午休現(xiàn)象在自然界中普遍存在，是植物對(duì)環(huán)境的一種適應(yīng)機(jī)制，植物光合作用的日變化曲線大體有單峰型和雙峰型兩種。從圖4 可以看出，降香黃檀幼苗在脅迫初期、后期兩組的凈光合速率（Pn）日變化模式相似。

圖4 不同脅迫時(shí)期凈光合速率日變化曲線

光是植物進(jìn)行光合作用的重要能量型原料，但不同植物對(duì)光的響應(yīng)不同[9]。在重度Mn2+脅迫初期，兩組的Pn 值呈不明顯的“雙峰型”曲線。實(shí)驗(yàn)組從8:00到10:00，PAR 先增大后有所降低，而Pn 逐漸減?。辉?0:00—12:00，PAR 先減小后增大（見圖1），而Pn 先上升后下降，且在12:00 出現(xiàn)最低值；在脅迫初期Pn 日變化曲線中，Pn 最大值為0.42 μmol/（m2·s），CK 和實(shí)驗(yàn)組Pn 峰值出現(xiàn)的時(shí)間有所不同。在脅迫初期，與CK 組相比，受重度Mn2+脅迫的降香黃檀幼苗對(duì)PAR 變化的影響更為敏感，且光合能力有所下降。

在脅迫后期CK 組和實(shí)驗(yàn)組Pn 日變化趨勢基本一致，表明受一段時(shí)間的重度Mn2+脅迫之后，實(shí)驗(yàn)組植株對(duì)重度Mn2+的適應(yīng)性增強(qiáng)。脅迫后期CK 組的Pn 峰值為0.62 μmol/（m2·s），出現(xiàn)在11:00；實(shí)驗(yàn)組Pn 最大值為0.25 μmol/（m2·s），出現(xiàn)在8:00。在10:00 之后，隨著PAR 的變化，實(shí)驗(yàn)組Pn 始終明顯低于CK 組，表明受重度Mn2+脅迫的降香黃檀幼苗，光合作用能力明顯下降，這可能是由于植物光合作用被抑制[10]。

2.2.2 氣孔導(dǎo)度（Gs）日變化

由圖5 可知，在重度Mn2+脅迫初期，CK 組和實(shí)驗(yàn)組最大值均出現(xiàn)在9:00，CK 組的Gs 最大值為50.44 μmol/（m2·s），實(shí)驗(yàn)組Gs最大值為22.83 μmol/（m2·s）。實(shí)驗(yàn)組氣孔導(dǎo)度日變化曲線在11:00—15:00 與CK組氣孔導(dǎo)度日變化曲線變化呈現(xiàn)相反趨勢。CK 組平均氣孔導(dǎo)度為20.58 μmol/（m2·s），實(shí)驗(yàn)組平均氣孔導(dǎo)度為12.32 μmol/（m2·s），比CK 組下降了40.1%。

圖5 不同脅迫時(shí)期氣孔導(dǎo)度日變化曲線

在重度Mn2+脅迫后期，CK 組和實(shí)驗(yàn)組的Gs 日變化曲線趨勢相似，最大值均在8:00 出現(xiàn)，CK 組平均氣孔導(dǎo)度為12.42 μmol/（m2·s），實(shí)驗(yàn)組平均氣孔導(dǎo)度為9.26 μmol/（m2·s），與CK 組相比下降了25.4%。整體看來，脅迫后期實(shí)驗(yàn)組氣孔導(dǎo)度日變化曲線波動(dòng)更為平緩。

2.2.3 胞間CO2 濃度（Ci）日變化

光是主要的能量原料也是主要的環(huán)境因子，光的變化會(huì)影響內(nèi)部因子變化，從而影響光合速率[9-10]。結(jié)合圖1、圖4 和圖6 可知，CK 組在PAR 升高的初始階段，葉片Pn 增加，消耗CO2量增大，導(dǎo)致Ci 下降。脅迫初期和后期的8:00—9:00，CK 組的Ci 值均高于實(shí)驗(yàn)組，10:00 之后隨著PAR 的變化，實(shí)驗(yàn)組Ci 濃度開始高于CK 組。脅迫初期，CK 組的Ci 日均值為478.66 μmol/mol，實(shí)驗(yàn)組Ci 日均值為480.59 μmol/mol，較CK 組高0.4%；脅迫后期，Ci 日變化曲線呈“單峰型”，CK 組的Ci 日均值為471.67μmol/mol，實(shí)驗(yàn)組Ci日均值為529.11 μmol/mol，較CK組高10.8%?？梢姡S著脅迫時(shí)間的增加，降香黃檀幼苗通過增大胞間二氧化碳濃度適應(yīng)高錳環(huán)境。

圖6 不同脅迫時(shí)期胞間CO2 濃度日變化曲線

2.2.4 蒸騰速率（Tr）日變化

如圖7 所示，Tr 的最大值出現(xiàn)的時(shí)間與Gs 最大值出現(xiàn)的時(shí)間相似，脅迫初期蒸騰速率峰值出現(xiàn)在9:00，且實(shí)驗(yàn)組峰值低于CK 組。脅迫初期CK 組的Tr 日均值為0.57 mmol/（m2·s）,實(shí)驗(yàn)組Tr 日均值為0.35 mmol/（m2·s），較CK 組下降了38.6%。脅迫后期CK 組Tr 日均值為0.4 mmol/（m2·s），實(shí)驗(yàn)組Tr 日均值為0.3 mmol/（m2·s），較CK 組下降了25.0%。在整個(gè)脅迫周期中，實(shí)驗(yàn)組降香黃檀幼苗Tr值基本上均小于CK 組，且后期下降較前期少。

圖7 不同脅迫時(shí)期蒸騰速率日變化曲線

3 討論與結(jié)論

Mn 是植物生長必需的微量元素之一，缺少或者過量都會(huì)影響植物的正常生長。本實(shí)驗(yàn)對(duì)降香黃檀幼苗在重度Mn2+脅迫下的光合生理日變化進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)受重度Mn2+脅迫的降香黃檀幼苗的日蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、凈光合速率（Pn）較CK均有所下降，胞間CO2濃度（Ci）相反，較CK 有所上升。

Mn2+與植物的光合作用關(guān)系密切，受重度Mn2+脅迫的降香黃檀幼苗Pn 較CK 明顯下降，這可能與降香黃檀幼苗葉片中葉綠素含量下降有關(guān)[11]。降香黃檀幼苗光合過程同時(shí)受到諸多生理因子和環(huán)境因子的調(diào)控，PAR 是環(huán)境因子中主要的影響因素，隨著PAR 的變化，RH 和Ca 受到影響。在外界環(huán)境因子的影響下，Ci、Gs、Tr 等光合生理指標(biāo)發(fā)生變化，最終引起Pn 的變化。

Gs、Tr 在脅迫初期，較CK 分別下降了40.1%、38.6%，隨著脅迫時(shí)間的增加，幼苗表現(xiàn)出了對(duì)重度Mn2+的適應(yīng)性；在脅迫后期，Gs、Tr 較CK 分別下降了25.4%和25.0%。Ci 的變化趨勢則相反，Ci 較CK數(shù)值有所增加，由脅迫初期上升0.4%到脅迫后期上升10.8%，表明重度Mn2+脅迫對(duì)降香黃檀幼苗的光合作用造成一定抑制。受重度Mn2+脅迫的降香黃檀幼苗Pn 日峰值同樣低于CK，在脅迫初期，CK 的Pn 日峰值為0.86 μmol/（m2·s），到12:00 時(shí)接近于零，實(shí)驗(yàn)組的Pn 日峰值為0.42 μmol/（m2·s）；脅迫后期，CK 的Pn 日峰值為0.62 μmol/（m2·s），實(shí)驗(yàn)組的為0.25 μmol/（m2·s），兩個(gè)時(shí)期的實(shí)驗(yàn)組Pn 值基本都小于CK 組，說明重度Mn2+脅迫對(duì)降香黃檀幼苗的Pn 有明顯抑制作用。

綜上，重度錳脅迫下降香黃檀幼苗在兩個(gè)不同的時(shí)期光響應(yīng)表現(xiàn)出明顯差異。環(huán)境因子PAR 和生理因子Ci日均值在兩個(gè)時(shí)期均表現(xiàn)為實(shí)驗(yàn)組高于CK組。而Gs 和Tr 日均值則體現(xiàn)出兩個(gè)時(shí)期均是實(shí)驗(yàn)組低于CK 組。Pn 對(duì)重度Mn2+脅迫則較敏感。以上結(jié)果說明，重度錳脅迫對(duì)降香黃檀幼苗的光響應(yīng)具有重要影響。