毕业论文-镉胁迫对玉米光合作用的影响

镉胁迫对玉米光合作用的影响台州学院生命科学学院本科毕业设计（论文）镉胁迫会影响植物的许多方面的影响：镉可以影响根对矿质元素的吸收[8]，影响元素的转运[9]，抑制细胞分裂生长[10]，致使染色质结构变异，破坏植物细胞结构等[11]。高浓度（100mg·kg-1）镉胁迫使玉米幼苗生长几乎停止。Cd进入植株体内,首先受到影响的是光合色素,使叶绿素总的含量出现下降,气孔导度也下降，进而影响光合功能，导致光合速率下降，蒸腾速率下降。随着重金属浓度的增加，叶片的叶绿素含量呈下降趋势。1.3光合特性的概述光合特性是指影响光合作用的各种指标。植物光合特性参数：叶绿素a、b含量、光合速率、表观光合作用、真正光合作用、光补偿点、光饱和点、二氧化碳补偿点、二氧化碳饱和点、光合最适温度、蒸腾速率。当植物体内镉含量超标时，重金属胁迫对植物光合作用的影响并非单一因素作用的结果,而是由叶绿素含量、气孔导度、蒸腾速率、细胞间CO2浓度等因素共同作用的结果。1.4本研究的主要内容与目的玉米是我国重要的粮食之一，具有研究价值。研究表明，通过根能将土壤中的重金属元素运输并储存到玉米的茎和叶中。因此，重金属元素对玉米光合作用可能出现较大影响，本文采用盆栽玉米试验，研究在不同浓度镉处理下对盆栽玉米光合性能的影响，从光合作用角度揭示重金属镉胁迫对植物生长抑制的机理。2.材料与方法2.1材料处理将菜园土与沙子按3:1混合，风干装盆，每盆3.0kg，加入基肥（0.1g·kg-1尿素，0.2g·kg-1KH2PO4），分别添加不同浓度的CdCl2溶液，使盆土中镉含量分别达到2、5、25、50、100mg·kg-1，以不加镉处理作为对照（CK），每处理3次重复。混匀后，每盆分别播种10粒玉米种子，置于暗处25℃条件下萌发，播种5d后，将盆栽玉米幼苗移置自然光照条件下，适当浇水，每隔15d按基肥标准补充一次营养液，播种后约30d间苗，每盆保留3株生长状况相似的植株，培养3个月，进行各项指标的测定。2.1.1叶绿素含量测定将叶片剪成2*2mm2大小小块，取0.125g，倒入50ml的锥形瓶中，并加入少许的CaCO3和25ml蒸馏水，匀浆，具塞比色管中放入2.5ml匀浆液，加10ml丙酮，提取30min，过滤，取滤液约3ml，用可见分光光度计测定645nm、663nm和440nm的吸光值。计算叶绿素a、b、总叶绿素（Cha+Chb)和Cha/Chb的比值[13]。2.1.2气体交换参数的测定利用美国LI-COR公司产LI-6400便携式光合作用测定仪，在温度为30℃左右，选择对照CK与不同镉浓度胁迫处理下长势同一的玉米植株各3株，测定的玉米植株提前半小时放到阳光下进行充分光适应。在玉米相同部位叶片测定净光合速率时，光照强度由强到弱，按照光照强度（PAR）为2000、1500、1200、1000、800、600、400、200、150、100、50、20和0μmol·m-2·s-1的顺序进行测定，以光照强度（PAR）为横轴、光合速率（Pn）为纵轴拟合出光合作用的光响应曲线，运用Photosynthesis软件，计算出最大净光合速率（Pmax）、光饱和点（LSP）、表观量子效率（AQY）、气孔导度（Gs）、暗呼吸速率（Rd）、胞间CO2浓度（Ci）、光补偿点（LCP）等参数。2.1.3数据处理数据采用Excel和SPSS软件进行分析，包括用LSD检验(P<0.05)处理平均数之间差异的显著性。3.结果与分析3.1镉胁迫对叶片光合色素含量的影响叶绿素是与光合作用有关的非常重要的色素[12-13]。叶绿素是存在于绿色植物叶和茎中的色素，存在于叶绿体内，是绿色植物进行光合作用的场所。高等植物的叶绿素不是一个单一的化合物，主要有叶绿素a和叶绿素b两种。由表1可知，叶绿素a、b含量、总叶绿素含量（Cha+Chb)在镉浓度为100mg·kg-1时显著下降，分别比对照CK下降了50.03%、36.26%、46.50%；镉（2、5、25mg·kg-1）处理使Chla含量分别比对照CK增加了9.35%、17.32%、16.60%；Chlb含量分别增加了15.97%、23.16%、18.05%；而总叶绿素含量随着镉浓度增加而增加，2、5、25mg·kg-1处理下，与对照相比，分别增加了11.04%、18.81%、17.01%（表1）。叶绿素a/b与叶绿素a、b含量变化趋势相同，在较低镉浓度下，随镉浓度的增加而增加，在镉浓度为100mg·kg-1时显著下降。结果表明，在较低浓度的镉胁迫下，玉米植株的叶绿素含量升高，对玉米植株起一定程度的刺激作用。在高浓度镉胁迫，叶绿素含量下降，表明在玉米植株中镉积累，玉米的损伤逐渐增加。表1镉处理对玉米叶片色素含量（mg•g-1FW）的影响Table1EffectsofCdtreatmentsonpigmentcontent（mg·g-1FW）inmaizeleaves镉处理Cdtreatment/（mg·kg-1）叶绿素aChlorophylla/（mg·g-1FW）叶绿素bChlorophyllb/（mg·g-1FW）总叶绿素TotalChlorophyll/（mg·g-1FW）叶绿素a/bChlorophylla/bCK1.819±0.091e（100）0.626±0.032e（100）2.445（100）3.08721.989±0.101d（109.35）0.726±0.036d（115.97）2.715（111.04）3.23752.134±0.111c（117.32）0.771±0.038c（123.16）2.905（118.81）3.558252.121±0.105b（116.60）0.739±0.042b（118.05）2.861（117.01）3.563501.692±0.086a（93.02）0.530±0.026b（84.66）2.223（90.92）3.0491000.909±0.041a（49.97）0.399±0.022a（63.74）1.308±（53.50）2.121表内不同小写字母表示同一品种不同处理间差异达5%显著水平。下同。Differentlettersintablearesignificantat5%levelunderdifferentCdconcentrationtreatmentineachhybrid.Thesameasbelow.以上结果表明，玉米对逆境有一定的适应能力。但随镉浓度增加，镉在植物体内的不断积累，叶绿素结构变化，含量降低，可能会破坏生物细胞膜的结构与功能，改变植株叶片的叶绿素，降低酶活性[14]，最终影响植物光合作用的正常进行。3.2镉胁迫对玉米叶片气体交换参数的影响3.2.1光合速率在光的玉米叶片从0~2000μmol·m-2·s-1中增加了净光合速率，光合作用[15-16]的光响应曲线及曲线拟合的结果显示（图1），光照从0~2000μmol·m-2·s-1增加的过程中，净光合速率随之增加，呈线性趋势，但在超过一定的光照强度后，净光合速率变化趋于平缓，出现下降的趋势，且在镉胁迫下这种下降的趋势更加明显。在低浓度镉（2mg·kg-1）处理下，光合速率大于对照CK，较高浓度（5、25、50、100mg·kg-1）镉处理使玉米光合速率低于对照CK，且在100mg·kg-1镉处理下，光合速率比对照CK低很多。结果表明，低浓度的镉处理时玉米光合速率升高，高浓度（大于5mg·kg-1）镉处理时光合速率下降，镉胁迫会影响植物光合速率。图1Cd胁迫下玉米叶片Pn-PAR光响应曲线Fig.1Pn-PARlightcurveofthemaize’sleavesinthestressofCd由表2可知，不同镉浓度胁迫下玉米的光饱和点（LSP）、光补偿点（LCP）发生变化。在镉浓度为2mg·kg-1时，光饱和点上升，光饱和点大于对照CK。但随着镉浓度的增加（5、25、50、100mg·kg-1），玉米的光饱和点低于对照CK，呈下降趋势。不同浓度镉胁迫下光补偿点大于对照CK，呈上升趋势。低浓度镉胁迫使玉米的光饱和点增高，同时使玉米在强光下的Pn增高，CK、2mg·kg-1处理下光饱和时的Pn为17.9、20.4μmol·m-2·s-1，光饱和点在CK、2mg·kg-1处理下分别为1108、1304μmol·m-2·s-1，低浓度镉胁迫能提高玉米叶片光合速率。镉浓度为2mg·kg-1时，表观量子效率上升，表观量子效率大于对照CK。但随着镉浓度的增加（5、25、50、100mg·kg-1），玉米的表观量子效率低于对照CK，呈下降趋势。随镉胁迫浓度增加暗呼吸速率增加（表2）。植物排出重金属或重金属留在细胞壁都需要能量，而能量是通过植物呼吸作用释放的。在镉胁迫下，玉米暗呼吸速率比对照CK高，且呈现增加趋势，表明此时玉米不断进行呼吸作用且代谢活动很旺盛的，这为植物在逆境中的生长提供了一定程度的能量保证。表2镉胁迫下净光合速率光响应曲线模拟参数Table2PhotosyntheticparametersofcultivarsinresponsetolightinCdstress镉处理Cdtreatment/（mg·kg-1）光饱和时的PnThemaximumphotosyntheticrate/μmol·m-2·s-1光补偿点Lightcompensationpoint（LCP）/μmol·m-2·s-1光饱和点Lightsaturationpoint（LSP）/μmol·m-2·s-1表观量子效率Apparentquantumyield（AQY）/mol·mol-1暗呼吸速率Darkrespiratorrate（Rd）/μmol·m-2·s-1CK19.043±1.011f16.003±0.818f1107.89±55.35f0.042±0.0021e-0.369±0.022f225.016±1.355e20.02±1.111e1304.02±65.12e0.049±0.0035d-0.734±0.049e518.357±0.895d23.153±1.245d780.04±39.65d0.039±0.0019c-0.792±0.041d2516.078±0.834c27.867±1.455c592.03±29.74c0.038±0.0027c-0.886±0.051c5012.826±0.643b33.083±1.915b465.09±25.35b0.035±0.0018b-1.062±0.052b1009.041±0.506a45.161±2.156a286.02±15.18a0.028±0.0015a-1.4181±0.088a3.2.2蒸腾速率在0~2000μmol·m-2·s-1光照强度范围内，光照强度小于100μmol·m-2·s-1时蒸腾速率增加较为缓慢，光照强度大于100μmol·m-2·s-1小于1000μmol·m-2·s-1时蒸腾速率逐步增加，且幅度较大，但光照强度为1000μmol·m-2·s-1时，增加较为平缓。这表明超过一定光照强度范围，光照强度不再是影响蒸腾速率的主要因素，所以取光辐射1000μmol·m-2·s-1时作为比较。1000μmol·m-2·s-1光辐射时玉米的蒸腾速率能呈现出较高且稳定的趋势，便于研究比较Tr、Ci、Gs的变化。由图2可知，在较低浓度（2mg·kg-1）镉胁迫时玉米蒸腾速率大于CK，较高浓度（5、25、50、100mg·kg-1）蒸腾速率小于CK，呈下降趋势。因此，镉胁迫能使玉米叶片的蒸腾速率降低，降低程度会随镉处理浓度的增加而增加。cdcbbacdcbba图2镉处理对蒸腾作用的影响Fig.2Effectsofcadmiumontranspirationprocess3.2.3胞间CO2浓度与蒸腾速率同理，取光照强度为1000μmol·m-2·s-1时比较不同浓度镉胁迫下玉米胞间CO2浓度的变化。与CK相比，随着镉浓度的增加（2、5、25、50、100mg·kg-1），胞间CO2浓度（Ci）上升,胞间CO2浓度大于对照CK（图3）。胞间CO2浓度取决于外部环境通过气孔进入胞内CO2含量及光合器官吸收CO2的共同作用的结果。结果表明，胞间CO2浓度均随镉浓度增加而上升。aabcdeaabcde图3镉处理对胞间CO2浓度的影响Fig.3EffectsofcadmiumonintercellularCO2concentration.3.2.4气孔导度气孔是植物叶片与外界进行气体交换（主要是O2和CO2）和水分丧失的主要通道，其闭合程度直接影响了光合作用、蒸腾作用、细胞间CO2的浓度和呼吸作用。阳光下的植物进行光合作用，二氧化碳通过气孔进入植物体内，所以气孔必须是开放的，但气孔开放一定会发生蒸腾作用，根据环境条件的变化,气孔可以调节自己开放的程度而使植物损失较少水分，最大程度获取CO2。与蒸腾速率一样，随着光照强度的增加，玉米叶片的气孔导度呈上升趋势，且上升趋势接近，同样取光辐射1000μmol·m-2·s-1时作为比较。从图4看出，与对照相比，在较低浓度（2mg·kg-1）镉胁迫时气孔导度升高，较高浓度（5、25、50、100mg·kg-1）镉胁迫时气孔导度小于CK，且明显成下降趋势。ddccabddccab图4镉处理对气孔导度的影响Fig.4Cadmiumtreatmenteffectonstomatalconductance4.讨论4.1镉胁迫对叶片光合色素含量的影响较低浓度镉胁迫下,玉米叶片叶绿素a、b含量及总叶绿素含量（Cha+Chb)和Cha/Chb的比值增加。高浓度镉胁迫下，玉米叶片叶绿素a、b含量及总叶绿素含量（Cha+Chb)和Cha/Chb的比值时明显下降。植物体内叶绿素的含量的高低可以显示出植物在逆境下受伤害的程度。低浓度镉胁迫下玉米叶片中的叶绿素含量增加，可能是玉米对外界胁迫有一定适应能力，或是较低浓度镉胁迫对玉米叶绿素合成相关酶有一定的刺激作用，促使玉米叶片中的叶绿素含量增加。高浓度镉胁迫下玉米叶片中的叶绿素含量下降，可能是叶绿素合成相关酶受到镉胁迫，抑制叶绿素合成，也可能是细胞中的活性氧[17]在镉胁迫下增加，破坏了光合膜结构，或直接改变叶绿体结构，使玉米叶片叶绿素的含量下降。Cha/Chb的比值代表着叶绿体的类囊体的垛叠程度。在低镉浓度胁迫下，Cha/Chb的比值呈上升趋势，在高浓度镉胁迫下，Cha/Chb的比值明显下降。这可能是高浓度镉胁迫下破坏了玉米叶片中的叶绿素a、b的正常分布。大多数学者认为ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>李丹</Author><Year>2003</Year><RecNum>499</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[68]</style></DisplayText><record><rec-number>499</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="xewzxa9v4a0rsbewdx75ap9mxz95v9pvtv50">499</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>李丹</author></authors></contributors><titles><title>苯酚-硫酸法测定食品总糖方法的应用和改进</title><secondary-title>中国卫生检验杂志</secondary-title></titles><periodical><full-title>中国卫生检验杂志</full-title></periodical><pages>506-506</pages><volume>13</volume><number>4</number><dates><year>2003</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>鞠瑞亭</Author><Year>2012</Year><RecNum>348</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[4]</style></DisplayText><record><rec-number>348</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="xewzxa9v4a0rsbewdx75ap9mxz95v9pvtv50">348</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>鞠瑞亭</author><author>李慧</author><author>石正人</author><author>李博</author></authors></contributors><titles><title>近十年中国生物入侵研究进展</title><secondary-title>生物多样性</secondary-title></titles><periodical><full-title>生物多样性</full-title></periodical><pages>581-611</pages><volume>20</volume><number>5</number><dates><year>2012</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[18-19]，当植物受到各种胁迫时，叶绿体结构改变，或者是抑制叶绿素合成相关酶（ProtochlophyllideRcductasc）的合成，因此，叶绿素含量降低，从而降低光合能力。本实验的结果也证明了这个原理。4.2镉胁迫对光合速率的影响光补偿点是植物的光合强度和呼吸强度达到相等时的光照度值，是表现对弱光的适应能力。当光照强度超过光补偿点后，光合速率会随着光照强度增强而增加，这时光合强度就大于呼吸强度，植物体内积累有机物。但达到一定值后，再增加光照强度，光合速率却不再增加，此时达到光饱和时的光照强度，即为光饱和点。从光饱和点、光补偿点变化趋势来看，低浓度镉胁迫使叶片的光饱和点升高，光补偿点升高。此时在光照充足的条件下，低浓度镉胁迫玉米净光合速率升高，这结果符合大多数学者在低浓度镉玉米处理初期能提高了叶片利用光能的能力。表观量子效率是反映了植物对光的利用能力。低镉浓度胁迫下玉米表观量子效率上升，大于对照CK。但随着镉浓度的增加，玉米的表观量子效率低于对照CK，逐步下降。这可能是由于在高光强下，玉米叶片固定CO2的能力降低，而在低光强下，玉米叶片同化的CO2[20]的分子数减少。玉米暗呼吸速率随着镉胁迫浓度增加而增加，且在高浓度镉胁迫下玉米暗呼吸速率增加更明显。低浓度镉胁迫能增加暗呼吸速率，而高浓度镉胁迫能降低暗呼吸速率，这符合玉米代谢受到损伤时的现象。4.3镉胁迫对蒸腾速率的影响在较低浓度镉胁迫时玉米蒸腾速率升高，较高浓度镉胁迫时玉米蒸腾速率下降。这可能受气孔开放程度的影响，气孔在碳固定、呼吸作用、蒸腾作用等代谢中起重要作用，是与外界环境进行气体（主要是CO2和O2）交换和水蒸气丧失的主要通路。气孔闭合程度直接影响光合、蒸腾作用。随着镉处理浓度的升高，气孔关闭程度加强，玉米蒸腾速率下降。4.4镉胁迫对胞间CO2浓度的影响玉米植株胞间CO2浓度随镉处理浓度增加而上升。产生该结果的原因可能是随着镉处理浓度的升高，导致植物光合作用相关酶结构变化，植物光合系统受到破坏，使净光合速率逐渐下降，从而光合作用降低CO2同化量；也可能是随着镉处理浓度的升高，气孔关闭程度加强，植物进行呼吸作用不断释放的CO2不能及时排出。4.5镉胁迫对气孔导度的影响气孔导度表示的是气孔张开的程度，影响光合作用、蒸腾作用。实验显示，与对照相比，镉胁迫在较低浓度时气孔导度升高，较高浓度时气孔导度下降。细胞间CO2浓度影响气孔张开程度，高浓度CO2可以使气孔迅速关闭，气孔导度下降。光合速率、蒸腾速率随气孔导度的变化而变化。这现象符合前人的研究发现。5.结论低浓度镉胁迫对玉米一定程度的刺激作用，高浓度镉胁迫对玉米有一定程度的抑制作用。高浓度镉胁迫导致玉米叶绿素结构变化，相关酶活性下降，光合速率、气孔导度和蒸腾速率下降，光饱和点和表观量子效率下降，光补偿点提高，暗呼吸速率增加。气孔是气体（主要是CO2和O2）交换和水分丧失的主要通道，影响植物的光合作用。植物光合作用变化还有可能是由非气孔限制因素引起，或者是气孔限制因素[21]与非气孔限制因素[22-23]共同作用引起，气孔限制因素与非气孔限制因素之间的联系，这些仍需进一步的研究。参考文献[1]张金彪,黄维南.镉对植物的生理生态效应的研究进展[J].生态学报,2005,20(3):514~523[2]许大全.植物光胁迫研究中的几个问题[J].植物生理学通讯,2003,39(5):493-495[3]孙光闻,朱祝军,陈日远,等.镉对小白菜根细胞质膜氧化还原系统的影响[J].华北农学报,2007,22(5):65~67[4]VermaS,DubeyRS.Effectofcadmiumonsolublesugarsandenzymesoftheirmetabolisminrice[J].BiologicPlantarum,2001,44(1):117~123[5]SandalioLM,DalurzoHC,GómezM,Romero-PuertasMC,RíoLA.Cadmium-inducedchangesinthegrowthandoxidativemetabolismofpeaplants[J].JournalofExperimentalBotany,2001,52(364):2115~2126[6]崔力拓,耿世刚,李志伟.我国农田土壤镉污染现状及防治对策[J].现代农业科技,2006(11):184~185[7]夏汉平.土壤-植物系统中的镉研究进展[J].应用与环境生物学报,1997,3(3):289~298[8]何俊瑜,任艳芳,王阳阳,等.不同耐性水稻幼苗根系对镉胁迫的形态及生理响应[J].生态学报,2011,31(2):0522~0528[9]张玉秀,于飞,张媛雅,等.植物对重金属镉的吸收转运和累积机制[J].中国生态农业学报,2008,16(5):1317~1321[10]刘东华,蒋悟生.镉对洋葱根生长和细胞分裂的影响[J].环境科学学报,1992,12(4):439~446[11]ShahK,DubeyRS.EffectofcadmiumonRNAlevelaswellasactivityandmolecularformsofribonucleaseingrowingriceseedlings[J].PlantPhysiolBiochem,1995,33:577~584[12]X.H.波钦诺克著.荆家海,丁钟荣译.植物生物化学分析方法.北京:科学出版社,1981.255~259[13]周卫,汪洪,林葆.镉胁迫下钙对镉在玉米细胞中分布及对叶绿体结构与酶活性的影响[J].植物营养与肥料学报,1999,5(4):335~340[14]VANAsscheF,ClijstersH.Effectsofmetaloncnzymeactivityinplants[