全 文 ：第 29卷第 6期
2009年 6月
环 境 科 学 学 报
ActaScientiaeCircumstantiae
Vol.29, No.6
Jun., 2009
基金项目:浙江省自然科学基金(No.Y504256)
SupportedbytheNaturalScienceFoundationofZhejiangProvince(No.Y504256)
作者简介:柯世省(1965—),男 ,副教授 ,电话:13819673218, 0576-85137065, E-mail:kss@tzc.edu.cn;＊通讯作者(责任作者)
Biography:KEShisheng(1965—), male, associateprofesor;Tel:13819673218, 0576-85137065, E-mail:kss@tzc.edu.cn;＊Corresponding
author
柯世省 ,张崇邦 ,王江.2009.不同光强下镉胁迫对紫茉莉光合作用和抗氧化系统的影响 [ J].环境科学学报 , 29(6):1302-1310
KeSS, ZhangCB, WangJ.2009.EfectsofcadmiumstressonphotosynthesisandantioxidantsystemsinMirabilisjalapaunderdifferentlightintensities
[ J].ActaScientiaeCircumstantiae, 29(6):1302-1310
不同光强下镉胁迫对紫茉莉光合作用和抗氧化系统
的影响
柯世省＊ ,张崇邦 ,王江
台州学院生命科学学院 ,临海 317000
收稿日期:2008-08-15 修回日期:2008-10-30 录用日期:2009-03-24
摘要:通过土培实验 ,比较分析了 3种光强(全光照(HL)、50%全光照(ML)和 10%全光照(LL))下镉胁迫(30mg·kg-1)对紫茉莉植株生长 、
光合作用 、光合色素 、镉 、镁 、铁和钾含量 、脂质过氧化 、抗氧化酶活性 、抗坏血酸和谷胱甘肽含量的影响.结果发现 ,镉胁迫显著降低紫茉莉叶片
的净光合速率 ,对HL植株的抑制程度高于 ML和 LL植株;HL和 LL植株最大光化学效率在镉胁迫下显著降低 ,而 ML植株所受影响不明显;
镉胁迫显著提高了紫茉莉叶片的暗呼吸速率 , ML植株提高幅度最大.镉胁迫对紫茉莉植株生长的抑制作用显著 ,对 HL植株的抑制最大.镉胁
迫显著增加了紫茉莉叶片的镉含量 ,减小叶片叶绿素 、类胡萝卜素 、Mg、Fe和 K的含量 ,对 HL植株影响最大.镉胁迫下 , HL植株超氧化物歧化
酶和过氧化物酶活性增强 ,过氧化氢酶和抗坏血酸过氧化物酶活性降低,谷胱甘肽和抗坏血酸含量减小 , 过氧化氢和丙二醛含量 、超氧阴离子
产生速率增高 ,电解质渗漏加重.上述结果表明 ,镉加重了叶片氧化胁迫程度和强化了对紫茉莉生长的抑制 ,特别在高光强条件下.
关键词:紫茉莉;光合作用;抗氧化系统;光照强度;镉胁迫
文章编号:0253-2468(2009)06-1302-09 中图分类号:X171 文献标识码:A
EfectsofcadmiumstressonphotosynthesisandantioxidantsystemsinMirabilis
jalapaunderdiferentlightintensities
KEShisheng＊ , ZHANGChongbang, WANGJiang
SchoolofLifeSciences, TaizhouUniversity, Linhai317000
Received15August2008; receivedinrevisedform 30October2008; accepted24March2009
Abstract:Theefectsofexcessivecadmium(30 mg·kg-1 insoils)onplantgrowth, photosynthesis, lipidperoxidation, theactivitiesofantioxidant
enzymes, thecontentsofphotosyntheticpigments, Cd, Mg, Fe, K, ascorbicacid(AsA)andglutathione(GSH)inMirabilisjalapaplantswere
investigatedandcomparedunderhighlight(HL, fulyexposedtoambientsunlight), intermediatelight(ML, about50%offullambientsunlight)and
lowlight(LL, about10%offullambientsunlight)conditions.Thenetphotosyntheticrate(Pn)inthepresenceofexcessiveCdinsoilsdecreasedmore
underHLtreatmentthanunderMLandLLtreatments.ExcessiveCdsignificantlyreducedthemaximalphotochemicalefficiency(Fv/Fm)underHLand
LLtreatments, butdidnotaffectFv/FmunderMLtreatment.ExcessiveCdremarkablyincreasedthedarkrespirationrate(Rd), especialyunderML
treatment.ThegrowthofplantswassignificantlyinhibitedinthepresenceofexcessiveCd, especialyunderHLtreatment.ExcesiveCdgreatlyincreased
theCdcontent, andreducedthecontentsofchlorophyl, carotinoid, Mg, FeandKintheleaves, particularlyunderHLtreatment.UnderHLtreatment,
excessiveCdgreatlyincreasedtheactivitiesofsuperoxidedismutase(SOD)andguaiacolperoxidase(POD), thecontentsofhydrogenperoxide(H2O2),
superoxide(O-·2 )andmalondialdehyde(MDA), andelectrolyteleakage, whereasitdecreasedtheactivitiesofcatalase(CAT)andascorbate
peroxidase(APX), andthecontentsofGSHandAsA.TheresultsindicatethatexcessiveCdenhancedoxidativestressandgrowthinhibitiontoMirabilis
jalapaplants, especialyunderHLtreatment.
Keywords:Mirabilisjalapa;photosynthesis;antioxidantsystem;lightintensity;excesscadmium
DOI :10.13671/j.hjkxxb.2009.06.026
6期 柯世省等:不同光强下镉胁迫对紫茉莉光合作用和抗氧化系统的影响
1 引言(Introduction)
镉(Cd)是一种毒性很强的环境污染物 ,它可通
过改变植物的多种生理过程而影响植物的生长和
发育.镉能破坏叶片细胞的超微结构 ,降低叶绿素
含量 ,诱导活性氧的形成而产生氧化胁迫 ,改变植
物水分状况 ,扰乱矿质元素的吸收 ,抑制植物的光
合作用(倪才英等 , 2004;Ghnayaetal., 2007),并且
镉在植物体内的积累和毒害程度往往与植物生长
环境的光照强度有关(Artetxeetal., 2002).在我国
许多地区 ,镉污染给农业生产和人体健康造成了严
重后果 ,己经危及到我国食品安全 ,土壤镉污染的
治理已相当紧迫(Wuetal., 2002a;宋波等 , 2006;曹
会聪等 , 2007).近年来 ,植物修复作为一种新兴的
环境治理技术 ,己成为学术界研究的热点(杨肖娥 ,
2002;陈同斌 , 2005;周启星 , 2007).目前已发现几百
种超富集植物(hyperaccumulator),利用超富集植物
治理土壤重金属污染的现实可能性不断增加 ,但发
现的超富集植物主要是 Ni超富集植物 , Cd超富集
植物却比较少见(孙瑞莲等 , 2006).最近发现在我
国广为分布和种植的紫茉莉(Mirabilisjalapa)是一
种高生物量的镉 、铅富集植物 (周启星等 , 2006;吴
双桃 , 2006;Caoetal., 2007),这对于我国镉富集植
物资源筛选工作的开展具有积极的推动作用 , 然
而 ,有关镉毒影响紫茉莉生理过程的研究鲜有报
道.本研究的目的是明确镉对紫茉莉的毒性是否受
生长环境光照强度的影响 ,以及不同光强下镉诱导
的抗氧化系统的变化和镉 、镁 、铁等参与氧化胁迫
的调节 ,进而阐明光照强度影响镉毒性的可能机制.
2 材料与方法(Materialsandmethods)
2.1 植物材料与生长条件
紫茉莉种子于 2007年 4月初播于校内生物园
地 , 5月初当紫茉莉幼苗长出 1 ～ 2对真叶时移栽至
塑料盆中 ,每盆 3株.塑料盆高 15 cm,上口内径 20
cm,装风干棕壤土 1.5 kg.土壤有效氮 、磷 、钾分别
为 185、92、217 mg·kg-1 , pH=7.4,有机质含量为
3.1%,全镉含量为 0.215 mg·kg-1 , DTPA提取态
镁 、铁含量分别为 607、501 mg·kg-1 ,全量镁和铁含
量分别为 5264 mg·kg-1和 14429 mg·kg-1 ,离子交
换量(CEC)为 36.8 cmol·kg-1.在高 2 m的钢架上
(长 3 m,宽 1.5 m)覆盖不同层数黑色遮阳网以获
得不同光强的光处理棚:全光照(不盖遮阳网)下为
高光强(highlight, HL);1层遮阳网下为中等光强
(intermediatelight, ML), 光照强度约为全光照的
50%;2层遮阳网下为低光强(lowlight, LL),光照强
度约为全光强的 10%.光处理期间均为自然光照 ,
不补充额外光源 ,光处理棚与外部环境通风良好.
实验期间 ,晴天正午全光照(HL)下的最大光强范围
为 1600 ～ 2100 μmol·m-2·s-1.紫茉莉幼苗移栽 1 d
后即进行光处理.将 30盆幼苗随机分成 3组(每组
10盆),每种光环境下放置 1组.移栽 2d后浇灌1 /2
Hoagland营养液 150 mL, 7 d后加 1次尿素 (0.1
g·kg-1土)和 KH2PO4(0.2 g·kg-1土)溶液.我们的
预实验结果表明 , 25 mg·kg-1以上镉处理对紫茉莉
生长产生了明显影响.移栽 14d后将 CdCl2·2.5H2O
配成水溶液分 3次(每天 1次)施入盆土中 ,使添加
到土壤中的镉浓度达到 30 mg·kg-1 ,以未加镉处理
作为对照(CK),每种光环境下对照和镉处理植株各
5盆.镉处理 35d后测定各指标.处理期保持土壤含
水量为最大田间持水量的 70%(称重补水法).
2.2 测定方法
2.2.1 光合参数测定 在室内控制条件下进行 ,用
LCA4型光合测定仪(ADC, UK)控温装置控制叶室
温度为 (30 ±1)℃、光合有效辐射为 (1000 ±50)
μmol· m-2· s-1、空气 CO2浓度为 (350 ±10)
μmol·mol-1 ,测定连体叶片的净光合速率(Pn),用
黑布完全遮光测定暗呼吸速率(Rd).对于不同生长
光强下的对照和镉处理 ,分别测试 5棵植株紫茉莉
的第 4对成熟叶片(顶部下数)的 Pn和 Rd,每叶片
重复记录 4 ～ 6组数据 ,结果取平均值.凌晨 , 用
OS30P型叶绿素荧光仪(OPTI-sciences, USA)采用
快速动力学法测定最大光化学效率 (Fv/Fm),所测
叶片与测定 Pn的相同 ,测定前将叶片夹入暗适应夹
2 h.
2.2.2 生长分析 测定光合参数后 ,每种处理选择
5棵紫茉莉植株 ,在土壤表面将植株剪断 ,地上部分
区分茎叶.茎叶用蒸馏水洗净后 105℃杀青 10 min,
75℃下烘干称重.从盆中取出整土 ,用自来水小心冲
刷土块 ,收集紫茉莉全部根系 ,蒸馏水洗净后烘干
称重.根 、茎和叶分别用 XA-1型植物样品粉碎机粉
碎 ,过 1 mm尼龙筛 ,贮瓶用于元素含量分析.
2.2.3 叶片镉 、镁 、铁和钾含量测定 称叶片粉碎
样品 0.2 g于消化管中 ,加 5 mL浓硝酸过夜 ,放于
控温式远红外消煮炉中(LWY84B,四平电子技术研
究所), 温度分别为 90 ℃(30 min)、 140 ℃(30
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环 境 科 学 学 报 29卷
min)、180 ℃(30 min);稍冷却 ,加 1 mL高氯酸 ,在
180 ℃下消解 120min,冷却后定容至 50mL,经 2层
滤纸过滤 ,采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-
OES, Optima2100 DV, PerkinElemer, USA)测定 Cd、
Mg、Fe和 K含量.
2.2.4 活性氧代谢测定 按中国科学院植物生理
研究所等(1999)介绍的方法测定抗坏血酸(AsA)
含量 、细胞电解质渗漏率 、丙二醛(MDA)含量 、叶绿
素(Chl.)含量 、类胡萝卜素(Car.)含量和抗坏血酸
过氧化物酶(APX)活性.APX活性单位(U)用每小
时消耗的抗坏血酸的微摩尔数来表示;超氧化物歧
化酶 (SOD)活性用 NBT法测定 (Giannopolitis
etal., 1977),以单位时间内抑制氮蓝四唑光化还原
50%为一个酶活性单位(U);超氧阴离子 (O-·2 )产
生速率按李忠光等(2005)的方法进行测定;过氧化
氢含量的测定采用刘俊等(2000)介绍的方法;还原
型谷胱甘肽的测定采用 DTNB法(Gorinovaetal.,
2007);愈创木酚比色法(Wuetal., 2002b)测定过
氧化物酶(POD)活性 ,以每分钟 A470变化值表示酶
活性大小;过氧化氢酶(CAT)活性采用比色法测定
(Tǜrkanetal., 2005),以每分钟 A240的变化值表示
酶活力大小.
2.3 数据统计分析
各测定数 据用 DPS软件进 行方差 分析
(ANOVA),差异显著性(p<0.05)运用 Duncan s
检验法进行多重比较.
3 结果(Results)
3.1 紫茉莉叶片光合参数
从表 1可以看出 , ML紫茉莉对照植株净光合速
率显著高于 HL和 LL对照植株 ,镉处理下净光合速
率(Pn)均显著降低 , HL植株降低幅度最大.3种光强
下 ,紫茉莉对照组植株的暗呼吸速率(Rd)差异显著 ,
HL最高 ,镉处理下它们的暗呼吸速率均明显增大 ,
ML增加幅度最高.ML对照组和镉处理组植株的最
大光化学效率(Fv/Fm)差异不明显 ,镉处理下 HL和
LL植株 Fv/Fm显著降低 , HL降低幅度最大.
表 1 3种光强下镉处理对紫茉莉光合参数的影响
Table1 EfectofcadmiumstresonthephotosyntheticparametersofM.jalapaunderthreelightintensities
处理 Treatment 净光合速率 Pn/(μmol·m-2·s-1)暗呼吸速率 Rd/(μmol·m-2·s-1) 最大光化学效率 Fv/Fm
CK HL 6.35±0.38b 2.36±0.24b 0.754±0.023c
ML 8.10±0.39a 1.82±0.26c 0.806±0.031b
LL 5.16±0.31c 1.10±0.21e 0.836±0.011a
Cd HL 4.13±0.27d 2.88±0.33a 0.716±0.017d
ML 6.81±0.36b 2.65±0.25ab 0.802±0.032b
LL 3.97±0.26d 1.49±0.21d 0.809±0.013b
注:表中数据为平均值±标准差 (n= 5),同一列中的不同字母表示显著性差异 (p<0.05);Datainthetablearevaluesofmean±SD(n=
5), diferentletersinsamecolumndenotethatdiferencesarestatisticalysignificant(p<0.05)
3.2 紫茉莉叶片光合色素含量
图 1表明 ,随着生长环境光照强度的增加 ,对照
组紫茉莉叶片叶绿素含量(FW)差异显著 , ML叶片
含量最高 , HL含量最低.镉处理下各植株的叶绿素
图 1 3种光强下镉处理对紫茉莉叶片叶绿素和类胡萝卜素含量的影响(不同字母表示显著性差异 (p<0.05))
Fig.1 EffectofcadmiumstressonthecontentsofchlorophylandcarotinoidsinleavesofM.jalapaunderthreelightintensities(Diferentleters
denotethatdiferencesarestatisticalysignificant(p<0.05))
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6期 柯世省等:不同光强下镉胁迫对紫茉莉光合作用和抗氧化系统的影响
含量(FW)均显著降低 , HL降低幅度最大.类胡萝
卜素含量的变化规律与叶绿素相似.
3.3 紫茉莉生物量和叶片矿质含量
随着叶龄的增加 ,紫茉莉植株下部叶片逐渐衰
老变黄并最终脱落 ,叶片脱落数目与生长环境光强
有关 , HL植株叶片脱落较多(3 ～ 4对), ML和 LL
脱落较少且基本相当(1 ～ 2对).镉胁迫使 HL植株
增加了 1 ～ 2对叶片的脱落 ,但 ML和 LL植株叶片
脱落数目并没有增加.表 2表明 ,不同生长光强下紫
茉莉地上部分(叶 +茎)干重和地下部分(根系)干
重差异显著 , ML植株生物量最大.镉处理下各植株
生物量显著降低 , HL植株受镉抑制程度最大.镉处
理下各植株叶片镉含量急剧增加 ,三者之间差异显
著 , HL植株叶片镉含量最高.对照组植株叶片镁含
量差异显著 , ML植株最高;镉处理下各植株叶片镁
含量显著降低 , HL降低幅度最大.对照组植株叶片
铁含量 LL显著大于 HL和 ML;镉处理组植株叶片
铁含量均显著降低 , HL降低幅度最大.对照组植株
叶片钾含量 ML显著大于 HL和 LL;镉处理组植株
叶片钾含量均显著降低 , HL降低幅度最大.
表 2 3种光强下镉处理对紫茉莉地上部分干重 、地下部分干重 、叶片镉 、镁 、铁和钾含量的影响
Table2 Efectofcadmiumonthedryshootanddryrootweights, andthecontentsofCd, Mg, FeandKintheleavesofM.jalapaunderthree
lightintensities
处理
Treatment
地上部分干重
Dryshoots
weight/
(g·株 -1)
地下部分干重
Dryroots
weight/
(g·株 -1)
叶片镉含量
Cdcontentin
leaves/
(μg·g-1)
叶片镁含量
Mgcontentin
leaves/
(mg·g-1)
叶片铁含量
Fecontentin
leaves/
(μg·g-1)
叶片钾含量
Kcontentin
leaves/
(mg·g-1)
CK HL 1.98±0.22c 1.14±0.08c 2.28±0.29d 7.60±0.30b 92.58±2.61c 18.5±1.46b
ML 2.65±0.24a 1.53±0.17a 2.10±0.19d 8.24±0.25a 89.75±1.86c 20.48±1.60a
LL 2.31±0.22b 0.98±0.11d 1.85±0.15d 7.05±0.32c 103.75±1.59a 16.28±1.35c
Cd HL 1.23±0.16d 0.72±0.06e 64.25±4.92a 6.30±0.18d 73.26±3.04e 13.66±0.96d
ML 2.18±0.21bc 1.36±0.17b 53.18±4.68b 7.66±0.25b 82.59±2.30d 18.56±1.38b
LL 1.92±0.20c 0.84±0.08e 45.97±4.08c 6.75±0.27c 98.83±1.21b 14.54±1.02d
注:表中数据为平均值±标准差 (n= 5),同一列中的不同字母表示显著性差异 (p<0.05);Datainthetablearevaluesofmean±SD(n=
5), diferentletersinsamecolumndenotethatdiferencesarestatisticalysignificant(p<0.05)
3.4 紫茉莉叶片超氧阴离子产生速率和过氧化氢
含量
图 2表明 ,紫茉莉对照组植株叶片(FW)的超
氧阴离子产生速率差异显著 , HL植株最大;镉处理
组植株超氧阴离子产生速率均显著增加 , HL植株
增加幅度最大.不同处理下紫茉莉叶片(FW)过氧
化氢含量的变化规律与超氧阴离子产生速率相似.
图 2 3种光强下镉处理对紫茉莉叶片超氧阴离子产生速率和过氧化氢含量的影响(不同字母表示显著性差异 (p<0.05))
Fig.2 Efectofcadmiumstressontheproductionrateofsuperoxide(O-·2 )andcontentofhydrogenperoxide(H2O2)inleavesofM.jalapaunder
threelightintensities(Differentlettersdenotethatdiferencesarestatisticallysignificant(p<0.05))
3.5 紫茉莉叶片丙二醛含量和电解质渗漏
从图 3中可看出 , 紫茉莉对照组植株叶片
(FW)的丙二醛含量和电解质渗漏差异显著 ,均为
HL植株最高.镉处理组植株叶片的丙二醛含量和
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环 境 科 学 学 报 29卷
电解质渗漏显著增加 , HL植株增加的幅度最大.这
表明 ,镉处理加重了紫茉莉叶片的氧化胁迫(见图
2),导致膜脂过氧化加剧 ,膜透性增强.
图 3 3种光强下镉处理对紫茉莉叶片丙二醛含量和电解质渗漏的影响(不同字母表示显著性差异 (p<0.05))
Fig.3 Efectofcadmiumstressonthecontentofmalondialdehyde(MDA)andelectrolyteleakageinleavesofM.jalapaunderthreelightintensities
(Diferentlettersdenotethatdiferencesarestatisticallysignificant(p<0.05))
3.6 紫茉莉叶片抗氧化酶活性
图 4表明 , 3种光强条件下镉处理均显著提高
了紫茉莉叶片(FW)SOD和 POD活性 , HL植株提
高幅度最大.镉处理显著提高了 ML和 LL植株 CAT
活性 , 但 HL活性降低.镉处理使 HL和 ML叶片
APX活性显著降低 , LL植株显著提高.
图 4 3种光强下镉处理对紫茉莉叶片超氧化物歧化酶 、过氧化物酶 、过氧化氢酶和抗坏血酸过氧化物酶活性的影响(不同字母表示显著性
差异 (p<0.05))
Fig.4 Efectofcadmiumstressontheactivitiesofsuperoxidedismutase(SOD), peroxidase(POD), catalase(CAT)andascorbateperoxidase
(APX)inleavesofM.jalapaunderthreelightintensities(Diferentletersdenotethatdiferencesarestatisticalysignificant(p<0.05))
3.7 紫茉莉叶片抗氧化剂含量
图 5表明 , 3种光强下紫茉莉对照组植株叶片
(FW)的抗坏血酸含量差异显著 , ML植株最高 , HL
最低;镉处理下抗坏血酸含量均显著降低 ,其中 HL
降低幅度最大.对照组植株叶片的谷胱甘肽含量随
生长环境光强的减弱而降低;镉处理下 HL和 ML植
株降低显著 , LL植株显著升高.
1306
6期 柯世省等:不同光强下镉胁迫对紫茉莉光合作用和抗氧化系统的影响
图 5 3种光强下镉处理对紫茉莉叶片抗坏血酸和谷胱甘肽含量的影响(不同字母表示显著性差异 (p<0.05))
Fig.5 Efectofcadmiumstressonthecontentofascorbicacid(AsA)andglutathione(GSH)inleavesofM.jalapaunderthreelightintensities
(Diferentletersdenotethatdiferencesarestatisticalysignificant(p<0.05))
4 讨论(Discussion)
重金属可通过改变植物的生理生化过程而影
响其生长发育 ,重金属对植物的毒害程度往往与植
物生长环境的光照强度有关(Artetxeetal., 2002;St
Clairetal., 2004;Shietal., 2006;Janiketal., 2008;
Romanowskaetal., 2008).本文的研究结果表明 ,与
中等光强和低光强相比 ,高光强下镉胁迫更严重地
抑制了紫茉莉植株的生长 ,并更多地增加了叶片镉
的含量(见表 2);因此 ,高光强下叶片镉含量的增加
可能是镉加重植物生长抑制的一个重要原因 ,这与
Artetxe等(2002)和 McCain等 (1989)的研究结果
一致.
包括镉在内的许多重金属都能严重抑制植物
的光合作用 ,而叶绿体类囊体膜上的光系统 Ⅱ (PS
Ⅱ)通常被认为是主要的抑制目标 ,并且这种抑制
强烈依赖于植物生长的光照条件.在低光强下 ,光
系统 Ⅱ集光复合物 (LHCⅡ)叶绿素分子中的镁被
重金属取代 ,使集光天线的功能受到损害;在高光
强下 , PSⅡ的反应中心受到直接损伤而受到重金属
更严重的抑制(Kǜpperetal., 2007).镉还会抑制叶
绿素和类胡萝卜素的合成 (Bhatacharjeeetal.,
2003;Mobinetal., 2007),也会降低卡尔文循环酶
的活性(Khanetal., 2007).在本实验条件下 ,镉处
理显著降低了紫茉莉叶片的净光合速率 、叶绿素含
量和类胡萝卜素含量 , HL植株受抑制程度更高(见
表 1和图 1).随着生长光强的增加 ,紫茉莉叶片的
暗呼吸速率增大 , 镉处理使暗呼吸速率进一步升
高 , HL植株提高幅度更大(见表 1).重金属对植物
叶片呼吸的影响依赖于重金属的种类和浓度 ,轻度
重金属胁迫会增加暗呼吸速率 ,但重度胁迫下暗呼
吸速率则降低(Vegaetal., 2006).植物对重金属的
解毒和对受损部位的修复都需要增加能量(ATP)供
应 ,这通常通过加强呼吸作用来满足 (Clemens,
2006;柯文山等 , 2007).镉处理下紫茉莉暗呼吸速
率有较大幅度的增加 ,植物加强了分解代谢以获取
更多的能量 ,这有利于提高植物对重金属胁迫的抗
性.镉处理下紫茉莉叶片最大光化学效率的降低幅
度远低于净光合速率的降低幅度(见表 1),表明紫
茉莉光合作用电子传递对镉毒的耐性高于 CO2同化
对镉毒的耐性 ,光合作用的暗反应比光反应对镉的
毒性更敏感 ,这与 Vinit-Dunand等(2002)的研究结
果一致.光合作用是植物物质和能量积累的基础 ,
而在强光和镉胁迫下紫茉莉净光合速率大幅下降 ,
导致其生物量积累明显减小(见表 2).
有研究表明 , 镉胁迫能显著降低植物叶片中
镁 、铁和钾的含量(Larbietal., 2002;Ghnayaetal.,
2007).在本研究中 ,镉胁迫显著降低了紫茉莉叶片
中镁 、铁和钾的含量 , 特别在高光强条件下 (见表
2).镁和铁含量的降低可能会导致植物对高光强的
敏感性增强(Cakmaketal., 1992;1998).此外 ,低铁
会影响叶绿素的合成和叶绿体的结构 ,降低叶绿素
含量 , 进而减弱光合作用强度 (Siedleckaetal.,
1999).钾是植物组织中含量最丰富的阳离子 ,它在
维持液泡的渗透势和细胞膨压中起着重要作用 ,为
叶片扩展所必需 ,叶片细胞的伸长与钾含量有密切
的关系(郭英等 , 2006),因此 ,镉胁迫下紫茉莉叶片
钾含量降低不利于叶片的扩展而减少光合器官的
面积 ,影响整体光合效率.Fisher等(1993)的研究结
果表明了菜豆(Phaseolusvulgaris)在镁缺乏时其同
化物会在叶片中积累 ,导致光合速率因反馈抑制而
降低;此外 ,刘厚诚等(2006)也证明了镁在 1, 5-二
1307
环 境 科 学 学 报 29卷
磷酸核酮糖羧化酶(RuBisco)的活性调节中起着关
键作用 ,因此 ,镉处理下紫茉莉叶片镁含量的降低
可能导致光合产物在叶片中积累并降低光合速率 ,
同时减少同化物的输出而降低茎和根的干物质积
累(见表 2).
当植物在盐分 (Amoretal., 2005)、干旱
(Tǜrkanetal., 2005)、高温(Shaoetal., 2007)和重
金属(Zhangetal., 2007)等各种因素胁迫下会直接
或间接地增加活性氧(ROS)水平而遭受氧化损伤.
ROS包括超氧阴离子(O-·2 )、羟自由基(·OH)和过
氧化氢(H2O2)等 ,它们是多种代谢过程中膜电子传
递活动的产物 ,可损害膜脂 、蛋白质 、叶绿体色素 、
各种酶类和核酸等生物大分子.镉不是过渡态金
属 ,因此不能像铜 、锰那样通过催化 Haber-Weis或
Fenton反应形成 ROS(Mobinetal., 2007),但是 ,镉
对植物的毒害作用使植物因净光合速率降低而导
致吸收的光能过剩及引起活性氧代谢紊乱而间接
产生氧化胁迫 ,增加 ROS水平 ,并促进植物细胞的
脂质过氧化(Foyeretal., 2005).抗氧化酶 ,如 SOD、
POD、CAT和 APX等能清除代谢产生的活性氧.植
物正常生长时 ,抗氧化酶的功能彼此协调 ,使体内
ROS维持在一个较低的平衡状态.但当处于胁迫状
态时 ,植物体内 ROS产生和清除的平衡遭到破坏 ,
ROS的积累增加 ,植物的正常生长也受到影响.因
此 ,植物对 ROS的清除能力是决定其胁迫抗性的关
键因素 ,抗氧化酶系对植物的保护能力取决于各种
酶彼此协调的综合作用结果.SOD催化 O-·2 歧化为
H2O2和 O2 ,它是一种诱导酶;O-·2 促进 SOD基因的
表达 , 使 SOD活性增强 (Lombardietal., 2005).
H2O2能被 CAT、POD和抗坏血酸 -谷胱甘肽循环
(ascorbate-glutathionecycle)所清除.CAT是清除
H2O2的一种关键酶 ,它催化 H2O2分解为 H2O和
O2.POD的作用具有双重性 , 一方面 , POD能催化
H2O2与其它底物进行氧化反应而被清除;另一方
面 , POD又能催化 O-·2 和 H2O2转变为羟自由基而加
重过氧化作用 , 而 H2 O2是这种转变的限速底物
(Draz﹒kiewiczetal., 2004).抗坏血酸-谷胱甘肽循环
的第一步反应是 APX催化的以抗坏血酸为电子供
体进行的 H2O2还原 (Mobinetal., 2007).镉处理
下 , HL紫茉莉叶片 O-·2 产生速度加快(见图 2),引
起 SOD活性增强(见图 4), H2O2必然增多 ,但 CAT
和 APX因活性降低(见图 4)不能有效清除 H2O2而
使 H2O2含量升高(见图 2).在 O-·2 产生速率 、H2O2
含量和 POD活性升高(见图 4)的情况下 ,羟自由基
含量增加.增多的羟自由基加剧了膜脂过氧化 ,使
得 MDA含量增加 ,同时细胞电解质渗漏加重(见图
3),而膜结构的破坏则进一步降低了净光合速率
(见表 1).本文的研究结果与 Mobin等(2007)对芥
菜(Brasicajuncea)所作的研究一致 ,他们发现 ,在
镉胁迫下芥菜叶片 SOD大幅上升引起 H2O2水平升
高 ,但清除 H2O2的酶活性没有相应增强而导致细胞
损伤加重.
植物细胞内 ROS的有效清除还需要抗氧化剂
共同作用.抗坏血酸(AsA)是植物光合组织中重要
的抗氧化剂 ,不仅在抗坏血酸-谷胱甘肽循环中作为
APX的底物 ,还可作为抗氧化剂直接清除 ROS(Liu
etal., 2007).还原型谷胱甘肽(GSH)是生物体内普
遍存在的一种三肽 ,在抗坏血酸 -谷胱甘肽循环中作
为脱氢抗坏血酸(DHA)的还原剂 ,还可与 ROS直接
作用 ,保护含巯基的蛋白质.此外 , GSH还是合成植
物螯合肽(phytochelatins, PCs)的原料 ,重金属胁迫
下植物大量合成 PCs以结合重金属而起到解毒作用
(Sethetal., 2008).类胡萝卜素 (Car)存在于叶绿
体中 ,一方面可阻止激发态叶绿素分子的激发能从
反应中心向外传递 ,另一方面也可保护叶绿素分子
免遭光氧化损伤.类胡萝卜含量降低 , 导致其对过
剩激发能的耗散作用减弱 , 使 ROS增加 (Janik
etal., 2008).在本试验中 ,与镉处理下的紫茉莉 ML
和 LL植株相比 ,上述 3种抗氧化物质在 HL植株叶
片中的含量降低幅度更大 ,导致 HL叶片的抗氧化
能力更弱 ,所受的氧化胁迫更重.
5 结论(Conclusions)
1)镉胁迫 (30 mg·kg-1)降低了紫茉莉叶片的
净光合速率和最大光化学效率 , HL植株降低幅度
最大 ,其净光合速率和最大光化学效率分别为 4.13
μmol·m-2·s-1和 0.716;镉胁迫也增强了叶片的呼
吸作用 , ML植株暗呼吸速率增加的幅度最大并达
到 2.65 μmol·m-2·s-1 ,表现出对镉毒害有较强的
抗性.
2)镉处理极大地增加了紫茉莉叶片(干重)中
镉的含量 , HL植株叶片镉含量最高 (达到 64.25
μg·g-1 );镉处理 HL植株地上部分和地下部分干
重最小(其值分别为 1.23 g·株 -1和 0.72 g·株 -1),
叶片叶绿素含量和类胡萝卜素含量及镁 、铁和钾含
量最低.
1308
6期 柯世省等:不同光强下镉胁迫对紫茉莉光合作用和抗氧化系统的影响
3)镉胁迫下 , HL植株超氧化物歧化酶和过氧
化物酶活性最强 ,过氧化氢酶和抗坏血酸过氧化物
酶活性最弱 ,谷胱甘肽和抗坏血酸含量最低 , 超氧
阴离子产生速率和过氧化氢含量最高 ,使膜脂过氧
化加剧 ,丙二醛含量升高 ,电解质渗漏加重 ,细胞损
伤程度加深.
4)总体上 ,镉处理加重了紫茉莉叶片氧化胁迫
程度和强化了对紫茉莉植株的生长抑制 ,特别在高
光强条件下.
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