铬胁迫对葎草雌雄植株光合生理特性的不同影响

王碧霞，肖娟，冯旭,甘丽芬，唐娅

(1.西华师范大学环境科学与工程学院,四川省环境科学与生物多样性保护重点实验室,四川 南充637009； 2.西华师范大学生命科学学院,西南野生动植物资源保护教育部重点实验室,四川 南充637009； 3.西华师范大学研究生学院,四川 南充637009)



铬胁迫对葎草雌雄植株光合生理特性的不同影响

王碧霞1，肖娟1，冯旭2,甘丽芬3，唐娅1

(1.西华师范大学环境科学与工程学院,四川省环境科学与生物多样性保护重点实验室,四川 南充637009； 2.西华师范大学生命科学学院,西南野生动植物资源保护教育部重点实验室,四川 南充637009； 3.西华师范大学研究生学院,四川 南充637009)

摘要：采用盆栽法研究不同铬浓度(Cr3+)(分别为0，50，200，300 mg/kg)下葎草雌雄植株气体交换及光合生理特性的不同影响。结果表明，1)对照处理下，雌株的净光合速率(Pn)、叶绿素荧光参数、根鲜重和主茎长比雄株高，叶绿素含量和丙二醛含量比雄株低。2)50 mg/kg时雌雄植株的Pn显著升高，除叶绿素荧光参数有显著减少之外，雄株其余各项指标显著增加，而雌株则与对照相近。200 mg/kg时雌雄植株的Pn与对照相近，MDA含量没有差异，但根鲜重和叶绿素荧光参数却显著降低，且雄株的叶绿素含量和主茎长也明显减少，而雌株却没有变化。300 mg/kg时雌雄植株的Pn和根鲜重显著降低，雄株各项指标的下降比雌株更显著，雌株则通过提高根鲜重、主茎长、蒸腾速率(Tr)和瞬时水分利用效率(WUEi)，并调整光系统Ⅱ反应中心，增强修复能力，以利于有效缓解光合机构的损伤。3)从总体上来看，随Cr3+胁迫的加剧，雌雄植株的净光合速率呈现出先升后降，主茎长、根鲜重和叶绿素荧光参数则呈下降趋势，而MDA含量和表观光合电子传递速率(ETR)呈上升趋势；但雄株的叶绿素含量随着Cr3+浓度的增加而逐渐下降，而雌株在不同浓度的铬胁迫下叶绿素含量和光系统Ⅱ反应中心的变化却没有明显规律。因此，适量的铬有利于葎草雌雄植株的生长，显著提高净光合速率，但过高浓度的铬胁迫对雌雄植株具有明显的抑制作用，显著降低光合速率，在逆境胁迫下二者均表现出明显的自我保护的抗逆生理响应机制，尤其是雌株具有更灵活的响应策略以及更强的适应性和耐受性。

关键词：葎草；铬胁迫；雌雄植株；光合生理特性

铬(Cr)是一种过渡金属元素，在土壤、水体、大气中均有分布[1]。由于铬在印染、电镀、皮革、化工等行业上的广泛应用，我国每年新排放铬渣约60万t，历年累积存铬渣近600万t，含铬废水的排放量至少为1.8亿t[2]。农田土壤中的铬最终将通过食物链累积危害人类健康，为此国内外众多学者针对铬对植物生长的影响做了大量研究，但相关研究多集中在水稻(Oryzasativa)、辣椒(Capsicumannuum)、油菜(Brassicacampestris)和烟草(Nicotianatabacum)等农作物的影响上[1,3-6]，很少涉及雌雄异株植物。据报道，由于长期进化的结果，雌雄异株植物的雌雄植株在生长、生理、耐受机制等方面已出现明显的性别差异[7-9]，该类植物为我国生态系统中的常见物种，如杨属(Populus)、柳属(Salix)、槭属(Acer)、桑属(Morus)等常见植物，对维持陆地生态系统的稳定性起着重要作用。若铬胁迫对该类植物的生长发育具有不同的影响，则势必会引起种群性比的组成发生变化，最终导致当地生态系统的组成、结构和功能发生改变。因此，研究铬胁迫对雌雄异株植物的性别差异具有重要意义。

葎草(Humulusscandens)为桑科(Moraceae)葎草属(Humulus)雌雄异株植物，一年或多年生草本，我国除青海、新疆外，南北各省区广泛分布，且生长周期短，同时野生葎草还是工程矿地、裸露地和弃耕地的先锋物种，因此葎草非常适合作为研究铬胁迫对雌雄异株植物光合生理特性的实验材料。然而，近年来关于葎草的研究却主要集中在其花器官、药用成分、性别鉴定等生理生化方面[10-12]，虽然也偶见其在干旱和水分胁迫下具有性别差异的研究[10,13]，但重金属胁迫对葎草雌雄植株光合生理特性的影响尚未见报道。故本研究以常见的葎草为试材，探讨不同铬浓度下葎草雌雄植株在根鲜重、主茎长、气体交换、叶绿素含量、叶绿素荧光参数等指标间的性别差异，以期揭示：雌雄植株对铬胁迫的耐受性是否一致；哪种性别具有更强的适应性；同时为进一步探讨该类植物对环境的适应机制提供参考，也为工程矿地、裸露地和弃耕地控制水土流失及改善生态环境方面提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验材料

2012年10月中下旬采集南充市本地葎草野生种子，于2013年2月20日播种，待生长1个月后，选择长势基本一致的幼苗60株移栽到体积为10 L的塑料盆内，毎盆装入匀质土壤7.5 kg，河沙1.5 kg，毎盆1株，缓苗20 d。于4月15日进行铬胁迫，重金属试剂为Cr3+。参照王爱云等[6]的方法，设浓度为0，50，200，300 mg/kg共4个处理，将Cr3+按相应浓度配成1000 mL的溶液，于4月15日一次性缓慢均匀浇灌于土壤中，每处理分别15株，对照组(15株)浇施等量清水。为防止溶液渗漏，对照组和处理组塑料盆内均套有塑料袋(土壤置于塑料袋内)。

1.2测量方法

1.2.1气体交换参数测定于2013年5月3日，随机选取不同处理下的植株各10株，采用LI-6400便携式光合测定仪(Li-Cor公司，美国)测定气体交换特征。每个处理随机选择10株，测定植株上部第5或6片全展向阳叶片。测定时间为上午8:00-11:30，测定指标为净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)等。瞬时水分利用效率(WUEi)为Pn与Tr之比，气孔限制值[Ls=(Ca-Ci)/Ca]，采用Berry和Downton[14]方法计算。测定时的环境温度为(28.0±1.0) ℃；大气相对湿度为40%～43%；大气CO2浓度(Ca)为(370±10) mmol/mol；光照强度为(1400±50) mmol/(m2·s)。

1.2.2丙二醛(MDA)含量及叶绿体色素含量测定随机选择各处理下雌雄植株各5株取植株上部第5或6片全展向阳叶片，采用硫代巴比妥酸(TBA)比色法测定MDA含量[15]，采用丙酮提取法测定叶绿素含量[16]，在波长663，646和470nm下分别测定吸光值，按照Lichtenthaler[17]的公式计算出：叶绿素a (Chl a，Ca=12.21A663-2.81A646)、叶绿素b (Chl b，Cb=20.13A646-5.03A663)、类胡萝卜素[Chl x，Cx=(1000A470-3.27Ca-104Cb)/229]和叶绿素a/b(Chl a/b=Ca/Cb)的含量。

1.2.3叶绿素荧光参数测定采用便携式调制叶绿素荧光仪(Junior-Pam， Heinz Walz， Effeltrich, Germany)于20：00-24：00时测定自然条件下葎草雌雄植株的叶绿素荧光参数[18]。选取长势一致健康的植株进行测量，每株植物从顶端数第4～6片充分展开的叶片中部进行活体测定，每叶片重复3次，光化光强度设为190 μmol/(m2·s)，每隔20 s照射饱和脉冲光(6000 μmol/m2·s，0.6 s)。测量指标包括：光下最大荧光(Fm′)、 光下最小荧光(Fo′)、最小荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、表观光合电子传递速率(ETR)、最大光化学效率(Fv/Fm)、光化学淬灭系数(qP)和非光化学淬灭系数(qN)，均由仪器自动测得，依次计算出PSⅡ潜在活性(Fv/Fo)，可变荧光(Fv=Fm-Fo)。

1.2.4根鲜重及主茎长的测定试验结束后，清洗植株根部泥土用吸水纸吸干后称鲜重，并用直尺法测定主茎长。

1.2.5统计分析利用SPSS 17.0统计软件进行数据分析。平均值间的比较采用单因素方差分析方法(One-Way ANOVA)；不同处理间的差异采用Duncan多重比较检验(Duncan’s multiple range test)。显著性水平设定为a=0.05。

2结果与分析

2.1Cr3+胁迫对葎草雌雄植株气体交换参数的影响

由表1可以看出，葎草雌雄植株的Pn在50 mg/kg 时高于CK， 200 mg/kg 时与CK相近，而300 mg/kg 时低于CK。CK处理下雌株的Pn、Gs、Ls、Tr均比雄株高，Ci比雄株略低，WUEi相同，但其差异均不显著。50和200 mg/kg 时，雄株的Pn、Gs、Tr比雌株高，Ls比雌株低；但300 mg/kg 时，雄株的Pn、Gs、Tr却低于雌株，Ls高于雌株。由此可见，葎草雌雄植株的Pn、Gs、Ci、Tr、Ls、WUEi均受到了Cr3+胁迫的显著影响 (P=0.045，0.039，0.007，0.018，0.002，0.002)，雌、雄植株的Pn、Gs、Ci、Tr均随Cr3+胁迫的加重呈下降趋势，而Ls和WUEi则呈上升趋势。

2.2Cr3+胁迫对葎草雌雄植株叶绿素含量及丙二醛含量的影响

由表2可以看出，雄株的Chl a、Chl b、Chl a/b、Chl x含量在CK时均比雌株高。50 mg/kg 时，雌、雄株的叶绿体色素含量与对照无显著差异；200和300 mg/kg 时，雄株的Chl a、Chl b、Chl a/b、Chl x含量显著低于CK，而雌株则没有变化，甚至雌株的Chl x含量还比CK高。另外，除雄株的MDA含量在50 mg/kg 时显著低于CK外，雌雄植株的MDA含量随着铬浓度的增加而增加，但上升趋势不明显。从总体上来说，Cr3+胁迫对葎草雌、雄植株的Chl a、Chl b、Chl a/b及Chl x含量造成了较大影响，存在差异性(P=0.009，0.010，0.002，0.045)，但MDA含量的变化却不显著(P=0.053)。其中，雄株的Chl a、Chl b、Chl a+b、Chl x含量随着Cr3+胁迫的加剧而呈下降趋势，而雌株无明显变化。

F：雌株；M：雄株；FS表示性别处理；同列不同字母表示差异显著(P<0.05)，测定值以平均值±标准误表示；*，P<0.05；**，P<0.01；***，P<0.001;ns：无显著差异；下同。

F: Female; M: Male; FS: Sex effect; Means with the different letters in the each column are significant differences atP<0.05, each value is the mean±standard error; ns: No significance; The same below.

表2　铬胁迫对葎草雌雄植株叶绿体色素和丙二醛(MDA)含量的影响Table 2　Chlorophyll pigments content and MDA contents of male and female H. scandens under chromium stress

2.3Cr3+胁迫对葎草雌雄植株叶绿素荧光参数的影响

2.3.1Cr3+胁迫下雌雄植株Fo′、Fm′、Fo、Fm、Fv、ETR的变化从表3可以看出，葎草雌雄植株的Fo′、Fm′、Fo、Fm、Fv、ETR受到了Cr3+胁迫的显著影响(P=0.000，0.000，0.000，0.000，0.000，0.002)。雌雄植株的Fo′、Fm′、Fo、Fm和Fv均随着Cr3+胁迫(从50～300 mg/kg )的加剧而逐渐下降，且都显著低于CK；同时，ETR则随着Cr3+胁迫的加重而先低后高，逐渐上升。但从总体上来看，雌雄植株的Fo′、Fm′、Fo、Fm、Fv、ETR在CK处理下性别间的差异较为明显，但在Cr3+胁迫下却不显著。

2.3.2Cr3+胁迫下雌雄植株Fv/Fo、Fv/Fm、qP、qN的变化从图1可以看出，与雄株相比，雌株的Fv/Fo、Fv/Fm、qP在CK时较高，而50和200 mg/kg 时却较低，尤其是200 mg/kg 时雌株的下降幅度明显，而qN在雌、雄植株间的变化则与之相反。300 mg/kg 时，与CK相比，雄株的Fv/Fo和Fv/Fm显著下降，且显著低于雌株，qN略有上升并显著高于雌株，同时qP也比雌株略高；此时，雌、雄株的qP均比CK明显减少，雌株的Fv/Fo、Fv/Fm、qN与CK没有显著差异。因此，葎草雌、雄植株光系统Ⅱ反应中心在不同的Cr3+胁迫下呈现出了不同的变化规律，Fv/Fo和Fv/Fm存在差异(P=0.016，0.014)，qP差异显著(P=0.001)，qN没有差异(P=0.091)；其中，雄株的Fv/Fo、Fv/Fm、qP随Cr3+胁迫的加剧呈下降趋势，雌株在不同Cr3+浓度下其变化规律不显著。

表3　铬胁迫对葎草雌雄植株叶绿素荧光参数的影响Table 3　Chlorophyll fluorescence parameters of male and female H. scandens under chromium stress

图1　铬胁迫下葎草雌雄植株的光系统Ⅱ反应中心特征Fig.1　PSⅡof male and female H. scandens under chromium stress不同字母表示差异显著(P<0.05)。下同。Means with the different letters are significant differences at P<0.05. The same below.

2.4Cr3+胁迫对葎草雌雄植株根鲜重和主茎长的影响

由图2可以看出，对照处理下葎草雌株的根鲜重显著高于雄株，且主茎长也较雄株高。与CK相比，50 mg/kg 时雄株的根鲜重和主茎长显著增加，而雌株则略有减少；200 mg/kg 时雌雄株的主茎长略有下降，差异不显著，但二者的根鲜重却大幅度下降；300 mg/kg时雌雄株的根鲜重仍显著降低，其主茎长也显著减少。尽管在同一胁迫浓度下雌雄植株的性别差异不显著，但不同Cr3+浓度下雌雄植株的生长差异显著，其雄株的根鲜重和主茎长受到的影响明显比雌株更大。由此可见，随着Cr3+胁迫浓度的增加，雄株的根鲜重和主茎长呈现出显著的先升后降的趋势，同时雌株也呈下降趋势，但下降幅度却较雄株小。因此，雌雄植株的根鲜重和主茎长在Cr3+胁迫下具有显著差异(P=0.041，0.003)。

图2　铬胁迫下葎草雌雄植株的根鲜重和主茎长Fig.2　Root fresh weight and stem length of male and female H. scandens under chromium stress

3讨论

铬对植物生长具有影响。适量的铬对植物生长和产量存在着明显的刺激效应[19-21]，如Bonet等[21]利用Cr3+与Fe、P和Mn的互作，研究了富铁和缺铁豆类植物的生长后指出，低浓度的Cr3+可显著促进富铁和缺铁植物的生长，并有效减轻后者的失绿症状。还有研究表明，铬在植物体内过量积累会造成光合速率和同化系统能力降低，光合电子传递受阻，叶绿体超微结构破坏，严重时还可致植物死亡[18,22-23]。本研究发现，与CK相比，葎草雌雄株的Pn在50 mg/kg 时显著升高，在200 mg/kg 时没有变化。这说明葎草雌雄植株的气体交换能力在合适的浓度范围不仅没有受到抑制，反而得到了促进。但在300 mg/kg 时，雌株和雄株的Pn比CK下降了21.46%和22.52%，Gs和Ci显著低于CK，但Ls却显著高于CK(表2)。根据Farquhar和Sharkey的观点[24]，判断叶片光合速率降低的主要原因是气孔还是非气孔限制的两个可靠判据是Ci和Ls的变化方向：Ci降低Ls升高表明是气孔限制，反之则是非气孔限制。这说明雌、雄植株受到了高浓度铬胁迫的抑制，光合速率显著下降，其主要原因既有气孔因素也有非气孔因素。同时，这还反映出葎草与大多数植物相似，也表现出对重金属胁迫具有“低促高抑”的现象[19-23]。

本研究还发现，不同浓度的铬胁迫导致雌、雄植株在性别间的光合生理响应出现很大差异。与雌株相比，雄株的Pn在50和200 mg/kg 时分别增高了18.61%和12.45%，且Ci降低而Ls升高，即Ci降低是雌株较低光合速率的主要原因。而300 mg/kg 时雄株的Pn却比雌株下降了28.06%，Gs、Tr、WUEi也略有下降，但Ci和Ls却略有上升，这可能是气孔限制和非气孔限制两种因素的共同作用导致了雄株的低光合速率。另外，CK处理时雌株的Pn比雄株高40.90%，此现象与雌雄异株植物在水分充足或湿润生境下性比偏雌性的研究结果较为一致[7-9]，而与逆境胁迫下多数雌雄异株植株的雄株具有更高的光合能力不相符[7-9,25-26]，究其原因，雌雄植株性别间对铬胁迫的敏感性可能具有物种间的差异，对重金属胁迫的性别响应差异说明其耐受机制也可能存在不同。但本研究与葎草、复叶槭(Acernegundo)、中国沙棘(Hippophaerhamnoidesssp.sinensis)和俄罗斯沙棘(Hippophaerhamnoides)在水分和干旱胁迫下，雄株保持着较低的Gs、Pn、Tr和CO2同化速率等指标较为相似[13,27]。这表明高浓度铬胁迫对雄株光合生理的影响程度大于雌株，雌株更具有铬胁迫的适应性和耐受性。另外，雌雄株的Pn降低不仅受到了Gs的影响，而且还与其他非气孔因素有关。

高浓度铬胁迫导致光合作用的降低还可能与植物叶绿素含量的降低有关。50 mg/kg 时，雌雄株的Chl a、Chl b、Chl a/b和Chl x含量与CK相近；200和300 mg/kg 时，葎草雄株的叶绿素含量及Chl a/b显著降低，与文献[28-30]类似，而雌株叶绿素含量无显著变化(表2)。由于光合色素尤其是叶绿素在光合作用过程中起到接受和转换能量的作用，Chl a/b值的降低说明其捕获、转化光能的能力下降。因此，葎草雄株的叶绿素含量和Chl x含量的显著降低反映出雄株叶片的光能转化和能量提供能力受到明显抑制。这可能是活性氧代谢平衡破坏后的H2O2大量累积诱导酚特异过氧化物酶(PPOD)的合成，而PPOD则将酚氧化成酚自由基，进一步促使了叶绿素的降解。然而，铬胁迫下葎草雌株的叶绿素含量及Chl x含量却无显著变化，说明引起雌株光合降低的主要因素可能与光合作用酶的限制有关。另外，雌雄植株的MDA含量无显著差异。由于MDA含量是植物在逆境条件下膜脂过氧化作用形成的产物，其含量的高低是衡量植物适应环境的一个重要指标，较低的MDA含量反映了该类植物对环境具有较强的抗逆性。

另一方面，叶绿体是光合作用的主要场所，是对重金属胁迫较为敏感的细胞器，因此荧光变化也可以反映光合作用的情况。Cr3+胁迫后，雌雄植株的Fo′、Fm′、Fo、Fm、Fv、ETR、Fv/Fo、Fv/Fm、qP均降低，使雌雄植株叶片的PSⅡ原初光能转化效率、PSⅡ潜在活性、PSⅡ潜在光合作用活力受到抑制，还使光合电子传递和光合膜的能量化作用受抑制(表3)。这说明葎草的叶绿素荧光对铬胁迫非常敏感，与文献[31-32]研究结果基本一致。另外，ETR是反映实际光强条件下的表观电子传递效率，Cr3+胁迫后雌雄植株的ETR在总体上呈上升的趋势，有利于提高光能转化效率，为暗反应中心的光合碳同化积累更多所需的能量，以促进碳同化的运转和有机物的积累。

还有研究表明，青杨(Populuscathayana)扦插苗除雌株qN大于雄株外，其他指标Fo′、Fm′、Fo、Fm、ETR、qN均是雄株大于雌株[33]。葎草雌雄株的叶绿素荧光参数在Cr3+胁迫为50和200 mg/kg时，也表现出与青杨扦插苗相类似的性别变化。这说明适量的铬胁迫后，葎草雄株叶片开放的PSⅡ反应中心原初光能转化效率和用于光合电子传递的能量占所吸收能量的比例要高于雌株，雄株相对较高的Fv/Fo、Fv/Fm和qP，而雌株较低水平的Fo′、Fm′、Fo、Fm、qN，反映出雌株的潜在热耗散能力大于雄株，雄株更容易受到光抑制。Fv/Fm被称为开放的PSⅡ反应中心的能量捕获效率，一般植物恒定在0.75～0.85；Fv/Fo表示的PSⅡ潜在活性，其变化常用来判断植物叶片是否受到了光抑制[34]。300 mg/kg时，雌株的Fv/Fo与Fv/Fm显著增高(图1)。由此可以看出，雌株通过自身调节可以部分降低Cr3+胁迫的抑制，且较高的ETR说明其具有较强的损伤修复能力，而铬胁迫却使雄株的PSⅡ受体侧功能发生了改变，PSⅡ电子传递受阻，PSⅡ反应中心出现光抑制。同时，雌、雄株的qP受到高浓度铬胁迫后同时降低，为耗散过高的激发能，qN增高，以利于有效缓解光合机构的损伤。这被认为是葎草在逆境胁迫下的一种自我保护的抗逆生理响应机制，尤其是葎草雌株在逆境胁迫下具有灵活的生存策略[10]。另外，试验中尽管铬胁迫使葎草雌雄植株的叶绿素荧光参数均有减小，但性别间的差异并不显著，可能与Cr3+胁迫的浓度以及处理时间有关，其耐铬阈值还待于进一步研究。

另外，生物量也是衡量植物耐性的重要指标。重金属对植物生长的抑制主要表现在株高、鲜重、叶面积等生物量和形态指标方面[1,6-13,35]，其中对雌雄异株植物的影响也较为显著，如铅处理后桑树(Morusalba)雌雄幼苗的形态生长与地上部生物量显著增加，而铝胁迫后青杨雌雄植株的叶干质量、茎干质量和比叶面积的变化均有差异[36-37]。本研究中，Cr3+胁迫对葎草雌雄植株的根鲜重和主茎长也有明显的影响，二者在总体上呈显著的下降趋势，尤其是300 mg/kg时雌、雄株的根鲜重和主茎长比对照分别减少了82.85%和12.35%、40.14%和52.95%。虽然相同浓度下雌、雄株的性别差异不显著，但300 mg/kg胁迫时雌株却以较高的根鲜重和主茎长维持较高的Gs、Tr和WUEi，避免由于气孔关闭而导致光合作用受阻，以利于在高浓度胁迫中保持较高的Pn，与文献[10-13]较为吻合。这也反映出不同性别的植株在不同环境中采用的生存策略不相同，还可能与物种的差异及葎草雌、雄株在种群繁衍中雌株个体需要投入更多的能量有关[7-13]。

4结论

铬胁迫影响了葎草雌雄植株的气体交换参数、叶绿素含量、MDA含量、叶绿素荧光参数、根鲜重和主茎长等光合生理特征，但不同浓度的铬胁迫下雌雄植株的响应存在显著的性别差异。在50 mg/kg处理下雌、雄植株除叶绿素荧光显著减少之外，雄株其余各项指标显著增加，而雌株则与对照差异不显著。在200 mg/kg处理下雌、雄植株的根鲜重和叶绿素荧光参数大幅度降低，MDA含量没有差异，雄株的叶绿素含量和主茎长已明显减少，但雌株却没有变化。在300 mg/kg处理下雌、雄植株的光合速率和根鲜重显著降低，其雄株的各项指标比雌株下降更为显著，尤其是雌株的光系统Ⅱ反应中心呈现出明显的抗逆生理响应，这表明受到了明显的抑制作用。因此，研究认为葎草雌株对铬胁迫具有灵活的响应策略，具有更强的适应性和耐受性，更有利于作为工程矿地、裸露地和弃耕地的草本植物进行“变废为宝”式的开发利用。

References：

[1]Qiu B Y. Genetic Analysis of Rice Cr-Tolerance and Mechanism Study of GSH-Alleviating Effect on Cr Toxicity[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2012.

[2]Liu W, Li Z Q. Progress on research of treating Cr containing waste water. Guangdong Trace Elements Science, 2008, 14(9): 5-9.

[3]Zeng F, Wu X, Qiu B,etal. Physiological and proteomic alterations in rice (OryzasativaL.) seedlings under hexavalent chromium stress. Planta, 2014, 240(2): 291-308.

[4]Emamverdian A, Ding Y, Mokhberdoran F,etal. Heavy metal stress and some mechanisms of plant defense response. The Scientific World Journal, 2015, 10: 1-18.

[5]Gill R A, Ali B, Islam F,etal. Physiological and molecular analyses of black and yellow seededBrassicanapusregulated by 5-aminolivulinic acid under chromium stress. Plant Physiology and Biochemistry, 2015, 94: 130-143.

[6]Wang A Y, Zhong G F, Xu G B,etal. Effects of Cr(VI) stress on physiological characteristics ofBrassicajunceaand its Cr uptake. Environmental Science, 2011, 32(6): 1717-1725.

[7]Xu X, Yang F, Yin C Y,etal. Research advances in sex-specific responses of dioecious plants to environmental stresses. Chinese Journal of Applied Ecology, 2007, 18(11): 2626-2631.

[8]Chen J, Li C Y. Sex-specific responses to environmental stresses and sexual competition of dioecious plants. Chinese Journal of Applied and Environmental Biology, 2014, 20(4): 743-750.

[9]He M, Meng M, Shi D W,etal. On gender difference of dioecious plant in response to drought stress. Journal of Plant Resources and Environment, 2015, 24(1): 99-106.

[10]Yang S, Wang B X, Xu X,etal. Sex-specific responses of flowering phenology and flora morphology ofHumulusscandensto drought. Plant Diversity and Resources, 2014, 36(5): 653-660.

[11]Bland J S, Minich D, Lerman R,etal. Isohumulones from hops (Humuluslupulus) and their potential role in medical nutrition therapy. Pharma Nutrition, 2015, 3(2): 46-52.

[12]Strese E M K, Lundström M, Hagenblad J,etal. Genetic diversity in remnant Swedish hop (HumuluslupulusL.) yards from the 15th to 18th century. Economic Botany, 2014, 68(3): 231-245.

[13]Liu J P, You M H, Duan J,etal. Plasticity of reproductive strategy of dioeciousHumulusscandensin response to variation in water deficit stress. Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(3): 226-232.

[14]Berry J A, Downton W J S. Environmental regulation of photosynthesis. Photosynthesis, 1982, 2: 263-343.

[15]Hodges D M, DeLong J M, Forney C F,etal. Improving the thiobarbituric acid-reactive-substances assay for estimating lipid peroxidation in plant tissues containing anthocyanin and other interfering compounds. Planta, 1999, 207(4): 604-611.

[16]Zhang Z L, Zhai W Q. Plant Physiology Experiment Instruction[M]. Beijing: Higher Education Press, 2004: 67-70.

[17]Lichtenthaler, Hartmut K. Chlorophyll and carotenoids: pigments of photosynthetic biomembranes. Methods in Enzymology, 1987, 148: 350-382.

[18]Lu W, Chen L, Wang W,etal. Effects of sea level rise on mangroveAvicenniapopulationgrowth, colonization and establishment: evidence from a field survey and greenhouse manipulation experiment. Acta Oecologica, 2013, 49: 83-91.

[19]Choudhury S, Panda S K. Toxic effects, oxidative stress and ultrastructural changes in mossTaxitheliumnepalense(Schwaegr.) Broth. under chromium and lead phytotoxicity. Water, Air, and Soil Pollution, 2005, 167(1-4): 73-90.

[20]Dixit V, Pandey V, Shyam R. Chromium ions inactivate electron transport and enhance superoxide generationinvivoin pea (PisumsativumL. cv. Azad) root mitochondria. Plant, Cell & Environment, 2002, 25(5): 687-693.

[21]Bonet A, Poschenrieder C, Barcelo J. Chromium III-iron interaction in Fe-deficient and Fe-sufficient bean plants. I. Growth and nutrient content. Journal of Plant Nutrition, 1991, 14(4): 403-414.

[22]Sharma D C, Sharma C P, Tripathi R D. Phytotoxic lesions of chromium in maize. Chemosphere, 2003, 51(1): 63-68.

[23]Shanker A K, Djanaguiraman M, Sudhagar R,etal. Differential antioxidative response of ascorbate glutathione pathway enzymes and metabolites to chromium speciation stress in green gram (Vignaradiata(L.) R.Wilczek. cv CO 4) roots. Plant Science, 2004, 166(4): 1035-1043.

[24]Farquhar G D, Sharkey T D. Stomatal conductance and photosynthesis. Annual Review of Plant Physiology, 1982, 33(1): 317-345.

[25]Xu X, Li Y, Wang B,etal. Salt stress induced sex-related spatial heterogeneity of gas exchange rates over the leaf surface inPopuluscathayanaRehd. Acta Physiologiae Plantarum, 2015, 37(1): 1-10.

[26]Chen L, Han Y, Jiang H,etal. Nitrogen nutrient status induces sexual differences in responses to cadmium inPopulusyunnanensis. Journal of Experimental Botany, 2011, 62(14): 5037-5050.

[27]Dawson T E, Ehleringer J R. Gender-specific physiology, carbon isotope discrimination, and habitat distribution in boxelder,Acernegundo. Ecology, 1993, 74: 798-815.

[28]Wang X P, Hua C, Chen Q Z,etal. Effects of Cr3+stress on the content of chlorophyll and the activity of antioxidant enzymes in Shepherdspurse seedlings. Hubei Agricultural Sciences, 2009, 48(8): 1938-1940.

[29]Gupta S, Srivastava S, Saradhi P P. Chromium increases photosystem 2 activity inBrassicajuncea. Biologia Plantarum, 2009, 53(1): 100-104.

[30]Ali S. The Interaction of Chromium with Salinity and Aluminum and Alleviation of Chromium Toxicity Through Chemical Approaches in barley[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2010.

[31]Krause G H, Weis E. Chlorophyll fluorescence and photosynthesis: the basics. Annual Review of Plant Biology, 1991, 42(1): 313-349.

[32]Bukhov N G, Carpentier R. Effects of water stress on the photosynthetic efficiency of plants[M]// Advances in Photosynthesis and Respiration. Netherlands: Springer, 2004: 623-635.

[33]He J D, Xu X, Huan H H,etal. Characteristics of chlorophyll fluorescent parameters and daily dynamics of photosynthesis in female and malePopuluscathayanacutting seedlings. Bulletin of Botanical Research, 2014, 34(2): 219-225.

[34]Herppich W B, Peckmann K. Influence of drought on mitochondrial activity, photosynthesis, nocturnal acid accumulation and water relations in the CAM plantsPreniasladeniana(ME-type) andCrassulalycopodioides(PEPCK-type). Annals of Botany, 2000, 86(3): 611-620.

[35]Xie Y H, Ji X H, Huang J,etal. Cadmium security analysis of different organic materials and passivators under ryegrass-Guimu 1 hybrid rotation in soils with low Cd environmental capacity. Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(3): 30-37.

[36]Qin F, Xu X, Liu G,etal. Sexual differences in physiological tolerance and accumulation capacity against lead pollution inMorusalbaseedlings. Acta Scientiae Circumstantiae, 2014, 34(10): 2615-2623.

[37]Li J Y, Xu X, Yang P,etal. Effects of aluminum stress on ecophysiological characteristics of male and femalePopuluscathayanaseedlings. Chinese Journal of Applied Ecology, 2012, 23(1): 45-50.

参考文献：

[1]裘波音. 水稻铬胁迫耐性的遗传分析与还原型谷胱甘肽缓解铬毒害的机理研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2012.

[2]刘婉, 李泽琴. 水中铬污染治理的研究进展. 广东微量元素科学, 2008, 14(9): 5-9.

[6]王爱云, 钟国锋, 徐刚标, 等. 铬胁迫对芥菜型油菜生理特性和铬富集的影响. 环境科学, 2011, 32(6): 1717-1725.

[7]胥晓, 杨帆, 尹春英, 等. 雌雄异株植物对环境胁迫响应的性别差异研究进展. 应用生态学报, 2007, 18(11): 2626-2631.

[8]陈娟, 李春阳. 环境胁迫下雌雄异株植物的性别响应差异及竞争关系. 应用与环境生物学报, 2014, 20(4): 743-750.

[9]何梅, 孟明, 施大伟, 等. 雌雄异株植物对干旱胁迫响应的性别差异. 植物资源与环境学报, 2015, 24(1): 99-106.

[10]杨帅, 王碧霞, 胥晓, 等. 葎草雌雄植株开花物候和花器官对干旱的响应差异. 植物分类与资源学报, 2014, 36(5): 653-660.

[13]刘金平, 游明鸿, 段婧, 等. 水分胁迫下雌雄异株植物葎草繁殖策略的可塑性调节. 草业学报, 2015, 24(3): 226-232.

[16]张志良, 翟伟菁. 植物生理学实验指导[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004: 67-70.

[28]王小平, 华春, 陈全战, 等. Cr3+胁迫对荠菜幼苗叶绿素含量及抗氧化酶活性的影响. 湖北农业科学, 2009, 48(8): 1938-1940.

[30]Ali S. 大麦铬与盐, 铝的互作和减轻铬毒害的化学途径研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2010.

[33]贺俊东, 胥晓, 郇慧慧, 等. 青杨雌雄扦插苗光合作用日变化与叶绿素荧光参数特征. 植物研究, 2014, 34(2): 219-225.

[35]谢运河, 纪雄辉, 黄涓, 等. 有机物料和钝化剂对低 Cd 环境容量土壤黑麦草与桂牧1号轮作的 Cd 安全分析. 草业学报, 2015, 24(3): 30-37.

[36]秦芳, 胥晓, 刘刚, 等. 桑树 (Morusalba) 幼苗对铅污染的生理耐性和积累能力的性别差异. 环境科学学报, 2014, 34(10): 2615-2623.

[37]李俊钰, 胥晓, 杨鹏, 等. 铝胁迫对青杨雌雄幼苗生理生态特征的影响. 应用生态学报, 2012, 23(1): 45-50.

DOI：10.11686/cyxb2015436

*收稿日期：2015-09-14；改回日期：2015-11-23

基金项目：四川省教育厅项目(12ZB142)和西华师范大学科研创新团队资助。

作者简介：王碧霞(1977-)，女，四川南充人，讲师，硕士。E-mail:696wbx@163.com

* 1Effects of Chromium stress on physiological and ecophysiological characteristics of male and female plants ofHumulusscandens

WANG Bi-Xia1, XIAO Juan1, FENG Xu2, GAN Li-Fen3, TANG Ya1

1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,ChinaWestNormalUniversity,KeyLaboratoryofEnvironmentalScienceandBiodiversityConservation,Nanchong637009,China; 2.CollegeofLifeScience,ChinaWestNormalUniversity,MinistryofEducationKeyLaboratoryofSouthwestChinaWildlifeResourcesConservation,Nanchong637009,China; 3.CollegeofPostgraduates,ChinaWestNormalUniversity,Nanchong637009,China

Abstract:This paper studied the differences of sex-specific and photophysiological characteristics of male and female plants of Humulus scandens exposed to chromium (0, 50, 200 and 300 mg Cr3+/kg soil). The results showed: 1) the net photosynthetic rate (Pn), chlorophyll fluorescence parameters, root fresh weight and stem length were greater in the females than males for the plants grown under 0 mg/kg (control), but the chlorophyll and malondialdehyde (MDA) concentrations were lower for females than for the males. 2) Compared with control plants, Pn was significantly increased in the 50 mg/kg Cr3+treatment for both male and female plants, but chlorophyll fluorescence parameters were significantly decreased by Cr3+in male plants and the value of other photophysiological indexes and plant growth were slightly increased by Cr3+, while Cr3+had no effect on the value of photophysiological indexes and growth of female plants. The value of Pn and the MDA concentration were similar to those of control plants in 200 mg/kg Cr3+treatment, but the root fresh weight and chlorophyll fluorescence parameters were significantly lower than for control plants. However, the 300 mg/kg Cr3+treatment significantly inhibited both of the male and female plants, and in this treatment Pn was significantly decreased (especially in male plants; females demonstrated enhanced ability to repair damage) compared to control plants, and all of the above-mentioned indexes and parameters were also significantly lower than control plants. 3) Overall, Pn of male and female plants first increased and then decreased with Cr3+exposure time, while stem length, root fresh weight and chlorophyll fluorescence parameters were directly decreased, and MDA content and the apparent electron transport rate (ETR) were promoted. However, the chlorophyll content of males decreased with increasing Cr3+concentration, but there was no significant decrease in chlorophyll content and photosystem II reaction centers for the female plants. In summary, Pn was increased by low Cr3+concentration and inhibited by higher Cr3+both in male and female plants. The plants demonstrated self-protective physiological response mechanisms. This was especially true for the female plants, which have a more flexible response strategy with higher tolerance capacity.

Key words:Humulus scandens; chromium stress; dioecious; photosynthetic characteristics

http://cyxb.lzu.edu.cn

王碧霞， 肖娟， 冯旭, 甘丽芬， 唐娅. 铬胁迫对葎草雌雄植株光合生理特性的不同影响. 草业学报, 2016, 25(7): 131-139.

WANG Bi-Xia, XIAO Juan, FENG Xu, GAN Li-Fen, TANG Ya. Effects of Chromium stress on physiological and ecophysiological characteristics of male and female plants ofHumulusscandens. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(7): 131-139.