鉛脅迫對滇白前生長、光合作用及葉綠素?zé)晒獾挠绊?/h1>
2021-12-09 08:38王建秋曹子林王曉麗張晉龍彭辰吟
草地學(xué)報 2021年11期
王建秋， 曹子林*， 王曉麗， 張晉龍， 彭辰吟
(1.西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院， 云南 昆明 650224； 2. 云南省山地農(nóng)村生態(tài)環(huán)境演變與污染治理重點實驗室， 云南 昆明 650224； 3.西南林業(yè)大學(xué)林學(xué)院， 云南 昆明 650224)
隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，重金屬污染已經(jīng)成為當(dāng)今全球面臨的一個重要環(huán)境問題。鉛是一種有害的重金屬元素，在過去的50年里，大約有7.83×105t的鉛排到土壤環(huán)境中，對土壤造成嚴重的重金屬污染[1]。鉛易被植物吸收積累，當(dāng)其在植物體內(nèi)累積超過一定限度時，不僅嚴重影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，還會通過食物鏈危害人體健康[2]。因此，修復(fù)鉛污染的土壤尤其重要。植物修復(fù)技術(shù)是一種新興的土壤修復(fù)技術(shù)，具有修復(fù)面積廣、操作簡便且綠色無二次污染等優(yōu)點[3]，對于清除土壤重金屬污染與實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。而選擇對重金屬耐性強、生物量大的超富集植物正是植物修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵。
滇白前(Sileneviscidula)是石竹科(Cayophyllaceae)蠅子草屬的一種多年生草本植物，主要生長在海拔1 200～3 200 m的四川、云南、貴州、西藏(東南)等地[4]。據(jù)研究，滇白前對鉛(Pb)、鋅(Zn)、鎘(Cd)元素具有很強的耐受性，是新型Pb/Zn/Cd共超富集植物，為土壤重金屬污染地修復(fù)提供了新的資源[5]。目前，有關(guān)滇白前的研究主要集中于其藥用成分、抗癌作用及轉(zhuǎn)錄組測序等方面[6-8]。植物的生長指標(biāo)、光合生理特性及葉綠素?zé)晒饪煞从持参飳ν饨绛h(huán)境的適應(yīng)性，是植物能否在重金屬脅迫下成功定植的重要指標(biāo)[9-10]，但關(guān)于鉛脅迫對滇白前生長特性、生理指標(biāo)和葉綠素?zé)晒獾挠绊懳匆妶蟮?。因此，本研究以滇白前為對象，進行盆栽試驗，通過不同濃度鉛脅迫，測定其生長指標(biāo)、葉綠素含量、光合生理、熒光特性、根系活力的變化，探究滇白前對鉛脅迫的生理響應(yīng)機理，以期為鉛污染土壤的生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 試驗材料
栽培基質(zhì)為昆明市呈貢區(qū)的農(nóng)田土，將土壤陰干并去除其中巖石和殘留的植物后磨細過篩。滇白前種子采自云南省怒江州蘭坪縣金頂鎮(zhèn)鳳凰山金鼎鉛鋅礦區(qū)，地理坐標(biāo)：26°24′3″N，99°24′54″E。2020年6月中旬，用滇白前種子進行育苗，待植物長出4片真葉后用于試驗。
1.2 試驗設(shè)計
用外口徑21 cm、盆高11 cm的花盆裝干土2 kg，依次加入相對應(yīng)濃度的Pb(NO3)2溶液，使土壤添加鉛含量分別為0 mg·kg-1，600 mg·kg-1，1 200 mg·kg-1，1 800 mg·kg-1，2 400 mg·kg-1和3 000 mg·kg-1(以干土計)。添加時溶液剛好把土壤浸濕無滲漏，并充分攪拌混勻，老化3個月后供試驗使用。7月30日，將大小一致、長勢良好的滇白前幼苗移栽到不同濃度鉛的土壤中，每盆種植3株，每個處理3個重復(fù)。在試驗區(qū)上方搭設(shè)爬藤架，在架上蓋上塑料膜，每天適量澆水使土壤含水量大約保持在田間持水量的70%。
1.3 試驗指標(biāo)測定
脅迫60 d后，每個濃度處理選取滇白前倒三葉片3片，采用Li-6400XT光合儀測定凈光合速率(Net photosynthetic rate，Pn)、氣孔導(dǎo)度(Stomatal conductance，Gs)、蒸騰速率(Transpiration rate，Tr)、胞間二氧化碳濃度(Intercellular oxidation concentration，Ci)。用HAndy PEA植物效率分析儀測定初始熒光(Initial fluorescence，F(xiàn)o)、最大熒光(Maximum fluorescence，F(xiàn)m)、可變熒光(Variable fluorescence，F(xiàn)v)、PSⅡ最大光化學(xué)效率(Maximum photochemical efficiency of photosynthetic system Ⅱ，F(xiàn)v/Fm)、PSⅡ潛在活性(Potential activity of photosynthetic system Ⅱ，F(xiàn)v/Fo)。采用丙酮-乙醇混合提取法測定葉綠素a(Chlorophyll a，Chl a)、葉綠素b(Chlorophyll b，Chl b)的含量[11]。最后，將植株取出，取根須及根尖0～3 cm，參照王學(xué)奎的方法，采用氯化三苯基四氮唑法測定根系活力[12]。測定高度、葉寬、根長，記錄萌條數(shù)，反映植物生長狀況。
1.4 數(shù)據(jù)分析
采用Excel 2016對原始數(shù)據(jù)進行處理和整理，利用SPSS 20.0軟件對生長指標(biāo)、光合生理指標(biāo)及葉綠素?zé)晒馓匦赃M行差異顯著性檢驗，并進行這三大指標(biāo)之間的相關(guān)性分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 鉛脅迫對滇白前生長的影響
由表1可知：總體上，高度、葉寬、萌條數(shù)、根長4個指標(biāo)隨鉛處理濃度的增大呈先升后降的趨勢。在600 mg·kg-1處理下，滇白前高度、葉寬與對照相比略有下降，而萌條數(shù)、根長與對照相比均有上升，其中根長達到顯著水平(P<0.05)；高度、萌條數(shù)在1 200 mg·kg-1處理時達到最大值，而根長、葉寬在1 800 mg·kg-1處理下達到最大值，鉛處理濃度達到3 000 mg·kg-1時，這4個指標(biāo)均低于對照。
表1 鉛脅迫對滇白前生長的影響Table 1 The growth of S. viscidula under Pb stress
2.2 鉛脅迫對滇白前葉綠素的影響
由表2可知，隨著鉛濃度增大，滇白前Chl a、Chl b、Chl a+b含量均呈先升后降的趨勢。在600，1 200，1 800 mg·kg-1處理下，這三個指標(biāo)隨著鉛濃度增加而增大，1 800 mg·kg-1處理下達到最大值，分別為1.35，0.53，1.89 mg·g-1，2 400 mg·g-1處理與1 800 mg·kg-1處理相比，這3個指標(biāo)均下降，但這4個濃度處理均顯著大于對照(P<0.05)，而在3 000 mg·kg-1處理下，葉綠素含量3個指標(biāo)均小于對照，達到最小值。
2.3 鉛脅迫對滇白前光合指標(biāo)的影響
由表3可知，滇白前Pn，Gs，Tr均隨鉛濃度的增大呈先增后降的趨勢，而Ci隨鉛濃度的增大呈先降后增的趨勢。600 mg·kg-1處理時，Pn，Tr，Gs顯著高于對照(P<0.05)，Pn在1 800 mg·kg-1時達到最大值，Tr，Gs在1 200 mg·kg-1時達到最大值，隨后隨處理濃度增大而下降，3 000 mg·kg-1時，Pn，Tr，Gs均最小，僅6.40 μmolCO2·m-2·s-1，2.64 molH2O·m-2·s-1，0.27 molH2O·m-2·s-1，分別比對照增長了75.67%，71.05%，71.88%。600 mg·kg-1處理與對照相比，Ci顯著降低(P<0.05)，在1 800 mg·kg-1處理時為最低值，在3 000 mg·kg-1處理時達到最大值，為586.40 μmolCO2·mol-1。
表2 鉛脅迫對滇白前葉綠素含量的影響Table 2 Effect of Pb stress on chlorophyll content of S. viscidula
表3 鉛脅迫對滇白前光合指標(biāo)的影響Table 3 Effect of Pb stress on photosynthesis indexes of S. viscidula
2.4 鉛脅迫對滇白前根系活力的影響
從圖1所示，滇白前根系活力(Root activity，RA)隨鉛濃度的增大呈先增后降的趨勢。在600 mg·kg-1處理時RA略高于對照，1 200 mg·kg-1處理時RA最高，之后隨處理濃度增大RA下降，但均高于對照，而在3 000 mg·kg-1處理時RA最低，比對照降低了51.99%(P<0.05)。
圖1 鉛脅迫對滇白前根系活力的影響Fig.1 Effect of Pb stress on root activity of S. viscidula
2.5 鉛脅迫對滇白前熒光特性的影響
由表4可知，隨著鉛濃度的增加，滇白前葉片的Fo呈先降低后升高的趨勢。Fm和Fv均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在1 200 mg·kg-1時達到最大值，分別為對照的1.11倍、1.17倍；鉛脅迫下滇白前Fv/Fm呈先增后降的變化規(guī)律，F(xiàn)v/Fo與之相似，鉛濃度為600，1 200，1 800 mg·kg-1時，均顯著大于對照(P<0.05)；鉛濃度在3 000 mg·kg-1為最小值，均顯著低于對照(P<0.05)，滇白前葉片的葉綠素?zé)晒庑适艿揭种啤?/p>
2.6 滇白前生長與光合生理及葉綠素?zé)晒庵笜?biāo)的相關(guān)性
由表5可知：株高與Pn，Tr，Gs,Chl a+b含量、RA、Fv/Fm，F(xiàn)v/Fo呈極顯著或顯著的正相關(guān)(P<0.01或P<0.05)，與Ci呈極顯著的負相關(guān)(P<0.01)；Pn，Tr，Gs與Chl a+b含量、RA,Fv/Fm，F(xiàn)v/Fo呈極顯著或顯著的正相關(guān)(P<0.01或P<0.05)，與Ci呈極顯著或顯著的負相關(guān)(P<0.01或P<0.05)；Ci與Chl a+b含量、RA,Fv/Fm，F(xiàn)v/Fo呈極顯著的負相關(guān)(P<0.01)；Pn，Tr，Gs三者之間極顯著正相關(guān)(P<0.01)。
表4 鉛脅迫對滇白前葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響Table 4 Effect of Pb stress on chlorophyll fluorescence of S. viscidula
表5 生長指標(biāo)與光合生理及葉綠素?zé)晒庵笜?biāo)的相關(guān)性Table 5 Correlation of growth index with photosynthetic physiology and chlorophyll fluorescence index
3 討論
鉛對植物生長的影響是植物適應(yīng)環(huán)境生長的一個綜合作用的結(jié)果。植物對重金屬脅迫產(chǎn)生響應(yīng)通常表現(xiàn)為低含量刺激正向應(yīng)答，高含量脅迫產(chǎn)生顯著抑制作用[13]，但不同植物對鉛的耐受性不同。絹毛委陵菜(Potentillasericea)在鉛濃度為300～600 mg·kg-1時，植株能夠生存，但生長緩慢[14]。本研究表明：滇白前在2 400 mg·kg-1處理下，生長指標(biāo)(高度、葉寬、萌條數(shù)和根長)仍高于或略低于對照，其對鉛的耐受性較高，因此，本試驗設(shè)置鉛濃度高于普通植物的耐受濃度。生長指標(biāo)均隨鉛濃度的增加呈先增大后減小的變化趨勢，符合“低促高抑”的規(guī)律。中、低濃度(600～2 400 mg·kg-1)鉛脅迫對植物生長的促進可能是一種刺激和保護效應(yīng)，植物生長越快，重金屬在植物體內(nèi)的相對濃度就越低；而高濃度(3 000 mg·kg-1)鉛在植物體內(nèi)積累，保護反應(yīng)消失，影響了營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和分配，造成植株矮小，生物量減小，生長衰退[15]。這與不同程度脅迫下的根系活力、葉綠素含量、光合生理指標(biāo)及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化密切相關(guān)。
水是植物光合作用的原料之一，植物生長所需的水分主要通過根系從土壤中吸收。根系活力是反映根部吸收功能的綜合指標(biāo)，其值大小是根系對養(yǎng)分和水分吸收能力的體現(xiàn)[16]。郭榮慧等[17]研究表明：0～500 mg·kg-1的鉛處理時，洋甘菊(Chamomile)根系活力隨著鉛濃度升高呈先升后降的趨勢，并且鉛對根系活力有促進作用。本研究也有類似的結(jié)論，滇白前根系活力隨著鉛濃度升高呈先升后降的趨勢，但起促進作用的鉛處理濃度明顯比較高，低、中濃度600～2 400 mg·kg-1處理對根系活力都具有促進作用，而高濃度3 000 mg·kg-1處理對根系活力有明顯的抑制作用。同時，本研究表明，根系活力與凈光合速率及生長量呈極顯著正相關(guān)。這是由于根系活力影響對光合作用原料水的吸收造成的。在適量鉛環(huán)境下，根系活力增強，有利于對養(yǎng)分和水分的吸收，從而促進滇白前光合作用及生長；鉛濃度過量則會抑制根系活力以及對水分養(yǎng)分的吸收和轉(zhuǎn)運，從而抑制滇白前光合作用及生長。
高等植物光合色素主要是由葉綠素a、葉綠素b組成，葉綠素在光合作用過程中起到接受和轉(zhuǎn)換能量的作用，將光能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能，其含量高低與光合作用密切相關(guān)[18-19]。對于一般植物而言，鉛脅迫會導(dǎo)致植物葉綠素含量降低。例如，在鉛濃度為0～600 mg·L-1處理 30 d后，草地早熟禾(Poapratensis)葉綠素a、葉綠素b均隨處理濃度的增加而顯著降低[20]。但對于鉛超富集植物而言，適量的鉛能刺激葉綠素含量的增加。本研究表明：滇白前的葉綠素含量隨鉛脅迫濃度的升高呈先升后降的變化，并與凈光合速率、生長量呈顯著正相關(guān)。低、中濃度處理時，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量隨處理濃度增大而增大，且均在1 800 mg·kg-1時達到峰值，2 400 mg·kg-1時下降，但仍高于對照，而高濃度3 000 mg·kg-1時低于對照，這與劉英杰等[21]的研究結(jié)論相類似。原因是：低、中濃度處理可能沒有破壞植物體內(nèi)葉綠體的結(jié)構(gòu)，減緩葉綠素的合成過程，反而可能提高了葉綠素酸酯還原酶的活性和氨基-r-酮戊酸的含量[21-22]，從而促進了植物的葉綠素含量增加。而在高濃度鉛脅迫下，植物抗氧化酶活性降低，體內(nèi)活性氧自由基含量升高，破壞了葉綠體的結(jié)構(gòu)和功能；可能是鉛阻止了鐵分子進入葉綠素的卟啉環(huán)，減少了葉綠素的合成；也可能是抑制了葉綠素酸酯還原酶的活性和氨基-r-酮戊酸的合成，阻礙葉綠素合成，進而影響光合作用[23]。
氣孔是植物葉片上的主要器官，控制著植物光合作用中CO2分子的吸收和蒸騰作用中H2O分子的運輸[24]，所以氣孔對于植物光合生理過程有著重要的決定性作用。鉛脅迫能夠影響植物的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，進而影響其光合作用[25-26]。本研究表明：氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、凈光合速率隨著鉛脅迫濃度升高呈先升后降的趨勢，這3個指標(biāo)之間呈極顯著正相關(guān)，這與鉛脅迫對金花茶的光合生理影響的規(guī)律一致[27]，并且這3個指標(biāo)與根系活力呈極顯著正相關(guān)。而胞間CO2濃度卻隨處理濃度增大呈先降后升的趨勢，與王小平的研究結(jié)論相類似[28]。原因是：中、低濃度鉛處理下，滇白前根系活力增大，對土壤水分吸收能力增強，這時氣孔導(dǎo)度增大，蒸騰速率增大，同時這時進入細胞的CO2增多，但由于光合速率增強，葉肉細胞光合能力的增強使其利用CO2的能力增強，導(dǎo)致了胞間CO2濃度下降。相反，在高濃度鉛脅迫下，滇白前根系活力降低，對土壤水分吸收能力減弱，這時氣孔導(dǎo)度降低，蒸騰速率減少，同時這時進入細胞的CO2減少，但由于光合速率減弱，葉肉細胞光合能力的下降使其利用CO2的能力降低，進而導(dǎo)致了胞間CO2濃度升高。
葉綠素?zé)晒鈪?shù)主要含義是泛指通過直接利用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)對植物進行熒光分析而獲得的重要熒光參數(shù)，植物體內(nèi)葉綠素?zé)晒夥肿幽軌虺蔀槿~綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)應(yīng)用中的天然探針，植物對于光能的綜合利用狀態(tài)，能夠通過測得葉綠素?zé)晒鈩恿?shù)來呈現(xiàn)，從而判斷植物受逆境脅迫的程度[29]。Fv/Fm值用于度量植物葉片PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率，而Fv/Fo值表示PSⅡ潛在活性。本研究結(jié)果表明，F(xiàn)v/Fo,Fv/Fm隨鉛處理濃度升高呈先升高后降低的規(guī)律，并與葉綠素含量、凈光合速率呈極顯著正相關(guān)。在濃度處理為600 mg·kg-1，1 200 mg·kg-1，1 800 mg·kg-1時，其值顯著上升。原因是：該濃度處理后葉綠素含量提高，進而加速了光合碳同化中以蛋白質(zhì)為主體的各種酶及多種電子傳遞體的合成，并將更多的光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，從而提高了光能轉(zhuǎn)化效率、PSⅡ電子傳遞活性，提高了光能利用效率，體現(xiàn)在凈光合速率的提高[30]。而在濃度處理為3 000 mg·kg-1時，其值顯著下降。原因是：在高濃度鉛脅迫下，葉綠素含量下降，所引起的生理響應(yīng)過程正好與上述相反，降低了光能轉(zhuǎn)化效率、PSⅡ電子傳遞活性和光能利用效率，體現(xiàn)在凈光合速率的降低。
4 結(jié)論
鉛脅迫濃度在600～2 400 mg·kg-1處理下，滇白前的生長量、根系活力、葉綠素含量、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和熒光參數(shù)等指標(biāo)顯著高于或略低于對照，說明滇白前對鉛脅迫具有較高的耐性，可作為修復(fù)土壤鉛污染的植物。
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滇白前(Sileneviscidula)是石竹科(Cayophyllaceae)蠅子草屬的一種多年生草本植物，主要生長在海拔1 200～3 200 m的四川、云南、貴州、西藏(東南)等地[4]。據(jù)研究，滇白前對鉛(Pb)、鋅(Zn)、鎘(Cd)元素具有很強的耐受性，是新型Pb/Zn/Cd共超富集植物，為土壤重金屬污染地修復(fù)提供了新的資源[5]。目前，有關(guān)滇白前的研究主要集中于其藥用成分、抗癌作用及轉(zhuǎn)錄組測序等方面[6-8]。植物的生長指標(biāo)、光合生理特性及葉綠素?zé)晒饪煞从持参飳ν饨绛h(huán)境的適應(yīng)性，是植物能否在重金屬脅迫下成功定植的重要指標(biāo)[9-10]，但關(guān)于鉛脅迫對滇白前生長特性、生理指標(biāo)和葉綠素?zé)晒獾挠绊懳匆妶蟮?。因此，本研究以滇白前為對象，進行盆栽試驗，通過不同濃度鉛脅迫，測定其生長指標(biāo)、葉綠素含量、光合生理、熒光特性、根系活力的變化，探究滇白前對鉛脅迫的生理響應(yīng)機理，以期為鉛污染土壤的生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 試驗材料
栽培基質(zhì)為昆明市呈貢區(qū)的農(nóng)田土，將土壤陰干并去除其中巖石和殘留的植物后磨細過篩。滇白前種子采自云南省怒江州蘭坪縣金頂鎮(zhèn)鳳凰山金鼎鉛鋅礦區(qū)，地理坐標(biāo)：26°24′3″N，99°24′54″E。2020年6月中旬，用滇白前種子進行育苗，待植物長出4片真葉后用于試驗。
1.2 試驗設(shè)計
用外口徑21 cm、盆高11 cm的花盆裝干土2 kg，依次加入相對應(yīng)濃度的Pb(NO3)2溶液，使土壤添加鉛含量分別為0 mg·kg-1，600 mg·kg-1，1 200 mg·kg-1，1 800 mg·kg-1，2 400 mg·kg-1和3 000 mg·kg-1(以干土計)。添加時溶液剛好把土壤浸濕無滲漏，并充分攪拌混勻，老化3個月后供試驗使用。7月30日，將大小一致、長勢良好的滇白前幼苗移栽到不同濃度鉛的土壤中，每盆種植3株，每個處理3個重復(fù)。在試驗區(qū)上方搭設(shè)爬藤架，在架上蓋上塑料膜，每天適量澆水使土壤含水量大約保持在田間持水量的70%。
1.3 試驗指標(biāo)測定
脅迫60 d后，每個濃度處理選取滇白前倒三葉片3片，采用Li-6400XT光合儀測定凈光合速率(Net photosynthetic rate，Pn)、氣孔導(dǎo)度(Stomatal conductance，Gs)、蒸騰速率(Transpiration rate，Tr)、胞間二氧化碳濃度(Intercellular oxidation concentration，Ci)。用HAndy PEA植物效率分析儀測定初始熒光(Initial fluorescence，F(xiàn)o)、最大熒光(Maximum fluorescence，F(xiàn)m)、可變熒光(Variable fluorescence，F(xiàn)v)、PSⅡ最大光化學(xué)效率(Maximum photochemical efficiency of photosynthetic system Ⅱ，F(xiàn)v/Fm)、PSⅡ潛在活性(Potential activity of photosynthetic system Ⅱ，F(xiàn)v/Fo)。采用丙酮-乙醇混合提取法測定葉綠素a(Chlorophyll a，Chl a)、葉綠素b(Chlorophyll b，Chl b)的含量[11]。最后，將植株取出，取根須及根尖0～3 cm，參照王學(xué)奎的方法，采用氯化三苯基四氮唑法測定根系活力[12]。測定高度、葉寬、根長，記錄萌條數(shù)，反映植物生長狀況。
1.4 數(shù)據(jù)分析
采用Excel 2016對原始數(shù)據(jù)進行處理和整理，利用SPSS 20.0軟件對生長指標(biāo)、光合生理指標(biāo)及葉綠素?zé)晒馓匦赃M行差異顯著性檢驗，并進行這三大指標(biāo)之間的相關(guān)性分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 鉛脅迫對滇白前生長的影響
由表1可知：總體上，高度、葉寬、萌條數(shù)、根長4個指標(biāo)隨鉛處理濃度的增大呈先升后降的趨勢。在600 mg·kg-1處理下，滇白前高度、葉寬與對照相比略有下降，而萌條數(shù)、根長與對照相比均有上升，其中根長達到顯著水平(P<0.05)；高度、萌條數(shù)在1 200 mg·kg-1處理時達到最大值，而根長、葉寬在1 800 mg·kg-1處理下達到最大值，鉛處理濃度達到3 000 mg·kg-1時，這4個指標(biāo)均低于對照。
表1 鉛脅迫對滇白前生長的影響Table 1 The growth of S. viscidula under Pb stress
2.2 鉛脅迫對滇白前葉綠素的影響
由表2可知，隨著鉛濃度增大，滇白前Chl a、Chl b、Chl a+b含量均呈先升后降的趨勢。在600，1 200，1 800 mg·kg-1處理下，這三個指標(biāo)隨著鉛濃度增加而增大，1 800 mg·kg-1處理下達到最大值，分別為1.35，0.53，1.89 mg·g-1，2 400 mg·g-1處理與1 800 mg·kg-1處理相比，這3個指標(biāo)均下降，但這4個濃度處理均顯著大于對照(P<0.05)，而在3 000 mg·kg-1處理下，葉綠素含量3個指標(biāo)均小于對照，達到最小值。
2.3 鉛脅迫對滇白前光合指標(biāo)的影響
由表3可知，滇白前Pn，Gs，Tr均隨鉛濃度的增大呈先增后降的趨勢，而Ci隨鉛濃度的增大呈先降后增的趨勢。600 mg·kg-1處理時，Pn，Tr，Gs顯著高于對照(P<0.05)，Pn在1 800 mg·kg-1時達到最大值，Tr，Gs在1 200 mg·kg-1時達到最大值，隨后隨處理濃度增大而下降，3 000 mg·kg-1時，Pn，Tr，Gs均最小，僅6.40 μmolCO2·m-2·s-1，2.64 molH2O·m-2·s-1，0.27 molH2O·m-2·s-1，分別比對照增長了75.67%，71.05%，71.88%。600 mg·kg-1處理與對照相比，Ci顯著降低(P<0.05)，在1 800 mg·kg-1處理時為最低值，在3 000 mg·kg-1處理時達到最大值，為586.40 μmolCO2·mol-1。
表2 鉛脅迫對滇白前葉綠素含量的影響Table 2 Effect of Pb stress on chlorophyll content of S. viscidula
表3 鉛脅迫對滇白前光合指標(biāo)的影響Table 3 Effect of Pb stress on photosynthesis indexes of S. viscidula
2.4 鉛脅迫對滇白前根系活力的影響
從圖1所示，滇白前根系活力(Root activity，RA)隨鉛濃度的增大呈先增后降的趨勢。在600 mg·kg-1處理時RA略高于對照，1 200 mg·kg-1處理時RA最高，之后隨處理濃度增大RA下降，但均高于對照，而在3 000 mg·kg-1處理時RA最低，比對照降低了51.99%(P<0.05)。
圖1 鉛脅迫對滇白前根系活力的影響Fig.1 Effect of Pb stress on root activity of S. viscidula
2.5 鉛脅迫對滇白前熒光特性的影響
由表4可知，隨著鉛濃度的增加，滇白前葉片的Fo呈先降低后升高的趨勢。Fm和Fv均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在1 200 mg·kg-1時達到最大值，分別為對照的1.11倍、1.17倍；鉛脅迫下滇白前Fv/Fm呈先增后降的變化規(guī)律，F(xiàn)v/Fo與之相似，鉛濃度為600，1 200，1 800 mg·kg-1時，均顯著大于對照(P<0.05)；鉛濃度在3 000 mg·kg-1為最小值，均顯著低于對照(P<0.05)，滇白前葉片的葉綠素?zé)晒庑适艿揭种啤?/p>
2.6 滇白前生長與光合生理及葉綠素?zé)晒庵笜?biāo)的相關(guān)性
由表5可知：株高與Pn，Tr，Gs,Chl a+b含量、RA、Fv/Fm，F(xiàn)v/Fo呈極顯著或顯著的正相關(guān)(P<0.01或P<0.05)，與Ci呈極顯著的負相關(guān)(P<0.01)；Pn，Tr，Gs與Chl a+b含量、RA,Fv/Fm，F(xiàn)v/Fo呈極顯著或顯著的正相關(guān)(P<0.01或P<0.05)，與Ci呈極顯著或顯著的負相關(guān)(P<0.01或P<0.05)；Ci與Chl a+b含量、RA,Fv/Fm，F(xiàn)v/Fo呈極顯著的負相關(guān)(P<0.01)；Pn，Tr，Gs三者之間極顯著正相關(guān)(P<0.01)。
表4 鉛脅迫對滇白前葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響Table 4 Effect of Pb stress on chlorophyll fluorescence of S. viscidula
表5 生長指標(biāo)與光合生理及葉綠素?zé)晒庵笜?biāo)的相關(guān)性Table 5 Correlation of growth index with photosynthetic physiology and chlorophyll fluorescence index
3 討論
鉛對植物生長的影響是植物適應(yīng)環(huán)境生長的一個綜合作用的結(jié)果。植物對重金屬脅迫產(chǎn)生響應(yīng)通常表現(xiàn)為低含量刺激正向應(yīng)答，高含量脅迫產(chǎn)生顯著抑制作用[13]，但不同植物對鉛的耐受性不同。絹毛委陵菜(Potentillasericea)在鉛濃度為300～600 mg·kg-1時，植株能夠生存，但生長緩慢[14]。本研究表明：滇白前在2 400 mg·kg-1處理下，生長指標(biāo)(高度、葉寬、萌條數(shù)和根長)仍高于或略低于對照，其對鉛的耐受性較高，因此，本試驗設(shè)置鉛濃度高于普通植物的耐受濃度。生長指標(biāo)均隨鉛濃度的增加呈先增大后減小的變化趨勢，符合“低促高抑”的規(guī)律。中、低濃度(600～2 400 mg·kg-1)鉛脅迫對植物生長的促進可能是一種刺激和保護效應(yīng)，植物生長越快，重金屬在植物體內(nèi)的相對濃度就越低；而高濃度(3 000 mg·kg-1)鉛在植物體內(nèi)積累，保護反應(yīng)消失，影響了營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和分配，造成植株矮小，生物量減小，生長衰退[15]。這與不同程度脅迫下的根系活力、葉綠素含量、光合生理指標(biāo)及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化密切相關(guān)。
水是植物光合作用的原料之一，植物生長所需的水分主要通過根系從土壤中吸收。根系活力是反映根部吸收功能的綜合指標(biāo)，其值大小是根系對養(yǎng)分和水分吸收能力的體現(xiàn)[16]。郭榮慧等[17]研究表明：0～500 mg·kg-1的鉛處理時，洋甘菊(Chamomile)根系活力隨著鉛濃度升高呈先升后降的趨勢，并且鉛對根系活力有促進作用。本研究也有類似的結(jié)論，滇白前根系活力隨著鉛濃度升高呈先升后降的趨勢，但起促進作用的鉛處理濃度明顯比較高，低、中濃度600～2 400 mg·kg-1處理對根系活力都具有促進作用，而高濃度3 000 mg·kg-1處理對根系活力有明顯的抑制作用。同時，本研究表明，根系活力與凈光合速率及生長量呈極顯著正相關(guān)。這是由于根系活力影響對光合作用原料水的吸收造成的。在適量鉛環(huán)境下，根系活力增強，有利于對養(yǎng)分和水分的吸收，從而促進滇白前光合作用及生長；鉛濃度過量則會抑制根系活力以及對水分養(yǎng)分的吸收和轉(zhuǎn)運，從而抑制滇白前光合作用及生長。
高等植物光合色素主要是由葉綠素a、葉綠素b組成，葉綠素在光合作用過程中起到接受和轉(zhuǎn)換能量的作用，將光能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能，其含量高低與光合作用密切相關(guān)[18-19]。對于一般植物而言，鉛脅迫會導(dǎo)致植物葉綠素含量降低。例如，在鉛濃度為0～600 mg·L-1處理 30 d后，草地早熟禾(Poapratensis)葉綠素a、葉綠素b均隨處理濃度的增加而顯著降低[20]。但對于鉛超富集植物而言，適量的鉛能刺激葉綠素含量的增加。本研究表明：滇白前的葉綠素含量隨鉛脅迫濃度的升高呈先升后降的變化，并與凈光合速率、生長量呈顯著正相關(guān)。低、中濃度處理時，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量隨處理濃度增大而增大，且均在1 800 mg·kg-1時達到峰值，2 400 mg·kg-1時下降，但仍高于對照，而高濃度3 000 mg·kg-1時低于對照，這與劉英杰等[21]的研究結(jié)論相類似。原因是：低、中濃度處理可能沒有破壞植物體內(nèi)葉綠體的結(jié)構(gòu)，減緩葉綠素的合成過程，反而可能提高了葉綠素酸酯還原酶的活性和氨基-r-酮戊酸的含量[21-22]，從而促進了植物的葉綠素含量增加。而在高濃度鉛脅迫下，植物抗氧化酶活性降低，體內(nèi)活性氧自由基含量升高，破壞了葉綠體的結(jié)構(gòu)和功能；可能是鉛阻止了鐵分子進入葉綠素的卟啉環(huán)，減少了葉綠素的合成；也可能是抑制了葉綠素酸酯還原酶的活性和氨基-r-酮戊酸的合成，阻礙葉綠素合成，進而影響光合作用[23]。
氣孔是植物葉片上的主要器官，控制著植物光合作用中CO2分子的吸收和蒸騰作用中H2O分子的運輸[24]，所以氣孔對于植物光合生理過程有著重要的決定性作用。鉛脅迫能夠影響植物的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，進而影響其光合作用[25-26]。本研究表明：氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、凈光合速率隨著鉛脅迫濃度升高呈先升后降的趨勢，這3個指標(biāo)之間呈極顯著正相關(guān)，這與鉛脅迫對金花茶的光合生理影響的規(guī)律一致[27]，并且這3個指標(biāo)與根系活力呈極顯著正相關(guān)。而胞間CO2濃度卻隨處理濃度增大呈先降后升的趨勢，與王小平的研究結(jié)論相類似[28]。原因是：中、低濃度鉛處理下，滇白前根系活力增大，對土壤水分吸收能力增強，這時氣孔導(dǎo)度增大，蒸騰速率增大，同時這時進入細胞的CO2增多，但由于光合速率增強，葉肉細胞光合能力的增強使其利用CO2的能力增強，導(dǎo)致了胞間CO2濃度下降。相反，在高濃度鉛脅迫下，滇白前根系活力降低，對土壤水分吸收能力減弱，這時氣孔導(dǎo)度降低，蒸騰速率減少，同時這時進入細胞的CO2減少，但由于光合速率減弱，葉肉細胞光合能力的下降使其利用CO2的能力降低，進而導(dǎo)致了胞間CO2濃度升高。
葉綠素?zé)晒鈪?shù)主要含義是泛指通過直接利用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)對植物進行熒光分析而獲得的重要熒光參數(shù)，植物體內(nèi)葉綠素?zé)晒夥肿幽軌虺蔀槿~綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)應(yīng)用中的天然探針，植物對于光能的綜合利用狀態(tài)，能夠通過測得葉綠素?zé)晒鈩恿?shù)來呈現(xiàn)，從而判斷植物受逆境脅迫的程度[29]。Fv/Fm值用于度量植物葉片PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率，而Fv/Fo值表示PSⅡ潛在活性。本研究結(jié)果表明，F(xiàn)v/Fo,Fv/Fm隨鉛處理濃度升高呈先升高后降低的規(guī)律，并與葉綠素含量、凈光合速率呈極顯著正相關(guān)。在濃度處理為600 mg·kg-1，1 200 mg·kg-1，1 800 mg·kg-1時，其值顯著上升。原因是：該濃度處理后葉綠素含量提高，進而加速了光合碳同化中以蛋白質(zhì)為主體的各種酶及多種電子傳遞體的合成，并將更多的光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，從而提高了光能轉(zhuǎn)化效率、PSⅡ電子傳遞活性，提高了光能利用效率，體現(xiàn)在凈光合速率的提高[30]。而在濃度處理為3 000 mg·kg-1時，其值顯著下降。原因是：在高濃度鉛脅迫下，葉綠素含量下降，所引起的生理響應(yīng)過程正好與上述相反，降低了光能轉(zhuǎn)化效率、PSⅡ電子傳遞活性和光能利用效率，體現(xiàn)在凈光合速率的降低。
4 結(jié)論
鉛脅迫濃度在600～2 400 mg·kg-1處理下，滇白前的生長量、根系活力、葉綠素含量、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和熒光參數(shù)等指標(biāo)顯著高于或略低于對照，說明滇白前對鉛脅迫具有較高的耐性，可作為修復(fù)土壤鉛污染的植物。
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