楊磊 金延迪 劉侯俊

鐵、鎘及其互作對(duì)水稻光合原初反應(yīng)的影響

楊磊 金延迪 劉侯俊

（沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，110866，遼寧沈陽(yáng)）

鐵（Fe）在植物光合作用中發(fā)揮著重要作用，而鎘（Cd）則對(duì)光合作用產(chǎn)生多方面的干擾。葉綠素?zé)晒饽軌蚍从彻夂舷到y(tǒng)活性及電子傳遞效率。研究Fe、Cd及其交互作用對(duì)光合速率及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響，揭示水稻光合原初反應(yīng)對(duì)Fe、Cd處理的響應(yīng)及其機(jī)制。采用土培盆栽方式，研究0（Fe0）、1.0（Fe1）和2.0g/kg（Fe2）3個(gè)Fe濃度以及0（Cd0）和2.0mg/kg（Cd2）2個(gè)Cd濃度處理下水稻光合作用參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)和即時(shí)熒光動(dòng)力學(xué)曲線（OJIP）的變化規(guī)律。結(jié)果表明，水稻生長(zhǎng)前期Fe1處理光合速率（n）、氣孔導(dǎo)度（s）、胞間CO2濃度（i）及葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度提高，而Fe2和Cd2處理均降低。水稻生長(zhǎng)后期Fe1和Fe2處理均有利于維持較高的n、i、s及葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度，但Cd對(duì)這些指標(biāo)表現(xiàn)為抑制作用。水稻生長(zhǎng)前期，F(xiàn)e、Cd均提高最大光化學(xué)效率（v/m），生長(zhǎng)后期Fe0Cd2或Fe2Cd2處理v/m卻顯著降低。Fe1處理不僅對(duì)水稻光合作用具有明顯促進(jìn)作用，還能緩解Cd對(duì)光合作用的干擾，而Fe2處理顯著抑制光合作用，降低水稻干物質(zhì)累積。Cd2處理導(dǎo)致光合作用下降，同時(shí)擾亂Fe在光合作用中的生理功能。因此，稻田土壤中施用適量的鐵肥有利于促進(jìn)水稻光合作用，降低Cd毒害。

鐵；鎘；水稻；光合原初反應(yīng)；葉綠素?zé)晒?/p>

光合作用是綠色植物利用葉綠素等光合色素將CO2和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，并釋放出O2的過(guò)程。光合作用由原初反應(yīng)、同化力形成和碳同化3個(gè)基本階段組成。正常情況下，光合系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）反應(yīng)中心裂解水分子產(chǎn)生電子，電子經(jīng)一系列電子傳遞體傳遞，最終形成NADPH和ATP，為CO2的同化提供能量。光合作用是地球上最重要的生化反應(yīng)，是作物產(chǎn)量和品質(zhì)形成的決定因素，它對(duì)養(yǎng)分變化和外界脅迫高度敏感[1]。

鐵（Fe）是植物的必需營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)光合作用意義重大。植物葉片中80%的Fe存在于葉綠體內(nèi)，這些Fe結(jié)合在類囊體膜蛋白中，有利于維持類囊體膜結(jié)構(gòu)和功能的完整性[2]，在光合電子傳遞鏈中Fe以血紅素Fe卟啉復(fù)合體為輔基的細(xì)胞色素和含硫的鐵氧還蛋白參與光合電子傳遞[3]，鐵氧還蛋白在光合電子傳遞鏈末端將電子傳遞給分子氧（O2），形成超氧自由基（O2–.），同時(shí)Fe又參與清除自由基的酶系統(tǒng)的形成和活化，如FeSOD、過(guò)氧化氫酶（CAT）和過(guò)氧化物酶（POD），以此保持細(xì)胞內(nèi)自由基動(dòng)態(tài)平衡[4]。

鎘（Cd）是毒性極強(qiáng)的重金屬元素，Cd對(duì)光合作用的干擾體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：使植物葉片亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，Cd處理的植物葉綠體的基粒變形，類囊體膜擴(kuò)大，質(zhì)體小球和淀粉粒數(shù)量和體積增加[5]；Cd處理減少葉綠體中葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素等含量，擾亂氣孔運(yùn)動(dòng)[6-7]；Cd可以代替鋅結(jié)合在碳酸酐酶中，干擾光合作用中CO2的固定；Cd誘導(dǎo)活性氧（ROS）產(chǎn)生，進(jìn)一步誘導(dǎo)細(xì)胞膜的脂質(zhì)過(guò)氧化[8]。

Fe、Cd在光合過(guò)程中具有復(fù)雜的交互作用。增加植物Fe營(yíng)養(yǎng)能夠降低植物體內(nèi)Cd含量，緩解Cd對(duì)植物光合作用的抑制[9-11]。Cd供應(yīng)會(huì)減少菜豆葉片葉綠素和類胡蘿卜素的含量，降低光合系統(tǒng)Ⅰ（PSⅠ）和PSⅡ的活性，而中等過(guò)量的Fe能夠減輕Cd脅迫對(duì)這些指標(biāo)的影響[12]。在卡爾文循環(huán)中，Cd的供應(yīng)增加了葉片中ATP含量，抑制二磷酸核酮糖羧化酶（RuBisCo）活性，供應(yīng)Fe時(shí)Cd的這些作用減弱[12]。對(duì)印度芥菜幼苗供Fe能夠保護(hù)葉綠體中類囊體免受Cd毒害[13]，對(duì)蠶豆和白楊幼苗同時(shí)供應(yīng)Fe、Cd，葉片葉綠素含量、光合活性以及生物量較單獨(dú)供應(yīng)Cd有所增加[14]。

如上所述，F(xiàn)e、Cd互作對(duì)光合作用影響機(jī)制研究已經(jīng)取得一定的進(jìn)展，但是在水稻上研究不多，在葉片葉綠素?zé)晒馓匦苑矫骢r見(jiàn)報(bào)道。葉綠素?zé)晒馀c植物光合作用之間存在著密切關(guān)系，其強(qiáng)度的變化不僅能反映PSⅡ和PSⅠ中光能捕獲和電子傳遞，也能反映CO2固定等過(guò)程[15-16]。近年來(lái)作為植物光合作用的探針，葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)在植物生理學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用[17]。本課題組前期研究[11]結(jié)果表明，1.0g/kg Fe處理能夠促進(jìn)水稻生長(zhǎng)，同時(shí)減緩2.0mg/kg Cd對(duì)水稻產(chǎn)生的不利影響。針對(duì)稻田土壤有效Fe含量高，經(jīng)常出現(xiàn)水稻Fe毒害的情況[18]，本研究進(jìn)一步揭示2.0g/kg Fe是否也可以減輕Cd的負(fù)面作用，或者2.0mg/kg Cd是否可以緩減高Fe的毒害，并且利用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)，從光合原初反應(yīng)角度深入剖析其內(nèi)在原因。研究有助于進(jìn)一步了解Fe抑制植物Cd毒害的機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017年在沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地進(jìn)行，供試土壤采集于沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所稻田。土壤pH 6.7，有機(jī)質(zhì)20.8g/kg，全氮1.98g/kg，有效磷19.9mg/kg，速效鉀46mg/kg，DTPA-Fe 72.3mg/kg，DTPA-Cd 0.135mg/kg。將自然風(fēng)干土壤過(guò)3mm篩，并施N 0.2g/kg、P2O50.15g/kg和K2O 0.2g/kg作基肥，以分析純(NH4)2SO4、KH2PO4和K2SO4配制溶液，先與少量土壤充分混合，再將這些土壤與其他土壤混勻。將Cd （3CdSO4·8H2O）和Fe（FeSO4·7H2O）以溶液的形式與一定量已施入基肥的土壤充分混勻。土壤中添加Fe濃度分別為0、1.0和2.0g/kg，分別記作Fe0、Fe1和Fe2，Cd濃度分別為0和2.0mg/kg，分別記作Cd0和Cd2。將準(zhǔn)備好的土壤裝入10cm（直徑）×20cm（高）的塑料盆，4.5kg/盆。裝盆完畢，每盆加等量去離子水保持土壤濕潤(rùn)，平衡2周。2017年5月26日將預(yù)培養(yǎng)三葉期的水稻（沈稻6號(hào)）幼苗移栽到塑料盆中，每盆2株，同時(shí)淹水，保持水面深約2cm。二因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，共6個(gè)處理，記作Fe0Cd0、Fe0Cd2、Fe1Cd0、Fe1Cd2、Fe2Cd0和Fe2Cd2。每個(gè)處理重復(fù)4次，共24盆。

1.2 指標(biāo)測(cè)定

1.2.1 光合參數(shù) 水稻移栽后分別在6月22日（分蘗期）、7月11日（拔節(jié)期）、7月31日（孕穗期）、8月21日（揚(yáng)花期）和9月11日（蠟熟期）用SPAD504活體葉綠素測(cè)定儀測(cè)定葉綠素含量（SPAD值）；用便攜式光合系統(tǒng)儀（Li-6400XT，Open 6.1，Li-Cor Biosciences，Lincoln，NE，美國(guó)）測(cè)定光合速率（n）、胞間CO2濃度（i）和氣孔導(dǎo)度（s），光源為儀器自帶紅藍(lán)光源，設(shè)置光強(qiáng)為800μmol/(m2?s)，于上午9︰00-11︰00測(cè)定，各參數(shù)穩(wěn)定后保存數(shù)據(jù)。每盆每株水稻均選擇主莖上第1片完全展開(kāi)葉測(cè)定，每盆測(cè)定2次，每個(gè)處理測(cè)定8次，計(jì)算平均值。

1.2.2 葉綠素?zé)晒?利用連續(xù)激發(fā)式多功能植物效率分析儀M-PEA（Hansatech Instruments，英國(guó)）測(cè)定光合指標(biāo)所用葉片葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，每個(gè)處理測(cè)定8次，測(cè)定前葉片暗適應(yīng)30min，在5000μmol/es/(m2?s)連續(xù)記錄0.01～2000.00ms的熒光強(qiáng)度。葉片經(jīng)過(guò)充分暗適應(yīng)后，PSⅡ反應(yīng)中心處于完全開(kāi)放狀態(tài)（即所有電子受體全部處于氧化狀態(tài)），打開(kāi)測(cè)量光測(cè)得的熒光量為初始熒光產(chǎn)量，即最小熒光（o），當(dāng)PSⅡ反應(yīng)中心完全關(guān)閉時(shí)（即所有電子受體全部處于還原狀態(tài)）測(cè)得的熒光量為最大熒光產(chǎn)量（m），根據(jù)m和o計(jì)算PSⅡ的最大量子產(chǎn)量v/m=(m-o)/m和相對(duì)熒光t=(v-o)/(m-o)，以及表示PSⅡ吸收光能向電子受體轉(zhuǎn)移的潛能指數(shù)（PI）。

1.2.3 產(chǎn)量和植株干重 水稻成熟后，將整個(gè)植株從盆缽中取出，使植株與土壤脫離，用不銹鋼刀將根系和地上部分開(kāi)，地上部稱鮮重后直接裝入紙袋，105℃殺青20min，70℃烘干。將烘干地上部取出，取下籽粒并稱重，記作籽粒干重，除籽粒之外的干重為莖葉干重。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用SAS 9.1.3統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行二因素方差分析，運(yùn)用LSD法進(jìn)行多重比較，用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（=4）表示；采用Excel 2019作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同F(xiàn)e、Cd處理對(duì)水稻籽粒和莖葉干重的影響

從圖1可以看出，無(wú)論土壤中是否添加Cd，F(xiàn)e2處理水稻籽粒和莖葉干重均顯著低于Fe1和Fe0處理，F(xiàn)e1處理籽粒干重與Fe0無(wú)顯著性差異，莖葉干重則顯著高于Fe0處理。在所有Fe濃度下，與Cd0相比，Cd2處理對(duì)水稻籽粒干重未產(chǎn)生顯著影響（=0.6573）；但Cd2處理能降低莖葉干重。

不同小寫字母表示同一Cd水平下，不同F(xiàn)e處理之間具有顯著性差異（P<0.05）

2.2 不同F(xiàn)e、Cd處理對(duì)水稻各生育期葉片光合作用指標(biāo)的影響

圖2表明，在水稻整個(gè)生育期，無(wú)論土壤中是否加Cd，F(xiàn)e2處理SPAD值顯著高于Fe0和Fe1處理，而且隨著生育期推進(jìn)這種趨勢(shì)越來(lái)越明顯。分蘗期和拔節(jié)期葉片n、i以及s表現(xiàn)為Fe2處理顯著低于Fe0和Fe1處理。孕穗期這3項(xiàng)指標(biāo)各處理間均無(wú)顯著性差異。揚(yáng)花期Fe2Cd2處理n顯著高于其他處理，F(xiàn)e0Cd0和Fe2Cd0處理i顯著高于Fe1Cd2、Fe2Cd2和Fe1Cd0處理；Fe2處理（Fe2Cd0和Fe2Cd2）s顯著高于Fe0和Fe1處理。蠟熟期Fe2Cd0處理n顯著高于其他處理，其次是Fe1Cd0，加Cd處理最低。

圖2 水稻不同生育期葉片Pn，Ci，SPAD值和Gs

由表1可知，只有拔節(jié)期Cd處理SPAD值降低，其他時(shí)期Cd對(duì)SPAD值均未產(chǎn)生顯著影響。分蘗期和拔節(jié)期葉片n、i以及s一般表現(xiàn)為Cd2處理低于Cd0處理（除分蘗期光合速率），孕穗期Cd對(duì)這3項(xiàng)指標(biāo)均無(wú)顯著影響，揚(yáng)花期Fe2Cd2處理n顯著高于其他處理，蠟熟期Fe0Cd2處理顯著降低n和s（圖2）。

不同處理之間在不同生育時(shí)期的部分光合作用指標(biāo)有明顯交互作用（表1）。分蘗期，F(xiàn)e0Cd2和Fe1Cd0處理n較高，而Fe1Cd2處理n顯著降低。拔節(jié)期，F(xiàn)e1Cd0處理顯著增加i和s，F(xiàn)e1Cd2處理這兩項(xiàng)指標(biāo)則沒(méi)有增加。蠟熟期，F(xiàn)e2Cd0處理顯著增加n，而Fe2Cd2處理n沒(méi)有增加，i則出現(xiàn)相反規(guī)律。

表1 水稻不同生育期葉片Pn、Ci、SPAD值和Gs方差分析

“*”表示差異顯著（<0.05），“**”表示差異極顯著（<0.01），ns表示無(wú)顯著差異，下同

“*”indicates significant difference (<0.05),“**”indicates extremely significant difference (<0.01), ns means not significant difference, the same below

2.3 不同F(xiàn)e、Cd處理對(duì)水稻各生育期葉片熒光動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響

v/m能夠反映PSⅡ反應(yīng)中心最大光能轉(zhuǎn)換效率，即潛在最大光合能力。如圖3和表2所示，分蘗期Fe1Cd0、Fe1Cd2、Fe2Cd0和Fe2Cd2處理的v/m值顯著增加。其他時(shí)期，F(xiàn)e對(duì)v/m無(wú)顯著影響。PI表示PSⅡ吸收光能向電子受體轉(zhuǎn)移的潛能。除孕穗期，水稻其他生育期，F(xiàn)e2Cd0和Fe2Cd2處理顯著增加PI值，孕穗期之前單獨(dú)Fe處理效果比Fe、Cd共同處理效果更明顯。分蘗期和拔節(jié)期，F(xiàn)e2Cd0和Fe2Cd2處理顯著降低最小熒光（o），而蠟熟期則顯著增加o。孕穗期Fe1Cd0和Fe2Cd0處理，m略有下降；蠟熟期Fe2Cd0處理，m顯著上升。

圖3 不同生育期水稻葉片F(xiàn)v/Fm、PI、Fo和Fm

孕穗期之前，與Fe0Cd0相比，F(xiàn)e0Cd2處理可增加v/m，但蠟熟期則出現(xiàn)下降趨勢(shì)。孕穗期，F(xiàn)e0Cd2處理m有所增加。

表2 水稻不同生育期葉片F(xiàn)v/Fm、PI、Fo和Fm方差分析

Fe、Cd交互作用體現(xiàn)在：分蘗期，F(xiàn)e1Cd0、Fe2Cd0處理顯著增加v/m和PI，但同時(shí)加Cd后，增加的程度有所下降。蠟熟期，F(xiàn)e2Cd0處理m顯著上升，F(xiàn)e2Cd2上升幅度減小。

2.4 水稻葉片葉綠素即時(shí)熒光動(dòng)力學(xué)（OJIP）和相對(duì)熒光差值曲線

圖4顯示0.01～2000.00ms的葉綠素即時(shí)熒光。從圖4可以看出，分蘗期所有處理熒光強(qiáng)度最低，之后逐漸升高，揚(yáng)花期達(dá)到最高，蠟熟期又有所降低。分蘗期和揚(yáng)花期處理之間差異相對(duì)較小，而拔節(jié)期，孕穗期和蠟熟期各處理間差異較大。

圖5為標(biāo)準(zhǔn)化以后的相對(duì)熒光差值，即0.01～ 2000.00ms每個(gè)記錄點(diǎn)，所有處理的可變熒光與對(duì)照處理（Fe0Cd0）的可變熒光之差，可更清晰地表達(dá)了處理與對(duì)照之間的差異，更能看出處理效果。如圖5顯示，分蘗期所有處理幾乎整個(gè)記錄時(shí)間內(nèi)，t均高于對(duì)照Fe0Cd0處理。這與分蘗期最大光化學(xué)效率v/m和PI變化規(guī)律一致，說(shuō)明生長(zhǎng)初期水稻吸收的少量Fe和Cd對(duì)光合活性具有刺激作用。但隨著生育期推進(jìn)，F(xiàn)e、Cd對(duì)光合活性和電子傳遞的影響不同于生長(zhǎng)初期，拔節(jié)期和揚(yáng)花期從O點(diǎn)到P點(diǎn)，F(xiàn)e2Cd2和Fe2Cd0處理的t都顯著降低，孕穗期和蠟熟期從O點(diǎn)到J點(diǎn)Fe2Cd2和Fe2Cd0處理的t降低幅度最大。孕穗期和蠟熟期，從O點(diǎn)到P點(diǎn)，單獨(dú)Cd處理t也顯著降低。孕穗期，從O點(diǎn)到P點(diǎn)，F(xiàn)e1Cd0處理t均顯著增加，蠟熟期，從O點(diǎn)到I點(diǎn)，F(xiàn)e1Cd0處理t均明顯增加，F(xiàn)e1Cd2處理t增加不明顯。說(shuō)明高濃度Fe和Cd對(duì)光合作用活性及原初反應(yīng)電子傳遞鏈各組分均有抑制作用，低濃度Fe卻有促進(jìn)作用，而Cd消除了低濃度Fe的這種作用。

O、J、I、P分別表示光照后10～15μs、2ms、30ms和0.3～2000ms時(shí)的熒光信號(hào)，下同

圖5 不同生育期水稻葉片葉綠素相對(duì)熒光差值曲線

3 討論

3.1 不同F(xiàn)e、Cd處理對(duì)水稻各生育期光合作用指標(biāo)的影響

光合速率下降受氣孔和非氣孔因素影響[18-19]。本試驗(yàn)中水稻生長(zhǎng)初期（孕穗期之前）Fe1Cd0處理n、s和i高于Fe2Cd2處理?？梢?jiàn)Fe1Cd0處理有利于水稻葉片氣孔開(kāi)張，促進(jìn)CO2向細(xì)胞內(nèi)部擴(kuò)散，利于光合作用進(jìn)行。但Fe2Cd2處理n下降，同時(shí)s和i也下降（圖2），說(shuō)明高濃度Fe和Cd對(duì)葉片氣孔運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生干擾，限制CO2擴(kuò)散，從而阻止光合作用正常進(jìn)行。這種現(xiàn)象在其他作物上也有報(bào)道[20]，例如番茄葉片噴施400μmol/L Fe與200μmol/L Fe處理相比，n、s和蒸騰速率降低。有關(guān)Cd擾亂氣孔運(yùn)動(dòng)的報(bào)道很多，賀國(guó)強(qiáng)等[21]報(bào)道，在低于75μmol/L Cd脅迫下烤煙葉片n的降低主要與s的降低有關(guān)，但當(dāng)Cd濃度增加到100μmol/L時(shí)，烤煙葉片光合能力的降低為氣孔和非氣孔因素共同限制的結(jié)果。

水稻生長(zhǎng)后期（揚(yáng)花期到蠟熟期），光合指標(biāo)對(duì)Fe、Cd響應(yīng)逐漸轉(zhuǎn)化為Fe處理有利于維持較高的n、i和s，尤其在蠟熟期，F(xiàn)e2維持較高光合效率的作用更為明顯（圖2）。一般作物到成熟期時(shí)葉片中SPAD值下降，光合作用逐漸減弱，而Fe2處理的水稻葉片SPAD值一直保持較高水平，因此光合作用也相對(duì)較高。盡管如此，F(xiàn)e2處理水稻莖葉和籽粒干重仍然顯著下降，這是因?yàn)樗旧锪啃纬傻臓I(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期，F(xiàn)e2處理明顯抑制水稻光合作用。水稻生長(zhǎng)后期，不同F(xiàn)e處理，Cd對(duì)光合作用的抑制更加嚴(yán)重，s和n降為最低，隨著水稻生長(zhǎng)，葉片中累積Cd越多，Cd的毒性表現(xiàn)越明顯。

3.2 不同F(xiàn)e、Cd處理對(duì)水稻各生育期葉片熒光動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響

葉綠素?zé)晒馀c植物光合作用之間存在著密切關(guān)系，其強(qiáng)度的變化不僅能反映光能吸收、激發(fā)能傳遞和光化學(xué)反應(yīng)等光合作用的原初反應(yīng)過(guò)程，而且與電子傳遞、質(zhì)子梯度的建立、ATP合成和CO2固定等過(guò)程有關(guān)[15-16]。葉綠素?zé)晒鈪?shù)v/m反映PSⅡ反應(yīng)中心最大光能轉(zhuǎn)換效率。在逆境條件下，v/m顯著降低，因此，v/m常作為光抑制或者PSII受傷害情況的指標(biāo)。PI是光能向電子受體轉(zhuǎn)移的潛能指標(biāo)，能夠更敏感、更準(zhǔn)確地反映光合電子傳遞效率。而即時(shí)熒光動(dòng)力學(xué)曲線，即OJIP曲線，則能反映光合電子傳遞鏈中每個(gè)傳遞體逐步發(fā)生還原反應(yīng)的過(guò)程[17]。

本試驗(yàn)中，水稻生長(zhǎng)前期，F(xiàn)e1Cd0和Fe2Cd0處理均有利于提高v/m、PI值和OJIP各點(diǎn)葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度。Fe在植物體內(nèi)的重要功能就在于參與光合色素和電子傳遞物質(zhì)的合成[22]，從SPAD值可以看出，無(wú)論土壤中是否加Cd，分蘗期和拔節(jié)期Fe1和Fe2處理的SPAD值顯著高于Fe0處理，證明Fe供應(yīng)確實(shí)增加了葉綠素等光合色素的含量[23]，提高光能的吸收效率。Fe供應(yīng)也可以增加鐵氧環(huán)蛋白含量，從而提高電子傳遞速率[2,24]。單獨(dú)Cd2處理對(duì)v/m、PI和熒光強(qiáng)度也表現(xiàn)出短暫刺激作用，Cd雖然是有害重金屬元素，但是它可以通過(guò)Fe、Zn、Ca等元素的吸收運(yùn)輸通道進(jìn)入植物體，并取代這些元素結(jié)合在細(xì)胞關(guān)鍵部位。

水稻生長(zhǎng)后期，2.0g/kg Fe處理仍然保持較高的v/m、PI、o和m值，但是從拔節(jié)期開(kāi)始，相對(duì)熒光?t從O-J-I-P各點(diǎn)卻顯著下降。v/m只反映了吸收的光能被捕獲的效率，無(wú)法反映PSII的活性，以及對(duì)光能吸收、捕獲和電子傳遞以及PSII供體側(cè)和受體側(cè)活性的細(xì)致變化。而OJIP熒光動(dòng)力學(xué)則可以，根據(jù)Strasser[25]的理論，O-J反映PSII受體側(cè)QA和QB的還原狀態(tài)，J點(diǎn)是PSⅡ的電子受體QA第1次被完全還原態(tài)時(shí)的熒光；J-I對(duì)應(yīng)PQ庫(kù)的還原反應(yīng)，I點(diǎn)反映快還原型PQ庫(kù)和慢還原型PQ庫(kù)的大??；I-P對(duì)應(yīng)PSI的電子船體受體還原狀態(tài)。可見(jiàn)，2.0g/kg Fe處理對(duì)整個(gè)光合電子傳遞鏈各環(huán)節(jié)均有抑制作用，尤其對(duì)I點(diǎn)之前即QA-QB-PQ的電子傳遞影響更顯著。1.0g/kg Fe在孕穗期和蠟熟期增加O-J-I-P各點(diǎn)?t值，與2.0g/kg Fe處理出現(xiàn)相反效果，表明適量Fe供應(yīng)不但能夠增加光能的吸收效率，也可以提高電子傳遞效率。隨著水稻生長(zhǎng)，2.0mg/kg Cd處理對(duì)光合作用的破壞效應(yīng)逐漸突顯，導(dǎo)致蠟熟期v/m和熒光強(qiáng)度顯著下降，?t在孕穗期和蠟熟期O-J-I-P各點(diǎn)都下降，而且在J點(diǎn)之后下降幅度越來(lái)越大，Cd對(duì)光合電子傳遞的阻滯作用主要在PQ和PSI，進(jìn)一步證明PSII和PSI對(duì)Cd毒性都較敏感[26]。

3.3 不同F(xiàn)e、Cd處理在水稻光合過(guò)程中的交互作用

在水稻生育期的O-J-I-P各點(diǎn)Fe1Cd2處理?t均高于Fe1Cd2處理，因此適量Fe消除了Cd對(duì)光合電子傳遞的阻滯作用，減弱了由于Cd處理導(dǎo)致的電子傳遞速率的下降。這一定程度上解釋了1.0g/kg Fe消除2.0mg/kg Cd引發(fā)的水稻莖葉干物質(zhì)累積降低的現(xiàn)象。類似的研究結(jié)果[27-29]報(bào)道，Cd脅迫降低了水稻光合電子傳遞速率，而外源Fe能夠恢復(fù)電子傳遞速率。這可能是累積在葉綠體中的Fe通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)作用，使得Cd不能占據(jù)反應(yīng)位點(diǎn)，因此不能產(chǎn)生破壞作用[30-31]。

與Fe1Cd0和Fe2Cd0處理相比，F(xiàn)e2Cd2處理顯著降低了n、i、s、v/m、PI和m值，可見(jiàn)Cd也可以干擾Fe在光合過(guò)程中的功能發(fā)揮。首先Cd不但阻止根系對(duì)Fe的吸收[32]，而且減少Fe向地上部運(yùn)輸[33]，引起植物體內(nèi)Fe含量下降和缺乏。Solti等[30]發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e缺乏是Cd脅迫下灰背楊（var.）葉片光合活性降低的最主要原因之一，Cd限制了Fe由莖向葉的轉(zhuǎn)運(yùn)，導(dǎo)致葉綠體中Fe含量降低。Cd也可以通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)作用占據(jù)Fe的位點(diǎn)，例如Cd替代Fe使得葉綠素和鐵氧環(huán)蛋白合成受阻，因此吸收光能和電子傳遞隨之減少[34]。

4 結(jié)論

土壤中添加1.0g/kg Fe對(duì)水稻光合作用具有明顯促進(jìn)作用，并且能緩解Cd對(duì)光合作用的干擾，而土壤中添加2.0g/kg Fe顯著抑制光合作用，降低水稻干物質(zhì)累積。2.0mg/kg Cd施用導(dǎo)致光合作用效率下降，同時(shí)擾亂Fe在光合作用過(guò)程中的生理功能。因此，稻田土壤中施用適量的Fe肥有利于促進(jìn)水稻光合作用，降低Cd毒害。

[1] Yadavalli V，Neelam S，Rao A，et al. Differential degradation of photosystem I subunits under iron deficiency in rice. Journal of Plant Physiology，2012，169(8)：753-759.

[2] Adamski J M，Peters J A，Danieloski R，et al. Excess iron-induced changes in the photosynthetic characteristic of sweet potato. Journal of Plant Physiology，2011，168(17)：2056-2062.

[3] H?nsch R，Mendel R R. Physiological functions of mineral micronutrients (Cu，Zn，Mn，F(xiàn)e，Ni，Mo，B，Cl). Current Opinion in Plant Biology，2009，12(3)：259-266.

[4] Vigani G，Zocchi G，Bashir K，et al. Signals from chloroplasts and mitochondria for iron homeostasis regulation. Trends in Plant Science，2013，18(6)：305-311.

[5] Daud M K，He Q L，Lei M，et al. Ultrastructural，metabolic and proteomic changes in leaves of upland cotton in response to cadmium stress. Chemosphere，2015，120：309-320.

[6] Zhou Y，Diao M，Cui J X，et al. Exogenous GSH protects tomatoes against salt stress by modulating photosystem II efficiency，absorbed light allocation and H2O2-scavenging system in chloroplasts. Journal of Integrative Agriculture，2018，17(10)：2257-2272.

[7] Liu H J，Yang L，Li N，et al. Cadmium toxicity reduction in rice (L.) through iron addition during primary reaction of photosynthesis. Ecotoxicology and Environmental Safety，2020，200：1-9.

[8] Srivastava R K，Pandey P，Rajpoot R，et al. Cadmium and lead interactive effects on oxidative stress and antioxidative responses in rice seedlings. Protoplasma，2014，251：1047-1065.

[9] 聶艷秋，李玉秀，劉安輝，等. 鐵肥形態(tài)及施用方式對(duì)印度芥菜鎘積累的影響. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2012，35(12)：51-55.

[10] 邵國(guó)勝，陳銘學(xué)，王丹英，等. 稻米鎘積累的鐵肥調(diào)控. 中國(guó)科學(xué)，2008，38(2)：180-187.

[11] Liu H J，Zhang C X，Wang J M，et al. Influence and interaction of iron and cadmium on photosynthesis and antioxidative enzymes in two rice cultivars. Chemosphere，2017，171：240-247.

[12] Siedlecka A，Krupa Z. Interaction between cadmium and iron and its effects on photosynthetic capacity of primary leaves of. Plant Physiology and Biochemistry，1996，34(6)：833-841.

[13] Qureshi M I，Amici D’ G M，F(xiàn)agioni M，et al. Iron stabilizes thylakoid protein–pigment complexes in Indian mustard during Cd-phytoremediation as revealed by BN-SDS-PAGE and ESI–MS/MS. Journal of Plant Physiology，2010，167(10)：761-770.

[14] Sárvári é，Solti á，Basa B，et al. Impact of moderate Fe excess under Cd stress on the photosynthetic performance of poplar (var.cv. Kopeczkii). Plant Physiology and Biochemistry，2011，49(5)：499-505.

[15] Strasser R J，Srivastava A，Govindjee. Polyphasic chlorophyll a fluorescence transient in plants and cyanobacteria. Photochemistry and Photobiology，1995，61(1)：32-42.

[16] 黃光福，唐巧玲，唐云鵬，等. 葉綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)在水稻研究中的應(yīng)用. 作物研究，2013，27(2)：174-179.

[17] 李鵬民，高輝遠(yuǎn)，Strasser R J. 快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)分析在光合作用研究中的應(yīng)用. 植物生理與分子生物學(xué)學(xué)報(bào)，2005，31(6)：559-566.

[18] Pereira E G，Oliva M A，Rosado-Souza L，et al. Iron excess affects rice photosynthesis through stomatal and non-stomatal limitations. Plant Science，2013，201-202：81-92.

[19] Monteiro M S，Santos C，Soares A，et al. Assessment of biomarkers of cadmium stress in lettuce. Ecotoxicology and Environmental Safety，2009，72(3)：811-818.

[20] 周坤，劉俊徐，衛(wèi)紅，等. 鐵對(duì)番茄鎘積累及其化學(xué)形態(tài)的影響. 園藝學(xué)報(bào)，2013，40(11)：2269-2279.

[21] 賀國(guó)強(qiáng)，劉茜，郭振楠，等. 鎘脅迫對(duì)烤煙葉片光合和葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊? 華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2016，31（S1）：388-393.

[22] 趙婧，邱強(qiáng)，張鳴浩，等. 大豆在不同水鐵平下生理特性與品種耐性的關(guān)系. 核農(nóng)學(xué)報(bào)，2016，30(11)：2239-2247.

[23] Briat J F，Curie C，Gaymard F. Iron utilization and metabolism in plants. Current Opinion in Plant Biology，2007，10(3)：276-282.

[24] Nenova V R. Growth and photosynthesis of pea plants under different iron supply. Acta Physiologiae Plantarum，2009，31(2)：385-91.

[25] Strasser R J. Donor side capacity of photosystem II probed by chlorophyll a fluorescence transients. Photosynthesis Research，1997，52(2)：147-155.

[26] Siedlecka A，Baszyń Aski T. Inhibition of electron flow around photosystem I in chloroplasts of Cd‐treated maize plants is due to Cd‐induced iron deficiency. Physiologia Plantarum，2010，87(2)：199-202.

[27] Sebastian A，Prasad M N V. Iron- and manganese-assisted cadmium tolerance inL.：lowering of rhizotoxicity next to functional photosynthesis. Planta，2015，241(6)：1519-1528.

[28] Sebastian A，Prasad M N V. Operative photo assimilation associated proteome modulations are critical for iron-dependent cadmium tolerance inL. Protoplasma，2015，252(5)：1375-1386.

[29] Chen Z，Tang Y T，Zhou C，et al. Mechanisms of Fe bioforti?cation and mitigation of Cd accumulation in rice (L.) grown hydroponically with Fe chelate fertilization. Chemosphere，2017，175：275-285.

[30] Solti á，Gáspár L，Mészáros I，et al. Impact of iron supply on the kinetics of recovery of photosynthesis in Cd-stressed poplar (). Annals of Botany，2008，102(5)：771-782.

[31] Solti á，Sárvári é，Tóth B，et al. Incorporation of iron into chloroplast triggers the restoration of cadmium induced inhibition of photosynthesis. Journal of Plant Physiology，2016，202：97-106.

[32] Sharma S S，Kaul S，Metwally A，et al. Cadmium toxicity to barley () as affected by varying Fe nutritional status. Plant Science，2004，166(5)：1287-1295.

[33] Xu S S，Lin S Z，Lai Z X. Cadmium impairs iron homeostasis inby increasing the polysaccharide contents and the iron-binding capacity of root cell walls. Plant and Soil，2015，392(1/2)：71-85.

[34] 戴前莉，李金花，胡建軍，等. 增施鐵對(duì)鎘脅迫下柳樹(shù)生長(zhǎng)及光合生理性能的改善. 南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，41(2)：63-72.

Effects of Iron, Cadmium and Their Interaction on the Primary Reaction of Photosynthesis in Rice

Yang Lei, Jin Yandi, Liu Houjun

(College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, Liaoning, China)

Iron (Fe) plays an important role in plant photosynthesis, while cadmium (Cd) causes various interferes in photosynthesis. Chlorophyll fluorescence reflects photosynthetic efficiency and electron transfer characteristics. This experiment aimed to investigate the effects of Fe, Cd and their interactions on photosynthetic efficiency and chlorophyll fluorescence in rice. The pot experiment was designed to investigate photosynthetic indexes, chlorophyll fluorescence indexes, and OJIP curve under different Fe and Cd supplements in soil. The rate of Fe addition was 0 (Fe0), 1.0 (Fe1) and 2.0g/kg (Fe2), while Cd was 0 (Cd0) and 2.0mg/kg (Cd2). The results showed that Fe1 treatment increased photosynthetic rate (n), stomatal conductance (s), intercellular CO2concentration (i), and fluorescence intensity at the early stage, while Fe2 and Cd2 decreased these indexes. At the late stages (after the booting stage), Fe1 and Fe2 were beneficial for rice to keep highn,s,iand chlorophyll fluorescence intensity but Cd2 still decreased these indexes. Fe or Cd increased the maximum photochemical efficiency (v/m) at the early stages, while at the late stages, Cd alone or Cd and high Fe together significantly decreasedv/m. Fe1 significantly promoted the photosynthesis of rice and alleviated the interference of Cd on photosynthesis, while Fe2 significantly inhibited photosynthesis and reduced dry matter accumulation in rice. Cd2 decreased photosynthesis and disturbed the physiological function of Fe during photosynthesis. Therefore, proper application of Fe fertilizer can promote the photosynthesis of rice and reduce Cd toxicity.

Iron; Cadmium; Rice; Primary reaction of photosynthesis; Chlorophyll fluorescence

10.16035/j.issn.1001-7283.2021.04.022

楊磊，從事植物營(yíng)養(yǎng)生理研究，E-mail：1026542765@qq.com

劉侯俊為通信作者，從事植物營(yíng)養(yǎng)與施肥研究，E-mail：liuhoujun_0@syau.edu.cn

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFD0200200）；遼寧省自然科學(xué)基金（2020-MS-200）

2020-08-14；

2020-11-13；

2021-07-12