镉胁迫对水稻光合,叶绿素荧光特性和能量分配的影响

1、中国水稻科学(ChineseJRiceSci),2005,19(4):338342338镉胁迫对水稻光合、叶绿素荧光特性和能量分配的影响徐红霞1翁晓燕1,3毛伟华2杨勇1(1浙江大学生命科学学院植物生理与生物化学国家重点实验室,浙江杭州310029;2浙江大学农业与生物技术学院,浙江杭州310029;3EffectsofCadmiumStressonPhotosynthesis,ChlorophyllFluorescenceCharacteristicsandExcitationEnergyDistributioninLeavesofRiceXUHong2xia,WENGXiao2yan1,3

2、,MAOWei2hua,YANGYong212(1StateKeyLaboratoryofPlantPhysiologyandBiochemistry,ZhejiangUniversity,Hangzhou310029,China;andBiotechnology,ZhejiangUniversity,Hangzhou310029,China;3CollegeofAgricultureAbstract:Photosynthesis,chlorophyllfluorescencecharacteristicsandexcitationenergydistributioninleavesofric

3、evari2Keywords:rice;cadmium;photosynthesis;chlorophyllfluorescencecharacteristics;excitationenergydissipation摘要:以浙农952为材料,用水培法研究了不同浓度镉(Cd)胁迫对水稻光合、叶绿素荧光特性和能量分配的影响。结果表明,低浓度Cd(0.1mmol/L)胁迫下水稻净光合速率(Pn)、Fv/Fm、PS和qN均略有上升,qP无显著变化,这说明在0.1mmol/L浓度的Cd胁迫下水稻充分启动了能量耗散途径,耗散了过剩光能,使光合机构免受伤害。高浓度Cd(1.0PS均显著降低,qP和qN也大

4、幅下降,在能量分配方面D和Ex显著上升,P显著下降,这说明mmol/L)处理后Pn、Fv/Fm、在1.0mmol/L浓度的Cd胁迫下,水稻PS受到伤害,某些能量耗散途径受阻,过剩的激发能不能及时耗散又导致活性氧的产生,最终引起抗氧化物酶活性的升高和叶绿体结构的破坏。关键词:水稻;镉;光合作用;叶绿素荧光特性;能量耗散中图分类号:Q945.11;Q945.78;X503.231文献标识码:A文章编号:100127216(2005)0420338205重金属作为最常见的不可降解的污染物中的一种,对生物的危害日益受到全世界的关注1。重金属对植物生长发育的各方面都有影响,尤其是抑制植物的光合作用而导致

5、植物生物量的下降2,3。镉(Cd)是一种常见的、毒性非常强的重金属,它对植以及抗氧化酶系统的变化,系统分析了Cd对水稻光合影响的各个可能的因素及其能量耗散途径,为全面了解Cd对水稻光合作用影响的生理机制提供参考。物光合作用的影响已有很多报道。Stobart和Siedlecka等认为Cd主要是通过降低光合色素含量1材料与方法1.1实验材料和取样来抑制植物的光合作用4,5。Baszynski等观察到Cd降低了PS的活性6,而Weigel和Krupa等却收稿日期:2004209203;修改稿收到日期:2004210227。基金项目:浙江省自然科学基金资助项目(M303032)。第一作者简介:徐红霞(

6、1980-),女,在读硕士研究生。发现Cd对Calvin循环的影响大于对PS活性的影响7,8。可见Cd对于光合作用的影响是多方面的。叶绿素荧光动力学技术在探测逆境对光合作用影响方面具有独特的作用,能够反映光合系统“内在性”特点9,10。本试验应用该技术研究了不同浓度Cd胁迫下水稻的光合、叶绿素荧光特性、光能分配徐红霞等:镉胁迫对水稻光合、叶绿素荧光特性和能量分配的影响339用国际水稻研究所营养液配方进行水培。待植株第7叶刚长出时,将它分别转移到含有不同浓度Cd(加入CdCl2)的培养液中进行处理,对照(CK)、低数(qP)与非光化学猝灭(qN)按vanKooten和Snell12的公式计算,q

7、P=(Fm-qN=(Fm-Fs)/(Fm-),Fo)/(Fm-FmFo),(1-qP)可用来表示浓度、高浓度处理Cd浓度分别为0mmol/L、0.1mmol/L、1.0mmol/L,培养液一周换两次。处理7d植株出现Cd胁迫症状后,测定第6叶光合相关参数和叶绿素荧光特性,测定完毕,取相同叶位的叶片于-80下贮存,用于生化分析。1.2光合气体交换和叶绿素荧光参数的测定选取长势一致的完全展开的第6叶,用美国LI2COR公司生产的LI26400便携式光合系统,选用红蓝光源叶室测定水稻叶片气体交换参数,每次测定重复34次;测定条件为CO2浓度(385±5)mol/mol;测定光强为1000m

8、ol/(m2s);净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)等气体交换参数由仪器自动给出。光响应曲线测定同样采用红蓝光源叶室,设置光密度通量(PFD)为2000、1500、1000、500、200、50、20、10、0mol/(m2s),由仪器自动采样完成。用LI2COR公司生产的LI26400配套的荧光叶室,测定相同叶位的叶绿素荧光。具体步骤如下:暗适应1h的植株,照射检测光获取初始荧光(Fo),用饱和的红蓝光7200mol/(m2s)照射,获取最大荧光(Fm),然后,再把样品置于持续的光化学活性光PFD=1400mol/(m2s)下照射0.5h,得到稳态荧光(Fs),接着

9、,用饱和光PFD=6000mol/(m2),然s)照射,得到光适应后的最大荧光(FmPQ库还原程度的高低13。PS吸收的光能能量耗散三部分:用于PS光化学反应(P)、天线热耗散(D)和过剩光能(Ex)分别所占的比率根据Demmig2Adams和Adams14公式计算:D=1-1.3叶绿素含量的测定Fv/Fm;P=Fv/Fm×qP;Ex=Fv/Fm×(1-qP)。叶绿素含量的测定参照Arnon的方法15。叶绿素含量基于鲜质量以mg/g表示。1.4抗氧化酶类活性的测定总SOD活性根据Giannopolitis和Ries的方法16以抑制NBT光化学还原的能力来衡量,酶活性基于蛋白

10、质量以U/mg表示。POD活性测定采用Braber的方法17,根据470nm波长下吸光度的增加来计算,酶活性基于单位蛋白质量以U/mg表示。CAT的活性根据Havir和McHale的方法18,通过测定H2O2在240nm下的降解速度来计算,酶活性基于蛋白质量以U/mg表示。2结果与分析2.1不同浓度Cd胁迫对水稻光合速率的影响从图1可以看出,随着PFD的升高,不同处理的Pn、Gs和Ci变化趋势均一致,低浓度(0.1mmol/L)Cd处理和对照的Pn的光饱和点为1000mol/(m2s),而高浓度Cd(1.0mmol/L)处理的Pn的后,关闭光化学活性光,再施加远红光以测量光适应的Fo。其他的叶

11、绿素荧光参数PS最大光化学效率(Fv/Fm)、PS的实际光化学效率(PS)、天线色)和PS的电子传递速素转换效率(Fv/Fm率(ETR)也由仪器自动计算给出。光化学猝灭参光饱和点降为800mol/(m2s)。Gs随着PFD的升高而升高,但Ci却随着PFD的逐步升高而逐步下降。低浓度Cd处理下水稻的Pn略有升高,在其光饱和点处比对照升高7.1%,同时Gs也略有上升,图1不同浓度Cd胁迫对水稻光合速率(Pn,A)、气孔导度(Gs,B)、胞间CO2浓度(Ci,C)的影响larCO2concentration(Ci,C)inrice.340中国水稻科学(ChineseJRiceSci)第19卷第4期(

12、2005年7月)PS、表1不同浓度Cd胁迫对水稻的叶绿素荧光参数Fv/Fm、Fv/Fm、qP、(1-qP)、qN、ETR的影响Table1.EffectsofdifferentCdconcentrationstressesonchlorophyllfluorescenceparametersFv/Fm,Fv/Fm,PS,qP,(1-qP),qNandETRinrice.荧光参数Fv/FmFv/Fm对照PSqP1-qPqNmolm-2s-1)ETR/(同一行数字后跟不同的小写字母表示差异显著(P<0.05),以下相同。表2不同浓度Cd胁迫对水稻PS吸收光能分配比例的影响Table2.Eff

13、ectsofdifferentCdconcentrationstressesonthedistribu2tionofexcitationenergyabsorbedinPSantennaeinrice.%参数ParameterPDEx对照0.1mmol/LCd1.0mmol/LCd减弱,叶片暗反应受阻,光合速率下降19,这与Pn和ETR的变化一致。2.3不同浓度Cd胁迫对水稻PS吸收光能分配比例的影响本研究中我们将水稻叶片吸收的光能分为三部分14:一是用于PS光化学反应的部分,二是通过天线热耗散的部分,三是PS反应中心的过剩激发能。我们通过计算不同浓度Cd胁迫下水稻光化学反应、天线热耗散和过剩

14、光能占PS吸收光能的比率P、D、Ex,来解释水稻叶片在不同浓度Cd胁迫下的光能利用能力。从表2可见,低浓度Cd处理的P和D无显著变化,而Ex显著上升;但高浓度Cd处理后,导致D、Ex显著上升,P显著下降。2.4不同浓度Cd胁迫对水稻叶片叶绿素含量、抗氧化酶活性的影响Ci略有下降;而高浓度Cd处理则明显降低各种光温条件下的Pn,其中水稻在光饱和点处Pn比对照降低了4213%,并伴随着Gs显著下降,Ci明显上升,表明高浓度Cd对光合机构造成了伤害。2.2不同浓度Cd胁迫对水稻叶绿素荧光特性的影响低浓度Cd处理对水稻Fv/Fm、ETR影响不显著,高浓度Cd处理后Fv/Fm、ETR分别比对照降低了45

15、.5%和54.2%。Fv/Fm和PS反映了PS反应中心利用所捕获激发能的情况,从表1中可知,低浓度Cd胁迫处理后Fv/Fm和PS比对照略有上升;高浓度处理后分别下降了21.7%和5413%,这表明1.0mmol/L浓度的Cd使水稻叶片的PS反应中心受到了伤害。从qP和qN的变化可以看出,低浓度Cd胁迫对光化学猝灭qP影响不显著,高浓度处理后比对照下降了16.0%,对于非光化学猝灭qN,低浓度Cd胁迫处理后比对照上升了8.7%,高浓度处理比对照下降了89.4%。高浓度处理后qN下降幅度显著大于qP。qP的减少表明PS开放的反应中心比例和参与CO2固定的电子3讨论3.1Cd胁迫导致水稻光合作用能力

16、变化的原因分析植物光合作用能力变化的原因既有气孔因素也有非气孔因素21。实验中我们发现,1.0mmol/L减少,这种比例的减少必然会使光合电子传递能力徐红霞等:镉胁迫对水稻光合、叶绿素荧光特性和能量分配的影响表3不同浓度Cd胁迫对水稻叶片的叶绿素含量和抗氧化酶活性的影响Table3.EffectsofdifferentCdconcentrationstressesonchlorophyllcontentsandactivitiesofantioxidantenzymesinrice.341参数-1总叶绿素含量Chlcontent/(mgg)叶绿素a/bChla/b对照SOD活性SODactiv

17、ity/(Umg)POD活性PODactivity/(Umg)CAT活性CATactivity/(Umg-1)-1-1Cd处理后,水稻叶片的Pn和Gs显著下降,但Ci却显著升高。这说明此时水稻叶片光合作用的下降不是气孔导度的下降导致CO2供应减少所致,而是非气孔因素(如光化学活性限制22、RuBP羧化限制23和无机磷限制24)阻碍了CO2的利用,从而造成细胞间CO2积累。光合作用由原初反应、电子传递、光合磷酸化及碳同化阶段组成,本试验结果表明,1.0mmol/L浓度Cd胁迫可能对这几个方面都有伤害。首先,Cd胁迫使叶片叶绿素含量降低,Chla/b升高(表3),从而使捕获和传递给PS反应中心的光

18、能减少(表2),影响到原初反应;其次,Cd胁迫导致碳同化降低迫使叶片的PQ库还原程度升高(表1)25,导致电子传递受阻,这与Cd胁迫使叶片最大光化学效率Fv/Fm、实际光化学效率PS下降(表1),电子传递速率ETR降低(表1)相一致,而正常光温条件下,高电子流有利于RuBP的再生,并可提高NADP2MDH和FBPase的活性,从而提高光合速率26。因此1.0mmol/L浓度Cd胁迫下光合速率的下降可能是由上述原因综合作用所致。而低浓度Cd处理下水稻的Pn、Gs都略有上升,Ci略有下降,这可能是由于0.1mmol/LCd对水稻的光合系统没有造成伤害,光合作用的各个阶段都未受到影响,在低浓度Cd刺

19、激下其气孔导度略有升高,但是同时进入胞内的CO2通过光合作用而消耗,所以Ci又略有下降,这可能是由逆境下植物本身的一种保护机制所致。3.2Cd胁迫下水稻过剩激发能的耗散途径高等植物在吸收的光能超过所利用的能量时,会启动非辐射能量的耗散(qN)途径来耗散过剩的激发能以保护光合机构免受伤害27。本试验结果表明,低浓度Cd处理后qP略有降低,qN升高(表1),表明低浓度Cd胁迫下,水稻充分启动了能量耗散机制来应对Cd胁迫的伤害,这与低浓度Cd胁迫下能量分配的变化相吻合(表2)。然而高浓度Cd胁迫下,qP显著下降的同时,qN也显著下降,且比qP下降幅度要大,而对水稻叶片吸收的三部分能量分配分析结果表明

20、,高浓度Cd胁迫导致天线色素吸收的能量传递到反应中心部分Fv/Fm和用于光化学反应的部分P降低的同时,在天线色素上耗散的部分D升高。我们推测可能是由于1.0mmol/L浓度Cd胁迫导致水稻叶绿素含量急剧减少(表3),PS反应中心遭到破坏,而使其吸收的光能总量急剧减少从而导致qN显著下降。水稻叶片吸收的三部分能量分配分析结果还表明,天线色素吸收的能量既不在天线色素上耗散也不用于光化学作用的部分Ex在高浓度Cd胁迫下显著上升。Ex的增加导致PS的激发压增加,使1Chl暂时积累并可能将能量传递给O2,形成破坏性极大的单线态氧1O228。同时CO2同化能力下降会造成对ATP和NADPH的需求减少,从而

21、导致NADPH积累而NADP+缺乏。这时过剩的激发能所产生的电子也可能不是被NADP+接受,而是传给分子态氧形成超氧自由基O.-.-2(Mehler反应),O2在超氧化物歧化酶(SOD)的催化下生成H2O2,当1O.-2、O2和H2O2等活性氧积累到一定程度后可分别通过Haber2Weiss反应和Fenton反应等途径转化为活性更强的.OH,从而诱发膜脂过氧化29,这往往会使叶绿体结构受到伤害。植物体内的抗氧化酶系统可以在一定程度上清除活性氧。但是如果产生的活性氧过多来不及清除,就会对光合机构造成伤害,包括对作用中心D1蛋白的破坏30和叶绿素的降解(表3),从而引起光合作用效率的降低。本实验结

22、果也表明SOD、POD、CAT在高浓度Cd胁迫下显著升高,推测这是由于大量氧自由基的生成诱导了抗氧化酶活性的升高。谢辞:本文承蒙蒋德安教授审阅修改,特此感谢。参考文献:1MallickN,RaiLC.Physiologicalresponsesofnon2vascularplantstoheavymetals.In:PrasadMNV,StrzalkaK.Physiol2ogyandBiochemistryofMetalToxicityandToleranceinPlants.342Dordrecht:KluwerAcademicPublishers,2001.111-147.2FoyCD,C

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