陈伟，张苗苗，宋阳阳，陈建纲，张德罡*

（1.甘肃农业大学草业学院 草业生态系统教育部重点实验室 中－美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州730070；2.兰州城市学院，甘肃 兰州730070；3.甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州730070）

光合作用为植物生长发育提供物质和能量，是植物生长发育的基础［1］。自然界各种胁迫因素对植物光合作用也产生了重要影响，特别是近年来随着工业化和城镇化的发展，土壤重金属污染日益严重［2-3］，人们就重金属离子对植物光合作用产生影响的研究越来越多。而草坪草作为城镇绿化不可或缺的植物种类，研究重金属离子对其光合作用的影响也具有重要意义。谷巍等［4］研究了Hg2＋、Cd2＋、Cu2＋对菹草（Potamogeton crispus）光合系统及保护酶系统的毒害作用，结果表明，Hg2＋、Cd2＋、Cu2＋均可通过对其光合系统、保护酶系统、物质代谢系统等的共同破坏作用，导致植物死亡，说明重金属离子对植物的毒害有着共同的作用机制。刘俊祥等［5］也研究了Cd2＋对结缕草（Zoysia japonica）叶片光合特性的影响，结果表明，Cd2＋胁迫下，除胞间CO2浓度（Ci）外，结缕草叶片净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）均降低。

叶绿素荧光作为光合作用的有效探针，其在测定叶片光合作用过程中光系统对光能的吸收、传递、耗散、分配等方面具有独特的作用，并已逐渐在环境胁迫对植物光合作用影响研究方面得到应用［6］。重金属胁迫对叶绿素荧光参数的影响是比较复杂的。邓培雁等［7］通过Fv／Fm显著下降确定了蜈蚣草（Pteris vittata）光合作用受到明显的砷胁迫，然而宝山堇菜（Viola baoshanensis）的Fv／Fm与镉的相关性较低，但是Fm会随镉含量的增加而降低［8］。至今，重金属离子对光合作用的影响机理仍处于探索阶段。

根系是植物吸收养分和水分的重要器官，其形态直接或间接影响地上部的生长和发育［9］，同时，土壤重金属污染也会对根系产生重要影响［10-11］。王喆和王强［12］在研究中指出，当镉对植物产生毒害作用时，首先会表现在根部的形态和生理功能的改变上。房娟等［13］研究了Pb胁迫对柳树（Salix babylonica）根系形态和生理特性的影响，结果表明，Pb胁迫显著抑制苏柳172和垂柳2种柳树的根系伸长，垂柳根系表面积、根体积、根平均直径先增后降，苏柳172根系表面积、根体积、根平均直径均受到Pb的显著抑制。何俊瑜等［14］研究了镉胁迫对不同水稻（Oryza sativa）品种幼苗根系形态和生理特性的影响，结果表明，低浓度镉处理对水稻根系生长有一定的促进作用，表现为植株干质量、根系总长度、根系表面积、根体积和根系活力均略有升高，但随着镉浓度增加，表现出一定的抑制作用。由此可见，重金属对不同植物的根系和叶绿素荧光都会产生作用，但是以草坪草作为研究对象的还比较少见，特别是将两者结合对同一草坪草根系形态和叶绿素荧光特征进行比较的研究还未见报道。

多年生黑麦草（Lolium perenne）和高羊茅（Festuca elata）是北方重要的草坪草种。本研究通过测定Cd2＋、Cu2＋、Pb2＋和Zn2＋等4种重金属离子处理下的多年生黑麦草和高羊茅的荧光特性以及根系形态，以揭示2种草坪草光合系统和根系形态对4种重金属离子的生理响应，为其在植物修复中的应用提供有效途径，并为草坪草耐重金属胁迫机制的研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试草种：多年生黑麦草（首相Premier）和高羊茅（锐步Barrera）。供试金属离子：CuSO4·5 H2O，ZnSO4·7 H2O，CdSO4·8 H2O，Pb（NO3）2均为分析纯试剂。试验于2012年4－8月进行。

1.2 重金属离子处理梯度设置

4种重金属离子以溶液形式加入到花盆中，浓度依据GB15618-1995，3级土壤环境标准量进行配制，根据预试验结果设置4个浓度梯度，分别为：Cu2＋（200，300，400，500 mg／kg）；Cd2＋（1，50，100，150 mg／kg）；Pb2＋（500，1000，1500，2000 mg／kg）；Zn2＋（500，800，1100，1400 mg／kg），以不添加为对照。

1.3 试验方法

用0.1%KMn O4溶液浸泡净种子15 min后，先用自来水冲洗至无红色，再用去离子水冲洗3次。用滤纸将水吸干。将种播入以蛭石为基床、直径12 cm花盆中，并将重金属无机盐溶液按梯度施入，待多年生黑麦草和高羊茅幼苗长出2片展开叶时按照1株／cm2的标准剔除多余幼苗，根据培养基70%持水量每天注入Hoagland’s营养液进行培养。发芽方法按GB／T 2930.4—2001。当幼苗长出第4片叶时进行荧光特性及根系结构形态测定。

1.4 测定指标与方法

叶绿素荧光参数测定：每处理随机取10株，采用叶绿素荧光图像分析系统（IMAGING-PAM M-series ChlorophyⅡFluorescence）进行快速无接触的叶绿素荧光参数测定。光化作用、光照处理时间、饱和脉冲和暗适应期等测定程序以及初始荧光（F0）、最大荧光产量（Fm）、光化学淬灭系数（q P）、非光化学淬灭系数（q N）和电子传递效率（ETR）等荧光参数均由测定软件控制并自动计算，PSⅡ最大量子产量（Fv／Fm）通过公式Fv／Fm＝（Fm－F0）／Fm计算得出［15］。

根系形态测定：将参与叶绿素荧光测定后的植株取其根系，用蒸馏水冲洗根系，剔除杂质，用EPSON扫描仪记录根系形态，用根系图像分析软件Win RHIZO分析总根长、根总表面积、总分叉数和总根尖数等参数。

1.5 数据处理

用Excel 2007整理试验数据并绘图，用SPSS 13.0进行数据统计与分析。

2 结果与分析

2.1 重金属离子对叶绿素荧光参数的影响

2.1.1 对Fv／Fm的影响 高羊茅和多年生黑麦草的Fv／Fm均受4种重金属离子的影响。在不同浓度Cd2＋处理中，高羊茅的Fv／Fm值均低于对照，并有随浓度升高而降低的趋势，当Cd2＋浓度达到50 mg／kg时，Fv／Fm值显著低于对照；在浓度为200和300 mg／kg时，Fv／Fm值与对照差异不显著，而到400和500 mg／kg时，Fv／Fm值则显著低于对照；Pb2＋处理下，高羊茅Fv／Fm值均与对照差异不显著；在Zn2＋处理中，浓度为500，800和1100 mg／kg时的Fv／Fm值与对照差异不显著，浓度达到1400 mg／kg时，其Fv／Fm值显著低于对照（图1）。

图1 4种不同浓度重金属离子处理对高羊茅F v／F m的影响Fig.1 Effect of four heavy metal treatments on maximal quantum yield of PSⅡ（F v／F m）of tall fescue图中不同小写字母表示差异显著（P＜0.05）。The different small letters indicate significant difference among treatment time（P＜0.05）.

图2 4种不同浓度重金属离子处理对多年生黑麦草F v／F m的影响Fig.2 Effect of four heavy metal treatments on maximal quantum yield of PSⅡ（F v／F m）of perennial ryegrass

Cd2＋处理的多年生黑麦草Fv／Fm值均高于对照，但与对照差异不显著；Cu2＋浓度为500 mg／kg的Fv／Fm值显著低于其他浓度，当浓度在200，300和400 mg／kg时，Fv／Fm值与对照差异不显著；在不同浓度Pb2＋处理中均与对照差异不显著；不同浓度Zn2＋处理中，其Fv／Fm值除浓度为500 mg／kg处理高于对照外，其他各浓度处理均显著低于对照，并且有随着离子浓度的升高逐渐降低的趋势（图2）。

图3 4种重金属离子对高羊茅光化学淬灭系数（qP）和非光化学淬灭系数（q N）的影响Fig.3 Effect of four kinds of heavy metal treatments on qP and q N of tall fescue

2.1.2 对光化学淬灭系数（qP）和非光化学淬灭系数（q N）的影响 从图3可以看出，4种不同浓度重金属离子处理下，高羊茅q P值均低于对照，这与其Fv／Fm值的趋势一致，但与对照的差异程度不同，总体上来看，不同浓度Cd2＋处理与对照差异较大，其余各浓度处理差异不大，且随着离子浓度升高而降低的趋势不明显；在Cd2＋处理下，在浓度为1 mg／kg时，q N值低于对照，其他浓度处理与对照差异不大，在Pb2＋处理中，q N值低于对照；在Zn2＋处理中，除浓度为500 mg／kg时q N值高于对照外，其余各浓度处理均低于对照；在不同浓度Cu2＋处理下，除浓度为500 mg／kg的处理低于对照外，其余各浓度处理均高于对照。

图4 4种重金属离子对多年生黑麦草光化学淬灭系数（qP）和非光化学淬灭系数（q N）的影响Fig.4 Effect of four kinds of heavy metal treatments on qP and qN of perennial ryegrass

图5 4种重金属离子对高羊茅和多年生黑麦草PSⅡ电子传递速率（ETR）的影响Fig.5 Effect of four kinds of heavy metal treatments on ETR of tall fescue and perennial ryegrass

从图4可以看出，4种不同浓度重金属离子处理多年生黑麦草q P值均低于对照；且各浓度Cu2＋处理其q P值有随着浓度升高而不断降低的趋势；从q N值来看，Cd2＋处理下，浓度为1 mg／kg时显著低于对照，其他各浓度与对照差异不大；各浓度Cu2＋处理下，除浓度为500 mg／kg处理高于对照外，其余各浓度处理均低于对照，并且q N值有随着处理浓度的升高而逐渐减小的趋势；在荧光动力学时间为0～140 s内，各浓度Pb2＋处理其q N值均高于对照，但随着荧光动力学时间的增加，差异不明显；在各浓度Zn2＋处理中，浓度为500和800 mg／kg时其q N值高于对照，而在处理浓度为1100和1400 mg／kg时低于对照，并且有随着处理浓度的升高而逐渐降低的趋势。

2.1.3 对PSⅡ电子传递速率（ETR）的影响 从图5可以看出，4种不同浓度重金属离子处理下，高羊茅和多年生黑麦草ETR值均低于对照，这与其q P的变化趋势是一致的；但是不同浓度重金属离子其ETR值之间相关性不强。

2.2 重金属离子对根系形态的影响

从表1可以看出，在4种重金属离子处理下，高羊茅总根长均显著低于对照；在根总表面积方面，除Cd2＋1 mg／kg浓度处理、Cu2＋200 mg／kg浓度处理、Pb2＋500 mg／kg浓度处理和Zn2＋500和800 mg／kg处理与对照差异不显著外，其余各处理均显著低于对照；从根系总分叉数来看，除Cu2＋300 mg／kg浓度处理、Pb2＋500 mg／kg浓度处理与对照差异不显著外，其余各浓度处理均显著低于对照；从根系总根尖数来看，4种重金属离子各浓度处理均显著低于对照；从总体来看，高羊茅总根长、根总表面积、总分叉数和总根尖数均有随着离子处理浓度升高而逐渐降低的趋势。

从表2可以看出，多年生黑麦草总根长除Cu2＋200 mg／kg和Zn2＋500 mg／kg处理浓度与对照差异不显著外，其余各浓度处理均显著低于对照；根总表面积则表现出4种重金属离子低浓度处理条件下与对照差异不显著，其余处理均显著低于对照；从总分叉数来看，Cd2＋浓度为1 mg／kg、Pb2＋2000 mg／kg和Zn2＋500 mg／kg浓度处理下高于对照，但差异不显著，除Pb2＋处理表现出先随浓度升高而降低，但高浓度处理又升高的趋势外，其余各处理均有随着重金属离子浓度升高而不断降低的趋势；从总根尖数来看，4种重金属离子处理均显著低于对照；总体上来看，多年生黑麦草总根长、根总表面积和总根尖数均有随着处理浓度的升高而不断降低的趋势。

表1 重金属离子处理对高羊茅根系形态特征的影响Table 1 Effect of heavy metal treatments on roots morphological characteristics of tall fescue

表2 重金属离子处理对多年生黑麦草根系形态特征的影响Table 2 Effect of heavy metal treatments on roots morphological characteristics of perennial ryegrass

3 讨论

在室温条件下，叶绿素荧光信号绝大多数来自于天线色素蛋白复合体中的叶绿素a分子，是检测功能叶片PSⅡ活性的有效探针，可反映光合作用过程中PSⅡ对光能的吸收、传递、耗散和分配情况［15］。PSⅡ最大量子产量（Fv／Fm）在正常环境下很少发生变化，与物种和生长条件没有关系，但是当植物受到逆境胁迫时该参数数值会明显下降［16］。试验结果表明，高羊茅在4种重金属离子处理下，其Fv／Fm值均低于对照，说明高羊茅在受到重金属离子胁迫后，其PSⅡ活性受到伤害。在Cd2＋不同浓度处理中，高羊茅Fv／Fm值虽然低于对照，并且有随着浓度升高胁迫作用逐渐加强的趋势；在Cu2＋浓度达到400和500 mg／kg，Zn2＋浓度达到1400 mg／kg时，高羊茅Fv／Fm值显著低于对照，说明高羊茅对Cu2＋高浓度和Zn2＋高浓度胁迫抗性较差，其光合作用也受到较大影响；多年生黑麦草则表现不同，在Cd2＋不同浓度处理下，其Fv／Fm值均略高于对照，但差异不显著，说明Cd2＋胁迫对多年生黑麦草的PSⅡ系统的活性影响不大；但是Cu2＋浓度达到500 mg／kg，Zn2＋浓度达到500 mg／kg以上时，对多年生黑麦草Fv／Fm值影响较大，均显著低于对照；同时多年生黑麦草还表现出Zn2＋低浓度促进PSⅡ系统的活性的作用，且有随着浓度升高，对PSⅡ系统抑制作用越来越强的表现。总体上来说，Pb2＋不同浓度处理对高羊茅和多年生黑麦草Fv／Fm值影响不大，这可能是两种草激发了各自的Pb2＋解毒机制，将Pb2＋胁迫对PSⅡ系统抑制作用降到最低；2种草同时还表现出对Cu2＋高浓度和Zn2＋高浓度抗性差，Fv／Fm显著降低，而Cd2＋对高羊茅的影响要高于多年生黑麦草。

叶绿素荧光淬灭是叶绿体耗散能量的一种途径［16］，分为光化学淬灭和非光化学淬灭2种。光化学淬灭（q P）是由光合作用引起的荧光淬灭，反映了植物光合活性的高低［17］。qP值的大小反映了PSⅡ原初电子受体QA的氧化还原状态和PSⅡ开放中心的数目，值越大说明PSⅡ的电子传递活性越高［18］；q P值的下降表明PSⅡ反应中心的开放程度和参与CO2固定的能量减少［19］。q N值反映的是PSⅡ天线色素吸收的光能不能用于光合电子传递而以热的形式耗散掉的激发能部分［18］，激发能的热耗散增加可以降低PSⅡ和电子传递链的还原程度［20］。电子传递链的过度还原会增加电子通过电子漏传递给氧气产生氧自由基的机会［21］，从而对光合单位产生氧化胁迫，q N值升高能够保护PSⅡ免受光氧化伤害［22］。ETR反映了实际光强条件下的表观电子传递效率［23］，在胁迫下，植物叶片的ETR会下降［16］。在4种重金属离子不同浓度处理下2种草坪草的q P值和ETR值均低于对照，说明其光合活性和电子传递效率均受到影响，但从试验结果上得不到与浓度直接的相关性，在这方面的研究还有待进一步探讨；在对这2种草的处理中，q N值并没有非常一致的变化趋势，高羊茅和多年生黑麦草在受到重金属离子胁迫q P值降低的同时，并没有一致引起q N值的升高，只有在Cu2＋200，300和400 mg／kg处理高羊茅，Cu2＋200 mg／kg处理多年生黑麦草和Zn2＋500和800 mg／kg处理多年生黑麦草中其q N值高于对照，说明在这些处理中，2种植物PSⅡ的电子传递活性在降低的同时，有更多的光能不能用于光合电子传递而以热的形式耗散掉，有助于保护PSⅡ免受光氧化伤害；但是出现q N值也同时降低的情况说明可能在PSⅡ的电子传递活性降低的同时，过剩光能通过热能途径耗散受阻，从而对光合单位产生氧化胁迫，进而影响植物正常的光合作用。

重金属污染会对根系产生重要影响［10］。有研究表明，当镉对植物产生毒害作用时，首先会表现在根部的形态和生理功能的改变上［12］。试验结果表明，4种重金属离子对高羊茅和多年生黑麦草的影响是十分显著的，对高羊茅来说，经过4种重金属离子处理后，除部分离子低浓度处理外，其总根长、根表面积、总分叉数和总根尖数均显著低于对照，并且有随着离子处理浓度升高而逐渐降低的趋势；多年生黑麦草根系则表现出对低浓度重金属离子抗性较强，对高浓度抗性较差，并且也有随浓度升高而不断降低的趋势。

总体上来看，重金属离子胁迫对高羊茅和多年生黑麦草叶绿素荧光和根系形态都会产生一定的影响，但这种影响在对根系形态上表现得尤为突出，并且有随着离子浓度的升高影响力逐渐升高的趋势，而根系总根长、根表面积、总分叉数和总根尖数的显著降低势必会严重影响根系活力，包括根系纵向和横向生长能力等，从而影响根系发挥其生理功能，进而影响整个植株的生长；从结果可以看出，不同重金属离子对高羊茅和多年生黑麦草叶绿素荧光特性的影响包括降低其PSⅡ系统的活性，影响其光合活性和电子传递效率等，这种影响与根系受损的相关性机制还有待于进一步研究。