硅对镉胁迫下烟草叶片PSⅡ叶绿素荧光特性的影响

罗丽娟，唐莉娜，陈星峰，李 延*

1. 福建农林大学资源与环境学院，福州市仓山区洪山桥上下店路15 号 350002

2. 福建省土壤环境健康与调控重点实验室，福州市仓山区洪山桥上下店路15 号 350002

3. 福建省烟草公司烟草科学研究所，福州市五四北路306 号 350003

镉是生物毒性最强的重金属元素之一，迁移性强，是我国耕地土壤重金属污染最主要元素[1]，其超标率居土壤无机污染物的第一位[2]。镉可通过食物链进入人体，并在人体中积累进而对人体产生危害。由于烟草对镉的吸收富集能力强[3]，而烟草体内的镉主要来源于土壤[4]，因此土壤镉污染会导致烟草产量和品质降低[5]。研究表明，镉可通过烟气进入人体，人体中镉含量会随吸烟年限的增加而提高[6]。因此，镉污染对烟草生长的影响研究被广泛关注。硅是土壤和地壳中含量最丰富的元素之一，作为高等植物中重要的无机组成成分，被公认为植物体的有益元素。大量研究表明，硅可通过改善植物光合性能来提高植物对逆境胁迫（重金属[7-9]、盐胁迫[10]、干旱[11]）的抗性。近年来，已有研究发现，施硅可以缓解镉胁迫对植物叶片光系统Ⅱ的影响，高雨等[12]研究提出，施用硅酸钠可以提高镉胁迫下铺地竹对光能的吸收利用能力，维持较高的电子传递速率，缓解光抑制作用，但该研究未排除硅酸钠的加入，引起介质pH 升高对镉毒性的影响。冯建鹏[13]研究表明，施用硅素可提高镉毒害下黄瓜幼苗的光反应中心活性，但该试验中利用硫酸来调节营养液的pH，不能排除调节pH 时SO42-的加入对镉有效性的影响，因有研究表明硫可以提高植物对镉胁迫的耐性[14]。上述研究结果均不能准确反映硅能提高镉胁迫下的植物PSⅡ反应活性这一观点。而目前有关硅对镉胁迫下烟草PSⅡ荧光参数的影响鲜见报道。因此，通过水培试验，利用叶绿素荧光动力学技术分析了硅对镉胁迫下烟草叶片PSⅡ的影响，探讨硅在缓解烟草镉胁迫下的光合生理机制，以期为烟草合理施用硅肥、防治镉污染提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验设置在福建农林大学资源与环境学院盆栽房（自然光、温条件）。参照郑明瑜等[8]的试验方案，以云烟87 为供试烟草品种进行室内水培试验，选取基质育苗6 叶龄且长势一致的烟苗，将烟苗根系洗净后，移栽至装有9 L Hoagland 完全营养液的聚乙烯塑料桶中，用具孔的塑料板通过海绵固定烟苗，每桶种植4 株，培养3 周后间苗至2 株，同时进行镉、硅处理。在前期预备试验的基础上，设置5 个处理，分别为对照（CK）、0.05 mmol·L-1Cd2+（Cd0.05）、0.10 mmol·L-1Cd2+（Cd0.10）、0.05 mmol·L-1Cd2++1.00 mmol·L-1SiO2（Cd0.05+Si）、0.10 mmol·L-1Cd2++1.00 mmol·L-1SiO2（Cd0.10+Si），每处理3 次重复，每重复2 株烟苗。以CdCl2·2.5H2O 作为镉源，K2SiO3作为硅源，K2SiO3引入的钾离子通过调节营养液中KNO3浓度来消除，而由此引起的NO3-损失用1 mol·L-1HNO3补充，使各处理的氮、钾离子浓度保持一致。试验期间采用电动泵每隔2 h 通气1 h，每2 d 用1 mol·L-1HCl、1 mol·L-1NaOH 调 节pH，使营养液pH 保持在6.0±0.2 范围内。

1.2 测定方法

烟株生长至团棵期时，选取烟株从上往下数的第4 片叶，参照吴敏兰等[15]的方法测定叶绿素荧光参数，采用英国Hansatech 公司的Handy PEA植物效率仪测定叶绿素荧光参数，并记录叶绿素荧光诱导动力学曲线的快相部分。

1.3 数据处理

用Handy PEA 植物效率仪自带的软件PEA Plus 1.0 将测定各个处理的荧光数据导入Excel 表，参照Han S 等[16]的方法计算荧光参数，见表1。并利用Excel 表和SPSS 19 软件进行数据处理与分析。其中，利用SPSS 19 软件进行单因素方差分析和数据间差异的显著性比较（Duncan 法），显著性水平为P＜0.05。

2 结果与讨论

2.1 硅对镉胁迫下烟草叶片叶绿素荧光诱导动力学曲线的影响

将经过充分暗适应的叶片突然暴露在可见光下，会呈现荧光随时间变化的曲线，该曲线一般包含O、I、J、P 4 个特征位点，即快速叶绿素荧光诱导动力学曲线（OJIP 曲线）。OJIP 曲线可直观反映植物受到逆境伤害的程度[17]。如图1 所示，镉胁迫下烟草叶片OJIP 曲线发生变化，J-I-P 相降低，最大荧光值下降，Cd0.10处理出现K 相升高；图2显示，镉胁迫下最小荧光值（Fo）显著降低，表明镉胁迫下烟草叶片光合机构受到破坏。加入硅处理后，曲线O-I-P 相荧光值升高，接近CK 水平，Cd0.10+Si 处 理 的 曲 线K 相 消 失，Fo恢 复 到CK 水平。表明硅处理可以缓解镉对烟草叶片光合机构的影响。

图1 硅对镉胁迫下烟草叶片快速叶绿素荧光诱导动力学曲线的影响Fig.1 Effects of silicon on fast chlorophyll fluorescence induction dynamics curve of tobacco leaves under cadmium stress

图2 硅对镉胁迫下烟草叶片初始荧光值和最大荧光值的影响Fig.2 Effects of silicon on Fo and Fm of tobacco leaves under cadmium stress

表1 快速叶绿素荧光诱导动力学曲线OJIP 分析中使用的荧光参数及定义Tab.1 Fluorescence parameters and definitions used in fast chlorophyll fluorescence induction dynamics curve（OJIP）

2.2 硅对镉胁迫下烟草叶片可变荧光和光化学效率的影响

由表2 可知，与CK 相比，Cd0.05和Cd0.10处理的可变荧光（Fv）分别降低了4.48%和11.03%，差异显著；Cd0.05处理的最大光化学效率（Fv/Fm）和潜在光化学效率（Fv/Fo）差异不明显，Cd0.10处理的Fv/Fm和Fv/Fo显著降低。表明较低镉浓度处理对烟草叶片光化学效率的影响不明显，而较高镉浓度处理导致烟草叶片光化学效率受到抑制。Fv/Fm在Cd0.05处理时变化不大，但Fv和Fm的变化显著，这可能是由于部分叶绿体超微结构的改变引起的。有研究表明，类囊体发生肿胀、高度破坏，光合合成单位及膜结合电子传递进程也会受到破坏，即使Fv/Fm没有或很小变化，初始荧光参数也会受到叶片结构状态的影响[18]。加硅处理后，Fv较胁迫处理显著增加，Fv/Fm和Fv/Fo在Cd0.05+Si 处理时略有上升，在Cd0.10+Si 处理时显著增加，这可能是由于加硅处理使叶绿体超微结构变得完整[9]，提高了烟草叶片Mg 的含量[19]，使镉胁迫条件下烟草叶片的光合色素含量增加[8]，进而有利于光化学效率的提高。

2.3 硅对镉胁迫下烟草叶片PSⅡ供体侧的影响

相对可变荧光ΔVt的分析结果（图3）表明，镉胁迫下，在0.3 ms 特征位点处出现K 相的正向升高（ΔK＞0），叶绿素荧光值增加明显，K 相的出现主要是由于电子传递链中水的裂解过程被抑制和电子初级醌受体（QA）部分被抑制所造成的，可以作为放氧复合体（OEC）受损的特殊标记[20]。也表明从Cd0.05处理到Cd0.10处理，叶片PSⅡ供体侧受到的伤害程度逐渐增加，逐渐减弱了向下游提供电子的能力。加硅处理后，相对可变荧光ΔVt的变幅明显减小，Cd0.05+Si 处理在0.3 ms 处的叶绿素荧光产量与对照相比无明显变化，Cd0.10+Si 处理在0.3 ms 处的叶绿素荧光产量略高于对照。这说明加硅处理可以缓解镉胁迫下电子从QA向QB传递的抑制作用，有利于维持放氧复合体的稳定性，且Cd0.05+Si 处理的效果好于Cd0.10+Si 处理。

K 相相对可变荧光（Vk）、放氧复合体（OEC）也可以反映PSⅡ供体侧的受损程度[21-22]。由表3 可知，与CK 相 比，Cd0.05和Cd0.10处 理 的Vk分 别 增 加11.76%和57.55%，OEC 分别降低5.10%和23.70%，差异均达到显著水平，表明镉处理使PSⅡ供体侧受到伤害，且随着镉浓度的增加，伤害程度提高。这可能是由于锰簇复合体从放氧复合体上裂解出来[17]，导致水裂解系统受抑制，干扰了PSⅡ上放氧复合体的机能发挥[23]。与不加硅处理相比，Cd0.05+Si 处理和Cd0.10+Si 处理的Vk分别降低11.39%和28.74%，OEC 分别提高5.58%和24.77%，差异达显著水平。这可能是由于硅可以促进植物对Mn 的吸收[19，24]。而Mn作为放氧复合体的组成成分[25]，其含量的提高有利于放氧复合体的结构恢复，降低受损程度，使水裂解反应正常进行，从而减轻了镉胁迫对烟草叶片PSⅡ供体侧的伤害。

2.4 硅对镉胁迫下烟草叶片PSⅡ受体侧的影响

由图4 可知，镉胁迫下，烟草叶片PSⅡ受体侧受到伤害，电子传递发生变化。镉胁迫下的J 相相对可变荧光（VJ）和QA还原速率（Mo）较CK 分别增加7.09%～31.70%和11.45%～57.30%，受体库容量（Sm）在Cd0.05处理时变化不明显，而在Cd0.10处理时明显降低。烟草叶片电子传递到电子传递链QA-下游的电子的概率（ψo）和用于电子传递的量子产额（φEo）分别降低4.46%～19.91%和4.29%～20.19%，说明镉胁迫下电子传递受到抑制。这可能是由于叶绿体是植物产生活性氧的重要部位，在镉胁迫下导致叶绿体内活性氧含量增加，活性氧会攻击叶绿素和PSⅡ反应中心的D1蛋白，从而影响光合电子的传递，损伤光合机构[22]。镉胁迫下加硅处理，可以缓解烟草叶片PSⅡ受体侧受到伤害。在0.05 mmol·L-1镉浓度下，各参数与CK 没有明显差异，在0.10 mmol·L-1镉浓度处理下，VJ和Mo得到有效恢复，Sm、ψo和φEo与CK 差异不明显。这表明硅可以减轻镉胁迫对PSⅡ受体侧的伤害，缓解镉对烟草叶片电子传递的抑制作用。其原因可能是加硅处理提高了酶活性，降低活性氧含量[24，26]，缓解膜脂过氧化程度，减轻活性氧对类囊体膜和PSⅡ反应中心D1蛋白的损伤所致。

表2 硅对镉胁迫下烟草叶片可变荧光和光化学效率的影响①Tab.2 Effects of silicon on variable fluorescence and photochemical efficiency of tobacco leaves under cadmium stress

图3 硅对镉胁迫下烟草叶片相对可变荧光ΔVt的影响Fig.3 Effects of silicon on relative variable fluorescence ΔVt of tobacco leaves under cadmium stress

表3 硅对镉胁迫下烟草叶片PSⅡ供体侧参数的影响Tab.3 Effects of silicon on PSⅡdonor side parameters of tobacco leaves under cadmium stress

2.5 硅对镉胁迫下烟草叶片PSⅡ反应中心的影响

2.5.1 烟草叶片PSⅡ反应中心数量

如 图5 所 示，与CK 相比，Cd0.05和Cd0.10处 理 的烟草叶片单位面积PSⅡ有活性的反应中心数量（RC/CSo）分别降低8.76%和23.81%，表明镉处理使烟草叶片PSⅡ有活性的反应中心数量显著减少，阻碍了反应中心色素分子对光能的吸收转化；而加硅处理后，RC/CSo显著提高，与不加硅处理相比，Cd0.05+Si 和Cd0.10+Si 处理分别提高8.80%和24.35%。这表明施用硅可增加单位面积有活性的PSⅡ反应中心的数量，有利于反应中心色素分子对光能的吸收利用。

2.5.2 烟草叶片单位PSⅡ反应中心能量流参数

由表4 可知，镉胁迫下，单位反应中心对光能的吸收（ABS/RC）、捕获（TRo/RC）以及耗散（DIo/RC）增加，与对照相比，Cd0.05处理的ABS/RC、TRo/RC 和DIo/RC 分别上升4.00%、4.13%和3.01%，差异不明显，而Cd0.10处理的ABS/RC、TRo/RC 和DIo/RC分别上升20.35%、19.31%和25.56%，差异达到显著水平。单位反应中心用于电子传递的能量（ETo/RC）在镉胁迫下降低，与对照相比，Cd0.05处理降低了0.44%，差异不明显；Cd0.10处理降低了4.52%，差异达到显著水平。这种变化趋势与孟力力等[27]的试验结果一致，这可能是PSⅡ反应中心发生了可逆失活，形成一个能量陷阱，能够吸收光能，但不能用于推动电子传递[20]。进而也导致单位反应中心用于热耗散的能量（DIo/RC）增加，说明烟草叶片PSⅡ反应中心的防御机制在镉胁迫后启动，以热能和荧光的形式将叶片中剩余的激发能耗散掉，造成烟草叶片对光能的利用率降低。加硅处理后，ABS/RC、TRo/RC 和DIo/RC 降低，ETo/RC 提高。Cd0.05+Si 处理下的各参数较Cd0.05处理略有提高，差异不明显；Cd0.10+Si 处理较Cd0.10处理的ABS/RC、TRo/RC 和DIo/RC 分别降低13.78%、12.91%和18.16%，ETo/RC 提高3.33%，差异达到显著水平。这表明加硅处理可以提高用于电子传递的能量，减少因热耗散而损失的能量。

图4 硅对镉胁迫下烟草叶片PSⅡ供体侧、受体侧参数值相对于对照组数值百分比的影响Fig.4 Percentages of parameter value of PSⅡdonorand acceptor-side in tobacco leaves under cadmium stress comparing to the control

图5 硅对镉胁迫下烟草叶片RC/CSo的影响Fig.5 Effects of silicon on RC/CSo of tobacco leaves under cadmium stress

表4 对镉胁迫下烟草叶片单位PSⅡ反应中心能量流参数的影响Tab.4 Effects of silicon on energy fluxes per PSⅡreaction center of tobacco leaves under cadmium stress

2.6 硅对镉胁迫下烟草叶片PSⅡ性能指数的影响

光合性能指数PIabs反映了PSⅡ系统的整体功能，包含了3 个独立参数：RC/ABS、ψo和φPo，可以更准确地反映植物光合机构的状态[27-28]。从图6可知，镉胁迫下PIabs极显著降低，与CK 相比，Cd0.05处理的PIabs降低13.48%，Cd0.10处理降低51.65%，表明PSⅡ系统结构和功能受到损害。而加硅处理后，Cd0.05+Si 处理的PIabs较Cd0.05处理增加17.58%，Cd0.10+Si 处理较Cd0.10处理增加76.30%，差异达到显著水平。这表明加硅处理可提高烟草叶片PSⅡ系统的整体性能，有利于光合作用的进行。

3 结论

在室内（自然光照和温度）水培试验条件下，试验结果表明：①镉胁迫可导致快速叶绿素荧光诱导动力学曲线发生变化，Fo和最Fm显著降低，Cd0.10处理出现K 相。Fv/Fm和PIabs降低，光合机构受到破坏；加硅处理后，荧光动力学曲线基本与对照重合，Fv/Fm和PIabs提高，可减轻光合机构受到的破坏。②镉胁迫下烟草叶片PSⅡ供体侧和受体侧受到破坏，向下游提供电子的能力减弱，阻碍光合电子传递；加硅处理可以缓解烟草叶片PSⅡ供体侧和受体侧受到破坏，有利于光合电子的传递。③镉胁迫可使单位PSⅡ反应中心数量减少，能量流参数发生变化，使更多的能量用于热耗散；加硅处理可增加单位PSⅡ反应中心数量，优化能量流参数，使更多的能量用于电子传递，缓解镉对光合机构的伤害，增强烟草对镉胁迫的抗性。

图6 硅对镉胁迫下烟草叶片性能指数（PIabs）的影响Fig.6 Effects of silicon on performance index (PIabs) of tobacco leaves under cadmium stress