土壤锌胁迫对伞房决明生长及生理的影响

余国源, 王佳星, 黄琛斐, 廖飞勇

(中南林业科技大学风景园林学院，湖南 长沙 410004)

锌是植物必需的微量元素之一，但是过量的锌则可能会对植物产生毒害作用[1].随着锌肥在农业中广泛使用及铅锌矿的开发和工业废水的排放,锌元素及其化合物大量进入环境，使得环境中的锌元素超过植物正常生长的需要，植物的锌毒害问题日显突出.锌胁迫对植物的危害可以表现在植物生长发育以及各种生理代谢过程，严重的甚至可以导致植物死亡[2]，如贵州某地农村炼锌,竟将周围300 km的地带毁损得寸草不生[3].伞房决明(Cassiacorymbosa)为苏木科决明属半常绿灌木，原产于西班牙，由成都植物园于1990年引入，之后在重庆、南京、杭州、长沙等地引种应用[4]，观赏效果好，应用广泛.目前对伞房决明在重金属抗性方面的研究只有铝胁迫对其种子萌发与幼苗生长的影响[5]，而锌胁迫对伞房决明的影响则未见报道，伞房决明对重金属锌的抗性以及伞房决明对锌污染区域土壤是否具有改良作用缺少相关的研究.本文以1年生伞房决明实生苗为材料，研究其在5种不同浓度锌胁迫下的生长和生理指标变化，探讨伞房决明的抗性和潜在应用前景.

1 材料与方法

1.1 材料

伞房决明(Cassiacorymbosa)种子采自长沙市西湖公园，在中南林业科技大学长沙校区播种培养40 d后，移植到花盆中(直径280 mm、高300 mm,每盆加入3 kg风干黄土，黄土∶有机质营养土=1∶1，盆中土壤Zn2+含量为65 mg·kg-1，黄土取自长沙市天心区表层土壤)，进行15 d的适应性培养后，选取15株生长健康、长势一致的伞房决明植株进行试验.

1.2 方法

采用随机区组设计，设5个处理组，对照组、处理组Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ所加入锌浓度分别设置为0、500、700、1 000、1 500 mg·kg-1(土壤干重)，每个处理3次重复.土壤中锌含量以ZnSO4·7H2O(分析纯)水溶液的形式一次性施入相应的试验盆内，试验期间，各处理组的环境条件和管理条件基本保持一致.分别于胁迫处理后第15、30、45、60 d进行各项生长生理指标的测定，叶绿素荧光参数参考廖飞勇[6]的方法测定，叶绿素含量采用分光光度法[7]测定，叶片含水量、过氧化物酶(POD)活性、可溶性蛋白质含量、可溶性糖含量以及丙二醛(MDA)含量的测定依照陈建勋的方法[8]进行，用卷尺测量高度变化，用游标卡尺测量植株的地径变化.

1.3 数据处理

试验数据运用Excel软件进行整理，用SPSS 20.0软件进行单因素方差分析.

2 结果与分析

2.1 不同Zn2+浓度处理对伞房决明叶绿素含量的影响

由表1可知，处理15 d后，处理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ叶绿素含量略有上升，与对照差异不显著(P>0.05)，处理Ⅳ明显低于对照，下降了28.8%，差异达显著水平(P<0.05).处理60 d后，处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ叶绿素含量相比对照组分别下降了1.8%、35.9%、42.9%；处理Ⅰ的叶绿素含量增加，相比对照组增加了16.2%.

表1 不同Zn2+浓度处理下伞房决明叶绿素含量的变化1)Table 1 Changes of chlorophyll content in C.corymbosa under different Zn2+ concentrations mg·kg-1

1)AT15：处理后第15 d；AT30：处理后第30 d；AT45：处理后第45 d；AT60：处理后第60 d.a、b、c、d、e代表在0.05水平上的差异显著性.

2.2 不同Zn2+浓度处理对伞房决明叶绿素荧光参数的影响

2.2.1 对初始荧光Fo的影响 Fo是暗下最小初始荧光，其值表示光系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心全部开放时的叶绿素荧光发射强度，值越大说明PSⅡ中心受到的破坏越严重[9].由表2可知，处理后15 d，处理Ⅰ、Ⅱ的Fo值相比对照略微下降但差异不显著(P>0.05)，而处理Ⅲ、Ⅳ的值则明显提升，分别为对照的1.10、1.31倍, 处理60 d后，是对照的1.31、1.46倍.处理60 d后，处理Ⅰ的值小于对照，但差异不显著(P>0.05).

表2 不同Zn2+浓度处理下伞房决明Fo的变化1)Table 2 Changes of Fo in C.corymbosa under different Zn2+ concentrations

1)AT15：处理后第15 d；AT30：处理后第30 d；AT45：处理后第45 d；AT60：处理后第60 d.a、b、c、d、e代表在0.05水平上的差异显著性.

2.2.2 对Fv/Fm的影响 Fv/Fm是指PSⅡ最大光化学效率，其变化主要反映了植物光系统Ⅱ的原始光能转换效率[10].Fv/Fm的正常值在0.75～0.85之间，其值下降表明植物的光系统受到外界的胁迫.由表3可知，处理15 d后，处理Ⅰ、Ⅱ的值对比对照有略微上升，处理Ⅲ、Ⅳ则有略微下降，高浓度的锌对伞房决明产生了影响，处理Ⅲ和Ⅳ之间差异不显著(P>0.05)，但是处理CK、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ之间差异达显著水平(P<0.05).处理60 d后，处理Ⅰ的Fv/Fm值略有上升，而其余处理则呈持续下降趋势，表明浓度越高，植物受到的胁迫越严重.

表3 不同Zn2+浓度处理下伞房决明Fv/Fm的变化1)Table 3 Changes of Fv/Fm in C.corymbosa under different Zn2+ concentrations

1)AT15：处理后第15 d；AT30：处理后第30 d；AT45：处理后第45 d；AT60：处理后第60 d.a、b、c、d、e代表在0.05水平上的差异显著性(指同一处理时间段，如AT15之间的差异性).

2.2.3 对qP的影响 qP是光化学淬灭系数，即PSⅡ反应中心的开放程度，其值越大，植物对光能的利用效率就越高[11].由表4可知，处理15 d后，处理Ⅰ的qP值略有升高；其他处理的qP值则下降，且浓度越高，值越低.处理60 d后，处理Ⅰ的qP值相比对照升高了3.1%，处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的qP值分别降至对照的68.1%、57.1%、45.2%，且与对照的差异均达显著水平(P<0.05).

表4 不同Zn2+浓度处理下伞房决明qP的变化1)Table 4 Changes of qP in C.corymbosa under different Zn2+ concentrations

1)AT15：处理后第15 d；AT30：处理后第30 d；AT45：处理后第45 d；AT60：处理后第60 d.a、b、c、d、e代表在0.05水平上的差异显著性.

2.2.4 对ETR的影响 ETR反映实际光强条件下的表观电子传递效率[12].由表5可知，处理Ⅰ呈现持续上升的趋势，均高于对照，处理60 d后是对照组的1.18倍，与对照的差异达到显著水平(P<0.05).处理Ⅱ ETR值在处理后15 d略微上升，之后呈现下降趋势；处理Ⅲ、Ⅳ在处理开始后也呈现下降趋势.处理60 d后处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的ETR值分别为对照的87.9%、63.0%、41.2%，与对照相比均差异显著(P<0.05).表明低浓度的锌处理促进了光合电子的传递速，高浓度的锌胁迫则降低光合电子的传递速率，从而会降低光合速率.

表5 不同Zn2+浓度处理下伞房决明ETR的变化1)Table 5 Changes of ETR in C.corymbosa under different Zn2+ concentrations μmol·m-2·s-1

1)AT15：处理后第15 d；AT30：处理后第30 d；AT45：处理后第45 d；AT60：处理后第60 d.a、b、c、d、e代表在0.05水平上的差异显著性.

2.3 不同Zn2+浓度处理对伞房决明光合速率的影响

由表6可知，处理Ⅰ的净光合速率呈现持续上升的趋势，且均高于对照，处理60 d后增加了54.6%，与对照相比差异显著(P<0.05).处理Ⅱ、Ⅲ的净光合速率较在处理15 d后出现短暂的上升，之后呈下降趋势，其中处理Ⅱ一直高于对照组，而处理Ⅲ后期下降明显，处理Ⅳ的光合速率则在处理开始后下降明显.处理60 d后，处理Ⅲ、Ⅳ的光合速率值分别为对照的59.2%、19.2%，高浓度的锌明显降低了伞房决明的光合速率(P<0.05).

表6 不同Zn2+浓度处理下伞房决明光合速率的变化1)Table 6 Changes of photosynthetic rate in C.corymbosa under different Zn2+ concentrations μmol CO2·m-2·s-1

1)AT15：处理后第15 d；AT30：处理后第30 d；AT45：处理后第45 d；AT60：处理后第60 d.a、b、c、d、e代表在0.05水平上的差异显著性.

2.4 不同Zn2+浓度处理对伞房决明氧化物酶(POD)活性的影响

POD是植物抵御活性氧伤害的重要保护酶类，可清除植物体内因外界胁迫产生的超氧自由基、过氧化物或减少羟基自由基形成，在植物抗性方面有重要作用[13].由表7可知，处理15 d后，处理Ⅰ的POD活性稍高于对照，但差异不显著(P>0.05)；而处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ与对照的差异则达到显著性水平(P<0.05).处理60 d后，处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别是对照的1.35、1.40、1.81、2.08倍.4个处理的POD活性均大于对照，且处理浓度越高，处理时间越长，POD活性越强.

表7 不同Zn2+浓度处理下伞房决明POD活性的变化1)Table 7 Changes of POD activity in C.corymbosa under different Zn2+ concentrations U·g-1·min-1

1)AT15：处理后第15 d；AT30：处理后第30 d；AT45：处理后第45 d；AT60：处理后第60 d.a、b、c、d、e代表在0.05水平上的差异显著性.

2.5 不同Zn2+浓度处理对伞房决明可溶性蛋白含量的影响

可溶性蛋白是调节植物细胞渗透势的重要物质之一，其含量的高低影响植物水分的吸收和散失，在一定程度上可以使植物免受或减少因外界胁迫而造成的伤害[14].由表8可知，胁迫开始后，处理Ⅰ的可溶性蛋白含量呈现持续上升的趋势，且均大于对照，差异达到显著水平(P<0.05).处理Ⅱ的可溶性蛋白含量在处理初期后略有升高，之后逐渐下降.处理Ⅲ、Ⅳ的含量则一直下降，处理60 d后，处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的含量分别比对照下降了1.4%、7.3%、14.2%.

表8 不同Zn2+浓度处理下伞房决明可溶性蛋白含量的变化1)Table 8 Changes of soluble protein content in C.corymbosa under different Zn2+ concentrations mg·g-1

1)AT15：处理后第15 d；AT30：处理后第30 d；AT45：处理后第45 d；AT60：处理后第60 d.a、b、c、d、e代表在0.05水平上的差异显著性.

2.6 不同Zn2+浓度处理对伞房决明可溶性糖含量的影响

可溶性糖是植物体内储藏的主要物质，也是逆境条件下植物细胞起渗透调节作用的物质之一[14].表9表明，处理Ⅰ的可溶性糖含量呈现上升趋势，在60 d后达到最高值，是对照的1.32倍，与对照相比差异显著(P<0.05).处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ在处理15 d后，可溶性糖含量稍增加，但与对照相比差异不显著(P>0.05)，30 d后则又下降，60 d值最低，达到最低值，分别是对照的88.1%、87.6%、52.4%.

2.7 不同Zn2+浓度处理对伞房决明丙二醛(MDA)含量的影响

在受到胁迫时，植物体内活性氧代谢平衡被打破而导致膜脂过氧化，丙二醛(MDA)就是膜脂过氧化的产物[15].由表10可知，处理Ⅰ的MDA含量一直略高于对照，但差异未达到显著性水平(P>0.05).处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ在处理15 d后，MDA含量分别是对照的1.02、1.15、1.40倍，处理60 d后，分别是对照的1.24倍、1.64倍和2.15倍.这表明锌胁迫增加植物体内MDA含量，时间越长、浓度越高其值增加也越大.

表9 不同Zn2+浓度处理下伞房决明可溶性糖含量的变化1)Table 9 Changes of soluble sugar content in C.corymbosa under different Zn2+ concentrations mg·g-1

1)AT15：处理后第15 d；AT30：处理后第30 d；AT45：处理后第45 d；AT60：处理后第60 d.a、b、c、d、e代表在0.05水平上的差异显著性.

表10 不同Zn2+浓度处理下伞房决明MDA含量的变化1)Table 10 Changes of MDA content in C.corymbosa under different Zn2+ concentrations μmol·g-1

1)AT15：处理后第15 d；AT30：处理后第30 d；AT45：处理后第45 d；AT60：处理后第60 d.a、b、c、d、e代表在0.05水平上的差异显著性.

2.8 不同Zn2+浓度处理对伞房决明植株形态的影响

在遭受不同浓度锌胁迫60 d后，伞房决明的植株形态发生了明显变化.由表11可知，处理60 d后，各处理组植株高度分别增长了0.231、0.361、0.305、0.184、0.096 m，地径分别增长了0.246、0.303、0.277、0.240、0.188 cm.其中，处理Ⅰ、Ⅱ的植株高度和地径增长量均大于对照，并且处理Ⅰ的增长幅度更大，说明伞房决明在500 mg·kg-1的锌处理条件下的长势优于700 mg·kg-1的锌处理.处理Ⅲ、Ⅳ的植株高度和地径增长量要低于对照组，说明此时植物的生长已经受到了锌胁迫的毒害，且浓度越高，毒害越严重.根据观察，在锌胁迫处理开始后，处理Ⅰ、Ⅱ伞房决明的植株长势健康，枝叶繁茂；处理Ⅲ、Ⅳ长势明显不如对照，与对照相比植株低矮，出现叶片发黄掉落的现象，处理Ⅳ胁迫21 d后，有一盆植株已经完全死亡.

表11 不同Zn2+浓度处理下伞房决明植株形态的变化1)Table 11 Changes of plant appearance of C.corymbosa under different Zn2+ concentrations

1)AT15：处理后第15 d；AT30：处理后第30 d；AT45：处理后第45 d；AT60：处理后第60 d.a、b、c、d、e代表在0.05水平上的差异显著性.

3 讨论

3.1 不同Zn2+浓度处理对伞房决明光能捕获的影响

叶绿素是植物进行光合作用的重要场所，其含量的变化影响植物的光合转换能力.由表1可知，在重金属锌胁迫下，处理Ⅰ的叶绿素含量呈现上升趋势，处理15 d后，处理Ⅱ和处理Ⅲ也曾出现短暂的上升，表明低浓度的锌会提高植物合成叶绿素的酶活性[16]，从而促进伞房决明体内叶绿素的合成，提高其捕获光能的能力.处理30 d后，处理Ⅱ、处理Ⅲ和处理Ⅳ叶绿素含量呈下降趋势，这点与植物净光合速率的变化趋势相一致，说明重金属锌在植物体内积累到一定程度，就会超过植物的耐受范围，植物叶片大量失水，而叶片组织在水分缺乏时，叶绿素的合成会受到抑制[17]，从而使伞房决明的叶绿素总量下降，最终导致叶片的光能捕获能力和光合速率减弱.

3.2 不同Zn2+浓度处理对伞房决明光能转换、传递与固定的影响

初始荧光Fo是指充分暗适应条件下的PSⅡ反应中心全部开放时的叶绿素荧光发射强度[9].由表2可知，随着胁迫时间的增加和重金属锌的积累，处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的Fo值呈现上升趋势，可能是由于受到锌胁迫时形成传递电子的能量减少，荧光发射的能量增加，破坏了PSⅡ反应中心而使Fo水平增加[18]；而处理Ⅰ表明低浓度的锌积累可能刺激了传递电子的增加，从而提升了伞房决明的光合作用，对伞房决明的生长起到了一定的促进作用.

光合作用的光抑制一般表现为最大荧光或者可变荧光的降低，Fv/Fm值常用于衡量叶片光合系统Ⅱ原初光能转化效率及PSⅡ潜在活力[11].与对照相比，低浓度的处理Ⅰ使伞房决明的Fv/Fm值略微提高，而高浓度的锌胁迫则显著减弱了伞房决明的Fv/Fm水平，处理60 d后，处理Ⅲ、Ⅳ的Fv/Fm值相比对照下降了8.7%、25.9%.这表明高浓度重金属锌的积累使得PSⅡ反应中心受到损害，阻碍了光合电子的传递，不利于伞房决明把捕获的光能转化为化学能，以提供植物生长所需要的有机物.

qP值反映的是PSⅡ反应中心的开放程度.由表4可知，低浓度的锌显著提升了伞房决明的qP值，而重金属锌的累积则降低了伞房决明的qP值，差异达到显著水平.说明伞房决明植株体内的锌累积超过一定范围后，抑制了PSⅡ反应中心的开放程度，植物用于光反应的能量下降，降低了植物的光能利用率.

ETR为表观电子传递速率，反映的是叶片所捕获的光能中，用于光合电子传递的能量所占的比例.由表5可知，低浓度的锌处理使伞房决明的ETR值增加，植物用于传递电子的能量增加.高浓度锌累积则显著降低了伞房决明的ETR值，表明PSⅡ反应中心用于转化光能的实际电子数量也在降低.

净光合速率的变化表明，在处理15 d后，处理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的净光合速率相比对照增加了21.3%、64.8%、47.3%，之后处理Ⅰ、Ⅱ均大于对照，而处理Ⅲ呈现急剧下降趋势，说明低浓度的锌处理有助于伞房决明的把捕获的光能固定，加强了植物通过光合作用为植物生长提供有机物的能力，而高浓度的锌处理则极大地限制了这种能力.

3.3 伞房决明对不同Zn2+浓度处理的生理适应机理

很多研究表明，在重金属胁迫下，植物叶片的POD活性增强[19].POD是一种含Fe的金属蛋白，是植物体内重要的代谢酶，能催化有毒物质的分解，其活性的高低可以反映植物遭受毒害的程度[20].本试验中，伞房决明的POD活性随着处理浓度、胁迫时间的增加而增加，说明植物体内因重金属锌胁迫而产生的活性氧增多，以清除体内过剩的自由基，从而提高植物体对锌胁迫的抗性.

高含量的可溶性蛋白可帮助维持植物细胞较低的渗透势，抵抗外界胁迫导致的水分散失，抗逆性强的植物种类或品种的可溶性蛋白含量一般较高[21].由表8可知，处理Ⅰ的可溶性蛋白含量在处理开始后呈现升高趋势，与对照相比差异显著(P<0.05)，处理Ⅱ在15 d后可溶性蛋白含量也有所增加，说明低浓度的锌导致植物的可溶性蛋白含量增加，提高了植物内部的代谢活跃程度，减轻重金属的毒害.而处理Ⅲ、Ⅳ的可溶性蛋白含量在胁迫开始后相比对照则下降较少，可能是高浓度的锌胁迫抑制了植物内部的代谢活跃程度，导致植物细胞失水过多，降低了植物细胞渗透势所致[22].

可溶性糖是植物体内主要的能源供给物质，在植物受到胁迫时，也能起到调节植物细胞渗透势的作用[14].由表9可知，低浓度的锌胁迫下，伞房决明的可溶性糖含量逐渐增加，高浓度的锌处理时则持续下降.这表明一定浓度的锌可以提高植物细胞的渗透调节能力，保护植物细胞免受伤害，同时给植物提供能源物质以维持原有的生理机能，抵御重金属的毒害，而过量的锌则限制了这种能力.MDA是反映植物受到外界胁迫时，质膜受伤害程度的主要指标[19].由表10可知，试验开始后，伞房决明的MDA含量随着胁迫时间和处理浓度的增加而增加.说明在受到重金属锌胁迫后，植物体内活性氧代谢平衡被打破，产生大量的自由基，自由基通过膜脂过氧化反应对细胞造成伤害，使细胞膜的整体性发生变化，从而干扰细胞内正常的生命活动，锌的浓度越高，这种干扰活动越大.

综上所述，在低浓度的锌胁迫下，伞房决明的自我调节能力较强，叶绿素含量、净光合速率、电子传递速率、可溶性糖含量和可溶性蛋白含量增加，植物内部光合作用和代谢活动更活跃，植物对于光能捕获、转换与固定能力上升，细胞渗透调节能力增强，植物依靠自身的保护酶系统的调节在形成重金属自我抵御机制的同时，促进了自身的生长.在高浓度锌胁迫下，伞房决明的Fo值、MDA含量持续上升，正常生理代谢受到抑制，虽然高浓度锌胁迫下，植物叶片POD活性增加，激发了植物的保护酶系统，但渗透调节能力和光合转化能力下降严重，植株仍受迫害严重，甚至出现植株个体死亡的情况.

由此表明，伞房决明对锌胁迫表现出较强的抗性，在低浓度锌胁迫下，伞房决明的自身调节和恢复能力较强，而高浓度的锌胁迫则对植物的生长产生了毒害作用.植物对重金属土壤的适应较为复杂，不仅与土壤重金属含量有关，同时也与个体生长状态有关.本试验研究了在不同浓度锌胁迫下，伞房决明的抗性以及生理适应机理，至于重金属锌在伞房决明体内的吸收情况如何，是否是一种潜在的超富集植物，还有待进一步研究.