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1、NO对受镉胁迫下叶用莴苣光合速率的保护效应王发春（甘肃农业大学农学院 甘肃 兰州 730070）摘要：以美国大速生生菜品种为试验材料，研究相同浓度SNP（100mol/L）保护下不同浓度（0、5、20、100mol/L）Cd胁迫对叶用莴苣光和速率的影响。结果表明：在Cd胁迫下，幼苗的净光合速率（Pn）、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)随着Cd浓度的增加逐渐降低，而胞间CO2浓度(Ci)的变化相反，随着Cd浓度的增加逐渐增加。NO对Cd胁迫下叶用莴苣净光合速率（Pn）、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和胞间CO2浓度(Ci)均有极显著的保护作用，使Pn 、Gs、Tr均在原有水平上有所提高，在
2、Cd浓度为5mol/L时提高最大，而Ci则在原有水平上有所降低，在Cd浓度为5mol/L时降低数值最大。关键词：叶用莴苣;Cd胁迫;NO;光合速率;保护效应NO on cadmium stress on photosynthetic rate of leaf lettuce protective effect of Wangfachun (College of Agriculture, Gansu Agricultural University,Gansu Lanzhou,China)Abstrac:The United States, fast-growing lettuce cultiva
3、rs with large experimental material, the same concentration of SNP (100mol / L) under the protection of different concentrations (0,5,20,100 mol / L) Cd stress on leaf lettuce light rate. The results showed that: in the Cd stress, the seedlings, the net photosynthetic rate (Pn), stomatal conductance
4、 (Gs), transpiration rate (Tr) with the increase of Cd concentration decreased, while the intercellular CO2 concentration (Ci) changes in contrast, With the increase of Cd concentration gradually increased. NO Cd stress on net photosynthetic rate of leaf lettuce (Pn), stomatal conductance (Gs), tran
5、spiration rate (Tr) and intercellular CO2 concentration (Ci) were highly significant protective effect, so that Pn, Gs, Tr are the original level has increased, the Cd concentration 5mol / L to raise the maximum, while the Ci level in the former decreased in Cd concentration 5mol / L lower value whe
6、n the maximum.Key Words：Leaf lettuce ;Cd stress ;Nitric oxide ;Photosynthetic rate;Protective effect近年来,随着矿产资源的过度开发及农业中化肥的大量使用,土壤镉(Cd)污染越来越严重,已成为影响我国持续农业和生态环境质量的一个重要因素。随着全球经济的迅速发展，重金属污染已经成为土壤污染的一个重要方面。由于人类的各种活动，如采矿、冶炼以及污水灌溉等，大量的镉进入环境，不但严重影响农作物的产量和质量，更重要的是进一步通过食物链等途径，直接或间接危害动物和人类的健康12。在重金属污染中，镉以移动性大、
7、毒害强成为重金属污染中最受关注的元素之一36。研究表明，Cd在土壤中的积累对植物的危害很大，它对植物的影响是多方面的4。Cd被植物吸收后，易导致植物遗传物质损伤和变异5，Cd可破坏细胞膜，能改变叶绿体、线粒体等细胞器的结构与功能，从而影响到植物的生理代谢活动1,69，给生长发育带来不利的影响10,11，因此，如何降低农作物Cd毒害及其在作物中的积累是当前亟待解决的问题。一氧化氮（nitric oxide, NO）对植物生长发育的影响是广泛的12，最早发现的是植物叶片的生长受NO的调节13；外源NO可以明显地促进豌豆叶片的生长，并抑制乙烯的产生14；以后发现NO在植物光形态建成中也具有重要的作用
8、15。NO对小麦幼苗有增绿作用、参与了光介导的大麦叶片的转绿、促进了叶绿体的发育，Laxalt16等发现，NO对植物叶片有保绿作用，能够抑制色素破坏和叶绿体解体。近年来，NO以其独特的生理生化作用和功能引起人们的普遍关注。近期的研究表明, NO对植物重金属毒害具有一定的保护效应17,18。段凯旋等研究发现,25200mol/L的SNP可通过提高部分抗氧化酶活性来缓解铜、镉胁迫对平邑甜茶幼苗的伤害19,李源等发现外源SNP和H2O2互作处理可显著增强镉胁迫下蚕豆种子活力,从而缓解了重金属镉对蚕豆种子萌发的毒害作用，同时可增强蚕豆幼苗的根系活力,提高叶绿素含量和脯氨酸含量20。目前这方面的研究在蔬
9、菜作物上还很少。光合作用是植物赖以生长和生物量递增所必须的重要生理过程，光合作用的变化是植物对环境改变的综合体现7。本实验以叶用美国大速生生菜（叶用莴苣）为材料，研究了NO保护下不同浓度Cd胁迫对叶用莴苣光和速率的影响，探明NO对受镉胁迫叶用莴苣光合速率的缓解机理，明确NO缓解的适宜浓度，以期为重金属污染伤害植物的生态防御研究提供一定的科学依据。1. 材料与方法1.1 材料美国大速生生菜1.2 试验设计试验于2009年4月在甘肃农业大学农学院试验温室内进行。选取饱满健康的种子播种于营养钵中进行育苗，育苗基质为珍珠岩和蛭石（1：3）的混合物，育苗期间进行及时浇水、浇营养液（1/8）、避光、保湿、
10、控温等的常规管理。待幼苗长出23片真叶后，改浇营养液（1/4）。实验设4个处理，Cd（用CdCl2配置）浓度分别为0、5、20、100mol/L，用这4个浓度的镉溶液处理幼苗，镉浓度0mol/L为对照，每个处理重复4次。待幼苗再长20天左右改用浓度为100mol/L的 SPN（提供NO）进行保护处理，每4天处理一次，处理20天后测定净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)与胞间CO2浓度(Ci)。1.3 测定内容与方法选取长势一致的完全展开的第3叶，采用英国PPsystem公司生产的CIRAS-2型便携式光合测定系统进行测定，测定条件：CO2浓度（3505）mol/mol,测定光
11、强为1000mol/(m2s), 净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)与胞间CO2浓度(Ci)由仪器自动给出。每次测量，读数4次，取平均数作为1个重复测定值。1.4 数据分析 所有的数据均为4次重复平均值，采用Excel统计分析软件进行数据分析。2. 结果与分析2.1 NO对受Cd下叶用莴苣净光合速率(Pn)的影响图1 不同浓度Cd对莴苣叶片净光和速率（1A）的影响fig 1 Different concentrations of Cd on leaf net photosynthetic rate of lettuce (1A) of图2 NO保护下不同浓度Cd对莴苣叶片净
12、光合速率（2A）的影响fig 2 NO concentration under the protection of Cd on the lettuce leaf net photosynthetic rate (2A) of净光合速率是植物光合特性中的关键性指标，通过叶片对CO2的吸收同化作用，可直接综合地反映植物生理代谢功能对外界环境变化的响应21，由图1A可知，随着Cd浓度的增加，净光合速率逐渐降低，降低幅度在31.97%60.94%，在Cd浓度为5100mol/L时下降极显著（P0.1）。由图2A可知，在NO保护下，不同Cd浓度下的净光合速率在原有水平上均有了提高，从低到高依次提高了24
13、.63%、12.28%、5.69%，Pn提高极显著（P0.1），说明NO对受Cd胁迫下叶用莴苣的净光合速率有明显的保护缓解效应，在Cd浓度为5mol/L时提高值最大。NO缓解净光合速率的最适宜Cd浓度为5mol/L。2.2 NO对受Cd下叶用莴苣蒸腾速率(Tr)的影响图1不同浓度Cd对莴苣叶片蒸腾速率（1B）的影响fig 1 Different concentrations of Cd on the lettuce leaf transpiration rate (1B) of图2 NO保护下不同浓度Cd对莴苣叶片蒸腾速率（2B）的影响fig 2 NO different concentrat
14、ions of Cd under the protection of leaf transpiration rate of lettuce (2B) of 蒸腾作用是植物吸收水分和转运水分的主要动力，能维持植物各部分的水分饱和，保持细胞组织的形态，促进无机盐类在植物体内的分布，而且能将植物在光合作用和氧化代谢中产生的多余热能散出22。由图1B可知，蒸腾速率(Tr)随着Cd浓度的增加而逐渐降低，和净光合速率的变化趋势是一样的。降幅分别是53.45%、64.92%和73.94%。由图2B可知，NO保护下的蒸腾速率在原有水平上均有了提高，从5100mol/L依次提高了40.14%、11.76%、9.
15、3%，Tr提高极显著（P0.1），说明NO对受Cd胁迫下叶用莴苣的蒸腾速率有显著的保护缓解效应，和净光合速率一样，蒸腾速率也是在Cd浓度为5mol/L时提高值最大。NO缓解蒸腾速率的最适宜Cd浓度为5mol/L。2.3 NO对受Cd下叶用莴苣气孔导度(Gs)的影响图1 不同浓度Cd对莴苣叶片气孔导度（1C）的影响fig 1 Different concentrations of Cd on the lettuce leaf stomatal conductance (1C) of图2 NO保护下不同浓度Cd对莴苣叶片气孔导度（2C）的影响fig 2 NO concentration under
16、 the protection of Cd on the lettuce leaf stomatal conductance (2C) of植物进行光合作用时，必须张开气孔，从大气中获取所需的CO2 22,不同浓度Cd处理后的叶用莴苣叶片气孔导度见图1C，结果表明，Cd处理后，叶用莴苣叶片气孔导度与净光合速率和蒸腾速率有相似的变化趋势，即随着Cd浓度的增加，气孔导度逐渐降低，降幅分别为52.42%、63.94%、72.12%。由图2 C可知，NO保护下的气孔导度在原有水平上均有了提高，从5100mol/L依次提高了9.22%、8.49%、6.25%，Gs提高极显著（P0.1），说明NO对受Cd
17、胁迫下叶用莴苣的气孔导度有显著的保护缓解效应，和净光合速率一样，气孔导度也是在Cd浓度为5mol/L时提高值最大。NO缓解气孔导度的最适宜Cd浓度为5mol/L。2.4 NO对受Cd下叶用莴苣胞间CO2浓度(Ci)的影响图1 不同浓度Cd对莴苣叶片胞间CO2浓度（1D）的影响fig 1 Different concentrations of Cd on the lettuce leaf intercellular CO2 concentration (1D) of图2 NO保护下不同浓度Cd对莴苣叶片胞间CO2浓度（2D）的影响fig 2 NO concentration under the
18、protection of Cd on the lettuce leaf intercellular CO2 concentration (2D) of由图1D可知，在不同浓度Cd胁迫下，胞间CO2浓度的变化趋势与净光合速率相反，即随着Cd浓度的增加，胞间CO2浓度逐渐增加，当Cd浓度为5、20、100mol/L时，莴苣幼苗的胞间CO2浓度分别为对照的3.19、4.3、6.9倍，差异极显著（P0.1）。由图2D可知，NO保护下的胞间CO2浓度在原有水平上均有了降低，从5100mol/L依次降低了1.42、1.18、1.06倍，Ci降低极显著（P0.1），说明NO对受Cd胁迫下叶用莴苣的胞间CO
19、2有显著的缓解效应，和净光合速率一样，胞间CO2浓度也是在Cd浓度为5mol/L时降低的数值最大。NO缓解胞间CO2浓度的最适宜Cd浓度为5mol/L。3. 小结和讨论3.1 Cd胁迫莴苣幼苗的原因探讨Cd是主要的重金属环境污染物，对植物具有明显的毒害作用5,9.有关 Cd抑制植物光合作用的研究报道较多7,8,21,22, 23，24.光合作用是植物生长的基础。多种植物上的研究结果表明：Cd对植物光合作用产生抑制作用，叶绿素是高等植物吸收光能的主要色素，其含量高低是衡量叶片光合能力的重要参数。Cd胁迫会降低植物叶绿素含量，减少CO2吸收，干扰气孔的开放，影响植物体内CO2同化。本研究表明：随着
20、Cd浓度的逐渐增加，莴苣的Pn、Tr和Gs逐渐降低，这与前人研究结果一致。何俊瑜7等认为土壤重金属能严重抑制植物根系生长，根尖细胞加速退化，水分吸收和运输受到破坏，使叶面细胞水势降低，导致气孔开度降低，甚至关闭。叶面气孔控制着植物的光合和蒸腾作用，气孔导度的减小造成了植物与外界对CO2和HO2的交换障碍，进一步降低了植物的光合效率，并间接地降低了水分利用效率21。研究表明，在不同浓度的Cd胁迫下，Gs的变化趋势与Pn一致，但是Ci的变化却相反，即随着胁迫程度的加重，Ci逐渐增加，表明Cd胁迫引起的莴苣幼苗Pn的下降的原因不仅仅是因为气孔限制，可能还有非气孔限制因素。3.2 NO对Cd胁迫的缓解
21、机理探讨一氧化氮(NO)是一种不稳定的气体信号分子,广泛参与植物各种生理过程的调节20,NO对植物重金属毒害具有一定的保护效应17-20。本研究表明，在NO保护下受Cd胁迫莴苣幼苗的Pn、Tr和Gs均在原有水平上有了显著地提高，增强了莴苣幼苗的光合作用，表明NO对Cd胁迫下的莴苣幼苗具有保护作用，这与前人研究结果一致。镉胁迫下,各处理的莴苣幼苗叶片的叶绿素含量均有不同幅度的降低7，叶绿素含量下降直接影响了叶片的光合作用,首当其冲的就是Pn，而NO有效地减弱了叶绿素的降解反应, 对植物叶片有保绿作用，能够抑制色素破坏和叶绿体解体16,还提高了叶片细胞的渗透调节能力和耐毒能力20。而叶绿素决定着植
22、物的光合效率7，进而使Pn显著提高，Gs也随之提高，这是Gs在原有水平上提高的一个方面。根系活力,泛指根系的吸收能力、合成能力、氧化能力和还原能力等,是一种较客观地反映根系生命活动的生理指标20，主要影响植物的蒸腾速率。而NO可不同程度地缓解镉对根系的毒害作用,提高根系活力，所以在本实验中NO会显著提高受Cd胁迫莴苣幼苗的Tr。NO对气孔的运动具有调控作用，外源NO可诱导气孔关闭，气孔的开闭对于光合作用非常重要，因此，可以通过调节气孔开闭影响光合作用26，最直接的影响就是气孔导度和胞间CO2浓度。但本试验中莴苣幼苗的Gs显著提高，说明NO对莴苣叶片的保护是通过非气孔因素来起作用的，如通过影响光
23、合机构或暗反映酶活性来影响光合作用24。因Cd能产生氧化胁迫10，而一氧化氮(NO)能够使非生物胁迫条件下的植物生长发育免受活性氧(Reactive oxygen species,ROS)的伤害,减少非生物胁迫下植物体内ROS的积累,缓解各种胁迫造成的氧化损伤,从而增强植物的适应能力12，一定程度上保护了叶绿体，并最终提高光合效率，进而使光合作用加强，消耗掉胞间CO2，使其浓度降低。这也是NO保护的另一个方面。由此可见，NO对Cd胁迫下莴苣幼苗的缓解机制主要是通过非气孔因素来实现的，而对叶绿素的保护又是主要的。3.3 外源NO在植物重金属胁迫保护中的研究展望应用外源NO能够改善植物的生理功能,
24、增强对外界胁迫的适应能力, 目前对NO参与植物抗病的研究较多,人们在这一方面的认识也深入一些。由于植物抗病和其对其他各种逆境因素的反应之间有一些类似或共同的机制,因此对于NO参与植物抗病的认识将有助于对NO在其他抗逆过程中的作用及机制的研究。但是在NO对植物生产力提高方面的研究甚少,这一方面也是NO应用领域的研究应该注重的. 目前,国内外开始重视从基因水平去研究植物抗重金属污染的作用机理27,而NO可以在一定程度上诱导植物某些防御基因的表达28。深入研究NO对植物生理活动的调节机理,通过研究NO在植物抗逆过程中的作用和调节NO水平来改善植物生理状况以提高生活力,将具有十分重要的理论和实践价值。
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