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（P n） 、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 P
2、n 、 Gs、Tr 均在原有水平上有所提高，在 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 ofWangfachun(College of Agriculture, Gansu Agricultural University,Gansu Lanzhou,China)Abstrac:The United Stat
3、es, fast-growing lettuce cultivars 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
4、 rate (Pn), stomatal conductance (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),
5、 stomatal conductance (Gs), transpiration 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 concen
6、tration 5mol / L lower value when 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
7、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、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
8、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 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，Laxalt 16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
9、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
10、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、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
11、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：CO 2 浓度（3505）mol/mol,测定光强为 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
12、 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) of1A012345678ck 5 20 100Cd浓 度净光合速率Pn图 2 NO 保护下不同浓度 Cd 对莴苣叶片净光合速率（2A）的影响fig 2 NO concentration under the protection of Cd on the lettuce leaf net photosynthetic rate (2A) of2A01234567855（ 保护
13、 ） 2020（保 护） 100100（保 护）Cd浓 度净光合速率Pn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 24.63%、 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
14、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) of1B00.511.522.5ck 5 20 100Cd浓 度蒸腾速率 Tr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 c
15、oncentrations of Cd under the protection of leaf transpiration rate of lettuce (2B) of2B00.20.40.60.811.21.455（ 保护 ） 2020（保 护） 100100（保 护）Cd浓 度蒸腾速率 Tr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.
16、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%、9.3%，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
17、on the lettuce leaf stomatal conductance (1C) of1C01020304050607080ck 5 20 100Cd浓 度气孔导度 Gs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 the protection of Cd on the lettuce leaf stomatal conductance (2C) of2C051015202530354055（ 保护 ） 2020（保 护） 100100（保 护）Cd浓 度气孔导度 Gs植物进行光合作用时，必须张开气孔，
18、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
19、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) of1D050100150200ck 5 20 100Cd浓 度胞间CO2浓度 Ci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
20、protection of Cd on the lettuce leaf intercellular CO2 concentration (2D) of2D05010015020055（ 保护 ） 2020（保 护） 100100（保 护）Cd浓 度胞间CO2浓度Ci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 C
21、O2 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 CO2 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
22、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 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
23、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
24、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
25、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
26、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,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。
