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【竹柳技术:处理对5个柳树无性系气体交换参数及叶绿素荧光参数的影响】

中国竹柳树网 竹柳树网 青泓福农林科技 时间:2014-07-21 09:27:15 热度: 加入收藏

 

 中国柳树   时间:2014年07月21日   来源:中国竹柳树网

 

 

竹柳技术:处理对5个柳树无性系气体交换参数及叶绿素荧光参数的影响

 

   【中国竹柳树讯】 高建欣,张文辉#,王校锋  天津师范大学生命科学学院,天律市动植物抗性重点实验室,摘要:该实验以筛选的速生、抗逆性强的5个柳树无性系(‘竹柳’、‘苏柳172’、‘苏柳795’、‘旱快柳’、‘旱柳’)一年生扦插幼苗为试验材料,设置对照、轻度〔30mg·L-1、中度〔60 mg·L-1〉和重度(如90mg·L-1)4个重金属Cd2+处理水平,通过水培方式探究Cd2+对各柳树无性系气体交换参数、荧光参数及叶绿素含量的影响。结果显示(1)在Cd2+浓度为30mg·L-1时,导致‘苏柳172’、‘苏柳795’和‘旱快柳’净光合速率降低的原因主要是气孔因素;当Cd2+浓度≧60 mg·L-1时,‘苏柳172’、‘苏柳795’、‘旱快柳’及‘竹柳’净光合速率下降的主要原因是非气孔因素,而‘旱柳’在整个Cd2+胁迫过程中净光合速率下降的因素均属于非气孔限制型。(2)整个胁迫过程中,‘苏柳172’、‘苏柳795’、‘旱快柳’和‘旱柳’叶片叶绿素含量和Chl a/Chl b值与对照相比均呈下降趋势,而竹柳先上升后下降至低于对照水平。〔3)随着Cd2+胁迫程度的增加,叶片PSⅡ最大光化学量子产量(Fv/Fm)和光化学淬灭整体呈下降趋势,非光化学淬灭系数(NPQ)呈逐渐上升的趋势,而表观光合电子传递速率(ETR)先增加后下降,但5个柳树无性系叶绿素荧光参数的变化幅度以‘竹柳’最小,‘旱柳’最大。研究表明,5个柳树无性系均能在Cd2+浓度为30mg·L-1的培养液中正常生长,且竹柳的光合作用较对照有略微增加,且在90mg·L-1浓度下各无性系生长虽受到抑制但仍能存活,说明它们对重金属Cd2+胁迫都有一定的耐受性,并以‘竹柳’的耐受性最强。


关键词:柳树;Cd2+胁迫;气体交换参数:荧光参数
中图分类号:Q945.1文献标志码:A

 

近年来,随经济的迅猛发展,Cd2+污染越来越严重,其主要来自于重工业废气、废水、废渣的排放,并且Cd2+污染具有强移动性、隐蔽性、长期性和不可逆转性等特点,是自然界土壤污染中危害性较大的重金属之一,尤其是在被污染土壤上种植农作物蔬菜,对人类健康造成极大的威胁,所以,利用植物净化土壤Cd2+污染成为当前热点问题。土壤中Cd2+对植物同样产生危害,植物大量吸收后能产生各种生理毒害反应,如细胞膜的破坏,叶绿体、线粒体等细胞器结构与功能的改变,抑制光合及呼吸过程,降低的活性,刺激活性氧的形成而造成氧化胁迫,影响植物的生理代谢活动等。大部分研究表明低浓度Cd2+处理可促进植物的生长,但是随着Cd2+浓度的上升,则会抑制植株的生长,甚至导致植株的死亡。


柳属中的一些速生种类或者无性系具有速生性强、极易繁殖、木材用途广、容易处理等特点,是优良的土壤修复木本植物。国内外已有许多研究证实柳属的一些种类或无性系具有修复2Zn,Cu,Cd、Hg等重金属污染的功能。西北农科技大学张文辉等从2004年引进瑞典能源柳,并引种全国初步筛选柳属速生种类或无性系,然后在陕西杨凌、延安同一生境条件作进一步筛选,发现竹柳、‘苏柳172’、‘苏柳795’、旱快柳是综合较为优良的类型。

 

光合作用是植物最为重要的生理过程和物质生产基础,对植物光合特性的深入研究将有利于解释和预测内外因子如何影响植株的生长、发育及物质生产过程的能量吸收、固定、分配与转化作用。相关研究证明,在逆境条件下,许多植物的生长发育和生理生态过程都与其光合能力息息有关因此,研究重金属胁迫对植物光合特征的影响,将为探讨重金属胁迫与植物生长和代谢的关系提供了重要依据,也对了解植物耐重金属特性具有重要意义。以往关于柳属植物对重金属的吸附及耐受机理方面的研究,主要集中在重金属胁迫条件下保护酶活性、渗透势等生理生态指标测定及其评价方面〔15?,而对其光合特性方面的涉及比较少。本试验以竹柳、‘苏柳172’、‘苏柳795’、旱快柳、旱柳等5个柳树无性系一年生扦插幼苗为研究对象,通过水培方式测定重金属Cd2+胁迫对它们的光合和荧光参数的影响,分析其对胁迫的耐受性机理,为柳树在城市绿化及土壤修复方面的应用提供理论参考。


1材料和方法


1.1实验材料
供试材料为竹柳、‘苏柳172’、‘苏柳795、旱快柳和旱柳无性系一年生杆插幼苗,其中的旱柳作为对照,其余4种为从西北农林科技大学引进的速生柳


1.2材料培养
试验于2012年11月下旬进行,从苗圃中剪取基茎和高度基本一致的一年生苗木,留取中部1/3,剪成长15cm、直径1cm的插穗,放入4℃恒温冰箱中,备用。2012年12月上旬进行水培,容器为长50 cm、宽40cm、高20cm的塑料盆,盆内盛12 L培养液,用泡沫固定插穗,每盆选取各无性系插穗3根,每个处理浓度3盆,即每个处理浓度15株。扦插后先用1/2Hoagland养液培养3D然后加入不同浓度的Cd(N03)2·2.5 H2 O溶液进行处理,通过查阅大量相关文献以及做预试验,确定Cd2+处理浓度水平依次是:0.30(轻度)、60(中度)、90(重度)mg·L-1。处理过程中,每盆中置2个小水泵,不间歇地通气,每7 d换培养液1次。期间保持日温为(22土2)℃X:,夜温为(15土2)℃。日光照时间为14 h,黑暗时长为10h,相对湿度75%?80%。在天津师范大学温室内培养40d后进行相关指标测定。


1.3測定指标及方法

1.3.1气体交换参数胁迫处理40 d后(1月上旬),在8:00?16:00用Li-6400便携式光合系统Li-COR Inc,USA)测定各柳树无性系成熟叶片的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度。每2 h测定1次,测定时段光照强度及温室内温度变化见图1。

 

1.3.2叶绿素荧光参数胁迫处理40d后,用Li-COR公司生产的Li-6400光合系统配套的荧光叶室测定叶片荧光参数。待测叶片暗适应20 min后,先用一束弱检测光(<0.5μmol·m-2·s-1)照射,测定初始荧光(Fo),再照射饱和脉冲光〈6 000μmol·m-2·s-1,.0.8s)测定最大荧光(Fm);然后,用活化光连续照射30min,得到稳态荧光(Fs),加上一个强闪光,获得光适应下最大荧光(Fm′),再用远红光测量光适应条件下的最小荧光(Fo′)。然后计算可变荧光(Fv=Fm一Fo),PSⅡ最大光能转化效率[Fv/Fm=(Fm一Fo)/Fm]、光化学碎灭[qP=(Fm′一Fs)/[Fm′一Fo′)]、非光化学碎灭[NPQ=(Fm一Fm′)/Fm)]、表观光合电子传递速率[ETR=фPSⅡ×PFD×0.84×0.5〕等荧光参数。测定时,选取不同Cd2+胁迫下各柳树无性系完全展开健康功能叶(从顶端起第3?5片)进行测定。每株树选取3片健康功能叶,测时做好标记,以便测定叶绿素含量。


1.3.3叶绿素含量各无性系植株叶片的叶绿素含量按照李合生的方法测定。


1.4耐Cd2+性综合评价
试验运用模糊函数隶属法对5个柳树无性系在不同重金属Cd2+胁迫强度下的耐受性进行综合评价式中,X为参试植物某一项参评指标的测定值,Xmax和Xmin分别为该参评指标测定值中的最大值和最小值。若某一指标与耐受性呈负相关,可通过反隶属函数计算其耐受性隶属函数值。

先求出5个柳树无性系在不同胁迫强度下各个参评指标的隶属值,然后把隶属值累加求平均值,最后将每个无性系各参评指标的隶属值累加并求其平均值。


1.5数据统计分析
采用Excel 2003作图。用SPSS 13.0进行数据统计和方差分析,运用Duncan比较法进行平均值间差异显著性检验(a=0.05),并用模糊数学隶属函数法对不同柳树无性系耐性指标进行综合比较。


2结果与分析


2.1 Cd2+胁迫对各柳树无性系根生长的影响


图2显示,柳树根部对重金属Cd2+比较敏感,与对照相比,低浓度Cd2+胁迫已经对柳树无性系根部产生抑制作用;且Cd2+浓度越大对根部造成的伤害越严重,尤其是‘苏柳795’、旱快柳及旱柳在重度胁迫(T3)时,侧根的数量和长度均受到严重影响,而竹柳根生长受到的影响相对较小。可见,各无性系根系生长在不同浓度Cd2+胁迫下均受到明显抑制,但均能在中轻度Cd2+胁迫下生根成活,而竹柳可以在重度Cd2+胁迫下生根,表现出最强的耐性。

 

2.2胁迫下各柳树无性系叶片气体交换参数的变化特征


如图3所示,各柳树无性系净光合速率(Pn)日变化曲线相似,均呈单峰趋势,且在12;00左右出现峰值;Pn。在竹柳中表现为T1>CK>T2>T3,而其余无性系中表现为CK>T1>T2>T3。各无性系叶片的Pn日平均值均随着处理浓度的增加而逐渐下降,并在轻度Cd2+胁迫时(T1)均显著高于对照(P<0.05);竹柳Pn日平均值在中度胁迫下(T2)略高于对照,而其余无性系均显著低于对照;竹柳、‘苏柳172',‘苏柳795'、旱快柳、旱柳无性系Pn日均值均在T3胁迫条件下达到最小值,分别比对照显著降低了36.63%,46.76%.51.99%,38.69%36.69%。由此可以看出,在轻度Cd2+胁迫下,柳树各无性系均能正常进行光合作用,表现出一定的耐性;而竹柳甚至能在中度Cd2+胁迫下进行正常光合作用,且在重度胁迫下受影响程度最低,表现更强的耐镉性。


从图4中可以看出,各柳树无性系蒸腾速率(T1)日变化趋势相似,都呈单峰曲线且在12;00出现峰值,且以竹柳和‘苏柳172’的峰值明显较高;5个柳树无性系的蒸腾速率日均值随着Cd2+处理浓度的增加总体呈下降趋势(表1),并均在T3胁迫条件下达到最小值,竹柳、‘苏柳172',‘苏柳795'、旱快柳和旱柳分别比对照降低了39.01%,47.24%,65.5%,64.35%,64.36%,其中的竹柳和‘苏柳172’显著低于旱柳,说明竹柳对重金属Cdz+的耐受性较强,‘苏柳172’次之。


图5显示,各柳树无性系胞间CO2浓度日变化曲线相似,都表现为早晚高、中午低的趋势;且随Cd2+处理浓度的增加,竹柳、‘苏柳172',‘苏柳795’和旱柳的胞间CO2浓度先下降后上升,而旱快柳则持续增加。竹柳、‘苏柳172’和‘苏柳795’的胞间CO2浓度日变化谷值均出现在12:00左右;旱快柳和旱柳胁迫浓度不同,胞间CO2浓度在一天中出现最低值的时间也不同,旱快柳在Cd2+中度胁迫时最低值出现在14;00左右,而重度胁迫时最低值在12:00左右;旱柳胞间CO2浓度日变化谷值大部分出现在14;00左右,其中重度胁迫最低值在10:00左右。这可能是由于重金属胁迫改变了早快柳和早柳的胞间CO2浓度日变化的格局。另外,各柳树无性系叶片的胞间CO2浓度日均值随着CdZ+浓度的增加而逐渐升高;与对照相比较,旱快柳胞间Cd2+浓度日均值在浓度下均显著升高,而其余无性系在T,处理下显著降低,但在T:和T。处理下则显著升高(表1)。这也在一定程度上说明,较之其他3个柳树,旱快柳和旱柳对重金属Cdz+的耐受性较差。如表1所示,竹柳、‘苏柳172'、旱柳和旱快柳的气孔导度日均值随Cdz+胁迫的增强呈现持续减小趋势,而‘苏柳795’先增加后降低,在低浓度Cdz+胁迫条件下气孔导度略高于对照,但差异不显著。同时,各柳树无性系气孔导度日变化均表现出先上升后下降的变化趋势,且都在12:00左右出现峰值,且以‘苏柳172’的峰值明显较高(图6)。说明低浓度的Cdz+对‘苏柳795’有一定刺激作用,但高浓度对各柳树无性系的气孔导度有显著抑制作用。

 

2.3 Cd2+胁迫对各柳树无性系叶片叶绿素含量的影响随重金属Cdz+胁迫强度的加剧,‘苏柳172',‘苏柳795'、旱快柳和早柳叶片叶绿素a含量、叶绿素b含量和Chl a/Chl b值均呈持续下降趋势,而竹柳表现为先上升后下降趋势(表2>,这与净光合速率日均值的变化趋势一致。T,胁迫条件下,竹柳叶绿素a,b含量和Chl a/Chl b值达到最大值,分别比对照增加了2.600,0.500,2.400,而相同处理下其他4个柳树无性系略低于对照,但均与对照差异不显著(PLO.05)。与CK相比,Chl a含量在竹柳中于T:水平下显著低于CK,而其余无性系均在T,水平显著低于对照;Chl b含量除‘苏柳795’在Tz水平显著低于对照外,其余无性系均在T3水平;Chl a/Chl b在竹柳和‘苏柳795’中各处理水平与CK均无显著差异,其余无性系均在Tz水平就显著低于对照。可见,低浓度Cdz+胁迫可刺激竹柳合成叶绿素,增强植株光合作用,但总体影响不显著;随着重金属Cdz+胁迫强度的继续加剧,5个柳树无性系叶片中Chl a,Chl b含量和Chl a/Chl b值都剧烈下降,均在T。胁迫条件下达到最小值。从叶绿素a和b的比值来看,各无性系在中、高浓度Cdz+处理(60,90 mg"L-')下叶绿素a/b低于对照,说明在Cdz+浓度较高时,叶绿素a受Cdz+的影响比叶绿素b大。另外,就叶绿素含量对锡胁迫的响应而言,竹柳对Cdz+的耐受性较其他无性系更强。2.4 Cd2十胁迫对各无性系叶片叶绿素荧光参数的影响从图,A可知,5个柳树无性系的F}/Fm均随Cdz+胁迫浓度的增加而迅速下降,而竹柳的下降幅度最小,它在Cdz+处理浓度为90 mg"L-‘时比对照下降21.87 0 o,此时‘苏柳172',‘苏柳795'、旱快柳、旱柳分别比对照下降22.6500,24.5900,23.8700,25.4900。其次,T,胁迫水平时,各柳树无性系QP与对照相比均下降,但随着胁迫程度加强(T:和T3处理)各无性系间走势差异较大(图7,B)。其中,竹柳和‘苏柳172’在Tz,Ts胁迫水平下QP相对回升,且‘苏柳172’在T3时略低于对照;而‘苏柳795’在2.5各柳树无性系对Cdz+胁迫响应的综合评价植物对重金属的耐受性差异形成于长期进化过程中,这种差异表现在很多方面。为了综合全面评价5个柳树无性系对重金属CdZ+的耐受性,本研究选取了Cd2+胁迫下5个无性系的日平均净光合速率、日平均蒸腾速率、日平均气孔导度、日平均胞间CO2浓度;PSⅡ最大光化学量子产量、光化学淬灭、非光化学淬灭、表观光合电子传递速率、叶绿素含量及分配作为参评指标。结果表明,胞间CO2浓度与Cdz+的耐受性呈负相关,5个无性系对重金属Cdz+的综合耐性由强到弱依次为:竹柳>‘苏柳172'‘苏柳795'>旱快柳>旱柳(表3),这与图1各无性系的根系形态表现结果相符合。

 

3讨论


光合作用是植物最基本的生命活动,是植物合成有机物和获取能量的根本来源。本研究中,Cdz+胁迫不仅影响各柳树无性系的光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度的日均值的变化,而且也使其日变化曲线发生变化。旱快柳和旱柳因锡胁迫浓度不同,其胞间CO2浓度在一天中出现最低值的时间也不同;在Cd2+胁迫浓度为30 mg"L-’时,除竹柳净光合速率及‘苏柳795’的气孔导度日均值略有上升外,其他无性系各光合参数日均值均低于对照;Cd2+胁迫浓度)60 mg"L-‘时,各柳树无性系的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度日均值均随浓度的增加而降低。在植物叶片的生理活动中,一般认为重金属胁迫下导致光合速率降低的原因主要为两类:一类为气孔因素;另一类为非气孔因素,即内部的调控机制[25-27]。气孔因素指由于气孔关闭,造成胞间CO2浓度(C;)和气孔导度(GS)降低,此时光合速率(尸。)的下降主要由气孔因素所引起;与此相反,叶片尸。的降低伴随着C、和G、的升高,则光合作用的主要限制因素是非气孔因素,即由于气孔扩散阻抗增加、RuBP再生能力减缓、RuBP酶对Cd2+亲和力减弱以及光合器官活性降低导致叶肉细胞光合活性的下降[[za]。在本研究中,Cdz+胁迫导致各柳树无性系净光合速率总体降低,在Cdz+胁迫浓度为30 mg·L-‘时,‘苏柳172',‘苏柳795’和旱快柳净光合速率减小的同时伴随着胞间CO2浓度及气孔导度的减小,说明此时导致3个柳树无性系光合速率降低的主要原因是气孔因素;随重金属锡浓度的增加,‘苏柳172',‘苏柳795'、旱快柳及竹柳净光合速率下降幅度增大,蒸腾速率也呈减小趋势,气孔导度变小而胞间CO2浓度增大,这表明在Cdz+胁迫浓度)60 mg·L-‘时,导致4个柳树无性系光合速率下降的主要是非气孔因素。而旱快柳在整个Cdz+胁迫过程中净光合速率均呈现持续下降趋势,并伴随着胞间CO2浓度的升高和气孔导度的降低,说明旱快柳在整个胁迫过程中净光合速率的下降与气孔导度无关,属于非气孔限制型。叶绿素是植物进行光合作用的功能色素,其含量的高低和分配与植物光合功能关系密切[29]。

 

在本试验中,随Cdz+胁迫浓度的增加,竹柳叶片叶绿素a,b含量先增加后显著下降,而其他4个柳树无J隆系呈下降趋势,这可能是Cdz+与某些蛋白结合能够破坏叶绿体酶系统和阻碍叶绿体合成,也有研究认为是由于重金属破坏叶绿体微结构,降低叶绿素的含量。叶绿素a/b的比值代表着类囊体的垛叠程度,类囊体的垛叠程度越小,叶绿素a/b的比值越小,光抑制越强。本试验中,除竹柳在低浓度胁迫下叶绿素a/b稍高于对照,而其他无性系都随Cdz+胁迫浓度的增加而下降。光合系统B(PS II)是植物光合作用过程中进行光反应的重要结构,逆境胁迫对植物造成的最大的生理伤害是导致PS II电子传递和光能转化效率降低〔31-32]。叶绿素荧光与光合作用中的各个反应过程都紧密相关,能够反映PS}对内外环境条件变化做出的响应[[33]o pv/Fm表示PS II最大光化学量子产量,反映了PS B反应中心潜在光能转化效率,可作为衡量PS II原初光能转换效率高低的依据[[30]0本研究中,Cd2+胁迫显著降低各柳树无性系的F}/Fm,表明Cdz+导致各无性系PS 1I反应中心受损,抑制了光合作用的原初反应,阻碍其光合电子传递,这可能与其叶绿素含量减少有关。光合机构截获的能量有3条分配途径:即有效的光电子传递、非光化学耗散和以荧光方式释放[34-37],前两者中任何一条途径受阻,都会导致释放的荧光增加。QP表示光化学淬灭,NPQ表示非光化学淬灭,分别反映了PS II天线色素吸收的光能用于光化学电子传递的份额和不能用于光合电子传递而以热的形式耗散掉的光能部分[38]。本研究中,竹柳、‘苏柳172’和‘苏柳795'4。随CdZ+浓度的增加先下降后上升,说明较高浓度的Cdz+刺激光化学电子的传递,使植物体产生更多能量以适应逆境环境,但各柳树无性系QP整体呈下降趋势,而NPQ则连续上升,表明叶片从PS II氧化侧向PS II反应中心的电子流动受到抑制,用于进行光合作用的电子份额减少,而以热或其他形式耗散的光能增加。表观光合电子传递速率(ETR)是光合机构吸收光能发生电荷分离产生电子并沿电子传递链向下传递的速率[39]。本实验中,竹柳、‘苏柳172',‘苏柳795’和旱快柳随CdZ+胁迫浓度的增加呈先增后降的趋势,而旱柳持续降低,说明低浓度的CdZ+可刺激部分柳树电子的传递,但浓度过高时,会破坏光合电子传递链,使电子不能正常传递,从而影响光合作用。当植物受到逆境胁迫时会作出一系列反应来适应不良环境,光合作用能够直观地反映植物的耐受性,而叶绿素荧光动力学是以光合作用理论为基础的,在测定叶片光合作用过程及动态上,叶绿素荧光参数更具有反映“内在性”特点[[40]。本试验中,重度重金属Cdz+胁迫导致叶绿素含量减少或使其结构遭到破坏,PS B光化学效率降低,电子传递速率减小,以热能形式耗散掉的光能增加,从而影响了光合作用的进行。

 

    本试验表明5个柳树无性系均能在Cdz+浓度为30 mg " L-‘的培养液中正常生长,其中竹柳的光合作用较之对照还略微增加,并且在90 mg·L-’的Cd2十浓度下各无性系生长虽受到抑制但仍能存活。说明5个柳树无性系对重金属Cdz+胁迫均有一定的耐受性,又因其生长迅速,是可作为修复Cdz+污染土壤的优良植物材料。但本实验是在室内水培条件下进行的,水培实验条件易控制,操作方便,周期短,是一种非常理想的实验研究方法,但是外界土壤条件比较复杂,土壤中含有的其他金属离子和无机盐是否会影响无性系对重金属Cdz+的耐性,还有待进一步研究。

 

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原文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_xbzwxb201309023.aspx
原载于安徽农业科学2013.41(15)

西北植物学报,2013,33(9〉:1874—1884 01(1丑对.30^(11^‘0^1(16111^51/1^
文章编号:1000-4025(2013)09-1874-11

  

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