两种重金属离子短时处理对珙桐幼苗光合作用的效应

杨　艳,黎云祥,胥　晓,胡进耀,冮海银

(1.西华师范大学 a.环境科学与工程学院；b.生命科学学院，四川 南充　637009； 2.绵阳师范学院 生命科学与技术学院，四川 绵阳　621000)

两种重金属离子短时处理对珙桐幼苗光合作用的效应

杨艳1,黎云祥1,胥晓1,胡进耀2,冮海银1

(1.西华师范大学a.环境科学与工程学院；b.生命科学学院，四川 南充637009； 2.绵阳师范学院 生命科学与技术学院，四川 绵阳621000)

摘要：试验以珙桐幼苗为材料,探讨了重金属(Hg2+和Cd2+)对珙桐(Davidia involucrata Baill.)光合作用的影响。结果表明：HgCl2溶液浓度≥ 50 mg·L-1时，Pn显著下降；HgCl2溶液浓度<200 mg·L-1时，Ci显著增加；但在1 000 mg·L-1和2 000 mg·L-1HgCl2溶液时，Ci显著下降；HgCl2溶液浓度≥200 mg·L-1时，Gs显著下降。当CdCl2溶液为10mg·L-1时， Pn、Gs和Ci较对照变化不显著；而在CdCl2溶液为20 mg·L-1后，Pn、Gs和Ci均显著下降；随着CdCl2浓度不断增大(≥50 mg·L-1)，Pn和Gs显著下降，而Ci呈显著上升。因此利用不同浓度的HgCl2溶液和CdCl2溶液分别短时处理幼苗后，对其光合作用产生了极大的影响，其中CdCl2的影响相对较小。

关键词：珙桐；重金属离子；Hg2+和Cd2+；光合作用

光合作用是植物物质代谢和能量转化的最初源泉。构建生命的基本物质和地球上一切生命可利用的能量均来自植物的光合作用[1]。然而，近几年随着工农业废弃物的排放，大量的重金属物质排入水体、土壤以及大气中，又因重金属物质不能被降解，且随着食物链在生物体内不断富集，因此无论是对植物还是人类都有巨大的伤害。其中，我国以汞和镉两种重金属的污染最为严重。有关Hg2+和Cd2+对植物的伤害有很多研究报告，如Hg2+和Cd2+影响植物的光合作用，进而阻碍植物的生长、生物量的积累、抑制植物水分吸收和呼吸作用等[2-9]。此外Cd2+对光系统PSⅠ与PSⅡ均有影响，但对后者的影响更显著[10]，受大气中Cd2+污染的木本植物的光合作用，在可见症状发生之前就已降低[11]。因而认为光合作用的指标是确定大气Cd2+污染对植物影响的一个较好指标。

珙桐(Davidia involucrataBaill.)别名为鸽子树，属珙桐科(Davidiaceae)落叶乔木，有“活化石”之称，属国家一级保护植物，我国特有的单型属孑遗植物，是第三纪古热带植物区系的残余种[12]。珙桐受环境和自身因素的限制，作为珍稀保护植物，其种子要经历2—3年的休眠过程后才能进入萌发阶段，8—9年的时间成熟。目前，对珙桐的研究主要集中在种群生态[13,14]，遗传学[15]，分子生物学[16]，组织生化[17]等生长发育中的特性。在珙桐适应环境因子的研究方面相对较少，主要有Na2CO3和NaCl胁迫、干旱胁迫和高温胁迫条件下对珙桐苗木叶片光合作用和生长发育的影响。在重金属污染严重的背景下，研究重金属对珙桐生长发育的影响成为保护珙桐资源亟待解决的关键问题之一。而重金属对珙桐生长发育的影响尚未有人报道，因此，本试验以珙桐幼苗为材料，用不同浓度氯化汞(HgCl2)和氯化镉(CdCl2)处理，分别模拟大气中重金属Hg2+和Cd2+胁迫条件，探讨不同浓度Hg2+和Cd2+短时处理对珙桐幼苗光合特性的影响，为珙桐资源保护提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验材料

选择2012年采集于马边大风顶自然保护区的珙桐种子，并于2013年1月沙藏在西华师范大学苗圃内，于2014年发芽成幼苗，幼苗株高约10—30cm，长势良好，生长基本均匀一致，无病虫害。处理时，每一浓度随机选择3片生长一致的健康完整幼嫩叶片。

1.2试验处理

本试验采用HgCl2、CdCl2溶液涂抹珙桐幼苗叶片表面，短时间(30min)处理的方法[10，18]，每个处理及对照设置3组重复。

1.2.1氯化汞溶液对珙桐叶片的涂抹处理

CK(蒸馏水对照)；10、20、50、100、200、1000、2000mg·L-1HgCl2。

1.2.2氯化镉溶液对珙桐叶片的涂抹处理

CK(蒸馏水对照)；10、20、50、100、200、1000、2000mg·L-1CdCl2。

1.3测定和分析方法

1.3.1光合作用相关指标的测定

2014年9月，选择晴朗无云的天气，利用LI—6 400测定珙桐的光响应曲线。测定之前将幼苗在光下充分诱导半小时，光强梯度由强到弱依次设置为1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、100、50、0μmol·m-2·s-1，CO2浓度为大气浓度(380—420μmol·CO2·mol-1)，温度为环境温度。测得珙桐幼苗光饱和点为1 300μmol·m-2·s-1。然后选取叶片分别测定不同处理下的珙桐幼嫩叶片的各项光合指标，净光合速率(NetPhotosynthesis，Pn，μmolCO2·m-2·s-1)、气孔导度(StomatalConductance，Gs，molH2O·m-2·s-1)、胞间CO2浓度(InternalCO2Concentration，Ci，μmolCO2·mol-1)等指标，每片叶读取数据5次，去掉两端极值，3片叶的9次数据平均值表示所测数据，并进行统计分析。

1.3.2分析方法

试验原始数据采用EXCEL进行统计整理，并用SPSS13.0软件进行单因素方差检验(One-wayANOVA)和最小显著性差异法检验(LSD)分析。

2结果与分析

2.1不同浓度HgCl2溶液短时涂抹后珙桐幼苗叶片光合特征的比较

2.1.1净光合速率(Pn)的影响

图1显示不同浓度HgCl2溶液短时涂抹珙桐叶片30min后测定的净光合速率(Pn)，结果表明HgCl2在浓度10mg·L-1时，Pn较对照增加了0.15%，但未达到显著水平；在低浓度20mg·L-1时，Pn较对照显著增加了6.39%。当浓度为50mg·L-1时，Pn与对照相比，显著降低了6.34%。随HgCl2浓度的继续升高，对珙桐叶片Pn的抑制作用不断加强，当HgCl2浓度为100、200、1 000和2 000mg·L-1时，Pn分别比对照下降了10.21%、17.16%、2.21%和43.66%，且均达到显著水平。由此可见，HgCl2浓度≤ 20mg·L-1HgCl2时，没有抑制珙桐叶片的Pn，而在HgCl2浓度≥50mg·L-1处理后，降低了珙桐叶片的Pn。

2.1.2气体导度(Gs)的影响

由图2可知，当用浓度为10、20、50和100mg·L-1的HgCl2溶液处理珙桐叶片时，珙桐叶片的气孔导度(Gs)指标均呈上升趋势，且在HgCl2浓度为20mg·L-1时，其Gs指标较对照显著上升；而当施用200、1 000和2 000mg·L-1浓度的HgCl2时，Gs较对照分别显著下降了29.9%、40.54%和51.17%。综上所述，用HgCl2浓度≤100mg·L-1处理叶片时，对Gs的影响不大，涂抹浓度大于100mg·L-1后，随着HgCl2溶液浓度的增大，Gs呈显著下降。

2.1.3胞间二氧化碳浓度(Ci)的影响

不同浓度HgCl2溶液短时处理结果显示(如图3)，涂抹10、20和50mg·L-1HgCl2显著增加了叶片胞间CO2浓度(Ci)，涂抹100mg·L-1和200mg·L-1HgCl2对叶片的Ci影响不大，较对照变化不显著；施用1 000mg·L-1和2 000mg·L-1的HgCl2时，与对照相比显著下降了7.41%和10.41%，其变化趋势与Gs相似，但下降幅度较小。这有可能是两方面原因，一方面由于叶片Gs下降，外界CO2向叶内扩散受阻，从而影响进入叶片的CO2量，引起了叶片内CO2浓度降低。另一方面由于叶片光合速率下降，所同化的CO2减少，因此胞间CO2下降的速度较慢[19]。

2.2不同浓度CdCl2溶液短时涂抹后珙桐幼苗光合特征的比较

2.2.1净光合速率(Pn)的影响

由图4可知，在涂抹10mg·L-1CdCl2溶液后，Pn较对照Pn无明显差异，后随着CdCl2浓度的增大，对Pn的抑制作用不断增强，呈显著下降趋势。施用20、50、200、1 000和2 000mg·L-1的CdCl2时，Pn较对照分别下降了4.57%、13.814%、17.33%、23.00%、29.34%和34.84%。说明用浓度≤10mg·L-1CdCl2处理珙桐叶片后，对Pn的影响不大，用CdCl2浓度≥20mg·L-1处理后，显著降低了Pn。

2.2.2气孔导度(Gs)的影响

在浓度10mg·L-1时，Gs变化不明显。涂抹浓度≥20mg·L-1时，Gs随CdCl2浓度的增大而显著降低，分别较对照显著下降了11.25%、27.5%、32.12%、36.56%、47.67%、63.36%(见图5)。

2.2.3胞间二氧化碳浓度(Ci)的影响

经不同浓度的CdCl2溶液处理后，随浓度的不同，对珙桐叶片Ci的影响不同(如图6)。在浓度10mg·L-1处理下，Ci变化不显著，涂抹20mg·L-1溶液后Ci显著下降，比对照降低了2.48%。随着CdCl2浓度增加≥50mg·L-1时，Ci逐渐增加，当CdCl2浓度高达2 000mg·L-1时，Ci较对照显著提高。同时，涂抹100mg·L-1和200mg·L-1的珙桐叶片，Ci变化不显著。

3讨论

3.1不同浓度HgCl2短时涂抹珙桐幼苗后对其光合特征影响分析

试验表明不同浓度的HgCl2溶液对珙桐叶片的气体交换指标(Pn、Gs、Ci)的影响也不同。在较低浓度的HgCl2处理下(≤20mg·L-1)，珙桐叶片的Pn变化不大，且在浓度为20mg·L-1时较对照显著上升，后随着HgCl2浓度增大(≥50mg·L-1)，Pn显著下降。该结果与Bonifacio[28]对海菖蒲在汞溶液处理下的研究结果相一致。因此，我们推测在低浓度汞溶液处理时，珙桐叶绿素含量及基粒在短时间内增加而Pn增大；而高浓度处理时，珙桐叶绿素含量显著减少，基粒及基质片层错位，电子传递受到抑制而导致Pn显著下降。同时，我们发现不同浓度的HgCl2溶液处理结果显示，涂抹20mg·L-1HgCl2溶液时，珙桐叶片的Pn、Gs以及Ci较对照均显著增加，是由于气孔是植物叶片吸收CO2，进行气体交换的主要通道，与光合作用PSⅡ中有机物的合成有关。因此本研究珙桐叶片Pn的显著提高也与Gs和Ci的提高有关。低浓度的HgCl2溶液，使得Gs提高，从而Ci升高，促使植物的Pn相对提升。在浓度为50—200mg·L-1范围内，Pn较对照显著下降，而Gs较对照相比无显著变化，Ci较对照组显著上升。因此在该范围浓度内的叶片Pn的抑制属于非气孔因素。而HgCl2浓度为1 000mg·L-1和2 000mg·L-1时，Pn、Gs和Ci三者的值较对照组均显著下降，有研究表明构成气孔的保卫细胞与叶肉细胞相比，更易受HgCl2浓度的影响[10]，因此，该浓度范围内，引起叶片Pn降低的原因除非气孔因素外，还有气孔导度受到抑制。

3.2不同浓度CdCl2短时涂抹珙桐幼苗后对其光合特征影响分析

CdCl2溶液处理时，珙桐叶片的Pn、Gs在浓度为20mg·L-1时便开始显著下降，与Hg2+相比，气孔的保卫细胞对Cd2+更为敏感，并且Cd2+对珙桐叶片光合能力的伤害更大。同时，在CdCl2溶液浓度为20—2 000mg·L-1浓度范围内，珙桐叶片的Pn和Gs均显著下降，而Ci指标却显著上升。这个结果与胡彦等人发现Cd2+抑制了辣椒叶片的Gs和Ci，从而抑制了Pn的研究结果不同[20]。其原因有可能是由于不同的植物种类对于Cd2+的胁迫响应不同。已有研究证明不同植物在相同胁迫环境下，其Pn与Ci的关系会有所不同[21- 23]。因此，物种差异是影响该研究Ci值与其他研究存在差异的原因之一。另外光合作用中的暗反应对CO2的消耗和气孔对外界CO2的吸收共同决定了Ci值。本研究中珙桐叶片在Cd2+胁迫下，气孔导度显著下降，说明植物对外界CO2的吸收降低，而Ci值仍显著上升，则说明Cd2+伤害了珙桐叶片的暗反应过程，珙桐对CO2的转换能力显著降低。因此在Cd2+胁迫环境下，Pn的显著降低，可能与暗反应中卡尔文循环受损有关。

3.3HgCl2和CdCl2短时涂抹珙桐幼苗后对其光合特征的比较分析

试验结果表明重金属Hg2+和Cd2+对珙桐叶片的光合作用都产生了较大影响，HgCl2在50mg·L-1浓度下对珙桐的Pn、Gs和Ci有抑制作用，而CdCl2浓度为20mg·L-1开始对珙桐叶片的Pn和Gs有抑制作用，说明珙桐更容易受到Cd2+的伤害。另外，试验中发现，在HgCl2浓度在50—200mg·L-1范围内，珙桐的Pn值的下降与Gs无关，导致该结果的原因有可能是Hg2+引起珙桐叶片叶绿体结构功能遭破坏[24]，或是叶绿素生物合成受抑制引起[25]。在1 000—2 000mg·L-1范围内，Gs是抑制光合速率的原因之一。与之不同的是，在CdCl2溶液为20—2 000mg·L-1范围内，珙桐叶片的Pn和Gs均受到显著抑制，而Ci值却显著上升，由于在分析气孔对Pn的影响时，只有当Pn、Ci与Gs同时降低时，才能认为因为气孔限制引起了光合速率的降低，如果其降低伴随着胞间CO2浓度的升高，那么光合作用的主要限制因素则可能是由于非气孔因素[26，27]，因此我们认为在CdCl2胁迫下，Pn值降低可能与细胞中叶绿体密度降低、叶绿体结构被破坏，植物光合作用过程中的电子传递受到干扰、CO2同化率大大降低致使CO2固定过程中酶失活有关。

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TheEffectofShortTimeTreatmentoftwoKindsofHeavyMetalIonsonPhotosynthesisinDavidia involucrataSeedlings

YANGYan1，LIYunxiang1，XUXiao1，HUJinyao2，GANGHaiyin1

(1.a.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering；b.CollegeofLifeSciences，ChinaWestNormalUniversity，NanchongSichuan637009，China；2.DepartmentofLifeScienceandTechnology，MianyangNormalUniversity，MianyangSichuan621000，China)

Abstract:To test the effect of two heavy metal ions ( Hg2+and Cd2+) on photosynthesis of Davidia involucrata,we carried out with different concentrations of HgCl2 and CdCl2 solution.The results show that when the applied HgCl2 concentration was more than 50 mg · L-1，Pn decreased significantly.When the content solution of HgCl2 was less than 200 mg · L-1，Gi increased obviously.When HgCl2 concentration was more than 200 mg · L-1，Gs decreased obviously.And Ci decreased obviously by concentrations of HgCl2 at 1 000 mg · L-1and 2 000 mg · L-1.Relative to control, the changes of Pn，Gs and Ci were not obvious at the treated CdCl2 concentration 10 mg · L-1. After 20 mg · L-1CdCl2 solution was daubed，Pn，Gs and Ci decreased apparently.With the increase of treated CdCl2 concentrations ( ≥ 50 mg · L-1)，Pn and Gs decreased significantly，Ci increased obviously.In the short time treatment experiment，the concentration of HgCl2 and CdCl2 solution both have great influence on the photosynthesis in D.involucrata seedlings and the influence of HgCl2 is more significant than that of CdCl2.

Keywords：Davidia involucrata；heavy metal ions；Hg2+，Cd2+；photosynthesis

文章编号：1673-5072(2016)02-0163-06

收稿日期：2016-01-10

基金项目：国家自然科学基金项目(31170319)；西华师范大学基本科研业务费专项资金(15D009)

作者简介：杨艳(1981— )，女，四川南充人，博士在读，讲师，主要从事植物资源研究。 通讯作者：杨艳，E-mail：sister_yy@sina.cn

中图分类号：Q945.11

文献标志码：A

DOI：10.16246/j.issn.1673-5072.2016.02.007