全 文 ：重金属 Cd、Pb胁迫对大灰藓 HypnumplumaeformeWil.
叶绿素荧光参数的影响＊
籍　霞①④ , 　张晓鸥② , 　周甜甜③ , 　衣艳君④
(①曲阜师范大学生命科学学院 , 273165,山东省曲阜市;②华中农业大学生命科学技术学院 , 430070,湖北省武汉市;
③胶州市第十一中学 , 266300,山东省胶州市;④青岛农业大学生命科学学院, 266109,山东省青岛市)
　　摘要:利用快速叶绿素荧光动力学技术研究了单一重金属 Cd2+、Pb2+污染下大灰藓 Hypnumplumae-
formeWil.叶绿素荧光动力学的变化.研究表明 , 重金属 Cd2+和 Pb2+胁迫均导致大灰藓 Hypnumplumaeforme
Wil.叶绿素荧光参数 Fv/Fm、ETo/TRo、ETo/ABS、RC/CSo、TRo/ABS的下降 , 其下降程度与溶液中重金属的
浓度和处理时间有关 ,其中 ETo/ABS和 RC/CSo对重金属 Pb和 Cd胁迫更灵敏.大灰藓可以耐受 20uM以内
的单一重金属 Pb和 Cd,高浓度的 Pb和 Cd均能造成大灰藓的形态和结构的损害 , 重金属 Cd对大灰藓光合作
用的影响要大于 Pb.
关键词:大灰藓;重金属;叶绿素荧光
中图分类号:O211.6　　　文献标识码:A　　　文章编号:1001-5337(2010)03-0095-04
　　大气污染是全球许多国家和地区面临的最重要
的环境问题之一 ,大气重金属污染监测与防治 ,是城
市环境保护的重要课题之一.所有重金属元素污染
中以 Pb、Cd为甚 ,对动 、植物和人类具有严重的毒
害作用 ,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[ 1] ,苔
藓植物因其表面积大 、吸附力强 、极易对污染因子作
出反应 ,同时取材容易 ,已被广泛用于指示植物监测
大气重金属污染 [ 2-5] .
大灰藓 HypnumplumaeformeWil.隶属于藓纲
(Musci)灰藓科 (Hypnaceae),植物体密集丛生 ,广
泛分布于我国南北各地 [ 6] ,已作为监测大气重金属
污染的指示植物得到应用 [ 3] .但是关于苔藓植物对
重金属污染物的响应机理还不十分清楚.Sun等研
究了单一或复合重金属 Pb和 Ni胁迫对大灰藓生理
活性的影响 ,结果表明 , Pb-Ni胁迫导致苔藓体内活
性氧自由基的累积 ,继而对苔藓造成氧化胁迫 ,致使
苔藓的生理活性受到损害.苔藓通过 2种主要的自
由基清除系统:非酶抗氧化系统(AsA)和抗氧化酶
系统(SOD、CAT、POD、APX等),能在一定范围内清
除机体内过多的活性氧 ,维持自由基代谢的动态平
衡 ,从而保护苔藓细胞免受伤害 [ 7] .植物本身的生
理变化如衰老或者逆境胁迫如高温 、低温 、盐胁迫及
干旱等都能够直接或间接地影响植物 PSI的功能.
当环境条件变化时 ,叶绿素荧光的变化可以在一定
程度上反映环境因子对植物的影响 [ 8] ,本文通过分
析大灰藓在不同浓度的重金属 Pb和 Cd污染条件
下的快速叶绿素荧光诱导动力学曲线 ,进而了解重
金属对苔藓植物 PSI的影响以及对重金属胁迫的
适应机制.
1　材料和方法
1.1　材料
大灰藓 HypnumplumaeformeWil.于 2008年 8
月采自山东青岛崂山 ,引证标本保存于青岛农业大
学生命科学学院植物标本室.
1.2　方法
1.2.1　重金属处理方法
选取长势正常均匀的大灰藓用 1/10Hoagland
营养液中在光照培养箱中培养 2d,然后挑选长势一
致 ,长度约为 3-5cm的枝条 ,分别放入 200 mL含有
重金属 Pb2+或 Cd2 +的 1 /10Hoagland营养液 (pH
6.0)中进行连续通气 、慢速震荡培养 ,两种重金属
　
第 36卷　第 3期
2010年 7月 　　　　　　　
曲 阜 师 范 大 学 学 报
Journal　of　Qufu　Normal　University　　　　　　　
Vol.36　No.3
July2010 　
＊ 收稿日期:2010-01-14
　基金项目:青岛农业大学高层次人才基金(630744).
　作者简介:籍霞 ,女 , 1984-,硕士生;研究方向:植物学;E-mail:jixia123456@163.com;
衣艳君 ,女 , 1963-,博士 ,教授 ,硕士生导师;研究方向:植物学;E-mail:yiyanjun1@yahoo.com.cn.
的浓度梯度均设为:0, 5, 10, 20, 50, 100 μmol/L, ,每
天更换营养液 , 于每天 10时测定其叶绿素荧光变
化 ,连续测定 10d.每个处理 3组重复.
1.2.2　叶绿素荧光动力学参数的测定
快速叶绿素荧光诱导动力学曲线用便携式
HandyPEA植物效率分析仪 (Hansatech,英国)测
定.正式实验前 , 经过不同时间的暗适应后 ,测定
Fv/Fm的变化 ,确定出本试验所使用的充分暗适应
时间为 20min.测定方法按照衣艳君(2008)[ 9]的方
法.根据测出的叶绿素荧光快速诱导动力学曲线 ,按
照 Strasser和 Strasser的 O, JIPtest的分析方法计
算各种荧光参数.其中:PSII最大光化学效率 Fv/
Fm=TRO/ABS=(Fm-Fo)/Fm,单位面积有活性
反应中心的数目 RC/CSO =ΧPo· (VJ/MO)·
(ABS/CSO),捕获的激子将电子传递到超过 QA的
其它电子受体的概率 Χo=ETO/TRO =(1 -VJ),用
于电子传递的量子产额 ΧEo=ETO/ABS=(1-FO/
FM)· Χo[ 10, 11] , ΧPo=TRO /ABS= [ 1 -(FO/
FM)] .
1.2.3　统计分析方法
实验数据均以平均数 ±标准差(Mean±SD)
表示 , n=5.采用 SPSS11.0统计学软件进行差异显
著性测定(P<0.05表示为统计学上具有显著性差
异 , P<0.01,表示为统计学上具有极显著性差异).
2　实验结果与分析
2.1　单一重金属 Pb2+和 Cd2 +胁迫对大灰藓形态
结构的影响
研究表明 ,单一重金属 Pb2 +和 Cd2+均能造成对
大灰藓的形态和结构的伤害 ,其伤害程度与溶液中
重金属的浓度和处理时间有关.重金属 Cd2+和
Pb2+对大灰藓的伤害主要表现在植物体失绿 ,叶细
胞形状发生改变 ,呈不规则型 , 叶绿体聚集.其中
Cd2 +对大灰藓的伤害要大于 Pb2+对大灰藓的伤害.
在实验的时间范围内 , 50 μM以下浓度的 Pb2+和 20
μM以下浓度的 Cd2+溶液对大灰藓的伤害相对较
少 ,但随着培养液中 Pb2+和 Cd2 +浓度的增加和培养
时间的延长 ,伤害症状加重.
2.2　重金属 Pb2 +和 Cd2+对大灰藓 PSI最大光化
学效率(Fv/Fm)影响
Fv/Fm反映了 PSI反应中心最大光能转换效
率.图 1表示不同浓度的重金属 Cd2+和 Pb2+处理大
灰藓 Fv/Fm随时间的变化 ,结果表明 ,处理液重金
属 Pb2+和 Cd2+的浓度为 5μM、10μM和 20μM时 ,
大灰藓的 Fv/Fm与对照相比均无显著差异(P>
0.05),随着环境中重金属溶液浓度的增加大灰藓
的 Fv/Fm明显下降 ,处理液中重金属 Pb2+和 Cd2+
处理的浓度为 50 μM和 100 μM时 ,大灰藓的 Fv/
Fm与对照相比则差异显著(P<0.05),用 100 μM
的重金属 Cd2+处理大灰藓 ,从第 5d开始 ,其 Fv/Fm
急剧下降 ,至第 10 d,其 Fv/Fm与对照相比下降了
35%.用 100 μM的重金属 Pb2+处理大灰藓 ,其 Fv/
Fm则从第 8 d开始快速下降 ,至第 10 d,其 Fv/Fm
比对照相下降了 29%,可见溶液中重金属 Pb2+对大
灰藓 Fv/Fm的影响要小于 Cd2+.
图 1　重金属铅和镉胁迫过程中大灰藓 Fv/Fm的变化
2.3　重金属 Pb2 +和 Cd2+对大灰藓叶绿素荧光诱
导动力学性能指数的影响
在快速叶绿素荧光诱导动力学曲线中 ,通过
JIP-test分析可以了解光化学性能的变化 ,性能指数
包含了 3个参数(RC/CSo、ETO/TRO和 TRO/ABS),
其中 TRO/ABS反映了暗适应后的最大光化学效率;
ETO/TRO反映了在反应中心捕获的激子中 ,用来推
动电子传递到电子传递链中下游的其它电子受体的
激子占用来推动还原激子的比率 ,即照光时有活性
的反应中心的开放程度;RC/CSo反映了单位面积
上的反应中心的数量.这 3个参数相互独立 ,可以更
准确地反映植物光合机构的状态 ,它们对某些胁迫
比 Fv/Fm用更敏感 ,能更好地反映胁迫对光合机构
的影响[ 8] .
96　　　　　　　　　　　　　曲阜师范大学学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　　　　2010年
图 2　重金属镉胁迫过程中大灰藓 ETO/TRO、TRO/
ABS和 RC/CSo的变化
图 3　重金属铅胁迫过程中大灰藓 ETO/TRO、TRO/
ABS和 RC/CSo的变化
不同浓度 Pb2+处理条件下大灰藓性能指数的变
化与 Cd2+处理表现出相似的规律(图 2,图 3),重金
属 Pb2+胁迫也同样导致大灰藓 ETO/TRO、TRO/ABS
和 RC/CSo参数值下降 ,但时间稍缓 ,表明大灰藓对
Pb2+的耐受能力大于 Cd2+.在实验过程中 ,我们发
现 ,在 Pb2+处理大灰藓初期 ,尤其是 100 μM浓度
Pb2+处理 ,大灰藓的 3个性能指数均下降 ,之后又有
所恢复 ,然后随着处理时间的延长又继续呈现明显下
降的趋势.我们认为这可能是由于植物体突然转入含
重金属环境所致 ,适宜环境后又有所恢复 ,而随后的
下降则是与重金属的浓度和时间呈正相关.
2.4　重金属 Pb2+和 Cd2+对大灰藓 ETO /ABS的影响
ETO/ABS反映了反应中心吸收的光能用于电
子传递的量子产额 ,即反应中心吸收的光能将电子
传递到电子传递链中下游的其它电子受体的概率;
图 4表示在不同浓度 Cd2 +和 Pb2+溶液中大灰藓的
ETo/ABS随时间的变化 ,可见 , 高浓度 (50 μM和
100 μM)的 Cd2+不仅导致大灰藓 PSⅡ反应中心的
降解 ,而且反应中心吸收的光能用于电子传递的量
子产额也大大降低 ,从而使光合作用受阻.同重金属
Cd2+相比 ,溶液中 Pb2 +虽然也导致 PSⅡ反应中心
的降解 ,但反应中心吸收的光能将电子传递到电子
传递链中下游的其它电子受体的概率相对较高 ,因
而对环境中的 Pb2+具有很高的耐性.
图 4　重金属铅和镉胁迫过程中大灰藓 ETo/ABS的
变化
3　讨　论
重金属胁迫抑制植物的光合作用已有许多报
道[ 9, 12-14] ,研究表明重金属 Pb和 Cd均是植物光合
作用的抑制剂.在 Cd毒害下 ,小麦叶片光系统 Ⅱ
(PSⅡ)明显受损 ,叶绿素荧光参数随着 Cd浓度的
升高而显著下降[ 12] .重金属同样导致苔藓植物光合
机构的损伤.衣艳君的研究表明 , Cu2+、Zn2 +、Cd2 +、
Pb2+四种复合重金属胁迫能导致尖叶走灯藓 Plagio-
mniumcuspidatumFv/Fm、 ETo/ABS、 ETo/TRo、RC/
CSo等荧光参数下降 [ 9] .Raua等的研究结果则显示
重金属 Cu和 Cd可导致水藓 FontinalisantipyreticPS
Ⅱ的最大光化学效率 (Fv/Fm)降低 ,降低幅度随环
境重金属浓度的增加而加大 ,而重金属 Zn和 Pb胁
迫对水藓 PSⅡ的最大光化学效率 (Fv/Fm)无明显
影响 [ 14] .本实验的研究结果则显示 ,大灰藓对环境
中单一重金属 Pb和 Cd有一定的耐受能力 ,溶液中
97第 3期　籍　 霞 ,等:重金属 Cd、Pb胁迫对大灰藓 HypnumplumaeformeWil.叶绿素荧光参数的影响 　
重金属 Pb和 Cd的浓度低于 20 μM,对大灰藓 PSI
不会产生较大的影响 ,但是溶液中 Pb和 Cd的浓度
达到 50 μM,则对其 PSI产生很大影响 ,各种荧光
参数(Fv/Fm、ETo/ABS、ETo/TRo、TRO/ABS和 RC/
CSo均明显降低 ,其中 ETo/ABS和 RC/CSo对重金
属 Pb和 Cd胁迫更灵敏.重金属 Cd对大灰藓的影
响要大于 Pb.
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EffectofHeavyMetalPb、CdStressonChlorophylFluorescenceParameters
inMossHypnumplumeaformeWil.
JIXia①④ , 　ZHANGXiao-ou② , 　ZHOUTian-tian③ , 　YIYan-jun④
(①ColegeofLifeScience, QufuNormalUniversity, 273165, Qufu, Shandong;
②ColegeofLifeScienceandTechnique, HuazhangAgriculturalUniversity, 430070, Wuhan, Hubei;
③No.11SecondarySchoolofJiaozhou, 266300, Jiaozhou, Shandong;
④ColegeofLifeScience, QingdaoAgriculturalUniversity, 266109, Qingdao, Shandong, PRC)
Abstract:Thechlorophylfluorescenceofintactleaveswerestudiedbythechlorophylfluorescenceinduction
dynamicsinmosHypnumplumeaformeWilunderthestressesofsinglePbandCd.Theresultindicatedthatsingle
PborCdresultedinadeclineofchlorophylfluorescenceparametersofFv/Fm、ETo/TRo、RC/CSo、TRo/ABSand
ETo/ABS.Itwasalsoilustratedthatthedeclineoftheirchlorophylfluorescenceparameterswasrelatedwiththe
concentrationofheavymetalandtheprocessingtime.ETo/ABSandRC/CSoweremoresensitivethanotherparame-
ters.HypnumplumeaformeWil.hadacertaintolerancewithin20 uMheavymetalCd2+orPb2+.Thesingleheavy
metalCdhadamoreimpactonphotosynthesisofHypnumplumeaformethanthesingleheavymetalPb.
Keywords:HypnumplumaeformeWil.;heavymetal;chlorophylfluorescence
98　　　　　　　　　　　　　曲阜师范大学学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　　　　2010年