喷施SA和Pro对白桦光合特性及转移Cd的效应

赵串串, 熊梦琪, 温怀峰, 王 雪, 张楚朋, 张开宇, 何家梁, 王星宇

(陕西科技大学 环境科学与工程学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

1984年，联合国环境规划署提出12种具有全球性意义的危险化学物质，其中Cadmium(Cd)被列为首位.Cd作为毒性最大的元素之一，对土壤生物活性、动植物新陈代谢以及人类健康有极大的风险，且具有强而不可逆转的积累趋势.研究表明，植物长期暴露于Cd环境下，导致Cd通过根系从土壤进入植物体内，破坏叶绿体的结构，同时阻碍叶绿素的合成[1,2]，使叶绿素含量显著减少[3]，减弱植物光合作用；进而影响植物生长[4].基于外源强化措施[5,6]，使植物保持较高的光化学效率，提高其对Cd的富集转移能力，是植物修复效应的关键技术[7].

水杨酸(SA)[8]是一种广泛存在于植物体内的内源性植物激素，能够通过改变Cd在样株各器官的分布，通过矿质元素调节诱导样株形成一定的抗逆性，实现缓解Cd(浓度6 mg/kg)对样株的毒性，促进光合生长.脯氨酸 (Pro)是植物体内水溶性最大的氨基酸，是干旱、高温、高盐、冰冻、紫外光照射和重金属等逆境胁迫下植物体内积累的主要渗透调节物质[9].目前,外源SA和Pro在小麦、玉米[10]和番茄[11]等作物方面研究较多.木本植物具有生物量大、根系发达、对Cd耐性好、经济可行等优势，将其应用于Cd污染土壤的修复具有良好的前景[12].研究表明，白桦 (BetulaPlatyphyllaSuk.)对逆境胁迫具有较好的适应性和较强的调控能力[13].本文以2 年生白桦为研究对象，通过盆栽试验，探究Cd处理下外源水杨酸 (SA)和脯氨酸(Pro)对白桦 (BetulaPlatyphyllaSuk.) 幼苗光合与转移Cd的影响.

1 实验部分

1.1 研究对象

试验材料2年生白桦幼苗采自青海省门源县仙米林场.2019年3月上旬采集后，将其栽种于直径15 cm、高25 cm的塑料盆中，土壤质量约5 Kg，每盆3株幼苗.土壤采集于陕西科技大学试验区，室内自然风干10 d，去除杂质，研磨过100目筛得供试土样.取适量土样测定理化性质，结果如表1所示.

表1 供试土壤理化性质测定结果

苗木移栽后，每周对所有供试植株统一浇蒸馏水，消除水分胁迫的影响，20天后选择长势均匀的盆栽苗木进行Cd胁迫处理和外源处理.外源喷施每周一次，每周日傍晚给样株叶面喷施等量的去离子水或不同浓度的外源物，以叶面刚好完全打湿为标准，每次对所有供试植株进行统一管理，采用重量差减法使各处理组保持相同的土壤含水量.

1.2 实验处理及仪器

将CdCl2·2.5H2O(AR)与去离子水配成母液，然后稀释成所需的处理浓度，施入相应的盆栽土壤中.设定土壤Cd浓度为10 mg/kg，SA和Pro处理浓度设定为0.1 mmol/L、0.5 mmol/L和1 mmol/L 3组，分别记为10 Cd、10+0.1 SA、10+0.5 SA、10+1 SA、10+0.1 Pro、10+0.5 Pro、10+1 Pro.共7组处理，每个处理设定3个重复.采用LI-6400XT(LI-COR Inc.,Lincoln,Nebraska,USA)测定光合作用气体交换参数.胁迫10周后于09∶00～11∶30时段进行测定.实验前选取大小相似，长势相近的叶片3枚作为实验样本，每片树叶测定3次.

1.3 实验方法

采用LI-6400XT便携式光合作用快速测定仪，基于标准透明叶室(type 6400-00)测定气体交换参数.将分析头夹在叶片合适位置，使叶片充满叶室，待数据稳定后，记录主要气体交换参数：净光合速率(Pn)，气孔导度(Gs)，胞间CO2浓度(Ci)，蒸腾速率(Tr).

白桦叶片叶绿素含量测定依据Elsayed等[14]采用分光光度法测定白桦叶片的叶绿素a和叶绿素b.

实验结束后将白桦收获后洗净，在105 ℃ 下杀青30 min后，在60 ℃下烘干至恒重.使用分析天平分别测定白桦地上部分和根样品的重量后将其破碎.Cd含量的测定采用火焰原子吸收法.白桦对Cd的转运系数(Translocation factor，TF)[15]、耐受性指数(TI)[16]和累积量通过公式(1)～(3)进行计算：

(1)

(2)

W=Ci*Dw

(3)

式(1)～(3)中：TF为转运系数；Cs和Cr分别为植物地上部分和根系部分Cd含量，μg/ mg；TI为植物对镉的耐受性指数，%；Wf1和Wf0分别为处理组和对照组植物的平均鲜重，mg；W为累积量，μg；Ci为植物体内Cd的含量，μg/ mg；Dw为植物干重，mg.

1.4 数理统计与分析

数据表示为平均值±标准误差.采用SPSS20.0软件进行数据分析，以P<0.05水平进行单因素方差分析(Analysis of variances)(ANOVA)，用Origin 8.6进行绘图.

2 结果与讨论

2.1 喷施SA和Pro对白桦叶片光合气体交换参数的影响

外源喷施处理对白桦苗木光合气体交换参数的统计分析如表2所示.由表2可知，与单独Cd处理相比，外源喷施处理显著提高了白桦叶片光合相关参数指标；外源喷施c(SA)为0.5 mmol/L下，桦树叶片Pn较对照组显著提高10.05%，Gs显著提高31.58%.单因素方差分析表明，外源喷施SA处理作为独立因子时对光合参数均有显著影响，显著促进了Pn、Gs和Tr的上升，降低了Ci值.外源Pro喷施处理作为独立因子时显著促进了Pn和Gs的上升，降低了Ci值；仅对Tr无显著影响.

2.2 喷施SA和Pro对白桦生物量及TI的影响

喷施SA和Pro对白桦生物量的影响如图1所示.由图1可知，喷施SA和Pro显著增大了白桦地上部分的生物量(P<0.05).10 mg/kg Cd处理下，当喷施0.5 mmol/L SA和Pro时，白桦地上部分生物量达到最大为24.13 g和23.66 g，较10 Cd分别增大了11.50%和9.32%.SA和Pro对白桦根部生物量的促进效果整体较弱，10 mg/kg Cd处理下，仅当喷施0.5 mmol/L SA时，白桦根部的生物量达到最大为7.779 g；其它处理均无显著变化(P<0.05).

(a)地上部分生物量

(b)根部生物量图1 喷施SA/Pro对白桦生物量的影响

SA/Pro能调节气孔导度，促进叶片碳的羧化作用，提高水分利用效率，从而提高植株生长量的累积[17].学术界对于光合速率的限制[18]主要归因于气孔因素和非气孔因素两个因素气孔限制，气孔因素是由部分气孔关闭导致，而非气孔因素是由光合活性下降导致[19].本研究中，10 mg/kg Cd处理属于气孔因素限制，气孔作为空气和水蒸气的通路，在碳同化、呼吸、蒸腾作用等气体代谢中起到关键作用[20].分析原因，喷施SA和Pro，可能是减弱了白桦幼苗生长期的光合午休现象，缓解了气孔限制因素，促进生物量的积累.

喷施SA和Pro对白桦TI的影响如图2所示.由图2可知，各组处理下白桦干重的耐受性指数均大于1，即表示各组处理均有利于白桦的生长.其中，10 mg/kg Cd处理下，当喷施0.5 mmol/L SA和Pro时，白桦的TI最大为1.16和1.10，较10 Cd处理增大了11.54%和5.77%.韩鹰等[21]研究了路易斯安娜鸢尾对重金属镉的吸收和转运，明确了SA预处理可明显缓解重金属对样株的伤害，发现矿质元素的积累调节是其毒害缓解和促进转移的重要原因.

图2 喷施SA/Pro对白桦TI的影响

表2 喷施SA/Pro对白桦气体交换参数的影响

2.3 喷施SA和Pro对白桦叶绿素含量影响

喷施SA和Pro对白桦叶绿素含量的影响如图3所示.由图3可知，喷施SA和Pro使白桦叶绿素含量显著增多(P<0.05).10 mg/kg Cd处理下，喷施SA和Pro处理，白桦叶绿素含量显著增多(P<0.05).当喷施0.5 mmol/L SA和Pro时，白桦叶片叶绿素a含量较10 Cd单独处理分别增多了11.71%和9.76%；白桦叶片叶绿素b含量较10 Cd分别增多了9.79%和8.54%.

(a)叶绿素a含量

叶绿素参与光合作用中光能的吸收、传递和转化，在植物光合作用中起着关键性的作用[22].本研究中10 mg/kg Cd处理，喷施SA和Pro，叶绿素含量均有显著增高.说明外源物SA和Pro有助于维持白桦叶片叶绿素含量及其构成的稳定性，可能是外源物维持了类囊体膜的稳定性，优化了光合电子传递途径，从而提高了能量利用效率.这与高明远等[23]在白榆幼苗上的研究结果基本一致.

2.4 喷施SA和Pro对白桦体内Cd分布影响

喷施SA和Pro对白桦体内Cd分布的影响如图4所示.由图4可知，10 mg/kg Cd处理单独处理下，白桦地上部分Cd含量仅为36.56%；喷施SA和Pro后，白桦地上部分Cd含量占比显著增加(P<0.05)，其中当喷施0.5 mmol/L SA和Pro时，白桦地上部分Cd含量占比达到最高为70.86%和69.71%.分析原因，外源物喷施使得样株地上部分Cd含量均高出根部含量，有效促进Cd从根部向地上的转移.与Drazic等[8]对大豆幼苗的研究结论一致，SA是通过改变Cd在样株各器官的分布实现缓解效应.

2.5 喷施SA和Pro白桦Cd转运系数的影响

喷施SA和Pro对白桦TF的影响如表3所示.由表3可知，白桦对Cd的TF随着SA和Pro处理浓度的增大呈先增大，后减小的趋势.10 mg/kg Cd处理下，当喷施0.5 mmol/L SA和Pro时，白桦的TF也达到了最大值为2.46和2.30，较10 Cd分别提高了3.24和2.97倍.

Drazic等[8]报道了SA缓解Cd(6 mg/kg)胁迫对大豆幼苗的研究，SA能促进大豆对Cd的吸收和转移.张永超等[24]认为重金属主要积累在植物地下部分，向地上部分转移的量较低.本研究中，喷施SA和Pro后，白桦地上部分Cd含量占比显著增加(P<0.05).当喷施0.5 mmol/L SA和Pro时，白桦地上部分富集的Cd含量达到最大，分别为61.34和54.50 mg/kg；白桦地上部分Cd含量占比达到最高，分别为70.86%和69.71%.

2.6 喷施SA和Pro白桦对Cd累积量的影响

喷施SA和Pro对白桦Cd累积量的影响如表4所示.由表4可知，喷施SA和Pro使白桦Cd累积量显著增大(P<0.05).其中，10 mg/kg Cd处理下，当喷施0.5 mmol/L SA时，单株白桦幼苗Cd累积量最高为1676.45μg，较10 Cd单独处理提高了2.29倍；当喷施0.5 mmol/L Pro时，单株白桦幼苗Cd累积量最高为1 447.75μg，较10 Cd单独处理提高了1.84倍.分析原因，喷施SA和Pro，显著增加了白桦样株Cd地上部分的含量，实现其对Cd的吸收和转移.

表3 喷施SA和Pro对白桦TF的影响

表4 喷施SA和Pro对单株白桦幼苗Cd累积量(μg)

3 结论

(1)10 mg/kg Cd处理对白桦幼苗无显著胁迫现象，本研究中影响光合速率的因子主要是气孔因素.喷施SA和Pro后，白桦幼苗叶片的Gs和Pn显著提高；Ci显著降低；地上部分Cd占比显著增加(P<0.05).与单独10 mg/kg Cd处理组相比，喷施SA和Pro显著增加了白桦样株Cd地上部分的含量(P<0.05).

(2)当喷施0.5 mmol/L SA和Pro时，白桦地上部分富集的Cd含量达到最大值为61.34 mg/kg和54.50 mg/kg；白桦的TF呈现最大值为2.46和2.30，较10 Cd单独处理分别提高了3.24和2.97倍.SA和Pro可有效调控白桦幼苗叶片的光合特征参数，使得幼苗能够维持较高的光化学效率，Cd呈现较好的转移效应.