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土壤重金属污染是我国当前最突出的环境污染问题,2014年原环境保护部和原国土资源部联合发表的《全国土壤污染状况调查公报》显示,镉的点位超标率为7%[1]。镉(Cd)是毒性最强的重金属之一,具有分解周期长、毒性大、难降解的特点,容易在植物中富集[2],可通过食物链进入人体,进而危害人类健康[3]。针对土壤重金属污染,植物修复技术具有成本低、对环境友好等优势,修复土壤的同时净化空气与水体,改善环境,成为了当下研究热点[4]。目前,对于重金属富集植物研究多限于草本植物,如鱼腥草(Houttuynia cordata Thunb.)[5]等,而草本植物因根系浅、生物量小对重金属富集有一定的局限性。木本植物因其生物量大、生长周期长、根系发达等特征[6],日趋成为土壤重金属污染修复的新方向。研究发现,在镉胁迫中植物光合作用非常敏感,是鉴定植物对镉耐受性的一种良好途径[7]。在镉胁迫下,桑树(Morus alba L.)幼苗净光合速率下降,抑制了光合作用过程中产物的输送,最终导致桑树幼苗植株矮小[8]。
刺槐(Robinia pseudoacacia L.)属于豆科落叶乔木,因其耐旱、耐贫瘠、耐铅镉污染[9-10],同时具备生物量大、生长速度快、观赏价值高等特点,是一种理想的环境污染修复树种。本研究以刺槐为对象,研究不同浓度镉处理对刺槐的幼苗生长、叶绿素含量、叶绿素荧光特性、呼吸速率及气孔变化特性的影响,了解刺槐对镉胁迫的耐受能力,并通过随机森林回归分析镉胁迫对刺槐叶片光合生理的损伤途径及刺槐幼苗对镉胁迫的适应机制,为进一步探索刺槐抗镉机理提供依据,同时也为强化刺槐在镉污染土壤修复中应用奠定基础。
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本试验中,镉胁迫植株的地径与株高表现相似,随着镉浓度增加而逐步降低,并显著低于对照(P<0.05),在20 mg·kg−1处理中,其地径与株高最低,分别低于对照37.89%和16.39%9(图1a、b)。此外,刺槐鲜质量与干质量表现相似(见图1c、d),中高浓度处理植株的生物量低于对照植株,而5 mg·kg−1 镉处理植株的生物量最高,其鲜质量与干质量分别高于对照11.94%、18.57%,但差异均不显著(P>0.05)。
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图2表明:各处理刺槐幼苗的根系镉含量均高于地上部,其镉含量大小为根>叶>茎。随着镉处理浓度增加,刺槐幼苗根、叶、茎的镉含量均逐步上升,其中,在20 mg·kg−1处理时达到最大值,相对于对照植株分别增加4.8、1.83、1.45倍且差异显著(P<0.05)。
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由图3a、c可知:胁迫刺槐的叶绿素a、总叶绿素含量表现相似,其含量随镉浓度增加而逐步降低,但与对照差异不显著(P>0.05),其中,20 mg·kg−1镉处理植株的叶绿素a和总叶绿素分别降低25.94%和20.21%。叶绿素b与类胡萝卜素变化相似,随镉浓度增加,其含量先降后升,呈“V”型变化(图3b、d),但与对照差异均不显著(P>0.05),其中,10 mg·kg−1镉处理植株含量最低,分别低于对照9.84%、17.18%。此外,叶绿素a/b值随着镉浓度的升高呈下降趋势,在20 mg·kg−1镉处理中,其值显著低于对照29.57%(P<0.05)(图3e)。
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由图4a、c、d可知:随着镉浓度的增加,刺槐叶片F0、Fm整体呈现先上升后下降的趋势,但F0变化趋势明显大于其他参数。在镉浓度为10 mg·kg−1时,刺槐叶片的F0较CK增加了5.49%(P<0.05);在镉浓度为20 mg·kg−1时,叶片的Fm较CK减少了29.88%(P<0.05);不同处理下刺槐叶片qN无显著变化(P>0.05)。Fv/Fm与ΦPSII变化相似,随着镉浓度的增加,其值呈现下降趋势(图4b、e),ΦPSII与对照无显著差异(P>0.05),在镉浓度5 mg·kg−1时植株含量最低,低于对照12.53%;而Fv/Fm在镉浓度20 mg·kg−1时,其值显著低于对照11.18%(P<0.05)。
图 4 不同镉浓度胁迫下刺槐初始荧光、最大光化学效率、最大荧光产量、非光化学淬灭系数、实际光化学量子效率的变化
Figure 4. Changes of initial fluorescence , maximum photochemical efficiency, maximum fluorescence yield, non-photochemical quenching coefficient and actual photochemical quantum efficiency of Robinia pseudoacacia under different cadmium concentrations.
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由表1、图5可知:从镉处理后刺槐的气孔特征看,表面存在较多气孔、凹凸不平等。随着镉浓度的增加,刺槐叶面气孔长度与面积表现相似,均呈先升高后降低趋势,叶面气孔长度和气孔面积在镉浓度5 mg·kg−1时最大,与其他处理差异显著(P<0.05),其中,在镉浓度10 mg·kg−1和20 mg·kg−1时,叶面气孔长度和气孔面积分别较CK降低了2.93%、55.18%、21.84%和61.10%。叶面气孔宽度随着镉浓度的增加呈现下降趋势,在镉浓度10 mg·kg−1和20 mg·kg−1时,均比CK显著降低了54.58%(P<0.05)。
表 1 不同镉浓度处理下对刺槐叶片气孔的影响
Table 1. Effects of different cadmium concentrations on stomata of Robinia pseudoacacia leaves
处理浓度
Treatment
concentration/
(mg·kg−1)长度
Length/μm宽度
Width/μm面积
Area/μm2CK 9.89 ± 0.35 ab 2.84 ± 0.18 a 21.44 ± 1.88 a 5 11.07 ± 0.82 a 2.52 ± 0.08 a 21.83 ± 1.59 a 10 9.60 ± 0.33 b 1.29 ± 0.31 b 9.61 ± 1.82 b 20 7.73 ± 0.90 c 1.29 ± 0.19 b 8.34 ± 0.50 b -
由图6可知:与CK相比,随着镉浓度的变化都不同程度地降低了刺槐幼苗叶片的呼吸速率,呼吸速率与镉浓度呈负相关;其各处理与对照均差异显著(P<0.05),在镉浓度10 mg·kg−1时对呼吸速率的影响最大,与对照相比降低了40.00%,但镉浓度处理之间呼吸速率无明显差异(P>0.05)。
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利用主成分分析进一步探究了Cd胁迫对刺槐幼苗生长与光合生理特性的影响。由表2可知:PC1占据了总方差的29.9%,PC2占据了总方差的26.8%。4个处理(CK、Cd5、Cd10、Cd20)被PC2 显著分离,其中,CK、Cd20处理与其他处理显著分离(图7a)。
表 2 不同镉浓度处理下对刺槐主成分分析
Table 2. Analysis of principal components of Robinia pseudoacacia under different cadmium concentrations
指标
Index第1主成分
Prin1第2主成分
Prin2第3主成分
Prin3第4主成分
Prin4第5主成分
Prin5方差贡献率 Variance contribution rate/% 29.9 26.8 17.8 11.6 6.4 累计贡献率 Cumulative contribution rate/% 29.9 56.7 74.5 86.1 92.5 图 7 不同浓度镉胁迫下刺槐幼苗指标变化的得分图(a)、随机森林回归分析(b)
Figure 7. Principal Component Analysis II (b) and random forest regression analysis (b) of Robinia pseudoacacia seedling index changes under different concentrations of cadmium stress.
由随机森林回归结果可知:对于刺槐幼苗叶绿素含量来说,Chla的平均精度值最高;对于刺槐幼苗叶绿素荧光来说,初始荧光(F0)的平均精度值最高;对于叶面气孔来说,气孔宽度的平均精度值最高;对于植株镉含量来说,其根系镉含量的平均精度值最高(图7b)。
根据相关性分析结果(图8a、b)可知:其干质量和Chlb、Tchl、Chla/Chlb以及气孔长度呈显著正相关(P<0.05),与气孔面积、气孔宽度、类胡萝卜素呈极显著正相关(P<0.01);最大光化学效率(Fv/Fm)与刺槐幼苗的株高、地径、鲜质量、呼吸速率呈极显著正相关(P<0.01)。
镉胁迫对刺槐幼苗生长与光合生理特性的影响
Effects of Cadmium Stress on Growth and Photosynthetic Physiological Characteristics of Robinia pseudoacacia Seedlings
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摘要:
目的 探究镉胁迫对刺槐生长与光合生理特性的影响。 方法 以刺槐幼苗为研究对象,测定不同浓度镉处理下刺槐生长、叶绿素含量、叶绿素荧光参数、呼吸速率和气孔特性等。 结果 在镉胁迫下,刺槐幼苗地径、株高受到明显抑制;高浓度处理植株的鲜质量、干质量下降,低浓度处理植株则略微上升,但均与对照差异不显著。随着镉浓度增加,刺槐叶绿素a、叶绿素总量呈下降趋势,而叶绿素b、类胡萝卜素变化无规则,但与对照差异不显著;初始荧光(F0)与最大荧光产量(Fm)先升后降,最大光化学效率(Fv/Fm)逐步下降,非光化学淬灭系数(qN)逐步上升,实际光化学量子效率(ΦPSII)均低于对照值,但差异不显著;胁迫植株气孔宽度、气孔面积降低,气孔逐步闭合,呼吸效率受到显著抑制;通过相关分析显示,多数指标之间显著性相关;经随机森林回归分析,初始荧光(F0)、根系镉含量、气孔宽度和叶绿素a的重要性分别在叶绿素荧光参数、植株富集镉含量、气孔特性、光合色素中最强,成为影响刺槐光合功能的最关键因子。 结论 刺槐幼苗生长与光合生理受到一定影响,但仍表现出较强的镉胁迫耐受性,可为镉污染地区的园林应用提供参考。 Abstract:Objective To explore the effects of cadmium (Cd) stress on the growth and photosynthetic physiological characteristics of Robinia pseudoacacia. Method The characteristics on the growth, chlorophyll content, chlorophyll fluorescence parameters, respiration rate and stomatal indices of Cd-stressed R. pseudoacacia seedlings were studied in this experiment. Result Under Cd stress, the stem diameter and plant height of these seedlings were obviously inhibited. The fresh weight and dry weight of treated plants with high concentration decreased, while those with low concentration increased slightly, but all the differences were insignificant between them and the control treatment. With an increase of cadmium concentration, the contents of chlorophyll a and total chlorophyll decreased, chlorophyll b and carotenoids changed irregularly, but there were insignificant differences between them and the control for R. pseudoacacia seedlings. However, the initial fluorescence (F0) and the maximum fluorescence yield (Fm) increased first and then decreased. The maximum photochemical efficiency (Fv/Fm) gradually decreased, the non-photochemical quenching coefficient (qN) gradually increased, and the actual photochemical quantum efficiencies (ΦPSII) were all lower than the control with insignificant-difference for those stressed plants during this experiment. Simultaneously, the stomatal width and stomatal area decreased, the stomata gradually closed in the treated-seedlings, and their respiratory efficiency was significantly inhibited. It was shown that the most of indicators were significantly correlated each other by correlation analysis. Through random forest regression analysis, the importance of initial fluorescence (F0), root cadmium content, stomatal width and chlorophyll a were the strongest among chlorophyll fluorescence parameters, plant cadmium enrichment content, stomatal characteristics and photosynthetic pigments, respectively, and became the most critical factors affecting the photosynthetic function of R. pseudoacacia seedlings. Conclusion Although the growth and photosynthetic physiology of R. pseudoacacia seedlings are affected by cadmium concentration to some extent, the seedlings still show strong tolerance to cadmium stress. It provides a reference for garden application in cadmium polluted areas. -
Key words:
- cadmium stress
- / Robinia pseudoacacia
- / chlorophyll
- / chlorophyll fluorescence
- / stomata
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图 4 不同镉浓度胁迫下刺槐初始荧光、最大光化学效率、最大荧光产量、非光化学淬灭系数、实际光化学量子效率的变化
Figure 4. Changes of initial fluorescence , maximum photochemical efficiency, maximum fluorescence yield, non-photochemical quenching coefficient and actual photochemical quantum efficiency of Robinia pseudoacacia under different cadmium concentrations.
表 1 不同镉浓度处理下对刺槐叶片气孔的影响
Table 1. Effects of different cadmium concentrations on stomata of Robinia pseudoacacia leaves
处理浓度
Treatment
concentration/
(mg·kg−1)长度
Length/μm宽度
Width/μm面积
Area/μm2CK 9.89 ± 0.35 ab 2.84 ± 0.18 a 21.44 ± 1.88 a 5 11.07 ± 0.82 a 2.52 ± 0.08 a 21.83 ± 1.59 a 10 9.60 ± 0.33 b 1.29 ± 0.31 b 9.61 ± 1.82 b 20 7.73 ± 0.90 c 1.29 ± 0.19 b 8.34 ± 0.50 b 表 2 不同镉浓度处理下对刺槐主成分分析
Table 2. Analysis of principal components of Robinia pseudoacacia under different cadmium concentrations
指标
Index第1主成分
Prin1第2主成分
Prin2第3主成分
Prin3第4主成分
Prin4第5主成分
Prin5方差贡献率 Variance contribution rate/% 29.9 26.8 17.8 11.6 6.4 累计贡献率 Cumulative contribution rate/% 29.9 56.7 74.5 86.1 92.5 -
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