砷胁迫对不同烟草品种光合色素和叶绿素荧光特性的影响

吴敏兰，李荭荭，贾洋洋，杨林通，王 果,#

1. 漳州城市职业学院，漳州 363000 2. 福建农林大学资源与环境学院，福州 350002



砷胁迫对不同烟草品种光合色素和叶绿素荧光特性的影响

吴敏兰1,2,*，李荭荭2，贾洋洋2，杨林通2，王 果2,#

1. 漳州城市职业学院，漳州 363000 2. 福建农林大学资源与环境学院，福州 350002

为了研究不同浓度砷(As)对烟草光合色素和叶绿素荧光特性的影响，首先将3个烟草品种翠碧1号、K326和云烟-87幼苗种植在从0到100 mg·kg-1亚砷酸钠(NaAsO2)的6个浓度组中进行盆栽试验，并定期进行烟草受害症状的观测，测定叶片的光合色素含量、叶绿素荧光参数。结果表明：烟草在As胁迫下的反应因As胁迫浓度、胁迫时间和烟草品种而异。烟草光合色素含量、叶绿素荧光参数均表现为低浓度下有促进效应和高浓度下有抑制效应，同时3种烟草在40 mg·kg-1As浓度处理下出现生长受阻，且浓度越高胁迫症状越明显。K326和云烟-87表观症状较明显，对As毒害的敏感性高于翠碧1号。随着As胁迫时间的延长，烟草的耐性增强，对As胁迫的敏感性减弱。

砷；毒性；烟草；光合色素；叶绿素荧光特性

砷(As)作为环境中主要的重金属污染元素，广泛存在于城市垃圾、废水、汽污、化肥、有机农药及各种生产原材料中，可经污水灌溉、大气污染物的沉降、农药和肥料的施用等途径进入土壤，且易于累积，难于去除[1-2]。农田土壤中的砷通过食物链进入人体，从而严重危害人类健康。

土壤中较高砷含量会对植物产生毒害效应，危害其生长发育，使农作物产量和品质下降[3]。烟草作为重要经济作物，重金属不仅影响其产量，更威胁着产品的安全性。有关As对植物的影响，国内已有一些报道，多是对作物发芽及幼苗生长影响的报道，如Na3AsO4作用下玉米的叶绿素、类胡萝卜素及蛋白质的含量和光合效率均减少[4]，As胁迫对生菜种子萌发和幼苗细胞膜透性的影响[5]。有关As影响植物完整生长过程的研究还不多见。本试验采用盆栽方法，研究了不同浓度As对三个烟草品种翠碧1号(Cuibi 1)、K326(K326)和云烟-87(Yunyan 87)从幼苗移栽伸根期至成熟期的生长和叶绿素荧光特性的影响以及毒害症状，旨在探讨As对烟草的毒害机理，并为烟草生产中砷毒害效应的早期预报和污染评价提供理论依据。

1 材料和方法(Materials and Methods)

1.1 供试材料

烟草幼苗翠碧1号、K326和云烟-87，由福建省烟草农业科学研究所提供(福建省主栽品种)。亚砷酸钠(NaAsO2)为分析纯试剂。烟草专用肥由福建省烟草公司提供。供试土壤采自福州市闽侯县的水稻田表层土壤。

1.2 材料培养与试验方法设计

土壤盆栽试验在福建农林大学资源与环境学院进行。土壤样品采回后自然风干、锤碎，装入盆栽容器塑料桶内。每盆装风干土9 kg，同时每盆施入烟草专用肥(由福建省烟草公司提供)2.94 g，钙镁磷肥0.70 g。烟草的As3+处理浓度依次为：0(CK)、10、20、40、70、100 mg·kg-1。以亚砷酸钠(NaAsO2)溶液一次性加入，与土壤充分混合后放置15 d后移栽烟草幼苗(生长状态基本一致、2～3片真叶)，每盆1株，所有处理均重复3次, 3个品种共计烟株54棵。移栽后按一般大田生产要求管理。

1.3 测试项目及方法

培养期间，定期进行烟草受害症状的观测，并测定叶片的光合色素含量、叶绿素荧光参数。

1.3.1 烟草受害症状观测

每天观察和记载烟草生长的伸根期(移栽后19 d)、团棵期(移栽后40 d)、旺长期(移栽后54 d)、现蕾期(移栽后74 d)和成熟期(移栽后100 d)的生长症状，并拍照。

1.3.2 光合色素含量测定

移栽85天后，于2012年6月26日取样。用面积为0.608 cm2的打孔器在烟草叶片中部相同叶位打孔取样，样品装入锡箔袋中，密封，迅速放入液氮中，带回实验室置于-86℃超低温冷冻存储箱备用。以80%丙酮提取色素后采用分光光度法(日本岛津UV-1750双光束紫外可见分光光度计)测定。参考[6-7]并略作修改。

1.3.3 叶片叶绿素荧光参数测定

于2012年6月25日夜间，在各植株中部选取相同部位同一方向且长势相同的无病虫害叶片，用英国Handy PEA 植物效率仪(Hansatech)测定叶绿素荧光参数。完整测定叶绿素的OJIP荧光诱导曲线和 Fo, Fm, Fv, Fv/Fm ,PIABS等多个荧光参数。

1.4 数据分析

试验数据的处理和分析采用DPS(v7.05)和Sigmaplot(10.0)软件。

2 结果与分析(Results and Analysis)

2.1 As对烟草毒害的表观症状

As对烟草毒害的表观症状表现为植株矮小，叶片失绿发黄，根条数减少等。在As添加量区间内(0～100 mg·kg-1)内，烟草在As胁迫下的表观症状因As胁迫浓度、胁迫时间和烟草品种而异，表明不同品种对As毒害的敏感程度不同(表1)。

3种烟草在较低As浓度(40 mg·kg-1)时出现生长受阻，主要表现为株高随As浓度升高明显降低、茎短、叶小、叶片数减少。随As浓度增高，烟草在生长过程中出现植株较矮，部分叶片黄化脱落现象，根系短小、稀少、主根生长受到抑制(见图1)。在100 mg·kg-1条件下As已严重影响植物的正常生长，叶色枯黄、枯萎、凋落严重，主根生长显著受抑制。3种烟草中表观症状较明显的是K326和云烟-87，茎细长、叶片稀疏以及根系的变化最为突出，而翠碧1号茎较前二者粗壮，叶色碧绿，显然这2种烟草品种对As毒害的敏感性高于翠碧1号。詹杰等[8]研究了砷对水花生生长的影响，发现低浓度As都促进了生长。而高浓度的毒害作用非常明显。KHAN等[9]研究印度芥菜、杨桂娣等[10]研究水稻、康瑞娟等[11]研究蓝藻，发现在高浓度处理下都产生严重的毒害效应。这与本试验的效果相一致。

表1 3种烟草As毒害的症状表现

图1 CK处理和100 mgkg-1As处理101d烟草根部的毒害症状Fig. 1 Poisoning symptoms of of tobacco in CK treatment and 100 mg·Kg-1as 101 d

2.2 As对烟草叶光合色素含量的影响

本试验研究结果表明：As对叶片中叶绿素a、叶绿素b以及类胡萝卜素含量的影响表现为低浓度下促进和高浓度下的抑制；随着As处理浓度增加，叶绿素a/b比值均表现为先升后降。

表2可见：翠碧1号、K326和云烟-87的叶绿素a、叶绿素a+b含量均先升后降，且均在添加浓度40 mg·kg-1时达到最大值，叶绿素a分别较对照增加28.9%、13.2%和29.6%，叶绿素a+b含量分别较对照增加28.3%、10.4%和27.0%。且翠碧1号和云烟-87较对照均差异显著。

As对翠碧1号、K326和云烟-87的叶绿素b含量影响差异较大：翠碧1号仅在40 mg·kg-1时比对照显著增加；K326在70 mg·kg-1时比对照显著增加；云烟-87则在20 mg·kg-1时、40 mg·kg-1时、70 mg·kg-1时均比对照显著增加。

类胡萝卜素含量：翠碧1号、K326和云烟-87亦均先升后降，且均在添加浓度40 mg·kg-1时达到最大值，翠碧1号和云烟-87较对照有显著差异，K326各处理间无显著差异。

表2 As对烟草叶光合色素含量的影响

注：平均值±标准误，同列英文小写字母不同表示叶绿素含量差异显著(P<0.05)。

Note: Average±standard error, The different lowercases in the same row mean the content of photosynthetic pigment is significant correlated (P<0.05).

As也影响叶绿素分子的比例。翠碧1号和云烟-87叶绿素a/b各处理间无显著差异，K326先升后降，70 mg·kg-1时达最大值，较对照的上升19.0%；100 mg·kg1最低。

Paivoke等[12]研究了As对豌豆叶绿素含量表明叶绿素a/b下降；、杨文婕等研究了As对龙须草影响结果显示叶绿素含量随As处理浓度的增加呈现先升后降的趋势，但其总叶绿素含量和叶绿素a/b比值均低于对照[13]。马新明等认为，随着叶片的衰老，叶绿素含量逐渐下降，叶绿素a比叶绿素b下降得更快，叶绿素a/b值可作为叶片衰老的指标。这也说明，As具有加速烟草叶片衰老的作用[14]。

叶绿素含量是影响光合作用的物质基础[15]，在一定范围内，其含量与光合作用呈正相关系。烟草经As处理了，叶片中叶绿素含量随As浓度的增加而降低，其原因是由于As进入植物体后，使叶绿素酶活性增大，导致叶绿素分解加快[16]。As能取代叶绿素分子中的Mg离子并干扰叶绿素合成酶的活性，时叶绿素合成受阻，同时增加了叶绿素分解酶的活性，使叶绿素分解[17]。

2.3 As对不同品种烟草叶绿素荧光特性的影响

2.3.1 As对不同品种叶绿素荧光参数Fv/Fo、Fv/Fm、PIABS的影响

目前已有很多研究表明，在重金属污染下，在其他可见损伤表现出来之前，光系统(特别是PSⅡ)已经遭到损伤，大多数重金属离子对PSⅡ的抑制作用远较对PSⅠ显著，PSⅡ是对重金属离子作用最敏感的部位[18-19]。

正常生理状态下，Fv/Fm是一个比较稳定的值，无论植物种类，Fv/Fm的值通常在0.8左右[20]。Fv/Fm低于0.8指示的光合抑制有可能来自于光保护或者光系统Ⅱ反应中心受损[21]。因此，Fv/Fm的值常被用来指示环境对植物的胁迫。

本次试验显示(图2)，翠碧1号：Fv/Fo、Fv/Fm、PIABS结果相似，均先升后降，70 mg·kg-1最低，分别比对照下降37.8%、11.2%、64.6%；100 mg·kg-1时均又上升，上升幅度分别为26.7%、7.4%、79.5%。K326: Fv/Fo、Fv/Fm、PIABS均随浓度升高而下降，100 mg·kg-1时最低，分别比对照下降46.8%、16.4%、67.5%，Fv/Fm的下降反映砷胁迫会对该品种光合作用产生抑制作用。云烟-87:先升后降再升，10 mg·kg-1时短暂上升后下降，70 mg·kg-1最低，44.9%、19.3%、65%；100 mg·kg-1时均又上升，上升幅度分别为12.3%、10.9%、12.6%.可见翠碧1号较K326和云烟-87在受到胁迫伤害后表现出较强的忍耐性。

叶绿体是植物进行光合作用的主要细胞器，As会损伤其超微结构。As胁迫下植物出现毒性症状是由于叶绿素降解、叶绿体功能失调而不能进行光合作用所致[22]。类囊体结构的完整性和有序性对于叶绿体在光合作用中进行正常而有效的光能转换是非常必要的[23]。

图2 As胁迫对烟草叶片Fv/Fo、Fv/Fm、PIABS的影响Fig. 2 Effect of arsenic on Fv/Fo、Fv/Fm、PIABS

2.3.2 As对不同品种叶绿素荧光O-J-I-P曲线的影响

由图3可见：Fv/Fm低于0.8指示植物光合作用受到抑制，但无法具体确定光合系统的哪些部位受到伤害。叶绿素荧光O-J-I-P曲线被认为是可以提供受损植物光合作用更详细的信息[21,24]。而且能够评估环境中较为广泛的光强度对植物潜在的光合能力的影响[25]。由图3可以看出，处理的各个样品叶绿素荧光表现出典型的OJIP曲线，随着As处理浓度的增加，K326和云烟-87的I点(F30ms)和P点荧光(Fm值)下降幅度较大，说明这些叶片光系统I末端电子受体侧更氧化或可能受到光抑制损伤。

综上所述，不同烟草在As胁迫下的表观症状因As胁迫浓度、胁迫时间和烟草品种而异，表明不同品种对As毒害的敏感程度不同。3种烟草中表观症状较明显的是K326和云烟-87，显然这2种烟草品种对As毒害的敏感性高于翠碧1号。

不同烟草的成熟叶片均首先出现毒害症状，且症状直观明显，表明叶片对As毒害最敏感，故表观诊断烟草As污染的部位主要是叶片。

As是植物体的非必需元素，对作物有较强的毒性，但低浓度As对某些植物生长具有促进作用。As≤20 mg·kg-1，3种烟草植株均生长良好，植株叶片未出现任何的受害症状；As≤40 mg·kg-1，叶绿素a、叶绿素a+b含量均上升；翠碧1号和云烟-87Fv/Fo、Fv/Fm、PIABS结果相似，均先升后降.高浓度明显地抑制植物光合作用和细胞生长。可能原因如引起植物体内产生有毒的自由基和活性氧，导致植物氧化压力增大[26]。

图3 As胁迫对烟草叶片OJIP曲线的影响Fig. 3 Effect of arsenic on OJIP curve

K326Fv/Fo、Fv/Fm、PIABS随浓度升高下降，翠碧1号和云烟-87均先升后降，但前者上升幅度远大于后者； Fv/Fm的下降反映砷胁迫会对该品种光合作用产生抑制作用。随着As处理浓度的增加，K326和云烟-87的I点(F30ms)和P点荧光(Fm值)下降幅度较大，说明这些叶片光系统I末端电子受体侧更氧化或可能受到光抑制损伤，而翠碧1号下降的幅度较小。可见，翠碧1号较K326和云烟-87对As胁迫表现出较强的耐性。

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Influence of Arsenic Stress on the Photosynthetic Pigments and Chlorophyll Fluorescence Characteristics of Different Tobacco Cultivars

Wu Minlan1,2,*, Li Honghong2, Jia Yangyang2, Yang Lintong2, Wang Guo2,#

1. Zhangzhou City University, Zhangzhou 363000, China 2. College of Resources and Environment, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China

Received 22 October 2014 accepted 24 November 2014

In order to study the influence of different concentrations of arsenic on the photosynthetic pigments and chlorophyll fluorescence characteristics of tobaccos three tobacco cultivars including , K326 and Yunyan 87 were pot-planted and treated with six varied concentrations of sodium arsenite solutions, ranging from 0 to 100 mg·kg-1. Leaf photosynthetic pigment contents and chlorophyll fluorescence parameters were determined, and harmful symptoms of tobaccos were observed at regular intervals.The results showed that the response of tobacco to arsenic stress varies according to arsenic concentrations, treated time and tobacco cultivars; leaf photosynthetic pigment contents and chlorophyll fluorescence parameters are enhanced at the condition of low arsenic concentrations, and inhibited at the condition of high arsenic concentrations; the growth of three tobacco cultivars is inhibited when treated with 40 mg·kg-1arsenic concentration, and the higher the arsenic concentration, the more obvious the symptoms of arsenic stress.The harmful symptoms of K326 and Yunyan 87 are more obvious, when compared with Cuibi 1, they have a higher susceptibility towards arsenic stress. With the extension of arsenic stress time, the tolerance of tobacco strengthens, and the susceptibility to arsenic stress weakens.

arsenic; toxicity; tobacco; photosynthetic pigments; chlorophyll fluorescence characteristics

吴敏兰(1966-)，女，副教授，学士，研究方向：植物生理生态学, E-mail：214923238@qq.com

#共同通讯作者(Co-corresponding author)， E-mail: zyyhjwg572003@gmail.com

10.7524/AJE.1673-5897-20141022003

2014-10-22 录用日期：2014-11-24

1673-5897(2015)3-216-08

Q945.79 S572

A

王 果(1957-)，男，教授，博士，研究方向：土壤污染生态学

吴敏兰，李荭荭，贾洋洋, 等. 砷胁迫对不同烟草品种光合色素和叶绿素荧光特性的影响[J]. 生态毒理学报，2015, 10(3): 216-223

Wu M L, Li H H, Jia Y Y, et al. Influence of arsenic stress on the photosynthetic pigments and Chlorophyll fluorescence characteristics of different tobacco cultivars [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2015, 10(3): 216-223 (in Chinese)