全 文 ：生态环境 2007, 16(3): 775-778 http://www.jeesci.com
Ecology and Environment E-mail: editor@jeesci.com
基金项目：广东省自然科学基金项目（5300407）
作者简介：邓培雁（1974－），女，讲师，博士，研究方向污染生态学。Tel: +86-20-33870269；E-mail：dpy213@126.com
收稿日期：2006-11-22
砷胁迫下蜈蚣草光合作用的变化
邓培雁 1 *，刘 威 2，韩志国 2
1. 华南师范大学化学与环境科学学院环境科学研究所，广东 广州 510631；2. 暨南大学水生生物研究所，广东 广州 510632

摘要：利用荧光成像技术研究了营养液培养条件下砷胁迫对蜈蚣草光合作用的影响。在 0、5、10、20和 40 mg•L-1质量浓度
的砷处理中, 蜈蚣草地上部、地下部生物量无显著差异（P=0.01），变化范围分别为 1.24～1.33，0.24～0.30 g；地上、地下
部砷质量分数变化范围分别为 191～1129和 160～548 mg·kg-1，其质量分数的比值范围为 1.20～2.35。砷胁迫下，全叶片蜈
蚣草 Fv/Fm 变化范围为 0.498～0.566，与对照（0.786）相比较下降超过 30%；快速光曲线中最大潜在相对电子传递速率（Pm）、
半饱和光强（Ik）随砷处理浓度的增加而下降，其变化范围分别为 24.52～47.67和 140.50～217.45 µmol•m-2•s-1，下降比例分
别为 28%~49%和 24%~35%；快速光曲线的初始斜率（α）随砷处理浓度的增加下降不明显，变化范围为 0.17～0.22。以上
结果显示尽管蜈蚣草对砷超量吸收并且有效向地上部分转移，但 Fv/Fm显著下降反映蜈蚣草光合作用受到明显的砷胁迫。Pm、
Ik的下降反映出蜈蚣草光耐受能力和电子传递能力在砷胁迫下逐渐减弱；α下降不明显反映蜈蚣草捕光能力在砷胁迫过程中
始终维持较高水平，砷胁迫并未对蜈蚣草捕光系统造成显著伤害。
关键词：蜈蚣草；砷；叶绿素荧光成像；光合作用；快速光曲线
中图分类号：X171.5 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2007）03-0775-04
砷非植物所需的元素，正常植物叶片中砷质
量分数通常小于 3 mg•kg-1 [1]。过高的砷将抑制植
物正常的生理过程，甚至死亡；其中，高等植物
光合作用对重金属胁迫的反应比其它生理过程更
为敏感[2]。而Ma[3]等人在《Nature》上报道蜈蚣草
（Pteris vittata）羽片中砷含量可以超过 5 000
mg•kg-1，而不表现受毒害的迹象；Tu & Ma[4]发现
蜈蚣草地上部分生物量会随着生长介质中砷含量
的增加而增加。由于蜈蚣草（Pteris vittata）对砷的
超量吸收特征，使其在砷污染土壤和水体的生物修
复以及植物在进化、遗传、生理、生化、生物地
球化学等方面具有重要的研究价值，其相应的研
究也日渐深入。但是，蜈蚣草羽片如此高的砷含量
如何影响其光合作用却没有研究和报道。
叶片是植物进行光合作用的器官，但不同部位
具有光合作用的异质性。传统的调制叶绿素荧光由
于传输路线光纤直径的限制，只能反应叶片局部光
合活性的变化，难以反映整个叶片的光合作用。荧
光成像技术的出现，可以更全面的了解植物的光合
作用。而快速光曲线被认为是研究植物光合作用的
有力工具[5]。利用叶绿素荧光技术得到的相对电子
传递速率（relative Electron Transport Rate，rETR）
随光合有效辐射（Photosynthetic Active Radiation）
的变化曲线，即快速光曲线[6]，是一种测量快速且
对样品光合状态影响小的光响应曲线[7]，在生理生
态学领域得到了广泛应用[8]。
本文利用叶绿素荧光成像技术，研究和探讨了
砷胁迫对蜈蚣草光合作用的影响。
1 材料与方法
1.1 材料
蜈蚣草采集于暨南大学校园（15-20 cm），用
大量自来水洗净后，用 1/2 强度的 Hoagland 营养
液进行适应性培养。20天后选择生长良好，长势
一致的幼苗进行砷处理：用 1/2 强度的 Hoagland
营养液将 Na2HAsO4·7H2O 配成 0、5、10、20、
40 mg •Ｌ-1质量浓度的含砷营养液(浓度以纯 As5+
计)，于温室中培养，每隔 3天更换培养液，重复
4次，培养 20天后，测量叶绿素荧光。
1.2 叶绿素荧光的测量
利用配置大探头 IMAG-MAX/L 的调制荧光成
像系统MAX-IMAGING-PAM(WALZ，德国)测量全
叶片叶绿素荧光。IMAG-MAX/L具有 44个 Luxeon
蓝光（450 nm）二极管（3W），提供调制测量光、
光化光和饱和脉冲。测量光频率为 1Hz，强度为 0.5
µmol•m-2•s-1；光化光强为 186 µmol•m-2•s-1，持续时
间 10 min；饱和脉冲强度为 2 800 µmol•m-2•s-1，持
续时间为 0.8 s。IMAG-MAX/L还有 16个红光（660
nm）和 16个远红外（780 nm）二极管，根据它们
照射到叶片后的重发射（红光 R ，近红外 NIR）可
求出叶片吸光系数Abs=1-R/NIR[9]。信号用 640×480
像素的数码相机 CCD 像素记录。作为测定，测量
时用细线辅助使整个叶片展平。
DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2007.03.013
776 生态环境 第 16卷第 3期（2007年 5月）
于清晨阳光直射前将整株植物暗适应 20 min
后，选取整个叶片（包括羽片和叶柄）分别测量最
小荧光 Fo和最大荧光 Fm并计算光合作用的最大量
子产量 Fv/Fm。快速光曲线的测量按 Schreiber[7]等
进 行 。 相 对 电 子 传 递 速 率
rETR=(Fm’-F)/Fm’•PAR•0.5•0.84，其中 0.5是假设吸
收的光被两个光系统均分得到的参数，0.84是吸光
系数。荧光参数的定义参照 van Kooten & Snel[10]。
用 Platt 等 [11] 的 公 式 P=Pm (1-exp
(-α•PAR/Pm)•exp (-β•PAR/Pm)拟合快速光曲线，Pm
为无光抑制时的最大潜在相对电子传递速率，α是
快速光曲线的初始斜率，β是光抑制参数。半饱和
光强 Ik=Pm/α。曲线拟合采用最小二乘法，用 SPSS
软件包（Version 10）进行。
1.3 植物分析
测定完叶绿素荧光，洗净的植物分成地上、
地下部分，烘箱中 50~55 ℃干燥 4 d[12]，磨碎，
HNO3/H2O2消化，温度控制在 120~130 ℃防止砷
挥发[13]。试剂空白、茶叶标准物质（GBW-08505）
用于质量控制，植物砷含量 ICP测定[13]。
1.4 数据处理
方差分析应用 DPS数据处理系统完成，多重比
较采用 Duncan新复极差法，显著水平取 P=0.01。
2 结果
2.1 砷处理对蜈蚣草生物量的影响
营养液培养结果表明，在 0~40 mg•L-1质量浓
度的砷处理中，蜈蚣草地上、地下生物量无显著
差异(图 1)。例如，在 5和 40 mg•L-1质量浓度的
砷处理时，地上部分的干物质重量分别为 1.31 和
1.24 g，而对照为 1.30 g；地下部分干物质分别为
0.17和 0.15 g，对照为 0.19 g。
2.2 营养液培养下蜈蚣草对砷的富集
营养液培养条件下, 蜈蚣草地上部砷的积累
与营养液中砷的增加呈线性增加（R=0.988 5,
P=0.01）。在营养液中砷为 40 mg•L-1时，蜈蚣草
地上部砷含量达 1 129 mg•L-1 (图 2)。在所有的砷















图 1 砷浓度处理对蜈蚣草生长的影响(n=4，误差线为标准差; 相同字母表示无差异)
Fig. 1 Effect of different As treatments on growth of Pteris vittata (n=4, error bar stands for sd；same letter indicates no difference)



















0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
0 5 10 20 40
ρ砷（mg•L-1）
生
物
量
（
g） 地上部分
地下部分
a a
b
a
b b b b
aa
图2 溶液培养下蜈蚣草地上部和地下部分砷含量(4次重复，误差线为标准差)
Fig. 2 As concentration in shoots and roots of Pteris vittata exposed to different
concentrations of As in solution for 20 d (n =4, error bar stands for sd)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 5 10 20 40
ρ砷 (mg•L
-1)
w
砷
(m
g•
kg
-1
)
地上部分
地下部分
m
(生
物
量
)/g

ρ(砷)/(mg·L- )
w
(砷
)/(
m
g·
kg
-1
)
ρ(砷)/(mg·L-1)
邓培雁等：砷胁迫下蜈蚣草光合作用的变化 777
处理中，地上与地下部砷含量的比值均大于 1。
其中，在营养液砷为 20 mg•L-1 时达到最大，为
2.35；在砷浓度为 5 mg•L-1时最小，为 1.2。
2.3 砷处理过程中蜈蚣草 Fv/Fm的变化
如图 3所示，对照蜈蚣草 Fv/Fm为 0.786，5~40
mg•L-1砷处理时 Fv/Fm变化范围为 0.498~0.566。对
照蜈蚣草 Fv/Fm显著高于其它砷处理，各砷处理间
Fv/Fm无显著差异（P=0.01）。
3.4 砷处理过程中蜈蚣草快速光曲线及相关荧光
参数的变化
表 1为快速光曲线中光合参数的变化。随砷胁
迫的加重，Ik、Pm依次呈现下降趋势，与对照相比
较，受砷胁迫后蜈蚣草 Ik、Pm下降显著（p=0.01），
各胁迫间蜈蚣草 Ik、Pm也有一定的显著差异。α变
化范围为 0.17~0.22，各处理间无显著差异
（p=0.01）。
3 讨论
溶液培养试验显示蜈蚣草不仅超量吸收砷, 而
且从地下向地上部有效输送(图 1)，这与以往的实验
结论相一致 [3-4]。一般植物砷含量的变动范围为
0.01~5 mg·kg-1，根为砷累积的主要部位，只有极少
部分砷可以向地上部分转移[14]。而本实验中在砷处
理过程中，蜈蚣草地上部对砷的质量分数变化范围
为 119~1 129 mg• kg-1，地上与地下部砷质量分数的
比值变化范围为 1.21~2.35。不同浓度砷胁迫没有
引起蜈蚣草生物量的显著差异，这显示蜈蚣草对
砷很强的抗性，这可能与植物具有先天重金属耐
性有关[15-16]。
尽管营养液培养实验显示了蜈蚣草对砷的超
量吸收与转运能力，但Fv/Fm的下降反映砷胁迫仍然
会对蜈蚣草光合作用产生抑制作用。暗适应后测量
的Fv/Fm反映了当所有光系统Ⅱ反应中心均处于开
放态时的量子产量，即光系统Ⅱ的潜在最大量子产
量[17]。正常生理状态下，Fv/Fm是一个比较稳定的
值，不论植物种类，Fv/Fm的值通常在0.8左右[18]。
Fv/Fm低于0.8指示的光合抑制有可能来自于光保护
或者光系统Ⅱ反应中心受损[19]，在干旱胁迫[20]、温
度胁迫[21]、盐胁迫[22]、光胁迫[23]中均发现Fv/Fm的
值随胁迫程度的加重而降低。因此，Fv/Fm的值常被
用来指示环境对植物的胁迫。本次实验中，对照蜈
蚣草Fv/Fm为0.786，表明实验用蜈蚣草处于正常生
理状态。5 mg•L-1砷处理后, Fv/Fm迅速下降了约
30%( Fv/Fm = 0.566)，在10 mg•L-1、20 mg•L-1砷处
理时下降不明显，在40 mg•L-1砷处理时Fv/Fm已下降
了约35 % (Fv/Fm =0.498)，均表明蜈蚣草光合作用受
到明显的砷胁迫。
Fv/Fm低于 0.8指示植物光合作用受到抑制，但
无法具体确定光合系统的哪些部位受到伤害[10，19]。
另外，由图 3可以看出 5，10，20，40 mg•L-1砷处
理 Fv/Fm的值无显著差异，使得无法分辨不同处理
对蜈蚣草光合作用的抑制程度。快速光曲线中荧光
参数的变化被认为可以提供受损植物光合作用更
详细的信息[10]。而通过快速光曲线不仅能够判断当
前状态下植物的光合作用能力，而且能够评估环境
中较为广泛的光强度对植物潜在的光合作用能力
的影响[5]。本研究中，快速光曲线反映出蜈蚣草光
合作用随砷胁迫程度的加重而加重；而荧光参数 Ik
和 Pm明显将砷胁迫分为三个阶段 5 mg• L-1, 10~20
mg• L-1，40 mg• L-1。Ik、Pm的逐渐下降，反映了蜈
蚣草光耐受能力和电子传递能力在砷胁迫下逐渐
减弱。Pm 的改变还认为与光合碳同化的关键酶
Rubisco 有很大关系[24]。依此，砷胁迫可能也会降
低蜈蚣草 Rubisco 酶活性。值得注意的是在整个砷
胁迫过程中，初始斜率 α变化范围为 0.218 9~0.175，
各处理间没有显著差异，说明其捕光能力始终维持

0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 5 10 20 40
ρ 砷（mg•L-1）
Fv
/F
m
图3 砷处理过程中蜈蚣草Fv/Fm 的变化
(n=4，误差线为标准差; 相同字母表示无差异)
Fig. 3 Effect of different As treatments on Fv/ Fm of Pteris vittata
(n=4, error bar stands for sd；same letter indicates no difference)

表 1 砷胁迫下蜈蚣草快速光曲线光合参数的变化（mean±SD, n = 4）
Table 1 Changes of photosynthetic parameters of Pteris vittata during As treatments
砷处理/(mg·L-1) 0 5 10 20 40
半饱和光强 217.45±10.15 a 164.89±15.24 b 152.22±8.95 c 159.95±7.32 c 140.50±5.33 d
初始斜率 0.22±0.01 a 0.20±0.02 a 0.19±0.01 a 0.17±0.03 a 0.18±0.04 a
最大潜在相对电子传递速率/(µmol·m-2·s-1) 47.67±2.35 a 32.42±1.34 b 28.87±1.54 c 27.85±0.98 c 24.52±0.73 d

ρ(砷)/(mg·L-1)
F v
/F
m

778 生态环境 第 16卷第 3期（2007年 5月）
在较高水平，砷胁迫并未对蜈蚣草捕光系统造成显
著伤害。

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Photosynthetic performance of Pteris vittata under arsenic stress

DENG Peiyan1, LIU Wei2
1. Institute of Environmental Science, South China Normal University, Guangzhou 510631, China;
2. Institute of Hydrobiology, Jinan University, Guangzhou 510632, China

Abstract: By imaging-PAM, Photosynthetic performance of Pteris vittata was studied under Arsenic (As) stress. Under nutrient
solution culture, biomass of shoots and roots of P. vittata exposed to As showed no significant difference with the ranges of 1.24～
1.33 and 0.24～0.30 g, respectively. As concentrations in shoots and roots varied from 191 to 1 129 mg/kg and from 160 to 548
mg/kg, respectively. The ratio of As concentration in shoots to roots in P. vittata varied from 1.20 to 2.35. Under 0~40 mg/L As
treatments, Fv/Fm of P. vittata compared to controlled treatment decreased more than 30% with the range of 0.498～0.566; Pm and Ik
of P. vittata decrease from 28%~49% and 24%~35%, respectively. The ranges for Pm and Ik were 24.52～47.67and 140.50～217.45
µmol•m-2•s-1, respectively. No significant decrease of α was determined exposed to different As treatment with the range of 0.17～
0.22. The above results indicated that P. vittata had the ability of absorbed and translated extraordinary As from roots to shoots, but
photosynthesis were seriously inhibited under As stress reflected by decrease of Fv/Fm, Pm and Ik, while the ability of light fixation of
P. vittata kept efficiency reflected by constant α during As exposure.
Key words: Pteris vittata; arsenic; imaging-PAM; photosynthesis; rapid light curves