全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2015, 51 (8): 1331~1338　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2015.0133 1331
收稿 2015-03-09　　修定 2015-07-11
资助 国家自然科学基金项目(41161035和41461042)、国家科技部“十二五”科技支撑计划资助项目(2011BAC13B02)、江西省自然科学
基金项目(20142BAB204007)和江西省重大生态安全问题监控协同创新中心资助项目(JXS-EW-03)。
* 通讯作者(E-mail: jianminfei0914@163.com; Tel: 0791-88120193)。
不同浓度Cd2+胁迫对苎麻叶绿素及其光合荧光特性的影响
简敏菲1,2,*, 杨叶萍1, 余厚平2, 龚秋林3, 陈勇玲3
江西师范大学1生命科学学院, 江西省亚热带植物资源保护与利用重点实验室; 2鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室,
南昌330022; 3江西省宜春市农业科学研究所, 江西宜春336000
摘要: 以苎麻为材料, 采用盆栽培养, 测定不同浓度镉胁迫下苎麻叶片中叶绿素含量、光合荧光参数及其荧光成像的变化,
以及苎麻的镉耐受性及其光合荧光特性的关系。结果表明, 短时间镉胁迫下, 苎麻叶片的叶绿素a (Chla)、叶绿素b
(Chlb)、总叶绿素含量(Chlt)、净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)等指标与对照相比均呈上升趋势, 而胞间CO2
浓度(Ci)与稳态下的非光化学淬灭(NPQlss)呈下降趋势, 且Pn、Gs、Tr与PSII最大量子产率(QYmax)均在Cd
2+浓度为60 mg·L-1
胁迫下出现最大值; 长时间镉胁迫下, 苎麻叶片的Chla、Chlb、Chlt、Pn、Gs、Tr等指标与对照相比则均呈下降趋势, 而Ci
呈上升趋势, 除 240 mg·L-1 Cd2+胁迫后的苎麻叶QYmax与NPQlss值分别高出对照的2.5%和75.9%外, 其余不同镉浓度处理后
的苎麻叶QYmax或NPQlss值均低于对照。
关键词: 苎麻; 镉胁迫; 光合特性; 荧光成像; 耐受性
Influences of Different Cadmium Concentration Stress on Chlorophyll and Its
Photosynthetic Fluorescence Characteristics of Ramie (Boehmeria nivea)
JIAN Min-Fei1,2,*, YANG Ye-Ping1, YU Hou-Ping2, GONG Qiu-Lin3, CHEN Yong-Ling3
1College of Life Sciences, Jiangxi Provincial Key Lab of Protection and Utilization of Subtropical Plant Resources; 2Key Labo-
ratory of Poyang Lake Wetland and Watershed Research, Ministry of Education, Jiangxi Normal University, Nanchang 330022,
China; 3Yichun Agricultural Science Research Institute of Jiangxi Province, Yichun, Jiangxi 336000, China
Abstract: On the basis of pot experiment methods, we selected ramie (Boehmeria nivea) as the materials, and
measured all contents of chlorophyll, photosynthetic fluorescence parameters and fluorescence imaging in order
to study the relationships among the tolerance to cadmium contamination of B. nivea and its photosynthetic fluo-
rescence characteristics under different concentrations of cadmium stress. Under different concentrations of cad-
mium stress in the short time of 21 days, the results showed that the values of the most parameters of B. nivea
leaves increased more than those of the control group without any heavy metal stress, and the main parameters
which included chlorophyll a, chlorophyll b, the total chlorophyll, and the net photosynthetic rate (Pn), stomatal
conductance (Gs), transpiration rate (Tr) and etc., while the values of other parameters included the intercellular
CO2 concentration (Ci) and the non-photochemical quenching under stable state (NPQlss) decreased less than
those of the control group, and the values of the parameters included the net photosynthetic rate (Pn), transpira-
tion rate (Tr), stomatal conductance (Gs) and the maximum quantum yield (QYmax) presented the highest under 60
mg·L-1 cadmium stress. With the increasing of stress time, under different concentrations of cadmium stress in
the long time of 49 days, the values of chlorophyll a, chlorophyll b, total chlorophyll contents, Pn, Gs, Tr of B.
nivea leaves decreased than those of the control group, while the values of Ci increased. And the change trend
showed that the values of QYmax and NPQlss were lower than those of the control group under different concentra-
tions of cadmium stress except the 240 mg·L-1 cadmium, and which values were higher than those of the control
group 2.5%, 75.9%.
Key words: ramie (Boehmeria nivea); cadmium stress; photosynthetic characteristics; chlorophyll fluorescence
imaging; tolerance
植物生理学报1332
在重金属污染中, 镉污染一直被人们密切关
注, “镉米事件”的阴影在全球范围内一直未曾消
除, 近年来更是成为环境研究领域中的热点问题
之一。镉也是生物非必须元素和毒性最强的重金
属之一, 在镉污染环境中, 植物富集的Cd含量甚至
能达到0.2~0.8 mg·kg-1 (Satarug等2003)。现已发现
龙葵(Solanum nigrum)、印度芥菜(Brassica jun-
cea)、东南景天(Sedum alfredii) (蒋成爱等2009)、
宝山堇菜(Viola baoshanensis)等对Cd具有超富集
能力, 堇菜属的宝山堇菜地上部位Cd含量最高可
达2 310 mg·kg-1 (刘威等2003)。镉含量过高, 将影
响酶活性, 特别是过氧化酶活性升高, 导致体内积
累过多的H2O2使植物受到毒害, 主要表现为叶绿
素含量降低、光合作用下降、气孔关闭、叶片失
绿、减产等等(刘云国等2007; Kovalchuk等2001;
王欣2010; Huber和Maury 1980)。叶绿素荧光动力
学技术能快速、灵敏、无损伤地探测和分析重金
属胁迫等逆境对植物光合作用的影响(Govindjee
2004; Scott等2003)。目前, 镉胁迫对植物光合生理
影响的研究主要集中在大豆(Glycine max) (廖柏寒
等2010)、草莓(Fragaria ananassa) (张金彪和黄维
南2007)和球果蔊菜(Rorippa globosa) (孙瑞莲等
2009)等食用作物方面。
苎麻作为非食用的经济作物, 不存在食物链
生态安全问题, 且具有生物量大, 根系发达, 农艺
性状以根、茎、叶为主, 而花、果实、种子等的
农艺性状表现形式不明显等特点, 具有广泛的用
途, 对镉具有较强的耐受性和累积能力, 在镉污染
土壤的植物生态修复实施中具有广阔的实施应用
前景(佘玮2010)。
镉胁迫下苎麻的光合及叶绿素荧光特性方面
的研究尚未见报道。本文研究苎麻经不同浓度镉胁
迫后叶片叶绿素含量及其光合荧光特性的变化特
征, 探讨苎麻的镉耐受性机理, 以期为镉污染环境的
植物生态修复提供一定的基础数据与理论依据。
材料与方法
1 材料
供试材料为苎麻[Boehmeria nivea (L.) Gaud-
ich.], 品种为江西省宜春市苎麻研究所提供的‘赣
苎5号’幼苗。胁迫实验于2014年7月至9月在室内
采用盆栽培养, 培养基质为膨胀珍珠岩, 珍珠岩经
自来水冲洗后装入口径25 cm、底内径20 cm、深
30 cm的塑料盆中, 供试药剂为CdCl2·2.5H2O配制
而成的不同浓度Cd2+溶液(佘玮2010)。移栽长势一
致的‘赣苎5号’幼苗(约30 cm), 洗净根部所带土壤,
每盆移栽2株。采用1/2 Hoagland营养液进行适应
性培养7 d, 随后进行不同浓度的Cd2+胁迫实验。
设定6个处理, Cd2+浓度分别为0 (对照)、20、60、
120、180和240 mg·L-1。处理21和49 d分别作为研
究周期中生长旺盛期和生长成熟期。每个处理重
复10盆(5盆用于第21天指标的测定, 另5盆用于第
49天指标的测定), 共60盆。实验期间, 每周更换新
鲜含Cd2+营养液500 mL, 营养液pH控制在6.5左右
(采用NaOH或HCl溶液调节)。
2 方法
2.1 叶绿素含量测定
采用分光光度法测定苎麻叶片的叶绿素总量
(Chlt)、叶绿素a (Chla)、叶绿素b (Chlb)和Chla/
Chlb值。在不同浓度Cd2+胁迫21和49 d, 分别称取
0.1 g苎麻顶端倒数第6片叶于研钵中, 加入100%二
甲基亚砜(DMSO)进行提取。参照Arnon (1949)方
法计算叶绿素含量, 计算公式如下:
Chla含量(mg·L-1)=12.7A663–2.69A645
Chlb含量(mg·L-1)=22.9A645–4.68A663
Chlt含量(mg·L-1)=Chla+Chlb=8.02A645+20.21A663
2.2 光合指标的测定
Cd2+胁迫21和49 d, 采用美国LI-COR公司生产
的的Li-6400型便携式式光合作用测定仪于晴天上
午9:00~11:00测定顶端倒数第6叶的净光合速率
(Pn)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO2浓度(Ci)和气孔导度
(Gs)。测定时CO2浓度为380 µmol·mol
-1, 光照强度
为1 000 µmol·m-2·s-1,叶室温度为28 ℃ (刘飞虎
2010)。每处理平行测定3株, 取平均值(Mean± SD)。
2.3 叶绿素荧光参数的测定及成像方法
Cd2+胁迫21和49 d, 运用FluraCam便携式叶绿
素荧光成像仪于晴天上午9:00~11:00测定苎麻叶
片顶端倒数第6叶的荧光参数和活体荧光成像。
测定时, 植株充分暗适应120 min, 设定快门Shut-
ter=0, 敏感度Sensitivity=20, 光照AChlt2=100,
AChltl=100, Super=70测定叶片叶绿素荧光参数
(Ralph等2005)。
简敏菲等: 不同浓度Cd2+胁迫对苎麻叶绿素及其光合荧光特性的影响 1333
3 数据处理
采用统计软件SPSS 20.0进行单因素方差分析
(One-way, ANOVA)和最小显著差异法(LSD), 对苎
麻在不同镉浓度水平下的指标测定数据进行差异
性比较, Origin 8.0进行制图。
实验结果
1 不同浓度Cd2+胁迫对苎麻叶片叶绿素合成的影响
如表1所示, 随着胁迫时间的延长, 对照与20
mg·L-1 Cd2+处理的各类色素呈上升趋势, 60~240
mg·L-1 Cd2+处理的呈下降趋势, 叶绿素a/b (Chla/
Chlb)比值也总体呈下降趋势。而随着Cd2+浓度的
增加, 各类光合色素、Chla/Chlb与对照并不呈单
一的上升或下降趋势, 但各类光合色素均与Chla/
Chlb变化呈相反趋势, 说明Cd2+对叶绿素b的影响
比对叶绿素a的影响更大。
第21天, 与对照相比, Cd2+胁迫下的各类光合色
素含量均有所增加, 60 mg·L-1 Cd2+处理的差异达到
显著性水平; 180 mg·L-1 Cd2+处理的色素含量达到最
大, Chla、Chlb和Chlt含量分别极显著高出对照
26.1%、51.0%和32.9% (P<0.01); 其余各处理浓度间
差异不明显。Chla/Chlb均减小, 60 mg·L-1 Cd2+处理
的与对照的差异达到显著性水平; 180 mg·L-1 Cd2+处
理的最小 , Chla/Chlb比对照极显著下降15.9%
(P<0.01); 其余各处理间相差不大, 说明短时间胁迫
能促进苎麻叶片叶绿素的生成, 并降低Chla/Chlb。
第49天, 与对照相比, Cd2+胁迫下的光合色素
含量均显著下降 , 120 mg·L-1 Cd2+处理的最小 ,
Chla、Chlb和Chlt含量分别比对照极显著下降
17.6%、29.7%和21.4% (P<0.01), 其余各处理间差
异不显著。Chla/Chlb均显著增加, 120 mg·L-1 Cd2+
处理的最大, 比对照极显著高出16.8% (P< 0.01), 其
余各处理间差异不显著, 说明长时间胁迫可能抑制
苎麻叶片叶绿素的生成, 并升高Chla/Chlb值。
2 不同浓度Cd2+胁迫对苎麻叶片光合作用的影响
随着胁迫时间的延长, Cd2+胁迫下的各项气体
交换参数均呈下降趋势; 而随着镉胁迫浓度的增加,
各项气体交换参数与对照相比并不呈单一的上升
或下降趋势, 且低浓度Cd2+胁迫下参数的上升或下
降更明显, 说明苎麻对镉有一定的耐受能力(图1)。
第21天, 与对照相比, Cd2+胁迫下的净光合速
率(Pn)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)均极显著增
加(图1-A~C), 随胁迫浓度的增加先上升后下降。
在60 mg·L-1 Cd2+胁迫下, Pn、Gs和Tr达到最大值,
分别极显著高出对照135.3%、208.8%和151.4%
(P<0.01)。胞间CO2浓度(Ci)较对照均极显著下降
(图1-D), 且随着胁迫浓度的增加先下降后上升,在
60 mg·L-1 Cd2+胁迫下达到最小值, 比对照极显著下
降39.2% (P<0.01)。说明短时间胁迫下Pn、Gs和Tr
的变化趋势相同, 且均与Ci变化趋势相反; 短时间
胁迫能有效刺激苎麻的光合作用。
第49天, 与对照相比, Cd2+胁迫下的Pn均极显
著下降, 且随胁迫浓度的增加先上升后下降, 在240
mg·L-1 Cd2+胁迫下达到最小值, 比对照极显著下降
66.8%, 各处理间差异性极显著(P<0.01)。Gs较对
照均极显著下降, 在240 mg·L-1 Cd2+胁迫下也达到
最小值, 比对照极显著下降57.5% (P<0.01), 各处理
间的差异性多为显著(P<0.05)。60 mg·L-1 Cd2+胁
迫下的Tr较对照略微下降, 其余4个处理则极显著
下降, 在240 mg·L-1 Cd2+胁迫下达到最小值, 比对照
表1 不同浓度Cd2+胁迫下苎麻叶片叶绿素含量的变化
Table 1 Changes of chlorophyll contents of B. nivea leaves under different concentrations of cadmium stress
Cd2+浓度/
叶绿素a含量/mg·g-1 (FW) 叶绿素b含量/mg·g-1 (FW) 叶绿素a/b (Chla/Chlb) 总叶绿素含量/mg·g-1 (FW)
mg·L
-1 第21天 第49天 第21天 第49天 第21天 第49天 第21天 第49天
0 (对照) 1.565±0.098Cd 1.940±0.110Aa 0.584±0.055Cc 0.876±0.102Aa 2.687±0.082Aa 2.227±0.144Bb 2.149±0.153Cd 2.816±0.212Aa
20 1.619±0.019Bcd 1.671±0.050Bb 0.608±0.019BCc 0.678±0.033Bb 2.666±0.052Aa 2.466±0.048ABa 2.227±0.038Ccd 2.349±0.082Bb
60 1.842±0.046ABab 1.697±0.090ABb 0.749±0.033ABb 0.699±0.063Bb 2.461±0.050ABb 2.435±0.095ABa 2.591±0.080ABb 2.396±0.152Bb
120 1.712±0.008Bbc 1.597±0.113Bb 0.655±0.001BCbc 0.616±0.070Bb 2.613±0.010Aab 2.601±0.123Aa 2.367±0.090BCbcd 2.213±0.183Bb
180 1.974±0.118Aa 1.723±0.116ABb 0.882±0.127Aa 0.702±0.074ABb 2.259±0.206Bc 2.460±0.095ABa 2.856±0.245Aa 2.425±0.189ABb
240 1.752±0.084Bbc 1.698±0.112ABb 0.677±0.057BCbc 0.663±0.068Bb 2.592±0.099Aab 2.568±0.105Aa 2.429±0.140BCbc 2.361±0.179Bb
　　不同大写字母表示不同处理间的极显著差异性(P<0.01), 不同小写字母表示不同处理间的显著差异性(P<0.05)。下表同此。
植物生理学报1334
极显著下降55.8% (P<0.01), 各处理间差异性多为
显著(P<0.05)。20与120 mg·L-1 Cd2+胁迫下的Ci比
对照略微上升, 其余3个处理则极显著上升, 且在
180 mg·L-1 Cd2+胁迫下达到最大值, 比对照高出
66.0% (P<0.01), 各处理间差异多为显著(P<0.05)。
说明长时间胁迫Pn、Gs、Tr与Ci变化的相关性不明
显, 但在240 mg·L-1 Cd2+胁迫下均出现Pn、Gs和Tr
的最小值, 最大值都出现在60 mg·L-1 Cd2+胁迫下。
长时间高浓度Cd2+胁迫严重抑制苎麻的光合作用
(Pn)、降低气孔导度(Gs)和降低蒸腾速率(Tr), 但生
长状态良好, 对存活率几乎无影响, 这可能与苎麻
的镉耐受性有关.
3 不同浓度Cd2+胁迫对苎麻叶片叶绿素荧光参数
及成像的影响
由表2与图2可知, 随着胁迫时间的延长, Cd2+
胁迫下的初始荧光(Fo)均上升; PSII最大量子产率
(QYmax)与PSII潜在活性(Fv/Fo)除在240 mg·L
-1 Cd2+
胁迫下上升, 其余浓度Cd2+胁迫的均下降。稳态下
的有效量子产率(Fv/Fmlss)在低浓度Cd
2+胁迫下上
升, 高浓度Cd2+胁迫下下降。稳态下的非光化学淬
灭(NPQlss)在低浓度胁迫下下降, 高浓度胁迫下上
升。最大荧光(Fm)和可变荧光(Fv)规律不明显。而
随着Cd2+浓度增加, 叶绿素荧光参数Fo、Fm、Fv、
Fv/Fo、QYmax、Fv/Fmlss与对照相比, 总体呈下降
趋势; NPQlss在胁迫早期随Cd
2+浓度增加下降, 而
在胁迫晚期随Cd2+浓度增加先下降后上升。
如表2所示, 第21天, 与对照相比, Fo随着Cd
2+
浓度的增加之间显著下降(P<0.05), 60~180 mg·L-1
Cd2+胁迫的Fo之间差异性不显著。Cd
2+胁迫下的
Fm均小于对照, 120~240 mg·L
-1 Cd2+胁迫的Fm之间
差异不大。第49天, 与对照对比, 在20和60 mg·L-1
Cd2+胁迫下的Fo值略有升高, 其余3个处理的Fo均
较对照极显著下降(P<0.01), 180与240 mg·L-1 Cd2+
胁迫下的Fo差异性不显著; 20 mg·L
-1Cd2+胁迫下的
Fm值比对照略微下降, 其余4个Cd
2+胁迫下的Fm均
比对照极显著下降(P<0.01), 180 mg·L-1 Cd2+胁迫下
降幅最多; Cd2+浓度为20和240 mg·L-1的Fv值比对照
略微降低, 其他处理的Fv值都随Cd
2+浓度增加极显
图1 不同浓度Cd2+胁迫对苎麻叶片气体交换参数的影响
Fig.1 Influence of different concentrations of cadmium stress on the gas exchange parameters in B. nivea leaves
　不同大写字母表示不同处理间的极显著差异性(P<0.01), 不同小写字母表示不同处理间的显著差异性(P<0.05)。下图同此。
简敏菲等: 不同浓度Cd2+胁迫对苎麻叶绿素及其光合荧光特性的影响 1335
著下降(P<0.01); Fv/Fo随Cd
2+浓度增加呈下降趋势,
但240 mg·L-1 Cd2+胁迫下的Fv/Fo比对照有所增加。
如图2所示, 第21天, 与对照相比, 60 mg·L-1
Cd2+胁迫的QYmax (图2-A)与Fv/Fmlss (图2-B)分别高
出对照5%和5.3%, 其余处理的QYmax与Fv/Fmlss均
比对照略有下降; 180 mg·L-1 Cd2+胁迫下的降幅最
明显, QYmax与Fv/Fmlss分别比对照极显著下降16.8%
和14.2% (P<0.01)。Cd2+胁迫下的NPQlss均小于对
照, 且在180 mg·L-1 Cd2+胁迫下降幅最大, 比对照极
显著下降65.9% (P<0.01) (图2-C)。第49天, 与对照
相比, 240 mg·L-1 Cd2+胁迫下的QYmax高出对照2.5% ,
其余处理均比对照有所下降, 180 mg·L-1 Cd2+胁迫
下降幅最明显 , 比对照极显著下降 4 3 . 9 %
(P<0.01)。20 mg·L-1 Cd2+胁迫下的Fv/Fmlss比对照略
微下降, 其余4组均比对照显著下降(P<0.05)。180
与240 mg·L-1 Cd2+胁迫下的NPQlss极显著高出对照
31.0%、75.9% (P<0.01), 其余胁迫均极显著低于对
照。说明长时间高浓度胁迫可增强苎麻的光能利用
率并启动非光化学耗能机制, 从而进行自我保护。
如图3所示, 第21天, 从QYmax成像图中可看出,
60 mg·L-1 Cd2+胁迫下的橘黄色部位面积最大, 说明
此浓度下苎麻的光能转化率最高, 与此浓度的净
光合速率呈正向一致性。第49天, 从QYmax成像图
中可看出, 240 mg·L-1 Cd2+胁迫下的橘黄色部位面
表2 不同浓度Cd2+胁迫下苎麻叶片的荧光参数(Fo、Fm、Fv、Fv/Fo)的变化
Table 2 Changes of chlorophyll fluorescence parameters (Fo, Fm, Fv, Fv/Fo) in B. nivea
leaves under different concentrations of cadmium stress
Cd2+浓度/mg·L-1
初始荧光(Fo) 最大荧光(Fm)
第21天 第49天 第21天 第49天
0 (对照) 801.747±19.277Aa 909.330±17.236Aa 1 731.470±36.835Aa 1 877.313±81.414Aa
20 758.670±4.887ABb 940.693±26.310Aa 1 633.200±34.047Bb 1 817.830±34.268ABab
60 746.077±10.023Bbc 911.543±8.075Aa 1 712.560±36.106ABa 1 663.487±63.049Cc
120 729.517±27.913Bbc 867.460±30.400Bb 1 334.883±34.071Cc 1 437.283±43.647Dd
180 714.770±22.793BCc 814.463±19.698Cc 1 291.510±32.844Cc 1 146.043±52.277Ee
240 672.747±25.421Cd 819.087±16.137BCc 1 318.093±24.771Cc 1 737.733±38.525BCbc
Cd2+浓度/mg·L-1
可变荧光(Fv) 潜在活性(Fv/Fo)
第21天 第49天 第21天 第49天
0 (对照) 929.723±56.063ABab 967.983±79.300Aa 1.161±0.096Bb 1.065±0.089ABab
20 874.530±30.692Bb 877.137±60.291ABa 1.153±0.036Bb 0.934±0.091BCbc
60 966.483±35.269Aa 751.943±59.059Bb 1.296±0.051Aa 0.825±0.062CDc
120 605.367±8.486Ccd 569.823±13.292Cc 0.830±0.026CDd 0.657±0.005Dd
180 576.740±16.768Cd 331.580±43.461Dd 0.807±0.027Dd 0.407±0.051Ee
240 645.367±14.242Cc 918.647±53.796Aa 0.960±0.048Cc 1.123±0.086Aa
图2 不同浓度Cd2+胁迫下苎麻叶绿素荧光参数的变化
Fig.2 Changes of chlorophyll fluorescence parameters in B. nivea leaves under different concentrations of cadmium stress
植物生理学报1336
表3 Cd2+胁迫下各指标的相关性
Table 2 The correlation among all parameters of B. nivea leaves under cadmium stress
胁迫时间/d Chla Chlb Chlt Chla/Chlb Pn Gs Ci Tr Fo Fm Fv QYmax Fv/Fo Fv/Fmlss NPQlss
21 0.556* 0.478* 0.525* –0.405 0.204 0.471* 0.105 0.300 –0.881** –0.880** –0.814** –0.676** –0.435 –0.678 –0.925*
49 –0.325 –0.438 –0.375 0.548* –0.805** –0.702** 0.417 –0.684** –0.881** –0.519* –0.385 –0.280 –0.216 –0.517 0.634**
　　*: P<0.05水平上显著相关; **: P<0.01水平上极显著相关。
积最大, 此浓度的QYmax成像图与净光合速率趋势
不同, 说明此时净光合速率不仅受到光合系统的
影响, 还受到气孔导度及叶绿素等影响。
4 不同浓度Cd2+胁迫下各指标的相关关系
研究不同Cd2+浓度和胁迫时间的苎麻叶绿素
及其光合荧光特性各指标间的相关性也具有明显
的科学价值。
表3显示, 第21天, Chla、Chlb以及Chlt与Cd2+
浓度均呈显著正相关, 相关系数r分别为0.556、
0.478、0.525, Chla/Chlb与Cd2+浓度相关性不明显。
Pn、Ci和Tr与Cd
2+浓度相关性不明显。Gs与Cd
2+浓
度呈显著正相关, 相关系数r为0.471。Fo、Fm、Fv、
QYmax和NPQlss均与Cd
2+浓度呈极显著负相关, 相关
系数r分别为–0.881、–0.880、–0.814、–0.676
和–0.925, Fv/Fo、Fv/Fmlss与Cd
2+浓度相关性不明
显。第49天, Chla、Chlb、Chlt与Cd2+浓度相关性不
明显, Chla/Chlb与Cd2+浓度呈显著正相关, 相关系数
r为0.548。Pn、Gs和Tr与Cd
2+浓度呈极显著负相关,
相关系数分别为–0.805、–0.702和–0.684, Ci与Cd2+
浓度相关性不明显。Fo值与Cd
2+浓度呈极显著负相
关, Fm与Cd
2+浓度呈显著负相关, NPQlss与Cd
2+浓度
呈极显著正相关 , 相关系数 r分别为–0 .881、
–0.519和0.634, Fv、Fv/Fo、QYmax、Fv/Fmlss与Cd
2+浓
度相关性不明显。
图3 不同浓度Cd2+胁迫下苎麻叶绿素荧光参数QYmax的成像
Fig.3 Imaging of chlorophyll fluorescence parameter QYmax in B. nivea leaves under different concentrations of cadmium stress
讨　　论
光合色素含量在一定程度上影响光合作用的
能力(Bot等1990)。刘劲松等(2011)研究认为, 在镉
胁迫下, 随着胁迫浓度增加和胁迫时间延长, 光合
色素含量呈下降趋势。Cd2+不仅影响苎麻的叶绿
素合成, 而且会影响植株的光合作用。PSII的最大
量子产量QYmax反映植物潜在的最大光合能力,一
简敏菲等: 不同浓度Cd2+胁迫对苎麻叶绿素及其光合荧光特性的影响 1337
般植物处于逆境时Fv/Fm下降(陈建明等2006)。
本研究表明, 短时期(21 d)胁迫下增加苎麻叶
片叶绿素含量, 且Chla、Chlb以及叶绿素总量Chlt
与Cd2+浓度均呈显著正相关; 长时期(49 d)胁迫下
降低叶绿素含量, 但Chla、Chlb、Chlt与Cd2+浓度
相关性不明显, 与孙晓灿等(2011)的研究结果相一
致。短时间(21 d)处理促进新叶的生成, 增加苎麻
的生长速率和茎粗, 并促进须根的生长, 可能是由
于生长旺盛期苎麻受Cd毒害后, 需要消耗更多的
能量, 且有其他氧化酶进行协同抵抗, 也有可能
Cd2+促进矿质元素吸收从而形成早期的刺激作用
以维持体内代谢平衡; 当处理时间延长时, 更多的
镉进入植物体细胞内, Cd2+可能与叶绿体蛋白质上
的巯基结合或取代其中的Fe2+、Zn2+和Mg2+, 破坏
叶绿体的结构和功能(张金彪和黄维南2007; Hauck
等2003), 使叶绿素酶活性比例失调, 叶绿素分解加
快, 生理平衡被打破且逐渐被抑制作用代替, 致使
含量下降。短时间(21 d)胁迫Chla/Chlb下降, 但与
Cd2+浓度相关性不明显, 长时间(49 d)胁迫Chla/
Chlb与Cd2+浓度呈显著正相关。说明Cd2+对叶绿素
b的影响比叶绿素a大, 这与惠俊爱等(2010)的研究
结果不同, 可能是由于实验材料不同, 植物体内的
耐性机制不同造成的。研究表明, 短时间胁迫促进
苎麻光合色素产生, 是增加Pn的重要原因之一; 长
时间胁迫对苎麻存活率几乎没影响, 苎麻的各部位
Cd2+含量从高到低依次为根>皮>茎>叶, 且随着浓
度的增加吸收量依次升高, 最高处理浓度苎麻根部
镉含量高达9 023 mg·kg-1, 茎部达2 652 mg·kg-1。
所以农业上可以利用苎麻生长旺盛期进行镉污染
土壤的植物生态修复, 以达到理想的修复效果。
短时期胁迫下苎麻叶片光合速率有增强趋势,
但Pn、Ci、Tr等与Cd
2+浓度相关性不明显, Gs与Cd
2+
浓度呈显著正相关; 长时期胁迫下光合速率下降,
Pn、Gs、T r等与Cd
2+浓度呈极显著负相关, Ci与
Cd2+浓度相关性不明显, 这与叶绿素含量变化趋势
相同。生长旺盛期(21 d)的净光合速率均显著高于
对照, 且在60 mg·L-1Cd2+浓度胁迫下的净光合速率
(Pn)最大, 可推测此浓度可能是利用苎麻进行植物
生态修复的最佳浓度; 成熟期(49d)胁迫下的Pn均
比对照显著下降, Pn下降主要因为气孔限制(Farqu-
har和Sharkey 1982)和非气孔限制。Ci值的大小是
评判气孔限制和非气孔限制的依据(Pozo等2005),
Pn、Gs和Ci值同时下降时为气孔限制; Pn值下降而
Ci值升高时为非气孔限制, 说明非气孔限制是光合
作用的限制因素。研究表明, 苎麻叶片的Pn、Gs和
Tr变化趋势与Ci变化趋势相反, 说明苎麻的净光合
速率在后期下降主要是非气孔限制。Pn的下降原
因较复杂, 首先, 叶绿素含量下降可能是Pn下降的
原因之一; 其次, 可能是因为镉胁迫导致脱落酸
(abscisic acid, ABA)含量增加, ABA可引起Gs下降
(Poschenrieder等1989), 而Gs下降则引起Tr下降, Tr
下降引起水分供应不足, 导致光抑制, 而植物为避
免光抑制导致PSI和PSII电子传递速率减少(Das等
1997)。所以, 在胁迫晚期苎麻的耐性机制更为复
杂, 由多因素调控内在生理代谢。胁迫早期(21 d)
苎麻通过增加光合色素含量, 升高或降低Gs和Tr等
生理变化适应镉环境, 虽然长时间(49 d)高浓度胁
迫苎麻光合色素及光合作用下降, 但是通过降低
Gs, 增强自我保护机制, 且存活率依然很高, 反映苎
麻耐镉能力很强。
叶绿素荧光能够有效反馈光合机构的重要调
节过程, 通过对荧光参数分析, 可以得到植物生理
变化与光能利用的信息(梁文斌等2010; 张守仁
1999; 罗青红等2006; 尹赜鹏等2010; 王振兴等
2014)。表3表明, 苎麻在60 mg·L-1 Cd2+浓度下经历
短时期(21 d)胁迫后的QYmax值显著高出对照5%,
且Fo、Fm、Fv、QYmax、NPQlss均与Cd
2+浓度呈极
显著负相关, Fv/Fo、Fv/Fmlss与Cd
2+浓度相关性不明
显; 而在最高浓度240 mg·L-1 Cd2+长时期(49 d)胁迫
后的QYmax值反超对照, 且Fo值与Cd
2+浓度呈极显
著负相关, Fm与Cd
2+浓度呈显著负相关, NPQlss与
Cd2+浓度呈极显著正相关, Fv、Fv/Fo、QYmax、Fv/
Fmlss与Cd
2+浓度相关性不明显。说明高浓度Cd2+胁
迫促进PSII对光能的利用能力, 这可能与苎麻的耐
性有关。PSII反应中心的破坏或可逆失活会引起
Fo水平的增加。本研究表明, 随着Cd
2+浓度升高,
Fo水平呈下降趋势, 但降幅不大, 说明胁迫早期
PSII损伤程度较小, 苎麻对镉有较高的耐受能力。
非光化学淬灭系数NPQ值大小反应PSII反应中心
对天线色素吸收后的热耗散能力, 是一种自我保
护机制(Badger等2000; 张守仁1999), 许多研究表
明, Cd促进植物的光抑制作用(凌丽俐等2013; 李
植物生理学报1338
亚藏等2009)。本研究表明, 短时间内非光化学淬
灭系数NPQ不但没升高反倒降低, 说明短时间镉
胁迫对苎麻光合系统电子传递速率有促进作用;
长时间胁迫下最高Cd2+浓度处理组的NPQlss值显
著高出对照对应值75.9%, 说明此时苎麻非光化学
淬灭机制发挥显著效果, 以耗散光能形成保护机
制, 这是否与苎麻对Cd2+的耐受性有关尚需要更加
深入的研究。
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