全 文 ：铜对苋菜生长及成熟叶和扩展叶光合作用的影响
柯世省 , 杨敏文　(台州学院 ,浙江临海 317000)
摘要　研究铜处理苋菜幼苗生长受阻与光合作用的关系。苋菜播种后 25 d ,将铜(CuSO4)加入营养液中分 2 d浇灌土壤 ,最后使加入土
壤中的铜浓度分别为 0(对照)和 2 mmol/kg(铜处理)。苋菜叶片对铜处理的响应取决于它们的发育阶段 ,扩展叶的叶面积减小 ,而成熟
叶的净光合速率明显降低;这两类叶中蔗糖和淀粉的含量均明显升高;成熟叶净光合速率降低但胞间CO2浓度几乎不变 ,气孔限制不能
解释这种现象;最大光化学效率不变表明光合作用受铜处理的影响主要发生在暗反应过程;铜处理下苋菜成熟叶净光合速率的降低很
可能是叶片源-库关系改变的结果 ,而不是铜对光合作用的直接毒害。
关键词　铜毒性;生长分析;叶绿素荧光;光合作用;苋菜
中图分类号　S636.4　　文献标识码　A　　文章编号　0517-6611(2007)24-07398-03
Effect of Copper on Growth and Photosynthesis of Mature and Expanding Leaf of Amaranthus tricolor
KE Shi-sheng et al　(Taizhou University , Linhai , Zhejiang 317000)
Abstract　The relationship between growth inhibition in Cu-treated Amaranthus tricolor L.seedlings and photosynthesiswas studied.Twenty-five days after
Amaranthus tricolor L.sowing , copper(CuSO4)was added to the nutrient solution for 2 days , leading to final Cu supplementary concentration in soil , re-
spectively 0(control)and 2 mmol/kg(Cu stress).The responses of A.tricolor leaf to copper addition depended on the growth stage.Young expanding
leaves showed a reduction in leaf area, while mature leaves exhibited a significant decline in photosynthesis.Sucrose and starch content rose in both types
of leaf.For mature leaf , net photosynthetic rate(Pn)declined at a nearly constant intercellular CO2mole fraction(Ci), indicating that stomatal closure did
not account for the inhibition of photosynthesis.Maximal photochemical yield of PSII(Fv/Fm)in dark-acclimated leaf was unaffected, indicating that the
dark phase of photosynthesis rather than the light phase was affected.This decline in photosynthesis of mature leaf for Cu-stressed plant was probably a
consequence of an altered source-/ sink relationship , rather than due to a toxic effect of copper on photosynthesis.
Key words　Copper toxicity;Growth analysis;Chlorophyll fluorescence;Photosynthesis;Amaranthus tricolor L.
　　近年来 ,随着工农业生产的发展 ,生态系统重金属污染
程度不断加重 ,如采矿和冶炼引起土壤中铜含量过高 ,杀虫
剂的滥用和农业污灌也会造成同样的后果。铜是植物必需
的微量元素 ,它是多种蛋白质的组成成分 ,尤其参与光合作
用和呼吸作用的电子传递 。但过量的铜对植物有强烈的毒
性 ,影响生物膜的透性 、染色体的结构 、蛋白质的合成 、酶的
活性 、光合作用和呼吸作用 ,导致植物衰老 。离体叶绿体试
验结果表明 ,铜直接影响光合作用的电子传递[ 1-2] ,这与类
囊体膜脂质过氧化有关 ,或者能改变叶绿体膜上脂质-蛋白
质的相互作用 ,影响光反应过程 ,尤其在光系统Ⅱ(PSⅡ)中。
但在植物体内 ,植物吸收的铜首先并不与叶绿体直接作用 ,
所以其光合作用的抑制机理可能有别于体外的叶绿体试验 ,
已有设想提出光合作用的暗反应比光反应对铜处理有更高
的敏感性[ 3-4] 。许多研究集中于发育良好的叶片对铜处理
的响应 ,但光合作用的抑制被认为与叶片的发育阶段(程度)
有关[ 3] 。在整个植株水平 ,如果只有少部分叶片的光合作用
受到影响 ,那么光合作用的抑制就会被部分解除 ,所以铜处
理下植物生长速率减缓是否就是光合作用抑制的结果还不
清楚。因此 ,笔者通过铜处理苋菜(Amaranthus tricolor L.)幼
苗来考察其生长和碳同化的动态变化 ,此外 ,通过测定成熟
叶和扩展叶气体交换速率 、叶绿素荧光特性 、淀粉和蔗糖含
量 ,分析植物生长和叶片光合作用的关系。
1　材料与方法
1.1　植物材料和生长条件　苋菜品种为红苋 ,种子购于浙
江省临海市种子公司。种子经 0.5%NaClO消毒后播于石英
砂中萌发 ,石英砂用1/4Hoagland营养液湿润。播种8 d长出
1片真叶后移栽到塑料花盆中 ,每盆 4株。花盆盆口与盆底
基金项目　浙江省自然科学基金项目(Y504256)。
作者简介　柯世省(1965-),男 ,浙江三门人 ,副教授 ,从事植物生理生
态学研究。
收稿日期　2007-04-20
直径分别为 23、15 cm ,垂直高度 23 cm ,装菜园土 3 kg。盆置
于防雨棚下 ,自然光照 ,保持土壤含水量为最大田间持水量
的 70%。移栽 2 d后浇灌 1/2 Hoagland营养液 150 ml。播种
25 d ,第 3片真叶完全展开(下称成熟叶),第 5片真叶正在扩
展中(下称扩展叶),将 CuSO4 溶于 1/2 Hoagland 营养液分 2
次(每天 1次)浇入土壤中 ,最后使土壤中加入的铜浓度为 2
mmol/kg ,以加等量的 1/2 Hoagland 营养液为对照(不加 Cu-
SO4),对照和铜处理均为 9盆 。分别在播种后的第 25、28、31
天测定各项指标。
1.2　指标测定
1.2.1　生物量测定。在土壤表面将植株剪断 ,地上部分区
分茎叶 ,用WinFOLIA系统测定成熟叶和扩展叶的面积 。茎
叶洗净后 105 ℃杀青 10 min ,75 ℃烘干称重 。从盆中取出整
土 ,用自来水冲刷土块 ,收集苋菜全部根系 ,洗净烘干称重 。
1.2.2　成熟叶和扩展叶光合特性测定。在实验室控制条件
下 ,用LCA4型光合作用仪(ADC ,UK)控温装置控制叶室温度
为(30±1)℃,光合有效辐射(PAR)为(600±20)μmol/(m2·s),
空气 CO2浓度为(350±10)μmol/mol ,叶片连体测定 。重复测
试 3张成熟叶和扩展叶 ,每叶片重复记录 4～ 6组数据 ,结果
取平均值。测定的指标有净光合速率[ Pn , μmol/(m2·s)] 、胞
间CO2 浓度(Ci ,μmol/mol)和气孔导度[ Cs ,mol/(m2·s)] ,这些
指标在仪器上同步显示。以 OS30P型叶绿素荧光测定仪
(OPTI-sciences ,USA)采用快速动力学法测定叶片的最大光化
学效率(Fv/Fm),测定前将叶片夹入暗适应夹 2 h。
1.2.3　成熟叶和扩展叶淀粉和蔗糖含量的测定。参照张志
良的方法[ 5] 。
2　结果与分析
2.1　铜处理对苋菜生长的影响　铜处理 6 d后 ,茎干重明显
减少 ,而叶和根干重变化不明显 ,所以铜处理下苋菜植株总
的生物量减少主要是由茎的干重影响所致(图 1)。
安徽农业科学 , Journal of Anhui Agri.Sci.2007 , 35(24):7398-7400　　　　　　　　　　　　　　　　　　　责任编辑　孙红忠　责任校对　李洪
图 1　铜处理下苋菜总干重、茎干重、叶干重和根干重的变化
2.2　铜处理对成熟叶和扩展叶生长的影响　铜处理时成熟
叶已完全展开 ,故对成熟叶面积几乎没有影响 ,且对成熟叶
干重和单位面积干重影响也不大;而铜处理对扩展叶面积 、
叶干重和单位面积干重影响明显(图 2)。
图2　铜处理下苋菜成熟叶和扩展叶面积、干重和单位面积干重的变化
2.3　铜处理对成熟叶和扩展叶光合特性的影响
2.3.1　对气体交换参数的影响。铜处理下成熟叶净光合速
率被明显抑制 ,净光合速率与气孔导度平行降低 ,但胞间CO2
浓度却变化不大。随着扩展叶的生长 ,净光合速率逐渐增
高。与对照相比 ,铜处理下扩展叶净光合速率和气孔导度稍
下降 ,胞间 CO2浓度随净光合速率升高而有所降低(图 3)。
图3　铜处理下苋菜成熟叶和扩展叶净光合速率、气孔导度和胞间 CO2浓度的变化
2.3.2　对叶绿素荧光参数的影响。铜处理对成熟叶和扩展 叶的最大光化学效率(Fv/Fm)的影响均不大 ,且成熟叶和扩
739935卷 24期　　　　　　　　　　　　　　柯世省等　铜对苋菜生长及成熟叶和扩展叶光合作用的影响
展叶之间差异也不明显(图 4)。
图 4　铜处理下苋菜成熟叶和扩展叶最大光化学效率的变化
2.4　铜处理对成熟叶和扩展叶淀粉和蔗糖含量的影响　铜
处理下 ,成熟叶和扩展叶淀粉和蔗糖含量均显著增高 ,且成
熟叶中淀粉含量明显高于扩展叶 ,蔗糖含量差异不大(图 5)。
3　讨论
试验结果表明 ,苋菜叶片铜毒害症状(如光合作用受抑
制 、生长减缓等)与叶龄(成熟叶和扩展叶)有明显的关系 ,这
与前人的研究结果一致[ 3 , 6] 。他们的研究表明 ,重金属镉或
铜的毒性大小依赖于受处理植物叶片的成熟程度。完全展
开的苋菜成熟叶在铜处理下其净光合速率被明显抑制 ,相
反 ,扩展叶的净光合速率只是轻微降低 ,但叶的扩展严重削
弱。铜处理下苋菜成熟叶净光合速率与气孔导度平行下降 ,
但气孔限制理论不能解释这种现象 ,因为胞间 CO2 浓度几乎
不变 。Fv/Fm在铜处理下不受影响的结果也与铜首先影响
离体叶绿体PSⅡ的假说不一致[ 2] 。
图 5　铜处理下苋菜成熟叶和扩展叶淀粉和蔗糖含量的变化
　　从研究结果来看 ,铜处理下苋菜成熟叶净光合速率的抑
制可能是源-库关系改变的结果 ,而不是铜对光合作用的直
接毒害。成熟叶扩张停滞减少了光合产物(糖类)的利用 ,导
致淀粉和蔗糖的积累 ,对光合作用产生反馈抑制 。而扩展叶
还在继续生长 ,在铜处理下即使有所减弱 ,也会减少糖类的
积累 ,减轻对光合作用的反馈抑制。铜处理下苋菜植株总生
物量减小主要由于茎生物量减小所致的结果也表明 ,铜降低
了糖类从叶片的有效输出 ,使原本为源的叶片转变为库。在
Ni 、Co和 Zn处理下的菜豆幼苗和Cd、Ni处理下的水稻由于
生长抑制而减少了光合产物从源到库的转移已有报道[ 7-8] 。
铜处理下扩展叶扩展速率的降低是铜直接抑制了细胞的增
大 ,而不是由于光合减弱后糖类的缺乏 ,因为成熟叶和扩展
叶中均积累了大量的淀粉和蔗糖 ,在铜处理菜豆幼苗中已经
观察到叶肉细胞体积减小[ 9] ,这可能是由于细胞膨压降低和
(或)细胞壁弹性的改变造成的。铜诱导的脂质过氧化促进
了质膜的离子渗漏 ,使得细胞膨压降低。铜结合到细胞壁直
接或置换 Ca改变了细胞壁的弹性。因此 ,苋菜幼苗叶片对
铜处理的响应与其发育阶段有关 ,扩展叶降低了扩展速率 ,
而成熟叶明显降低了净光合速率 ,这很可能是叶片源-库关
系改变的结果。
参考文献
[ 1] SZALONTAI B, HORVáTH L I , DEBRECZENY M , et al.Molecular rearrange-
ments of thylakoids after heavy metal poisoning , as seen by fourier transform in-
frared(FTIR)and electron spin resonance(ESR)spectroscopy[ J] .Photosynth
Res ,1999, 61:241-252.
[ 2] JEGERSCHöLD C,ARELLANO J B, SCHRöDERWP , et al.Copper(II)inhibi-
tion of electron transfer through photosystem II studied by EPR spectroscopy
[ J] .Biochemistry ,1995, 34:12747-12754.
[ 3] MAKSYMIEC W, BASZYNSKI T.Chlorophyll fluorescence in primary leaves of
excess Cu-treated runner beanplants dependson their growth stage and the du-
ration of Cu action[ J] .J Plant Physiol ,1996, 149:196-200.
[ 4] LIDON F C , HENRIQUES F S.Limiting step on photosynthesis of rice plants
treated with varying copper levels[ J] .J Plant Physiol, 1991,138:115-118.
[ 5] 张志良.植物生理学实验指导[M] .2版.北京:高等教育出版社 , 1990:
164-170.
[ 6] KRUPA Z ,MONIAKM.The stage of leaf maturity implicates the response of the
photosynthetic apparatus to cadmium toxicity[ J] .Plant Sci , 1998 , 138:149-
156.
[ 7] RAUSERW E , SAMARAKOON A B.Vein loading in seedlings of Phaseolus
vulgaris exposed to excess cobalt , nickel and zinc[ J] .Plant Physiol , 1980, 65:
578-583.
[ 8] MOYA J L , ROS R, PICAZO I.Influence of cadmium and nickel on growth , net
photosynthesis and carbohydrate distribution in rice plants[ J] .Photosynth Res ,
1993, 36:75-80.[ 9] MAKSYMIEC W, BEDNARA J , BASZYNSKI T.Response of runner bean plants
to excess copper as a function of plant growth stages:effects onmorphology and
structure of primary leaves and their chloroplast ultrastructure[ J] .Photosyntheti-
ca , 1995, 31:427-435.
7400 　　　　　　　　　　　　　安徽农业科学　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2007年