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Effect of copper stress on photosynthesis of navel orange seedlings

Cu胁迫对脐橙幼苗光合特性的影响



全 文 :中国生态农业学报 2009年 1月 第 17卷 第 1期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jan. 2009, 17(1): 130−134


* 通讯作者: 邱栋梁, 博士, 教授, 博士生导师。E-mail: qiudl1970@yahoo.com.cn
张国军(1979~ ),男, 硕士, 主要从事果树生理研究。
收稿日期: 2007-09-15 接受日期: 2008-05-10
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2009.00130
Cu胁迫对脐橙幼苗光合特性的影响
张国军 江 虹 郑丽芹 陈 娟 邱栋梁* 刘星辉
(福建农林大学园艺学院 福州 350002)
摘 要 以“脐橙 52”为材料, 采用水培方法, 研究了 Cu 胁迫对脐橙幼苗光合作用的影响。结果表明, 0.1
μmol·L−1 Cu处理的脐橙叶片叶绿素含量比对照显著增加, 而 5 μmol·L−1、20 μmol·L−1、40 μmol·L−1 Cu
处理使绿素含量下降, 且 Cu浓度越高下降幅度越大; 类胡萝卜素含量随 Cu浓度增加不断下降。Cu≥5 μmol·L−1
的胁迫造成光合效率降低, 净光合速率、光饱和点下降。0.1 μmol·L−1 Cu处理使脐橙叶片蒸腾速率和气孔导
度增加, 而 5 μmol·L−1 和 20 μmol·L−1 Cu处理使蒸腾速度和气孔导度下降, 40 μmol·L−1 Cu处理的两个指
标变化不大。0.1 μmol·L−1 Cu处理叶绿体光还原活性比对照有所增加, 而 5 μmol·L−1、20 μmol·L−1、40
μmol·L−1 Cu处理叶绿体光还原活性受到抑制。说明低浓度 Cu处理可促进脐橙幼苗的光合作用, 而高浓度有
明显的抑制作用。
关键词 脐橙 Cu胁迫 光合作用 光还原活性
中图分类号: Q945.78 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2009)01-0130-05
Effect of copper stress on photosynthesis of navel orange seedlings
ZHANG Guo-Jun, JIANG Hong, ZHENG Li-Qin, CHEN Juan, QIU Dong-Liang, LIU Xing-Hui
(College of Horticulture, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China)
Abstract The hydroponic method was used to study the photosynthetic characteristics of navel orange “No.52” seedlings under Cu
stress. The study shows that chlorophyll (Chl.) content under 0.1 μmol·L−1 of Cu increases significantly, but decreases under 5
μmol·L−1, 20 μmol·L−1 and 40 μmol·L−1 of Cu. Carotenoid content decreases with increasing Cu concentration. Net photosynthetic
rate and light saturation point reduces under Cu stress as Cu concentration exceeds 5 μmol·L−1. 0.1 μmol·L−1 of Cu improves, but 5
μmol·L−1 and 20 μmol·L−1 of Cu decrease transpiration rate and stomatal conductance of orange. These parameters do not change
significantly under 40 μmol·L−1 of Cu. At the same time, high Cu concentration (5 μmol·L−1, 20 μmol·L−1 and 40 μmol·L−1)
restricts photoreduction activity. The findings indicate that lower Cu concentration improves photosynthesis while high Cu concen-
tration inhabits it.
Key words Navel orange(Citrus sinensis Osbeck), Copper stress, Photosynthesis, Photoreduction activity
(Received Sept. 15, 2007; accepted May 10, 2008)
近年来, 随着含 Cu 杀菌剂的大量使用、Cu 矿
的过度开采及工业Cu污染物的大量排放, Cu对植物
的毒害与日俱增。Cu对作物毒害效应的表现之一是
抑制生长和使产量降低[1, 2]。刘春生等[3]研究表明,
褐土施加过量 Cu 会抑制苹果新梢伸长, 且抑制程度
随 Cu施入量增加而加剧。土壤施加高剂量 Cu的苹果
叶片网纹状失绿, 呈黄色或黄白色, 叶片边缘褐色干
枯, 严重时部分叶片枯死。酸性土壤如施 Cu过量或波
尔多液残留累积会引起柑橘树皮开裂和流胶, 出现部
分落叶 , 或引起大量落叶 , 枝梢枯萎 , 甚至全树死
亡[4]。过量 Cu还可引起柑橘须根腐烂, 干粗和树冠容
积减小。Alva 和 Chen[5]指出随外源 Cu 浓度增大, 柑
橘幼苗枝叶和根干重显著下降。有关 Cu 胁迫对果树
光合作用的影响尚未见报道, 而果树的光合作用直接
关系到果品的产量和品质。因此本文探讨 Cu 胁迫对
脐橙光合作用的影响, 为柑橘生产提供理论基础。
第 1期 张国军等: Cu胁迫对脐橙幼苗光合特性的影响 131


1 材料与方法
1.1 材料和苗木的处理
试验在福建农林大学校内试验地进行, 以 1 年
生的柑橘品种“脐橙 52”嫁接苗(枳壳砧)为材料, 于
2004 年 7 月 10 日采用水培法培养, 恢复 45 d 后进
行处理。
水培营养液采用 Alva 的配方[5], 容器采用外壁
漆黑的 10 L 的塑料桶, 每桶 1 株, 每桶装 8 L 培
养液, 每 10 d更换 1次, 更换时调节 pH至 6.5。每
天定时通气 3 次, 每次 2 h。Cu 处理采用在营养液
中加 CuSO4· 5H2O 的方法, 设 0.1 μmol·L−1、5
μmol· L−1、20 μmol·L−1、40 μmol·L−1 4个 Cu浓
度, 以不加 CuSO4·5H2O 的营养液为对照(CK), 每
个处理设 3 个重复。在露天培养 3 个月后采叶样进
行光合色素含量和叶绿体光还原活性测定。采样在
早晨 8: 00~9: 00进行, 叶样均取自苗木顶端向下第
2~4片复叶。
1.2 测定指标和方法
1.2.1 光合色素含量
用打孔器沿叶脉两侧打取 20个直径为 0.5 cm的
叶圆片, 在黑暗中浸泡于 20 mL混合液(乙醇∶丙酮∶
H2O=4.5∶4.5∶1)中 24 h, 过滤后用分光光度计测定
OD645 和 OD663, 参照波钦诺克[6]方法计算叶绿素 a
(Chl. a)、叶绿素 b (Chl. b)及类胡萝卜素(Car.)含量。
1.2.2 光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Cs)
采用美国CID公司生产的CID-301 PS光合作用
测定系统测定, 开放式气路, 光响应曲线的 PAR 为
0~2 000 μmol·m−2·s−1, Cu胁迫 15 d时测定。不同
时期比较时 PAR =1 000 μmol·m−2·s−1。选择同一
叶片从处理前开始每隔 15 d测定 1次。
1.2.3 叶绿体光还原活性(PS II的电子传递活力)
按张志良等 [7]的方法制备叶绿体, 并采用二氯
酚靛酚(DCPIP)方法[7]测定叶绿体光还原活性。分别
取 4.5 mL 反应混合液(2,6-D∶KCl ∶NaCN ∶0.2
mol PBS∶蔗糖∶制备液=1∶1∶1∶1∶5∶0.5)于各
试管中,并在每个试管内加入 0.5 mL叶绿体悬浮液。
在 40 klx的白质光照 20 ℃下水浴 30 s(以不照光为
对照), 立即测定OD600, △OD=OD 暗-OD 光。用 2, 6-D
制 作 标 准 曲 线 , 并 计 算 出 光 还 原 活 性 。 以
μmol·mg−1(叶绿素)·h−1表示。
2 结果与分析
2.1 Cu胁迫对脐橙叶片光合色素含量的影响
Cu 胁迫对脐橙叶片光合色素含量有明显影响
(表 1)。0.1 μmol·L−1 Cu处理下, Chl. a和 Chl. b含
量分别比对照增加 8.62%、9.29%; 5 μmol·L−1、20
μmol·L−1、40 μmol·L−1 Cu处理使 Chl. a含量分别
比对照下降 10.05%、22.45%、36.49%, Chl. b含量下
降 9.29%、22.59%、37.34%; 而 Car. 含量则随着 Cu
浓度增加而减少, 0.1 μmol·L−1、5 μmol·L−1、20
μmol·L−1、40 μmol·L−1 Cu处理下, 分别比对照降
低 11.51%、13.33%、18.67%和 27.88%。

表 1 Cu胁迫对脐橙叶片色素含量的影响
Tab.1 Effect of Cu stress on contents of chlorophyll and
carotenoid in leaves of navel orange μg·cm−2
Cu浓度(μmol·L−1)
Cu concentration
叶绿素 a
Chl. a
叶绿素 b
Chl. b
类胡萝卜素
Car.
0(CK) 14.03±0.25Bc 5.49±0.16Bb 8.25±0.24Aa
0.1 15.24±0.32Aa 6.00±0.20Aa 7.30±0.15Bb
5 12.62±0.28Cc 4.98±0.20Cc 7.15±0.30Bbc
20 10.88±0.30Dd 4.25±0.28Dd 6.71±0.25Cc
40 8.91±0.27Ee 3.44±0.32Ee 5.95±0.17Dd
不同大、小写字母表示 0.01、0.05显著水平。下同。Small and
capital letters indicate 5% and 1% significant difference. The same
below.

2.2 Cu胁迫对脐橙叶片气体交换的影响
2.2.1 净光合速率
从图 1a 可见, Cu 处理下脐橙叶片净光合速率
(Pn)随光照强度增加而提高, 达到光饱和点时开始
下降。CK和 0.1 μmol·L−1、5 μmol·L−1 Cu处理叶
片 Pn最大值出现在光合有效辐射为 1 200 ~1 400
μmol·m−2·s−1, 而 20 μmol·L−1 Cu处理叶片 Pn最
大值出现在 1 000 μmol·m−2·s−1左右, 40 μmol·L−1
出现在 800 μmol·m−2·s−1左右。0.1 μmol·L-1 Cu
处理使脐橙叶片 Pn 在任何光强下都大于对照, 而 5
μmol·L−1、20 μmol·L−1、40 μmol·L−1 Cu处理使
脐橙叶片 Pn在任何光强下都小于对照, 并且处理浓
度越大, 下降幅度越大, 光补偿点提高。
从图 1b 可以看出, Cu 处理时间越长, 浓度越大,
脐橙叶片 Pn 下降幅度越大。5 μmol·L−1、20
μmol·L−1、40 μmol·L−1 Cu处理 15 d后 Pn分别比
对照下降14.53%、17.81%、44.06%, 60 d后下降38.97%、
67.88%、75.8%, 差异极显著(P<0.01)。0.1 μmol·L−1 Cu
处理下叶片 Pn下降幅度前 15 d小于对照, 15~60 d大
于对照; 其他浓度Cu处理下叶片Pn下降幅度在各时期
均高于对照。Cu浓度>5 μmol·L−1处理的植株前 15 d
下降幅度大于其他时期的下降幅度。
2.2.2 蒸腾速率
从图 2a可以看出, 0.1 μmol·L−1 Cu处理使脐橙
叶片蒸腾速率 (Tr)在各光强下都比对照有所升高 ,
且变化趋势与对照相似, 即: 随光强增加 Tr 变大。
20 μmol·L−1 Cu处理下, 叶片 Tr随光强增加而不断
下降, 且随光强增加下降幅度渐趋缓和, 在 0~400
μmol·m−2·s−1光强范围内 Tr 大于对照, 当光强大
132 中国生态农业学报 2009 第 17卷



图 1 Cu胁迫下脐橙叶片净光合速率对光强(a)和胁迫时
间(b)的响应
Fig. 1 Responses of net photosynthetic rate of navel orange leaves
under Cu stress to light intensity (a) and stress time (b)


于 400 μmol·m−2· s−1 后 , 则显著小于对照 ; 40
μmol·L−1 Cu处理下, 叶片 Tr基本趋于稳定, 变化不
明显, 但此时叶片 Tr已经很小, 显著低于其他处理。


图 2 Cu胁迫下脐橙叶片蒸腾速率对光强(a)和胁迫时间
(b)的响应
Fig. 2 Responses of transpiration rate of navel orange leaves under
Cu stress to light intensity (a) and stress time (b)

从图 2b 可以看出, Cu 处理下脐橙叶片 Tr 随处
理时间和 Cu浓度的增加而下降。0.1 μmol·L−1 Cu
处理下叶片 Tr的下降幅度在前 30 d小于对照, 后 15
d高于对照; 其他浓度 Cu处理下 Tr下降幅度在各时
期均大于对照。各 Cu 处理 60 d 时分别比对照下降
13.72%、 25.49%、 64.7%、 78.43%, 差异极显著
(P<0.01)。
2.2.3 气孔导度
从图 3a可见, 0.1 μmol·L−1、5 μmol·L−1、20
μmol· L−1 Cu 处理下, 叶片气孔导度(Cs)随光强的
变化趋势与对照相似, 0.1 μmol·L−1 Cu处理叶片 Cs
各光强下均高于对照, 而 5 μmol·L−1、20 μmol·L−1
Cu 处理下叶片 Cs 各光强下均低于对照。 40
μmol·L−1 Cu处理的叶片 Cs变化不大, 但显著低于
对照及其他处理。其原因是高浓度的 Cu处理使叶片
细胞结构受到破坏, 功能丧失。
从图 3b可见, Cu处理下脐橙叶片 Cs随胁迫时
间和 Cu浓度增加而下降, 且处理时间越长, 浓度越
大, Cs下降幅度越大。各处理脐橙叶片 Cs下降幅度
前 30 d均大于后 30 d。5 μmol·L−1、20 μmol·L−1、
40 μmol·L−1 Cu 处理 15 d 后 Cs 分别比对照下降
8.26%、15.21%、45.34%, 60 d后分别下降 20.87%、
69.42%、78.79%, 差异极显著(P<0.01)。


图 3 Cu胁迫下脐橙叶片气孔导度对光强(a)和胁迫时间
(b)的响应
Fig. 3 Responses of stomatal conductance of navel orange leaves
under Cu stress to light intensity (a) and stress time (b)
第 1期 张国军等: Cu胁迫对脐橙幼苗光合特性的影响 133


2.3 Cu胁迫对脐橙叶片叶绿体光还原活性的影响
PSⅡ的电子传递是光合作用的重要环节之一 ,
对整个光合作用有很大影响。Cu处理对脐橙叶片叶
绿体光还原活性影响显著(图 4)。0.1 μmol·L−1 Cu
处理叶绿体光还原活性比对照增加 2.12%, 5
μmol·L−1、20 μmol·L−1、40 μmol·L−1 Cu处理使
叶绿体光还原活性分别比对照降低 28.32%、
33.75%、44.02%, 较高浓度的 Cu引起叶绿体光还原
活性下降, 浓度越高, 下降幅度越大。可以看出, 高
浓度 Cu 胁迫严重影响了 PSⅡ的电子传递, 从而抑
制了整个光合作用的进行。

图 4 Cu胁迫对脐橙叶片叶绿体光还原活性的影响
Fig. 4 Effect of Cu stress on photoreduction activity
of navel orange leaves
3 讨论
3.1 Cu胁迫影响脐橙叶片光合色素含量
Cu胁迫使光合色素含量下降已有大量报道[3,8−10]。
本试验结果显示: 高浓度 Cu处理导致脐橙叶绿素含
量降低, 可能是由于 CAT活性下降, 导致 H2O2的积
累所致, 与沈文飚等[11]报道的H2O2积累会促进叶绿
素的降解一致。至于 H2O2的积累促进叶绿素降解的
原因一方面是 H2O2 通过 Fenten、Harber-Weiss、
Winterboum反应或光解反应形成·OH, 直接引发脂
质过氧化[12], 这一点可从高 Cu 处理使 SOD 活性下
降、MDA 含量上升, 导致过氧化产物积累, 膜透性
增加的结果得到佐证[13]; 另一方面, 高 Cu 处理使
POD活性上升, POD的上升导致叶绿素含量下降[13],
与王康等[14]报道的高水平 H2O2 诱导酚特异过氧化
物酶(PPOD)合成, 而 PPOD 使酚氧化物形成酚自由
基从而攻击叶绿素的结果一致。
3.2 Cu胁迫影响脐橙叶片光合特性
Cu 是植物微量营养元素, 适量的 Cu 有利于叶
绿素的形成与稳定。试验结果表明, 0.1 μmol·L−1 Cu
处理有利于脐橙叶片光合色素的形成, Chl. a 和 Chl.
b 分别比对照增加 8.62%和 9.29%(P<0.05), 叶绿体
活性增加, 这和Cu与叶绿体色素形成配位化合物有
关。0.1 μmol·L−1 Cu处理还促进脐橙叶片气孔开放,
增加气孔导度, 有利于气体交换, 因而增加了叶片
的光合速率, 促进生长。
逆境抑制光合作用已有大量报道[15-17], Pn 的下
降可由气孔限制和非气孔限制引起[18-20]。前者是指
逆境胁迫后引起气孔关闭, CO2供应受阻[19]; 后者指
叶肉细胞气相空间和 CO2扩散阻力, PSII 及光合磷
酸化活性下降 [21-23], Rubisco 羧化酶活性降低 [24,25],
叶绿体电子传递受阻和叶绿素含量下降等[19,24]。本
试验结果表明, 5 μmol·L−1 Cu处理使脐橙叶片气孔
导度和蒸腾速率下降, 表明 Pn下降存在着气孔因素,
但同时观察到叶绿素含量降低, 叶绿体的光还原活
性下降, 说明Pn的下降也有非气孔因素存在, 高Cu
胁迫使柑橘叶片 Pn 下降是由气孔因素和非气孔因
素共同作用的结果, 但二者的比例如何有待于进一
步考究。
蒸腾作用是植物体内重要的生理活动, 受气孔
开闭的影响和制约。气孔开放时 Tr加大, 关闭时 Tr
减少。试验结果表明, Cu浓度大于 5 μmol·L−1时, Tr
明显下降, 显示 Pn与 Tr同步受到抑制。
水培法作为生物模拟试验法的一种, 有利于开
展单因子试验研究, 多用于田间难以进行的探索性
试验。有关脐橙在田间出现的 Cu毒害机理尚需进一
步研究。
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