硒对不同浓度柴油胁迫下三叶鬼针草光合作用和叶绿素荧光特性的影响

黄珏瑛 刘慧刚,2 宋宜枝 黄应平,2,3

(1. 三峡大学 水利与环境学院， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峡大学 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心， 湖北 宜昌 443002； 3. 三峡大学 三峡库区生态环境教育部工程研究中心， 湖北 宜昌 443002)

硒对不同浓度柴油胁迫下三叶鬼针草光合作用和叶绿素荧光特性的影响

黄珏瑛1刘慧刚1,2宋宜枝1黄应平1,2,3

(1. 三峡大学 水利与环境学院， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峡大学 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心， 湖北 宜昌 443002； 3. 三峡大学 三峡库区生态环境教育部工程研究中心， 湖北 宜昌 443002)

实验以三叶鬼针草为指示植物，采用盆栽试验，研究了在不同浓度柴油(0、0.5、2、8 g/kg)胁迫下施硒对叶片光合色素、光合参数和叶绿素荧光特性等的影响．结果显示：柴油胁迫导致两组总叶绿素均呈下降趋势，且无硒组降幅大于加硒组，加硒组重度胁迫降幅减少最大为12.1%．加硒组与无硒组的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ潜在活性(Fv/F0)、天线转化效率(Fv′/Fm′)、光化学淬灭系数(qP)、PSⅡ实际光化学效率(ФPSⅡ)随柴油胁迫浓度升高而降低，降幅表现为加硒组>无硒组，而非光化学淬灭系数(qN)呈上升趋势，两组胞间CO2浓度(Ci)、气孔限制值(Ls)变化趋势近似，均在轻度胁迫前Ci下降，Ls上升，中度胁迫后与之相反．研究结果表明，加硒组的光合色素、光合作用和叶绿素荧光特性受柴油胁迫影响小于无硒组，因此通过向低硒土壤添加硒素，可提高植物对土壤中柴油的耐受性，本研究结果对柴油污染土壤的植物修复有一定的提示作用．

硒； 柴油污染； 光合作用； 植物修复

土壤环境中持久性有机有毒污染物(POPs)的生物修复技术是国际污染环境修复领域研究的热门[1]，其中，多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons，简称 PAHs)污染土壤的生物修复技术是目前环境修复的重中之重[2]．PAHs是指两个或两个以上苯环的稠环化合物，其不仅化学结构复杂、难以氧化，而且热稳定性强、水溶性差、可利用性低，因此带来的环境问题日益凸显，尤其具有“三致”毒性，而且随着环数的增加，毒性越强，严重影响人类正常生活，备受科学家关注．石油烃污染是PAHs污染的重要来源之一，尽管PAHs在石油烃中的含量极少，但是由于各种环境介质，在物理、化学和生物等诸多因素的作用下，石油烃中各个组分间的物理化学转化、生物降解和光解等，使得PAHs分布极其广泛[3]，石油烃作为柴油的主要污染物多见于汽车尾气、石油开采、加工场地、原油泄露等[4]．因此，如何在河流开发中，减少并避免柴油带来的环境污染问题，加快柴油中石油烃污染消除速度，日益引起人们的注意．

目前，柴油在环境中的降解途径主要包括自然挥发、生物富集、土壤吸收以及微生物降解等[5]．各有优缺点，而生物修复以其独具成本低、无二次污染等优点，在环境修复中可大面积应用．相比重金属污染的修复，柴油的生物修复要更为复杂，其对植物影响机制无从考究．光合作用作为植物最重要的基础生理活性之一，为植物提供生长发育所必需的物质及能量，是植物健康生长重要因素．大量研究表明，多环芳烃污染对植物的光合作用有抑制作用[6]，导致光合速率明显下降．还有相关研究显示，加入少量硒可以提高作物对高浓度重金属胁迫的耐受性[7]．硒是一种多功能营养素，对人体具有防癌抗癌、增加免疫力及拮抗重金属毒性等作用，同样硒过量会引起人体中毒．有关硒对柴油胁迫下植物的修复机制未有报道，对植物光合作用的影响相比重金属胁迫是否有其独特性．因此，本文以三叶鬼针草(BidenspilosaL.)为研究对象，通过测量光合色素，光合作用参数及叶绿素荧光动力学参数等指标，探讨不同浓度柴油胁迫下，施加硒相对低硒土壤中植物光合作用和叶绿素荧光特征的影响，以期对如何提高土壤中PAHs污染的生物修复效果提供理论依据和参考指标．

1 材料与方法

1.1 供试材料

三叶鬼针草当年生(株高为(18+0.5)cm)，采于三峡大学植物园，将其根部洗净，预培养3 d，取长势相近的健康植株进行实验，基质为沙土(土∶沙(1∶3)混合物)，土与沙取自三峡大学植物园，剔除石头草根，晒干处理，过筛，每盆4 kg，pH(土水比1∶5)为7.41，TP为445.1 mg/kg，TN为316 mg/kg，有机质为2.79 mg/kg，Se为0.037 mg/kg．亚硒酸钠购于sigma，0号柴油购于三峡大学附近中石油．实验组柴油浓度(柴油/土壤)设置高、中、低3个浓度组，依次为：0 g/kg，0.5 g/kg(轻度胁迫)，2 g/kg(中度胁迫)，8 g/kg(重度胁迫)，设置3组重复，对照组(加硒组：Se)在实验组(无硒组：no Se)基础上加入0.5 mg/kg亚硒酸钠(有效成分：硒/土壤)，60 d后测定各项指标．

1.2 试验测定指标及方法

在晴天上午9：30-11：30自然光下，使用SPAD-502便携式叶绿素测定仪(JAPAN)活体测定总叶绿素(SPAD)，每盆重复测3次并取平均值．

时间同上，使用LI-6400XT便携式光合仪(LI-COR，USA)测定净光合速率(Pn，μmol·m-2s-1)，气孔导度(Gs，mol·m-2s-1)，胞间CO2浓度(Ci，μmol·mol-1)，蒸腾速率(Tr，mmol·m-2s-1)，气孔限制值(Ls=1-Ci/C0)(C0为空气中CO2浓度)．每株测1片叶，每处理重复3次，取平均值．

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS20.0软件进行统计分析，Duncan法进行差异显著性检验．

2 结果

2.1 光合色素

如表1所示，柴油侵染导致三叶鬼针草总叶绿素下降，不同胁迫程度处理与对照，均达到显著性差异(P<0.05)．无硒组总叶绿素含量在轻度、中度和重度胁迫较对照分别下降了4.7%、17.1%和25.7%．而加硒组的总叶绿素含量较对照分别下降5.0%、13.2%和13.6%，中度和重度胁迫下总叶绿素含量无明显差异．

表1 硒对柴油胁迫下三叶鬼针草光合色素含量的影响

表内数据为平均值±标准差；每列数据右侧字母相同者表示差异未达到显著水平(P>0.05)；字母不同者表示差异达显著水平(P<0.05)

2.2 硒对柴油胁迫下三叶鬼针草光合参数的影响

从图1-Ⅰ可以看出，三叶鬼针草在受到柴油胁迫后，不论是否加入硒，随着柴油浓度升高，净光合速率Pn均呈现下降趋势，呈显著差异(P<0.05)．随着柴油胁迫加剧，Pn降幅先增加后减少，其中，在重度胁迫下，无硒组与加硒组相比对照分别下降了63.2%，68.5%，呈显著差异(P<0.05)，而在中度胁迫下，加硒组相比无硒组Pn的降幅下降了3.2%．

图1 硒对柴油胁迫下三叶鬼针草Pn，Gs，Ci，Ls，Tr的影响

图中小写字母表示不同浓度柴油胁迫条件的差异性，大写字母表示同柴油浓度加硒组与不加硒组条件的差异性，不同字母表示水平差异性显著(P<0.05)．下同

从图1-Ⅱ可以看出，柴油胁迫不论加硒与否，均使气孔导度Gs大幅下降，差异极其显著(P<0.01)，随着柴油浓度上升，降幅逐渐降低，渐渐趋于平稳．其中，重度胁迫下，无硒组和加硒组相比对照分别下降了43.9%，61.7%．加硒对照组相比无硒对照组上升了17.2%，呈显著性差异(P<0.05)．

从图1-Ⅲ可以看出，胞间CO2浓度Ci总体先下降后上升，正常生长条件下三叶鬼针草的Ci相差不大，加硒组总体相比无硒组升高，除了中度柴油胁迫下差异不显著，均达到显著性差异，同组内，先下降再升高，增幅逐渐增大，相比中度胁迫，重度胁迫下无硒组与加硒组Ci分别上升了3.22%，7.78%，未达到显著性差异．

从图1-Ⅳ可以看出，无硒组与加硒组在柴油胁迫下，气孔限制值Ls均呈先上升后下降趋势，与Ci呈相反趋势．轻度胁迫下，相比对照无硒组与加硒组分别升高了42.7%，51.8%，呈显著性差异；中度胁迫下，相比对照组无硒组与加硒组分别升高了26.5%，52.3%，呈显著性差异；重度胁迫下，无硒组与加硒组相比对照组差异不显著．

从图1-Ⅴ可以看出，无硒组随着胁迫浓度升高，蒸腾速率Tr呈显著负相关(P<0.01)，相比对照组，分别下降了36.5%、57.7%，74.9%．而加硒组随着浓度的升高，先骤降而后平稳．重度胁迫下，加硒组Tr相比无硒组上升了51.2%，呈极其显著正相关(P<0.01)．

2.3 硒对柴油胁迫下三叶鬼针草荧光动力学参数的影响

从图2-Ⅰ所示，最大光化学效率(Fv/Fm)在柴油胁迫下加硒组无硒组均呈下降趋势，其中无硒组重度柴油胁迫下相比对照组降幅达到最大3.4%，呈显著性差异(P<0.05)．对照组加硒后，Fv/Fm轻度升高，差异不显著，但在轻度柴油胁迫下，其降幅达2.2%，差异性显著(P<0.05)，此后一直表现平稳(P>0.05)．而无硒组相比空白降幅不断增加，在重度柴油胁迫下，加硒组略高于无硒组，差异性不显著，显示其反应中心受破坏程度较小．

如图2-Ⅱ所示，潜在活性Fv/F0呈现与Fv/Fm相似的变化规律，随着胁迫浓度的提高呈下降趋势，且降幅逐渐增大．与对照相比，加硒组轻度、中度和重度胁迫Fv/F0分别减少10.4%、10.9%、13.4%，除对照外各处理间无显著差异．无硒组的Fv/F0分别下降了8.5%、11.8%、17.7%，与对照相比达到显著差异水平(P<0.05)．

图2 硒对柴油胁迫下三叶鬼针草Fv/Fm，Fv/F0的影响

2.4 荧光淬灭动力学

图3 硒对柴油胁迫下三叶鬼针草，ФPSⅡ的影响

3 讨论与结论

光合色素通过捕获光能，为植物进行光合作用提供能量，因此光合色素含量与光合作用效率密切相关[8]．本文研究表明，柴油胁迫阻碍了光合色素的合成，破坏了叶绿体结构，光合作用中光能的传递和吸收被削减[9]，同梯度柴油胁迫下加硒组的叶绿素高于无硒组，表明加入适量硒相比低硒土壤对维持光能传递吸收有一定促进作用，并维持较高的光合速率，进而保证三叶鬼针草光合作用的相对正常进行．

光合参数可以直接反应柴油对三叶鬼针草的损害程度以及硒对其生长的影响．根据Mediavilla[10]等研究发现，导致净光合速率降低的主要限制因素分为两种：气孔限制和非气孔限制．Farquhar和Sharkeyu[11]认为，Ci和Ls值的变化方向是辨别气孔限制和非气孔限制的依据．Pn降低时，Ci降低与Ls升高表明气孔因素为主要原因，Ci升高与Ls降低表明非气孔因素为主要原因．本研究发现，三叶鬼针草的Pn、Gs和Tr随着土壤中柴油处理浓度的增加而降低，同时伴随着轻度柴油处理前Ci先降低，在轻度柴油处理后升高，Ls呈现与之相反的过程，结果表明在轻度柴油处理之前，引起Pn下降的主要原因是气孔导度下降．在轻度柴油处理之后，三叶鬼针草的Pn、Gs呈下降趋势，同时Ci反而升高，Ls下降，这是由于随着胁迫伤害的加剧，柴油对叶肉细胞的光合结构造成了不可逆伤害，使得气孔扩散阻力增加，光合细胞活性降低，非气孔限制因素成为导致Pn下降的主要因素．

荧光动力学参数与植物叶肉细胞光合作用各过程密切相关．最大光化学效率Fv/Fm的变化反映了PSⅡ原初光能转换效率的大小，Fv/F0反应了PSⅡ的潜在活性，在正常情况下其值相对稳定，柴油胁迫Fv/Fm、Fv/F0下降说明三叶鬼针草受到光抑制[12]．本实验，随着柴油浓度增加Fv/Fm、Fv/F0均呈下降趋势，表明三叶鬼针草PSⅡ的原初光化学效率，以及从天线色素到PSⅡ反应中心的传能效率，都明显受到柴油胁迫的影响，柴油胁迫降低了PSⅡ反应中心原初电子受体氧化态的数量，阻碍光合电子传递，导致同化力的合成受阻[13]．然而加硒组在柴油胁迫下Fv/Fm、Fv/F0降幅相比无硒组较小，表明了在低硒土壤中加入适量硒可以降低柴油对PSⅡ活性中心的损伤，有利于维持PSⅡ光化学活性以及光合电子运输正常进行，然而随着柴油胁迫升高，潜在活性中心受损程度较大，严重降低原初光能转换效率．

PSⅡ反应中心所吸收的光能主要通过光化学反应转化能量、非光化学热能和叶绿素荧光3种途径耗散．其中光化学反应与热能耗散致使叶绿素荧光淬灭发生变化，叶绿素荧光淬灭包括光化学淬灭和非光化学淬灭．本文表明，柴油胁迫下，两组鬼针草的qP以及ФPSⅡ均有所下降，表明光合电子传递受到抑制，PSⅡ光能转换效率降低．加硒组受到胁迫时的qP以及ФPSⅡ相对降幅较小，说明适量的硒作用下鬼针草叶肉细胞光能捕获与转化能力仍然较强，保证PSⅡ维持较高的光能利用效率以及光合作用潜力．加硒组与无硒组的qN均有所上升，导致PSⅡ将过剩光能以热量形式耗散．加硒组的qN增幅小于无硒组，说明柴油胁迫下施硒相比低硒三叶鬼针草热耗散较少，PSⅡ激发能利用率比较高．

综上所述，柴油胁迫降低了三叶鬼针草叶片光合同化物生产能力的同时，光合结构受到一定程度不可逆损伤．在低硒土壤中施加硒，三叶鬼针草光合色素含量、净光合速率以及荧光特性受柴油胁迫影响较小．添加硒可以缓解柴油引起的植物胁迫效应，改善了植物光合性能，提高植物对土壤中柴油的耐受性，本文为提高土壤中多环芳烃污染的植物修复效果提供帮助．

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[责任编辑 周文凯]

Effects of Selenium on Photosynthesis and Characteristics of Chlorophyll Fluorescence Inhibited by Diesel in Bidens Pilosa L.

Huang Jueying1Liu Huigang1,2Song Yizhi1Huang Yingping1,2,3

(1. College of Hydraulic & Environmental Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China; 2. Collaborative Innovation Center for Geo-Hazards and Eco-Environment in Three Gorges Area, Hubei Province, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China; 3. Engineering Research Center of Eco-environment in Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

In this study, the role of selenium on photosynthesis and characteristics of chlorophyll fluorescence inhibited by diesel inBidenspilosaL. was investigated by pot cultures. The results show that diesel could decrease total chlorophyll in the two groups, and the decreased range of photosynthetic pigment was less in Se than in no Se treatment. The photosynthetic pigment of Se treatment shrank by 12.1% compared with no Se treatment. With increasing concentrations of diesel decreased the net photosynthetic rate (Pn), stomatal conductance (Gs), transpiration rate(Tr), maximal photochemical (Fv/Fm), potential efficiency(Fv/F0), antenna efficiency at open centers (Fv′/Fm′), photochemical quenching coefficient(qP), actual quantum yield(ФPSⅡ)in the two groups except non-photochemical quenching(qN)in the other opposite. The decreased range of photosynthetic pigment is less in Se than in no Se treatment. The changes in intercellular CO2concentration(Ci)and stomatal limitation value(Ls) are similar in the two groups.Citended to rise under the mild stress, and Ls showed a significant decrease, whereas there are in contrast under moderate and severe stress. These results indicate that the photosynthetic pigments, photosynthesis and chlorophyll fluorescence characteristic in Se are less influenced by diesel than which in no Se treatment. Taking together, we found that the application of low concentration of Se in soil can improve the tolerance of plants to diesel and this phenomenon has broad implications for phytoremediation of diesel pollution.

selenium; diesel pollution; photosynthesis; phytoremediation

2016-09-21

国家水专项子课题(2012ZX07104-003-04)；科技惠民计划项目(S2013GMD100042)；湖北省创新群体项目(2015CFA021)

黄应平(1964-)，男，教授，博士，博士生导师，主要从事环境光化学与污染生态方面的研究．E-mail：huangyp@ctgu.edu.cn

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.02.022

Q945.11

A

1672-948X(2017)02-0103-05