唐探 姜永雷 张瑛 程小毛

摘要：选择云南樟[Cinnamomum glanduliferum （Wall.） Nees]二年生实生幼苗为试验材料，用铅（Pb）、镉（Cd）溶液对其进行胁迫处理，研究不同浓度Pb、Cd胁迫对云南樟幼苗光合色素含量及叶绿素荧光参数的影响。结果表明，在Pb胁迫下，随着Pb2+胁迫浓度的增大，叶绿素a含量逐渐升高，Pb2+对云南樟幼苗胁迫程度不大；在Cd胁迫下，随着Cd2+胁迫浓度的增大，叶绿素a及叶绿素b含量都显著下降，Cd2+胁迫对云南樟幼苗造成了严重伤害。叶绿素荧光分析表明，Pb、Cd胁迫处理下云南樟叶片荧光参数F0显著增加，同时Fv/Fm降低，说明在高浓度Pb、Cd胁迫下植株发生了光抑制，造成了PSII的反应中心失活；高浓度Pb2+、Cd2+处理后qN下降幅度显著大于qP，表明Pb、Cd胁迫使光合电子传递能力减弱，叶片暗反应受阻，光合速率下降。

关键词：云南樟[Cinnamomum glanduliferum （Wall.） Nees]；Pb、Cd胁迫；叶绿素荧光

中图分类号：Q949.747.5；Q945.78 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）11-2655-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.11.025

Effects of Lead and Cadmium Stress on Chlorophyll Fluorescence Characteristics in Cinnamomum glanduliferum Seedlings

TANG Tan， JIANG Yong-lei， ZHANG Ying， CHENG Xiao-mao

（Faculty of Landscape Architecture， Southwest Forestry University， Kunming 650224， China）

Abstract： Taking the two-years old seedlings of Cinnamomum glanduliferum （Wall.） Nees as experiment materials，the effects of lead and cadmium stress on chlorophyll fluorescence characteristics in C. glanduliferum seedlings were studied. Results showed that， under the stress of lead， compared with the contrast， the content of chlorophyll a gradually raised with the increase of the treatment concentration and the stress effect was not obvious. Under cadmium stress，with the increase of the treatment concentration， the content of chlorophyll a and chlorophyll b decreased significantly and the C. glanduliferum seedlings was damaged. Chlorophyll fluorescence analysis showed that， under the lead and cadmium treatment，the initial fluorescence （F0） increasedin increased significantly and Fv/Fm decreased at the same time，which explained that under the high Pb2+ and Cd2+ treatment photoinhibition occurred so as to the inactivation of PSII reaction center. qN decreased significantly greater than qP after the high concentration of lead and cadmium treatment，which showed that the stress of lead and cadmium weakened the transportation ability of photosynthetic electron， blocked blade dark reaction and decreased photosynthetic rate.

Key words： Cinnamomum glanduliferum （Wall.） Nees； lead and cadmium stress； chlorophyll fluorescence

重金属作为生物圈的重要组成部分，是土壤中固有的内在成分。过量浓度的重金属对大部分生物有明显的毒害作用，并污染自然环境和生态系统。土壤重金属污染是指由于人类活动使重金属含量明显高于原有含量，并造成环境质量恶化的现象[1]。在土壤重金属污染中以铅（Pb）、镉（Cd）为主，其中Cd以移动性大、毒性高、污染面积最大被称为“五毒之首”，成为最受关注的元素，而Pb被一些学者列为中国土壤污染的最重要和典型的重金属污染物[2，3]。Pb、Cd在植物组织中的积累超过一定的阈值，就会对植物产生伤害，使植物体内的代谢过程发生紊乱，生长发育受到抑制，重则导致植物死亡[4]。而叶绿素荧光参数的变化能够反映植物在重金属胁迫中的生长状况，常被用于评价光合机构的功能和环境胁迫对其的影响依据。此外，叶绿素作为植物光合作用的主要色素，其含量的变化也可用以表征逆境胁迫下植物组织、器官的衰老状况[5，6]。

云南樟[Cinnamomum glanduliferum （Wall.） Nees]又称大叶樟，对污染有一定的抵抗力，有很高的经济价值和观赏价值，成为南方许多城市和地区园林绿化的首选良木。而在重金属对植物的生理胁迫影响的研究中，大多以蔬菜和大田作物等草本植物为主[7]，对木本树种的研究工作甚少。为此，以木本的云南樟幼苗为材料，研究不同程度Pb、Cd对其光合色素含量及叶绿素荧光特性的影响，以期为云南樟对重金属抗性机理提供依据，同时也为云南樟的生产实践提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验选取云南樟二年生实生苗为研究材料，选取生长一致的健康实生苗于2012年8月15日移栽到5 L塑料营养钵中，栽培基质为红土+珍珠岩+腐殖土，其体积比为3∶3∶2。

1.2 试验方法

试验共设5个处理，以用去离子水处理的作为对照（T1），5 mmol/L Pb（NO3）2处理（T2）、10 mmol/L Pb（NO3）2处理（T3）、10 mmol/L CdCl2处理（T4）、20 mmol/L CdCl2处理（T5）。每处理10株，每盆1株，每盆隔天均匀浇灌10 mL处理溶液。试验大棚内的温度设定为白天20～30 °C，夜间9～18 °C，相对湿度35%～80%。试验时间为2012年9月10日至10月10日。在处理结束时进行所有指标的测定，测定样品的选取以每株苗从上到下的第三至第五片叶完全展开为标准，测定其荧光参数，每处理至少测定5株。

1.3 叶绿素荧光参数的测定

用M-Series Imaging-PAM调制叶绿素荧光成像系统（德国WALZ公司）对叶片进行活体测定。测定时，植物材料应经过充分暗适应，之后照射测量光[0.5 μmol/（m2·s）]测定初始荧光F0，然后照射饱和光脉冲2 700 μmol/（m2·s）（脉冲时间0.8 s）诱导Fm，作用光强度为186 μmol/（m2·s）。在样品台上放入待测叶片，选定多个直径1 cm的AOI后，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，从Report窗口直接导出相应数据。每处理至少5次重复。

试验中，所需测的叶绿素a荧光参数为：叶片初始荧光（F0）、反应中心PSII潜在最大光合效率（Fv/Fm）、PSII实际光合效率（Y（II））、荧光淬灭（qP）、非光化学淬灭（qN）。

以下参数的计算，由仪器自动给出。Fv /Fm=（Fm-F0）/Fm；Y（II）=F/Fm′=（Fm′-F）/Fm′；qP=（Fm′-F）/（Fm′-F0′）；qN=（Fm-Fm′）/（Fm-F0′）。其中，F0为充足暗适应后打开测量光得出的最小荧光；Fm为充足暗适应后打开饱和脉冲得出的最大荧光；F为光化光照射下，打开饱和脉冲前记录的荧光；Fm′为光化光照射下，打开饱和脉冲后记录的最大荧光。

1.4 叶绿素含量的测定

参照Inskeep等[8]的方法，称取0.1 g植物叶片，用冷的二甲基甲酰胺黑暗中4 ℃下浸提48 h，于663.8 nm和646.8 nm下比色。计算单位叶鲜重的叶绿素a、叶绿素b含量。

1.5 统计分析

采用SPSS 11.5统计分析软件进行一元方差分析，多重比较采用Ducan′s检验进行。

2 结果与分析

2.1 Pb、Cd胁迫对云南樟幼苗叶片初始荧光（F0）的影响

试验结果（图1）显示，与对照相比，Pb、Cd处理下的云南樟幼苗叶片初始荧光F0显著上升。Pb胁迫下，不同浓度处理之间的差异不显著；Cd胁迫下，随着Cd2+浓度的增大，云南樟幼苗叶片的初始荧光（F0）逐渐增大。

2.2 Pb、Cd胁迫对云南樟幼苗叶片PSII最大光化学效率（Fv /Fm）的影响

从图2可以看出，与对照相比，Pb、Cd处理下的云南樟幼苗叶片最大光化学效率（Fv /Fm）总体呈下降趋势。随着Pb2+、Cd2+处理浓度的增大，云南樟幼苗叶片最大光化学效率（Fv /Fm）明显下降，且在高浓度的Pb2+、Cd2+处理下下降的幅度较大，表明重金属胁迫引起云南樟幼苗叶片PSII反应中心的开放程度降低，PSII的功能也受到影响从而转化利用效率降低。

2.3 Pb、Cd胁迫对云南樟幼苗叶片PSII实际光合效率（YIELD）的影响

从图3可以看出，与对照相比，Pb、Cd处理下的云南樟幼苗叶片实际光合效率明显下降，且在高浓度的Cd2+胁迫下下降得更加明显。与对照相比，Pb胁迫下，处理T2和T3的实际光合效率分别下降了12.97%和16.56%；Cd胁迫下，处理T4和T5的实际光合效率分别下降了6.54%和16.66%。表明云南樟幼苗叶片细胞膜出现损伤，不能利用更多的光能。

2.4 Pb、Cd胁迫对云南樟幼苗叶片非光化学猝灭系数（qN）和光化学猝灭系数（qP）的影响

表1为Pb、Cd胁迫对云南樟幼苗叶片非光化学猝灭系数（qN）及光化学猝灭系数（qP）的影响。从表1可以看出，与对照相比，Pb、Cd胁迫下云南樟幼苗qN有所增加，但并不显著，qP有所减小，也不显著。说明在Pb、Cd胁迫下云南樟幼苗的光合作用受到了一定的影响，其叶片将更多的能量用于热耗散，对光合器官起到保护作用。

2.5 Pb、Cd胁迫对云南樟幼苗叶片光合色素含量的影响

从表2可以看出，与对照相比，Pb胁迫下叶绿素a含量显著上升，处理T2和T3叶绿素a分别上升11.37%和14.70%（表2）。在Cd胁迫下，与对照相比，处理T5叶绿素a、叶绿素b的含量呈下降趋势，且变化显著。随着Cd2+浓度的增大，叶绿素a、叶绿素b的含量显著降低，云南樟幼苗叶片光合色素的合成受到抑制，说明此浓度的Cd2+毒性较大，超越了云南樟的抗性能力。在Pb、Cd胁迫下，叶绿素b、叶绿素b/a及总叶绿素的含量变化不大。

3 小结与讨论

叶绿体色素是植物吸收太阳光能进行光合作用的重要物质，主要由叶绿素a、叶绿素b等组成，其含量的变化既可以反映植物叶片光合作用功能的强弱，也可用以表征逆境胁迫下植物组织、器官的衰老状况[6]。大量研究表明，Pb胁迫能导致植物叶绿素含量的减少[9]。而且Pb胁迫对一些植物的生理耐性也有着明显的低促高抑现象。通过Pb对云南樟的处理，发现光系统II（PSII）和叶绿素含量都有增加的趋势，而Pb胁迫导致植物地上部分叶绿素含量增加的原因有很多。有文献表明，导致叶绿素分解的原因可能是重金属与叶绿体蛋白质的-SH结合或取代Fe2+、Mg2+等离子，使得叶绿体结构和功能被破坏[10]。另有研究表明，高浓度的Pb能够影响氨基-γ-酮戊酸的合成和破坏叶绿素合成过程中叶绿素酸酯还原酶的活性，从而导致植物叶绿素含量的减少[11]。本试验结果表明，随着Pb胁迫浓度增大，叶绿素a含量逐渐升高，这可能是由于低浓度的Pb2+在短时间内对叶绿素a的合成有一定的促进作用，这与周建华等[12]报道的低浓度Pb2+处理使叶绿素含量升高的结果一致；Stobart等[13]认为Cd2+胁迫主要是通过降低光合色素含量来抑制植物的光合作用。试验结果表明云南樟幼苗叶片叶绿素a、b含量随着Cd2+胁迫浓度的增大均显著降低，且在高浓度Cd2+处理组中表现出显著效应，说明Cd2+胁迫使云南樟幼苗叶绿素受到了严重破坏，进而对光合作用造成了非常不利的影响，这在王春梅等[14]对茶树的研究中有过类似的报道。

生物或非生物胁迫对植物光合作用各过程产生的影响都可通过叶片叶绿素荧光诱导动力学参数的变化反映出来[15]。Fv /Fm代表光反应中心的原初光能转换效率，反映植物潜在的最大光合能力[16]。韩张雄等[17]研究表明，在遭受环境胁迫时潜在最大量子产量Fv /Fm的值会有明显的下降。在Pb、Cd处理中，试验结果表明，随着Pb、Cd胁迫浓度增大，PSII最大光化学效率（Fv /Fm）和任意光照状态下PSII的实际光合效率（Y（II））均减小，表明Pb胁迫引起PSII反应中心的开放程度和捕获激发能的效率下降，另外在重金属胁迫下，PSII的功能也会因受到影响而使其转化利用效率降低。有研究认为植物的初始荧光F0和非光化学猝灭系数（qN）是检测早期植物受到胁迫最敏感的参数[18]。钱永强等[19]也发现重金属胁迫下银芽柳幼苗的初始荧光F0和非光化学猝灭系数（qN）上升。本试验结果显示，与对照组相比，在Pb、Cd处理下的云南樟幼苗叶片初始荧光F0显著上升，说明Pb、Cd处理下云南樟幼苗的PSII反应中心活性受到破坏。qN的值有所增加但是不显著，这可能是由于云南樟幼苗在Pb、Cd胁迫下有增加热耗散的趋势而避免逆境下的光抑制现象。荧光光化学淬灭系数（qP），反映PSII天线色素吸收的光能用于光化学电子传递的份额，较低的qP反映PSII中开放的反应中心比例和参与二氧化碳固定的电子减少[20]。试验中qP的值有所下降，但不显著，说明该参数在Pb、Cd胁迫下相对稳定，但是PSII反应中心的开放比例受到了一定程度的影响，影响了光合作用。实际光合效率（YIELD）反映了PSII反应中心在部分关闭的情况下的实际原初光能捕获效率。已有研究表明，在重金属离子的胁迫下，光合电子传递效率会降低，从而YIELD的转化比例也会降低[21]。在本试验中，Pb、Cd处理下的云南樟幼苗叶片YIELD值显著降低，说明PSII反应中心受到了一定程度的伤害，这在万学琴等[22]对杨树的研究中有过报道。

在整个处理过程中，Pb胁迫对云南樟幼苗伤害程度不大，而高浓度的Cd2+胁迫对云南樟幼苗造成了严重伤害，另外通过叶绿素荧光参数的变化可以看出，云南樟幼苗对Pb、Cd有一定程度的自身防御范围，以适应其环境，保护自身生长及生存。

参考文献：

[1] 陈怀满.土壤-植物系统中的重金属污染[M].北京：科学出版社，1996.

[2] 陈志良，莫大伦，仇荣亮.镉污染对生物有机体的危害及防治对策[J].环境保护科学，2001，27（4）：37-39.

[3] 杜应琼，何江华，陈俊坚，等.铅、镉和铬在叶类蔬菜中的积累及对其生长的影响[J].园艺学报，2003，30（1）：51-55.

[4] 董洪霞.铅、镉胁迫对大蒜某些生理生化指标的影响[J].上饶师范学院学报，2012，32（3）：76-80.

[5] 李鹏民，高辉远，STRASSER R J.快速叶绿素荧光诱导动力学分析在光合作用研究中的应用[J].植物生理与分子生物学学报，2005，31（6）：559-566.

[6] 秦天才，吴玉树，王焕校.镉、铅及其相互作用对小白菜生理生化特性的影响[J].生态学报，1994，14（1）：46-50.

[7] 杨金凤，卜玉山，邓红艳.镉、铅及其复合污染对油菜部分生理指标的影响[J].生态学杂志，2009，28（7）：1284-1287.

[8] INSKEEP W P，BLOOM P R.Extinction coefficients of chlorophyll a and b in N，N-Dimethylformamide and 80% acetone[J].Plant Physiology，1985，77（2）：483-485.

[9] ARRIAGADA C A，HERRERA M A，OCAMPO J A.Contribution of arbuscular mycorrhizal and saprobe fungi to the tolerance of Eucalyptus globulus to Pb[J].Water Air & Soil Poll，2005， 166（1-4）：31-47.

[10] PRASA D D K，PRASA A R K.Effect of lead andmercury on chlorophyll synthesis in mung bean seedlings[J].Phytochemistry，1987，26（4）：881-883.

[11] 何 冰，叶海波，杨肖娥.铅胁迫下不同生态型东南景天叶片抗氧化酶活性及叶绿素含量比较[J].农业环境科学学报，2003， 22（3）：274-278.

[12] 周建华，王永锐.硅营养缓解水稻幼苗Cd、Cr毒害的生理研究[J].应用与环境生物学报，1999，5（1）：11-15.

[13] STOBART A K，GRIFFITHS W T，AMEEN-BUKHARI I，et al.The effect of Cd2+ on the biosynthesis of chlorophyll in leaves of barley[J].Physiol Plant，1985，63（3）：293-298.

[14] 王春梅，唐 茜，张小琴，等.高浓度镉胁迫对茶树生理及吸收生理特性的影响[J].茶叶科学，2012，32（2）：107-114.

[15] MAXWELL K，JOHNSON G N.Chlorophyll fluorescence—a practical guide[J].Journal of Experimental Botany，2000，51（345）：659-668.

[16] SARIJEVA G，KNAPP M，LICHTENTHALER H K.Differences in photosynthetic activity，chlorophyll and carotenoid levels， and in chlorophyll fluorescence parameters in green sun and shade leaves of Ginkgo and Fagus[J].Journal of Plant Physiology，2007，164（7）： 950-955.

[17] 韩张雄，李 利，徐新文，等.NaCl胁迫对3种荒漠植物幼苗叶绿素荧光参数的影响[J].西北植物学报，2008，28（9）：1843-1849.

[18] 钱永强，周晓星，韩 蕾，等.Cd2+胁迫对银芽柳PSII叶绿素荧光光响应曲线的影响[J].生态学报，2011，31（20）：6134-6142.

[19] 钱永强，周晓星，韩 蕾，等.3种柳树叶片PSII叶绿素荧光参数对Cd2+胁迫的光响应[J].北京林业大学学报，2011，33（6）：8-14.

[20] GENTY B，BRIANTAIS J M，BAKER N R.The relationship between the quantum yield of photosynthetic electron transport and quenching of chlorophyll fluorescence[J].Acta Biochim Biophys，1989，990（1）：87-92.

[21] 秦天才，吴玉树，王焕校.镉、铅及其相互作用对小白菜生理生化特性的影响[J].生态学报，1994，14（1）：46-50.

[22] 万雪琴，张 帆，夏新莉，等.Cd处理对杨树光合作用及叶绿素荧光参数的影响[J].林业科学，2008，44（6）：73-78.