锌胁迫对汉麻光合特性及叶绿素荧光参数的影响

保琦蓓， 唐 寅， 田光明

(1.宁波检验检疫科学技术研究院，浙江宁波 315100；2.浙江大学环境与资源学院，浙江杭州 31000)



锌胁迫对汉麻光合特性及叶绿素荧光参数的影响

保琦蓓1， 唐 寅2， 田光明2

(1.宁波检验检疫科学技术研究院，浙江宁波 315100；2.浙江大学环境与资源学院，浙江杭州 31000)

[目的]研究汉麻在重金属锌胁迫下的光合特性及叶绿素荧光参数的响应。[方法]通过温室水培试验，研究不同浓度锌胁迫对汉麻光合特性及叶绿素荧光参数的影响。[结果]与 2 μmol/L锌浓度处理(CK)相比，缺锌0 μmol/L和高浓度锌处理(50、100、200 μmol/L)的汉麻，其叶片的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素均下降，叶绿素a减少速率最快；高锌处理随着锌浓度的增加，净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)呈下降趋势，胞间二氧化碳浓度(Ci)缓慢上升。胁迫40d后，高锌处理的PSⅡ原初光能转化效率(Fv/Fm)、实际光量子产量 (Y)、光化学淬灭系数(qP)、光合电子传递速率(ETR)随锌浓度的升高呈下降趋势，非光化学荧光猝灭系数(NPQ)在200 μmol/L锌浓度水平下胁迫10 d后取得最大值，而后随时间延长而迅速衰减，叶绿素b与非光化学荧光猝灭机制对汉麻的光合作用起重要保护作用。[结论]锌对汉麻光合机制有明显的影响，缺锌和高浓度锌对汉麻光合代谢过程有抑制和损害。

锌胁迫；汉麻；光合速率；荧光特性

锌作为植物必需的营养元素之一，也是一种重金属污染元素。近年来，关于锌对植物的毒害与植物耐锌机制已有大量研究，主要集中于对细胞超微结构、遗传物质、生理功能、生长发育等的影响[1-3]。其中，光合作用是最重要的同化过程，并为植物的生长发育提供物质基础。关于锌胁迫对光合作用的影响研究较多,都反映出高浓度锌对光合作用有显著的抑制作用，同时缺锌也能引起植物生长发育受阻，但具体的机制仍不清楚[4-6]。研究表明，麻类作物对重金属有较强的耐性和富集能力，汉麻属于四氢大麻酚含量低于0.3%的工业大麻，我国将工业大麻称为汉麻。汉麻属大麻属大麻科大麻种的一年生草本植物，具有生物量大、抗逆性强、生长速度快、易种植管理等优良特性，对低浓度污染区域实施植物修复具有广泛的应用前景[7-9]。

目前对锌胁迫与植物光合作用的关系研究主要集中在非耐性植物方面，如粮食作物、果树等食用作物[10-11],而对大生物量的纺织类作物汉麻的研究鲜见报道。笔者研究不同锌胁迫水平条件下汉麻光合特性和叶绿素荧光参数的变化,以期为探讨汉麻的锌耐性机理及推动锌污染环境的植物修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料 供试汉麻种子为汉麻的改良品种“云麻一号”，由云南汉麻产业投资控股有限公司提供。

1.2 试验设计 挑选子粒饱满的汉麻种子用超纯水冲洗干净，然后用超纯水浸泡12 h，置于垫有双层纱布的10目筛子中萌发，温度为25 ℃左右，萌发过程中保持纱布湿润。约7～8 d后待其长出2片真叶时，选择健壮、长势一致的汉麻幼苗于2015年5月28日转移至10 L塑料箱内，先用1/2 Hoagland(加锌)营养液进行培养，并保持曝气防烂，光照12 h/d,光照强度为5 000 lx,温度控制在25～30 ℃。培养5 d后，6月2日用全Hoagland营养液(未加锌)进行锌处理，将ZnSO4·7H2O加入营养液中,设置5个Zn2+浓度梯度：0、2、50、100、200 μmol/L,其中0为缺锌组，2 μmol/L为适锌组(1倍Hoagland营养液的含Zn2+为2 μmol/L)[对照(CK)]，50、100、200 μmol/L为高锌组[12]。每处理3次重复，每个重复放置20株汉麻植株。在锌胁迫的第40天分别测定根茎叶的生物量、叶绿素含量及光合参数，在10和40 d测定叶绿素荧光参数。

1.3 测定项目与方法1.3.1 生物量的测定。在7月12日取出植株,根系先用5 mmol/L CaCl2洗脱,再用去离子水冲洗干净,滤纸吸干,测定各处理每株的株高、根长,然后将地上和根鲜样置于105 ℃下杀青15 min,于80 ℃烘至恒重,两者干重之和即为生物量。1.3.2 光合参数的测定。处理40 d后，于9：30～11:00用Li-6400型便携式光合作用仪(美国Li-Cor公司)测定汉麻完全展开叶的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间二氧化碳浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)。光量子密度通量为1 000 μmol/(m2·s)。

1.3.3 叶绿素荧光参数的测定。叶绿素荧光参数采用叶绿素荧光成像仪(德国WALZ公司的Imaging-PAM ChlorophyⅡFluorometer)进行测定。测定时间分别在6月12日和7月12日的上午，测定前将活体植株暗适应30 min，选取最上部大小适宜的完全展开叶，在软件的Kinetics窗口检测各叶绿素荧光参数的动力学变化曲线，相应的数据可直接从Report窗口导出[13]。相关的叶绿素荧光参数分别包括PSⅡ原初光能转化效率(Fv/Fm,),φpsll实际产量(Y)、光化学荧光猝灭系数(qP)、非光化学荧光猝灭系数(NPQ)和光合电子传递速率(ETR)。以上每项重复测定3次。

1.3.4 叶绿素含量的测定。取新鲜植株叶片0.2 g去掉中脉并剪碎放入研钵中(取样部位为顶端第2和第3片完全展开叶),加入少量石英砂和3 mL 80%丙酮,研成匀浆后用7 mL丙酮冲洗干净转移到离心管，在4 000 r/min下离心10 min,取上清液倒入比色皿中，以80%丙酮为空白对照，分别在波长665、649、 470 nm下测定吸光度[14]。根据公式(1)、(2)、(3)计算叶绿素浓度。

Ca=12.21A663-2.81A646

(1)

Cb=20.13A646-5.03A663

(2)

Cx,c=(1000A470-3.27Ca-104Cb)/229

(3)

叶绿素含量=(色素浓度提取液体积×稀释倍数)/样品鲜重(mg/g)

(4)

式中,Ca、Cb、Cx,c分别为叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素的浓度，mg/g;A470、A663和A646分别为叶绿素溶液在470、663和646 nm的吸光度。

1.4 数据统计 试验数据采用Microsoft Excel、SPSS 17.0软件进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 锌胁迫对汉麻生长的影响 由表1可知，锌胁迫40 d后，0和200 μmol/L锌处理的茎长、生物量均显著低于其他处理，这表明缺锌和高锌对汉麻的生长均有抑制作用。锌对汉麻地上部分的生长抑制作用相对大于根部，低浓度的锌处理对汉麻根的生长有刺激作用，50 μmol/L处理的根长最长，达14.63 cm随着锌浓度继续增加，汉麻根长反而减小。0、50、100、200 μmol/L处理的汉麻生物量与CK相比分别下降了70.04%、15.29%、31.32%、58.99%。缺锌胁迫处理的根系数比CK明显减少，须根几乎消失，叶片失绿严重；而高锌处理的根部颜色灰暗，叶片发黄，出现灰色的坏死斑点。高锌胁迫下随着锌浓度的升高，锌对汉麻生长的抑制作用逐渐增大。

表1 锌胁迫对汉麻生长的影响

注：同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。

Note: Difference letters in the same column stand for significant difference(P<0.05).

2.2 锌胁迫对汉麻叶绿素含量的影响 由表2可知，缺锌胁迫会显著降低汉麻叶中叶绿素含量，而高锌组随着锌浓度的增加，叶绿素含量随之降低。与CK相比，缺锌组的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量相应下降了64.84%、60.86%、43.88%。与CK相比，高锌处理(50、100、200 μmol/L)的叶绿素a含量分别下降了29.59%、46.56%、58.63%，叶绿素b含量分别下降了12.80%、36.79%、51.46%，类胡萝卜素含量分别下降了11.36%、27.63%、31.09%。0～200 μmol/L锌浓度处理的叶绿素a/b分别为1.32、1.47、1.14、1.24、1.25。

植物叶片中的叶绿素含量降低是高浓度锌胁迫最常见的症状之一，原因是一方面高浓度锌抑制了合成叶绿素必需元素Mg和Fe等的吸收，使叶绿素合成受阻[15-17]；另一方面，高浓度锌会改变叶绿素的结构，从而影响其正常功能。该试验结果表明，缺锌和50 μmol/L以上锌浓度胁迫都会明显降低叶绿素a、叶绿素b及类胡萝卜素的含量，这可能是由于汉麻的自我保护机制，与汉麻的耐锌性有一定关系。

2.3 锌胁迫对汉麻光合气体交换参数的影响 由表3可知，试验结果表明，试验结果，缺锌和高锌胁迫都会显著影响汉麻叶片的光合速率，各处理的Pn、Tr、Gs、Ci差异显著(P<0.05)。高锌处理的Pn、Tr、Gs随着锌浓度的增加呈下降趋势，Ci 随着锌浓度的增加呈现上升趋势。锌胁迫40 d后，当锌浓度为0、50、100、200 μmol/L时，与CK相比，Pn分别下降了50.81%、17.72%、36.24%、55.62%,Tr分别下降了40.35%、19.30%、28.35%、52.56%，Gs分别下降46.72%、14.81%、34.07%、58.52%，Ci分别上升了32.69%、4.62%、6.92%、18.85%。

导致植物光合作用下降的因子包括气孔限制和非气孔限制，Ci与Gs的变化趋势是判断限制类型的基本依据[17-19]。在胁迫40 d后，锌处理的Pn、Gs持续下降，但Ci显著上升。这表明光合下降的主要因素是非气孔限制，叶绿素含量和叶绿素荧光参数证明了这一点。

表2 锌胁迫对汉麻叶绿素含量的影响

注：同列不同小写和大写字母分别表示差异达到显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)。

Note: Different lowercases and capital letters in the same column stand for significant(P<0.05) and extremely significant difference(P<0.01).

表3 锌胁迫对汉麻叶片气体交换参数的影响

注：同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。

Note: Different letters in the same column stand for significant difference(P<0.05).

2.4 锌胁迫对汉麻叶绿素荧光参数的影响

2.4.1 对PSⅡ原初光能转化效率(Fv/Fm)的影响。从图1可见，胁迫10 d后，各处理Fv/Fm的差异相对较小，50 μmol/L锌处理的Fv/Fm值最高，缺锌和100、200 μmol/L锌处理的Fv/Fm较低。锌胁迫40 d后，各处理的差异明显，200 μmol/L锌胁迫处理的Fv/Fm降低极为明显，0、50、100、200 μmol/L锌胁迫处理的Fv/Fm比CK分别下降了27.01%、8.01%、30.20%、41.90%。

2.4.2 对实际光量子产量(Y)的影响。Y反映PSⅡ反应中心在有部分关闭情况下的实际原初光能捕获效率,该值越大则 PSⅡ光能转化率越高，其PSⅡ活性越强。从图2可见，在锌胁迫10 d后，随着锌浓度的增大，实际Yield逐渐增大，50 μmol/L处到达峰后缓慢减小。锌胁迫40 d后缺锌处理的Y显著减少，与CK相比，随着锌浓度的增大，Yield值呈下降趋势。

2.4.3 对光化学猝灭系数(qP)的影响。qP表示叶绿素荧光的光化学猝灭，反映PSⅡ天然色素捕获光能用于光化学电子传递的份额。从图3可见，qP的变化趋势与Y的变化趋势相近，处理40 d后在2 μmol /L处出现峰值，而后随着锌浓度的增加而迅速降低。

2.4.4 对非光化学猝灭系数(NPQ)的影响。NPQ反映PSⅡ天线色素吸收的光能中不能用于光化学电子传递而以热能的形式耗散掉的部分。从图4可见，在锌胁迫10 d后，锌浓度从0 μmol /L上升到2 μmol/L时，NPQ下降；锌浓度从2 μmol/L上升到200 μmol/L时，NPQ迅速上升。胁迫40 d后，随着锌浓度的增加，NPQ总体呈降低趋势，其中锌浓度2～50 μmol/L时，NPQ上升，说明植物的非光化学淬灭效率增加，而后急剧下降，说明光化学保护机制已经受到严重损伤。

2.4.5 对光合电子传递速率(ETR)的影响。ETR代表光合量子传递效率。ETR与Fv/Fm的变化趋势相近。从图5可见，胁迫10 d后ETR无显著变化，胁迫40 d后，与CK相比，缺锌处理和高锌处理的ETR显著下降。

图1 不同锌浓度胁迫处理对汉麻PSⅡ最大原初光能转化效率(Fv/Fm)的影响Fig.1 Effects of different concentrations of zinc stress on Fv/Fm of C.sativa

图2 不同锌浓度胁迫处理对汉麻实际光量子产量(Y)的影响Fig.2 Effects of different concentrations of zinc stress on Yield of C.sativa

图3 不同锌浓度胁迫处理对汉麻光化学猝灭系数(qP)的影响Fig.3 Effects of different concentrations of zinc stress on qP of C.sativa

图4 不同锌浓度胁迫处理对汉麻非光化学荧光猝灭系数(NPQ)的影响Fig.4 Effects of different concentrations of zinc stress on NPQ of C.sativa

图5 不同锌浓度胁迫处理对汉麻光合电子传递速率(ETR)的影响Fig.5 Effects of different concentrations of zinc stress on ETR of C.sativa

3 结论与讨论

(1)缺锌或高锌胁迫会引起汉麻叶片叶绿素含量、部分光合气体交换参数和叶绿素荧光参数下降，表明锌对汉麻光合机制存在明显影响。Pn下降的原因主要是非气孔限制因素，这表明缺锌和高浓度锌处理下汉麻光合代谢过程都受到抑制和损害，高锌比缺锌的影响更严重。高浓度锌胁迫下，3种光合色素的减少速率从大到小依次为叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素，这可能是牺牲类胡萝卜素而保护叶绿素的一种自我保护机制，从而减少锌胁迫对光合作用的影响。

(2)PSⅡ是光合作用重要部位，也是探讨重金属对植物胁迫的重要位点。Linger等[15]研究表明，重金属胁迫能降低PSⅡ的活性。该研究结果表明，缺锌或高锌处理对PSⅡ活性都有显著的抑制作用，Fv/Fm和ETR明显降低。在正常生理状态下，Fv/Fm变化较小，但植物受到胁迫后，Fv/Fm下降，因此，它也是植物生长环境良好与否的一个重要参数,并可在植物受到胁迫较短的时间内指示出锌对光合作用的抑制[20]。起初qP显著降低，NPQ显著增加,表明这时PSⅡ原初光化学反应受胁迫损伤并不大，叶片通过有效的热耗散机制来保护PSⅡ。但随着高浓度锌胁迫时间的延长，NPQ反而减少，其他荧光参数都出现显著的下降,表明此时PSⅡ原初光化学反应已受到严重伤害。在此过程中，非光化学荧光猝灭保护机制发挥显著的效果，这可能与汉麻的锌耐性有一定关联。今后将进一步研究锌胁迫下植物超微结构的变化对光合作用的影响。

[1] 陈玉真.土壤锌对植物的毒害效应及临界值研究[D].福州：福建农林大学,2011.

[2] 徐卫红,熊治庭,王宏信,等.锌胁迫对重金属富集植物黑麦草养分吸收和锌积累的影响[J].水土保持学报,2005(4):32-35.

[3] 龚红梅,李卫国.锌对植物的毒害及机理研究进展[J].安徽农业科学,2009,37(29):14009-14015.

[4] JIANG H M,YANG J C,ZHANG J F.Effects of external phosphorus on thecell ultrastructure and the chlorophyll content of maize undercadmium and zinc stress[J].Environmental pollution,2007,147:750-756.

[5] BALAKRISHNAN K,RAIENDRAN C,KULANDAIVELU G.Differential responsesof iron,magnesium,and zinc deficiency on pigment composition,nutrient content,and photosynthetic activity in tropical fruit crops[J].Photosynthetica,2001,38(3): 477-479.

[6] CHEN W R,YANG X E,HE Z L,et al.Differential changesin photo synthetic capacity,77 K chlorophyll fluorescence andchloroplast ultrastructure between Zn-efficient and Zn-inefficient ricegenotypes(Oryzasativa) under low zinc stress[J].Physiologia plantarum,2008,132: 89-101.

[7] 梁淑敏,许艳萍,陈裕,等.工业大麻对重金属污染土壤的治理研究进展[J].生态学报,2013,33(5):1347-1356.

[8] CITTERIO S,SANTAGOSTINO A,FUMAGALLI P,et al.Heavy metal tolerance and accumulation of Cd,Cr and Ni byCannabissativaL.[J].Plant & soil,2003,256(2):243-252.

[9] 史刚荣.耐重金属胁迫的能源植物筛选及其适应性研究[D].南京:南京农业大学,2009.

[10] 龚红梅,沈野.植物对重金属锌耐性机理的研究进展[J].西北植物学报,2010(3):633-644.

[11] WANG H,JIN J Y.Photosynthetic rate,chlorophyll fluorescenceparameters,and lipid peroxidation of maize leaves as affected by zincdeficiency[J].Photosynthetica,2005,43: 591-596.

[12] 韦丹丹.重金属胁迫下植物促生菌对大麻(CannabissativaL.)生长调控的研究[D].南京：南京农业大学,2012.

[13] 刘劲松,石辉,李秧秧.镉胁迫对黄瓜幼苗光合和叶绿素荧光特性的影响[J].水土保持研究,2011,18(5):187-190.

[14] 王学奎.植物生理生化实验原理和技术[M].北京:高等教育出版社，2007:44-47.

[15] LINGER P,OSTWALD A,HAENSLER J.CannabissativaL.growing on heavy metal contaminated soil: Growth,cadmium uptake and photosynthesis[J].Biologia plantarum,2005,49(4):567-576.[16] FENG J,SHI Q,WANG X,et al.Silicon supplementation ameliorated the inhibition of photosynthesis and nitrate metabolism by cadmium (Cd) toxicity inCucumissativusL.[J].Scientia horticulturae,2010,123:521-530.

[17] PRASAD S M,SINGH J B,RAJ L C,et al.Metal-induced inhibition of photosynthetic electron transport chain of the cyanobacteriumNostocmuscorum[J].FEMS microbiology letters,1991,82: 95-100.

[18] FARQUHAR G D,SHARKEY T D.Stomatal conductance and photosynthesis[J].Annual review of plant physiology,1982,33:317-345.

[19] SHAMA P N,TRIPATHI A,BISHT S S.Zinc requirement for stomatal opening in cauliflower[J].Plant physiology,1995;107:751-756.

[20] KRAUSE G H,WEIS E.Chlorophyll fluorescence and photosynthesis: The basics[J].Annual review of plant physiology and plant molecular biology,2010,42: 313-349.

Effects of Zinc Stress on Photosynthesis and Chlorophyll Flouorescence Characteristics of Cannabis sativa L.

BAO Qi-bei1,TANG Yin2,TIAN Guang-ming2

(1.Ningbo Academy of Science & Technology for Inspection & Quarantine,Ningbo,Zhejiang 315100; 2.College of Environmental & Resource Sciences,Zhejiang University,Hangzhou,Zhejiang 310029)

[Objective] The aim was to investigate the effects of zinc stress on photosynthesis and chlorophyll flouorescence characteristics ofCannabissativa. [Method] The effects of different concentrations of zinc on the photosynthesis and chlorophyll fluorescence characteristics ofC.sativawere studied with a solution culture.[Result] The results showed that with the increase of zinc concentration,the levels of chlorophyll a,chlorophyll b and carotenoids decreased,and the reduction orate of chlorophylla was the fastest compared with 2 μmol zinc treatment(CK).For the plants under zinc stress,net photosynthetic rate (Pn),transpiration rate (Tr) and stomatal conductance (Gs) showed a downward tendency as the concentration of Zn increased,while intercellular CO2concentration (Ci) increased.During the stress process,(Fv/Fm),actual quantum yield (Y),photochemical quenching coefficient(qP),and electron transport rate (ETR) decreased.The non-photochemical quenching coefficient (NPQ) reached its maximum value at zinc level of 200 μmol/L on the 10th day,and then rapidly decay over time.The zinc tolerance ofC.sativawas related to the protection mechanism of chlorophyll b and non-photochemical quenching coefficient.[Conclusion] Zinc had significant effects on photosynthetic mechanism ofC.sativa.The process of photosynthesis and metabolism was inhibited and damaged under zinc deficiency and high concentration of zinc.

Zinc stress;CannabissativaL.; Photosynthetic rate; Fluorescence characteristic

浙江省自然科学基金项目(LQ13B070003)；国家质检总局科技计划项目(2014IK178)。

保琦蓓(1982- )，女，贵州普安人，高级工程师，博士，从事环境中重金属迁移转化研究。

2016-08-17

S 563

A

0517-6611(2016)28-0085-04