镉对黄瓜嫁接苗叶绿素含量、气体交换和叶绿素荧光参数的影响

张媛媛 黄远 别之龙

（华中农业大学园艺林学学院，教育部园艺作物生物学重点实验室，湖北武汉，430070）

镉对黄瓜嫁接苗叶绿素含量、气体交换和叶绿素荧光参数的影响

张媛媛 黄远 别之龙

（华中农业大学园艺林学学院，教育部园艺作物生物学重点实验室，湖北武汉，430070）

以津春2号自嫁苗、“超丰抗生王”和“黑籽南瓜”嫁接苗为材料，研究了0，5，10 mg/L Cd2+处理下，3种黄瓜嫁接苗气体交换及叶绿素荧光参数的变化。研究结果表明，镉处理降低了黄瓜叶片的叶绿素含量，抑制了叶片光合作用。其中“超丰抗生王”嫁接苗受抑制程度最大，其电子传递速率、净光合速率等均下降，并且显著低于自嫁苗。“黑籽南瓜”嫁接苗叶绿素含量维持在较高水平。

镉 黄瓜 嫁接 叶绿素 气体交换 叶绿素荧光

随着城市工业化的迅速发展，镉（Cd）已成为环境中为害较大的重金属之一，其在植物体内大量积累可对植物造成毒害。研究发现，镉能显著降低植物叶绿素含量[1]、气孔导度和光能的吸收及电子的传递等，从而降低植物的光合性能[2]。嫁接是提高植物抗逆性的有效措施之一，本试验以不同砧木嫁接的黄瓜幼苗为材料，研究了不同浓度镉离子对其叶绿素含量、气体交换及叶绿素荧光参数的影响，以期为重金属胁迫的研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验处理

试验在武汉市华中农业大学华中蔬菜分中心的玻璃温室内进行。材料为“津春2号”（天津科润黄瓜研究所选育）自嫁苗（J/J），“超丰抗生王”（郑州果树研究所选育）嫁接苗（C/J），“黑籽南瓜”（云南农作资源开发研究所提供）嫁接苗（H/J）（津春2号作接穗）。津春2号、“超丰抗生王”和 “黑籽南瓜”砧木种子分别于2007年9月10日，14日，17日播种在装有基质的50孔穴盘中（草炭∶蛭石∶珍珠岩=2∶1∶1），津春2号接穗种子9月21日播种于70孔穴盘中，待接穗子叶展平后嫁接，采用插接的方法进行。嫁接苗成活后移栽至装有20 LHoagland完全营养液的水培盆中，自然光下培养7 d后，更换营养液，用 0，5，10 mg/L的 CdCl2· 2.5H2O处理，每个处理重复3次，每重复12株，以津春2号自嫁苗作为对照。

1.2 测定方法

取黄瓜从上往下第1片完全展开叶，用SPAD计测定叶绿素含量；气体交换参数参照史庆华等[4]的方法，用英国PP-systems公司生产的TPS-1型光合仪测定。叶绿素荧光参数的测定参照周艳虹等[3]的方法，用英国Hansatech公司生产的FMS-2型便携式荧光仪测定。

2 结果与分析

2.1 不同镉浓度处理对黄瓜嫁接苗叶绿素含量的影响

与正常植株相比，镉胁迫显著降低了3种嫁接苗的叶绿素相对含量（表1）。比较各浓度下3种嫁接苗的SPAD发现，“超丰抗生王”嫁接苗SPAD含量均为最低。而“黑籽南瓜”嫁接苗的SPAD在处理前与自嫁苗无显著差异，但是在10 mg/L的镉处理后，显著高于自嫁苗。

2.2 不同镉浓度处理对黄瓜嫁接苗叶绿素荧光参数的影响

镉处理后，自嫁苗ETR呈逐渐下降的趋势 （表1），“超丰抗生王”和“黑籽南瓜”嫁接苗ETR表现为先显著下降后小幅度上升。与自嫁苗相比，“超丰抗生王”嫁接苗不同浓度下的ETR均显著低于自嫁苗，而“黑籽南瓜”嫁接苗在未处理浓度下与自嫁苗无明显差异，在5 mg/L下显著低于自嫁苗，但是在10 mg/L时与自嫁苗相差不大。

随着镉浓度的上升，3种嫁接苗的Fv/Fm均呈下降趋势，其中“超丰抗生王”嫁接苗下降幅度最大，接近12%，而“黑籽南瓜”嫁接苗下降最少。正常生长条件下，3种嫁接苗Fv/Fm值无显著差异，而镉处理后，“超丰抗生王”嫁接苗显著低于另外2种嫁接苗，在高浓度下，“黑籽南瓜”嫁接苗Fv/Fm值最高。

随着镉离子浓度的增加，自嫁苗与“超丰抗生王”嫁接苗的φPSII呈逐渐递减的趋势，“黑籽南瓜”嫁接苗则先显著递减后上升恢复到对照水平，其中“超丰抗生王”嫁接苗在高浓度下的φPSII降低了约30%。此外数据还显示，在Cd2+浓度10 mg/L处理下，φPSII值表现为“黑籽南瓜”嫁接苗>自嫁苗>“超丰抗生王”嫁接苗。

镉处理后，“超丰抗生王”嫁接苗qP显著降低，自嫁苗在10 mg/L时下降达显著水平，而“黑籽南瓜”嫁接苗并无显著变化。正常条件下，三者的qP相差不大。5 mg/L和0 mg/L处理下，“超丰抗生王”嫁接苗的qP均显著低于自嫁苗和“黑籽南瓜”嫁接苗，而后二者间无显著差异。随着镉处理浓度的增加，自嫁苗的qNP变化不显著（表1）。“超丰抗生王”嫁接苗的qNP在10 mg/L时显著增加了101.1%。“黑籽南瓜”嫁接苗则先显著上升后显著下降。正常生长条件下，三者qNP值相差不大，10 mg/L时“超丰抗生王”嫁接苗>自嫁苗>“黑籽南瓜”嫁接苗。

2.3 不同镉浓度处理对黄瓜嫁接苗气体交换参数的影响

表2显示，镉处理后，自嫁苗Pn与对照相比无显著变化，“超丰抗生王”嫁接苗和“黑籽南瓜”嫁接苗的Pn值则显著低于对照。正常条件以及5 mg/L处理下，三者的Pn值无显著差异，但在10 mg/L时超嫁苗Pn值显著低于自嫁苗和“黑籽南瓜”嫁接苗。

镉处理后，3种嫁接苗的Gs均显著降低（表2）。其中“黑籽南瓜”嫁接苗的Gs最低，显著低于自嫁苗，而“超丰抗生王”嫁接苗的Gs与自嫁苗无显著差异。

镉处理后，自嫁苗的Evap无显著变化，“超丰抗生王”嫁接苗的Evap值先显著下降后恢复到正常水平，而“黑籽南瓜”嫁接苗的Evap则先保持不变后显著上升。各浓度下自嫁苗和“超丰抗生王”嫁接苗的Evap间无显著差异，而“黑籽南瓜”嫁接苗的Evap在0 mg/L和5 mg/L时均低于自嫁苗，但是在10 mg/L时却显著高于自嫁苗。

处理前后，自嫁苗和“黑籽南瓜”嫁接苗的Ci基本保持不变，而“超丰抗生王”嫁接苗的Ci则呈上升趋势，且在10 mg/L时显著高于未处理时。5 mg/L和10 mg/L时，“超丰抗生王”嫁接苗的Ci显著高于自嫁苗和“黑籽南瓜”嫁接苗，其中10 mg/L时，“超丰抗生王”嫁接苗>自嫁苗>“黑籽南瓜”嫁接苗，而且差异达显著水平。

3 小结与讨论

3.1 叶绿素和叶绿素荧光参数

叶绿素含量降低是植物重金属毒害的普遍表现，大量研究发现镉处理会导致叶片变黄，关于镉胁迫导致叶片黄化的原因，目前有3种观点：一是Cd胁迫导致Fe、Mg等元素的亏缺[5]，二是Cd胁迫间接抑制了叶绿素的生物合成[6]，三是Cd抑制叶绿体的合成而间接导致失绿症[7]。本试验中也发现镉处理后3种黄瓜嫁接苗的相对叶绿素含量均降低，“超丰”嫁接苗表现最为明显，其次是自嫁苗，“黑籽南瓜”嫁接苗叶绿素含量最高，所受影响较小。

表1 镉对黄瓜嫁接苗相对叶绿素含量（SPAD），荧光参数（ETR，Fv/Fm，Fv'/Fm'，qP，qNP）的影响

Fv/Fm和Fv'/Fm'表示PSII最大光化学量子产量和PSII有效光化学量子产量，分别反映了PSII反应中心的光能转化效率和开放的PSII反应中心原初光能捕获效率[8]。表1数据显示，镉显著降低了“超丰抗生王”嫁接苗的Fv/Fm和Fv'/Fm'，表明Cd2+导致超嫁苗PSII反应中心受损，抑制了光合作用的原初反应，阻碍其光合电子传递，这可能与其叶绿素合成受到显著抑制有关。

qP和qNP为光化学猝灭和非光化学猝灭，分别反映PSII天线色素吸收的光能用于光化学电子传递的份额和不能用于光合电子传递而以热形式耗散掉的部分[8]。本试验发现自嫁苗和“超丰抗生王”嫁接苗在镉处理后qP下降，qNP维持较高水平，表明叶片电子由PSII的氧化侧向PSII反应中心的传递受阻，用于进行光合作用的电子减少，以热或其他形式耗散的光能增加，同时卡尔文循环的活性受抑制程度增大，能量利用率降低。“黑籽南瓜”嫁接苗在镉胁迫下，qP保持不变，qNP值先升后降，表明其PSII的电子传递活性较大，卡尔文循环的活性较强。有研究认为，qNP的变化与叶黄素循环有关[9]，重金属离子胁迫下不同嫁接苗qNP表现差异可能是由于叶黄素循环过程不同而引起的，有待进一步证明。

3.2 气体交换

镉处理后叶片的Pn降低（表2），“超丰抗生王”降低最为明显，叶绿素含量降低可能是引起嫁接苗叶片光合速率下降的原因之一。

通常认为，导致光合作用降低的因子包括气孔限制和非气孔限制。研究认为，Ci值的大小是判断气孔限制和非气孔限制的依据，Pn、Gs和Ci值同时下降时，Pn的下降为气孔限制。相反如果叶片Pn的降低伴随着Ci值的增加，说明光合作用的限制因素是非气孔限制[10]。通过比较发现自嫁苗和“黑籽南瓜”嫁接苗的光合作用限制是由气孔限制导致，由于气孔导度的下降使得CO2供应不足，导致光合速率降低。“超丰抗生王”嫁接苗的光合作用的限制由非气孔限制引起，不是由于CO2供应不足，而可能是镉通过影响光合机构或暗反应酶活性来影响光合作用。

蒸腾速率的高低在一定程度上可反映植物体内水分状况，表2可以看出10 mg/L Cd2+浓度下 “黑籽南瓜”嫁接苗的蒸腾速率显著高于自嫁苗和“超丰抗生王”嫁接苗，表明在高浓度镉胁迫下“黑籽南瓜”嫁接苗体内水分状况依旧可以维持植物正常的生理代谢。

表2 镉胁迫下黄瓜嫁接苗气体交换参数Pn，Gs，Evap，Ci的变化

[1]胡彦，陈沁，邓志瑞，等．辣椒光合系统对重金属Cd2+胁迫的响应[J]．上海大学学报：自然科学版，2005，11（5）：531-534.

[2]朱建玲，徐志防，曹洪麟，等．镉对南美蟛蜞菊光合特性的影响[J]．生态环境，2008，17（2）：657-660.

[3]周艳虹，黄黎锋，喻景权.持续低温弱光对黄瓜叶片气体交换、叶绿素荧光猝灭和吸收光能分配的影响[J].植物生理与分子学报，2004，30（2）：153-160.

[4]史庆华，朱祝军，应泉盛，等.不同光强下高锰对黄瓜光合作用特性的影响[J].应用生态学报，2005，6（16）：1 047-1 050.

[5]Polle A,Schützendübel A.Heavy metal signalling in plants: linking cellular and organismic responses//Hirt H,Shinozaki K,et al.Plant responses to abiotic stress[M].Berlin：Springer-Verlag,2004,187-215.

[6]Schützendübel A,Polle A.Plant response to abiotic stresses:heavy metal-induced oxidative stress and protection by mycorrhization[J]．J.Exp.Bot.，2002，53：1 351-1 365.

[7]Pietrini F,Iannelli M A,Pasqualini S,et al．Interaction of cadmium with glutathione and photosynthesis in developing leaves and chloroplasts ofPhragmites australis(Cav.)Trin. ex Steudel[J].Plant physiol.2003,133：829-837.

[8]张守仁.叶绿素荧光动力学参数的意义及讨论[J]．植物学通报，1999，16（4）：444-448.

[9]冯志立，冯玉龙，曹坤芳．光强对砂仁叶片光合作用光抑制及热耗散的影响[J].植物生态学报，2002，26（1）：77-82. [10]孙光闻，朱祝军，方学智，等．镉对小白菜光合作用以及叶绿素荧光参数的影响[J]．植物营养与肥料学报，2005，11（5）：700-703.

Effect of Cadmium on the Chlorophyll Content,Gas Exchange and Chlorophyll Fluorescence Parameters of Grafted Cucumber Seedlings

ZHANG Yuanyuan,HUANG Yuan,BIE Zhilong
(College of Horticulture and Forestry,Huazhong Agricultural University/Key Laboratory of Horticultural Plant Biology, Ministry of Education,Wuhan 430070)

Effect of different Cd2+concentrations on the chlorophyll content,gas exchange and chlorophyll fluorescence parameters were investigated in grafted cucumber seedlings,and the materials were"Jinchun No.2",grafted "Chaofengkangshengwang"and"Heizi pumpkin".The results showed that photosynthetic performance of all graftedseedlings decreased under cadmium stress.However,ETR and Pn of grafted"Chaofengkangshengwang"were significantly lower than the other grafted plants.In contrast,higher chlorophyll content and ETR of grafted"Heizin pumpkin"were observed,suggesting that the Calvin Cycle and energy utilization were maintained at a high level in these plants under cadmium stress.

Cadmium;Cucumber;Grafting;Chlorophyll;Gas exchange;Chlorophyll fluorescence

10.3865/j.issn.1001-3547(x).2009.02.012

国家科技支撑计划（2006BAD17B08）、武汉市科技攻关项目（200820422171）

张媛媛（1985-），女，硕士研究生，研究方向为设施栽培生理。

别之龙（1970-），通信作者，男，华中农业大学教授，博士，主要从事设施栽培与生长发育调控研究。E-mail:biezl001@yahoo.com.cn

2009-01-14