降香黄檀幼苗在重度Mn2+胁迫下不同时期的光响应.pdf

研究降香黄檀幼苗在重度 Mn2+（50 mg/kg）胁迫下不同时期的光响应特性，阐明其在逆境下光合特性的适应和生理响应，为降香黄檀幼苗栽培技术、珍贵园林植物资源的引种和保护提供理论依据。利用 YX1102 便携式光合仪分别在胁迫初期（14 d）和后期（28 d）测定净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、胞间 CO2浓度（Ci）、叶片光合有效辐射（PAR）、空气相对湿度（RH）以及大气 CO2浓度（Ca）光合日变化参数。结果表明，在重度 Mn2+胁迫下，降香黄檀幼苗 Tr、Gs、Pn 日均值较 CK 均有所下降，而 Ci 日均值均高于 CK 组；在胁迫初期和后期 Ci 日均值分别比 CK 组高 0.4%和 10.8%；随着胁迫时间的推移，实验组 Pn 值从早上正值变化至基本处于负值。可见，重度 Mn2+胁迫会抑制降香黄檀幼苗光合作用。关键词：降香黄檀幼苗；Mn2+胁迫；光响应中图分类号：X503.23；S792.28 文献标识码：ALightResponseofDalbergia odoriferaSeedlingsinDifferentPeriodsUnderSevereMn2+StressYANG Honglan1,HUANG Qiuchan1,LI Xiaodong1,LIANG Haihong1,GAN Ning2,FENG Shoufu1*(1.College of Chemical and Biological Engineering,Guangxi Minzu Normal University,Chongzuo 532200,China；2.Guigang General International School,Guigang 537100,China)Abstract:To study the light response characteristics of Dalbergia odorifera seedlings in different periods of severe Mn2+(50 mg/kg)stress,elucidate the adaptation and physiological responses of its photosynthetic properties under stress,and provide a theoretical basis for the cultivation techniques of Dalbergia odorifera seedlings,the introduction and protection of precious garden plant resources.Using YX1102 portable photosynthesis instrument,the physiological The YX1102 portable photosynthetic instrument is used to determine the net photosynthetic rate(Pn),transpiration rate(Tr),stomatal conductance(Gs),intercellular CO2 concentration(Ci),leaf photosynthetically active radiation(PAR),relative air humidity(RH)and air CO2 concentration(Ca)photosynthetic diurnal variation parameters in the early(14 d)and late stage(28 d)stage of stress,respectively.The results show that the daily average Tr,Gs and Pn of Dalbergia odorifera seedlings under severe Mn2+stress are all lower than CK，but the daily average value of Ci is higher than CK;the daily mean in the early and late stages of Ci is 0.4%and 10.8%higher than the CK group,respectively;with stress time,Pn values are basically negative except morning.Thus,severe Mn2+stress could inhibit the photosynthesis of Dalbergia odorifera seedlings.Keywords:Dalbergia odorifera seedlings;Mn2+stress;light response环境中重金属离子浓度超过一定的值，就会成为一个逆境因子胁迫植物各个生理过程，抑制植物的生长。大量研究表明，重金属污染会直接影响到植物的水分代谢、光合作用、呼吸作用、碳水化合物代谢以及基金项目：广西壮族自治区教育厅第四批民族院校特色学科建设立项建设学科项目（民族生态学）（3950010401）；生物科学专业广西壮族自治区一流专业建设项目（3950010513）；广西民族师范学院校级项目（2020YB012）。作者简介：杨红兰（1985），女，广西大新人，硕士，讲师，研究方向为植物生理生态及生物教学管理。通信作者：冯守富（1983），男，广西博白人，本科，实验师，研究方向为生态学。E-mail：。12生物化工2023 年氮素代谢等1。重金属一旦污染环境，其在土壤中会产生累积效应导致难以降解，而不同重金属元素之间具有协同、拮抗等相互效应，会使重金属污染在治理、修复等方面变得更为复杂。土壤中重金属含量过高，会影响植物的生长、发育及产量2。植物根系吸收重金属离子并运输到地上部分，会导致植物叶片受到重金属毒害，破坏叶绿体结构，最终造成植物叶片光合能力下降。Mn2+在维持叶绿体的正常结构方面起着重要作用。植物受到Mn2+胁迫，内部叶绿体结构会发生改变，导致叶绿素含量降低，从而抑制光合作用，降低净光合速率3。汪结明4的研究表明，Mn2+胁迫会导致藤本植物薜荔、忍冬、五叶地锦和络石叶绿素总含量下降。土壤中 Mn2+浓度过高还会对植物的生长发育及其产量造成不利影响。王洋5的研究显示 Mn2+浓度过高会制约植物生长发育，引起植物自身结构及功能的改变。曾琦6研究发现，在植物的生长环境中随着 Mn2+浓度的不断增大，地上部分中的生物量显著减少，说明过量的 Mn2+会抑制植物生长。降香黄檀（Dalbergia odorifera T.Chen）又名花梨木，属豆科黄檀属植物，常绿半落叶乔木树种，在广东、广西及云南等地均有引种栽培7。降香黄檀具有优良的耐干旱耐贫瘠特性，是林地恢复和人工造林的理想树种。降香黄檀适应力强、萌芽率高，大树移载存活率高，树势恢复快，在园林环境绿化中是极具开发潜力的优良树种8。推进珍贵树种的地区引种，矿区环境修复研究，可深入挖掘其经济价值。植物生长发育过程离不开光合作用，研究植物受重金属胁迫时的光响应，能够较为直接判断植物对重金属的适应性。目前关于降香黄檀引种栽培的研究很多，但关于降香黄檀对重金属胁迫光响应的研究较少。开展降香黄檀幼苗对重度 Mn2+胁迫的光响应研究，对受 Mn2+污染地区的适宜苗木的筛选具有重要意义，也对存在土壤 Mn2+污染问题地区的人工育种、地区引种有着重要的实践意义。1 材料与方法1.1 材料与设备实验所用降香黄檀种子采于广西民族师范学院校园，选择完好且饱满的种子，经泡种、发苗、培育得到胁迫实验所用幼苗。YX1102 便携式光合测定仪，北京雅欣理仪科技有限公司。1.2 幼苗培育方法实验采用盆栽法，于口径 15 cm 的种植盆各装取相同质量的混合壤（黑土红土营养土沙土=5 2 2 1，质量比），每盆移栽 5 株长势相似的幼苗（株高 15 20 cm）。缓苗一周后，将 MnSO4（结合前期实验 0.4 mg/kg、2.0 mg/kg、10.0 mg/kg、50.0 mg/kg 浓度梯度结果，设定 Mn2+浓度 50 mg/kg 为重度胁迫）一次填埋施入（实验组），以不做填埋处理（Mn2+浓度为 0 mg/kg）为对照组（CK），每个处理 5 个重复。1.3 光合参数的测定分别于胁迫处理 14 d（初期）、28 d（后期）测定各项光合指标，测定时间为 8:0015:00，从 8:00 开始后每 1 h 测一次。选取长势相同朝向一致的 3 片成熟叶进行测量，每盆测量 3 个重复，每次记录 5 组数据。测定的光合指标包括幼苗的净光合速率（net photosynthetic rate，Pn）、蒸腾速率（Transpiration rate，Tr）、气孔导度（stomatal conductance，Gs）、胞间 CO2 浓度（intercellular CO2 concentration，Ci）、光合有效辐 射（Photosynthetically Active Radiation，PAR）、大气相对湿度（Relative air Humidity，RH）、大气二氧化碳浓度（air CO2 concentration，Ca）。1.4 数据分析所有数据采用 Excel 2010 进行处理和作图分析。将 5 组重复处理的数据去除波动较大的数值，最后取均值进行数据分析并作图。2 结果与分析各检测指标的日均值统计表见表 1。2.1 环境因子日变化植物的光合作用，不单由内在生理因子制约，同时还会受外界环境因子的影响。由图 1 可知，胁迫初期 PAR 日变化和 CK 的 PAR 日变化均呈“双峰型”，实验组 PAR 在 9:00 出现第一个峰值，在 12:00 出现第二个峰值，PAR 最大值为 1 617.50 mol/（m2s），第 3 期13杨红兰等：降香黄檀幼苗在重度Mn2+胁迫下不同时期的光响应胁迫初期 PAR的日平均值为 878.24 mol/（m2s）。胁迫后期，PAR 日变化曲线规律性不明显，实验组的PAR 最大值为 1 376.00 mol/（m2s），峰值出现在15:00，日平均值为 814.40 mol/（m2s）。胁迫初期、后期实验组的平均 PAR 分别比 CK 组高 4.6%和7.2%。由图 2 可知，胁迫初期大气相对湿度的日变化呈不明显的“W”型。两组试验的 RH 均在 10:00 出现最低值；胁迫后期 RH总体呈现下降的趋势。由图 3 可知，胁迫初期 Ca 呈“单峰型”曲线，最大值出现在 9:00，之后持续下降，胁迫初期 Ca 日均值为 457.67 mol/mol；胁迫后期 Ca 没有出现明显的峰值，总体呈下降趋势，日均值为 433.59 mol/mol。时间0 mg/kg50 mg/kg2 0001 6001 20080040008:0012:0010:0014:009:0013:0011:0015:00光合有效辐射/mol/（m2s）（a）初期时间0 mg/kg50 mg/kg1 6001 20080040008:0012:0010:0014:009:0013:0011:0015:00光合有效辐射/mol/（m2s）（b）后期图 1 不同时期光合有效辐射日变化曲线2.2 生理因子日变化2.2.1 净光合速率（Pn）日变化光合速率日变化的午休现象在自然界中普遍存在，是植物对环境的一种适应机制，植物光合作用的表 1 各项指标日均值统计表组别PAR/mol/（m2s）RH/%Ca/（mol/mol）Pn/(mol/（m2 s）Gs/mol/（m2s）Ci/（mol/mol）Tr/mmol/（m2s）初期后期初期后期初期后期初期后期初期后期初期后期初期后期CK839.62759.7063.0357.07466.61437.291.340.2820.5812.42478.66471.670.570.40实验组878.24814.4062.7355.74457.67433.59-0.77-2.4212.329.26480.59529.110.350.30时间0 mg/kg50 mg/kg80706050408:0012:0010:0014:009:0013:0011:0015:00空气相对湿度/（a）初期时间0 mg/kg50 mg/kg80706050408:0012:0010:0014:009:0013:0011:0015:00空气相对湿度/（b）后期图 2 不同时期空气相对湿度日变化曲线时间0 mg/kg50 mg/kg6005505004504003508:0012:0010:0014:009:0013:0011:0015:00大气 CO2浓度/（mol/mol）（a）初期时间0 mg/kg50 mg/kg6005505004504003508:0012:0010:0014:009:0013:0011:0015:00大气 CO2浓度/（mol/mol）（b）后期图 3 不同胁迫时期大气 CO2浓度日变化曲线14生物化工2023 年日变化曲线大体有单峰型和双峰型两种。从图 4 可以看出，降香黄檀幼苗在胁迫初期、后期两组的净光合速率（Pn）日变化模式相似。光是植物进行光合作用的重要能量型原料，但不同植物对光的响应不同9。在重度 Mn2+胁迫初期，两组的 Pn 值呈不明显的“双峰型”曲线。实验组从 8:00到 10:00，PAR 先增大后有所降低，而 Pn 逐渐减小；在 10:0012:00，PAR 先减小后增大（见图 1），而Pn 先上升后下降，且在 12:00 出现最低值；在胁迫初期Pn 日变化曲线中，Pn 最大值为 0.42 mol/（m2s），CK 和实验组 Pn 峰值出现的时间有所不同。在胁迫初期，与 CK 组相比，受重度 Mn2+胁迫的降香黄檀幼苗对 PAR 变化的影响更为敏感，且光合能力有所下降。在胁迫后期 CK 组和实验组 Pn 日变化趋势基本一致，表明受一段时间的重度 Mn2+胁迫之后，实验组植株对重度 Mn2+的适应性增强。胁迫后期 CK 组的Pn 峰值为 0.62 mol/（m2s），出现在 11:00；实验组 Pn 最大值为 0.25 mol/（m2s），出现在 8:00。在 10:00 之后，随着 PAR 的变化，实验组 Pn 始终明显低于CK组，表明受重度Mn2+胁迫的降香黄檀幼苗，光合作用能力明显下降，这可能是由于植物光合作用被抑制10。时间0 mg/kg50 mg/kg1.00.50-0.5-1.08:0012:0010:0014:009:0013:0011:0015:00净光合速率/mol/（m2s）（a）初期时间0 mg/kg50 mg/kg1.00.50-0.5-1.08:0012:0010:0014:009:0013:0011:0015:00净光合速率/mol/（m2s）（b）后期图 4 不同胁迫时期净光合速率日变化曲线2.2.2 气孔导度（Gs）日变化由图 5 可知，在重度 Mn2+胁迫初期，CK 组和实验组最大值均出现在 9:00，CK 组的 Gs 最大值为 50.44 mol/（m2 s），实验组Gs最大值为22.83 mol/（m2 s）。实验组气孔导度日变化曲线在 11:0015:00 与 CK组气孔导度日变化曲线变化呈现相反趋势。CK 组平均气孔导度为 20.58 mol/（m2s），实验组平均气孔导度为 12.32 mol/（m2s），比 CK 组下降了40.1%。在重度 Mn2+胁迫后期，CK 组和实验组的 Gs 日变化曲线趋势相似，最大值均在 8:00 出现，CK 组平均气孔导度为 12.42 mol/（m2s），实验组平均气孔导度为 9.26 mol/（m2s），与 CK 组相比下降了25.4%。整体看来，胁迫后期实验组气孔导度日变化曲线波动更为平缓。时间0 mg/kg50 mg/kg60.0050.0040.0030.0020.0010.000.008:0012:0010:0014:009:0013:0011:0015:00气孔导度/mol/（m2s）（a）初期时间0 mg/kg50 mg/kg60.0050.0040.0030.0020.0010.000.008:0012:0010:0014:009:0013:0011:0015:00气孔导度/mol/（m2s）（b）后期图 5 不同胁迫时期气孔导度日变化曲线2.2.3 胞间 CO2浓度（Ci）日变化光是主要的能量原料也是主要的环境因子，光的变化会影响内部因子变化，从而影响光合速率9-10。结合图 1、图 4 和图 6 可知，CK 组在 PAR 升高的初始阶段，叶片 Pn 增加，消耗 CO2量增大，导致 Ci 下降。胁迫初期和后期的 8:009:00，CK 组的 Ci 值均高于第 3 期15杨红兰等：降香黄檀幼苗在重度Mn2+胁迫下不同时期的光响应实验组，10:00 之后随着 PAR 的变化，实验组 Ci 浓度开始高于 CK 组。胁迫初期，CK 组的 Ci 日均值为 478.66 mol/mol，实验组 Ci 日均值为 480.59 mol/mol，较 CK 组高 0.4%；胁迫后期，Ci 日变化曲线呈“单峰型”，CK 组的 Ci 日均值为 471.67mol/mol，实验组Ci日均值为529.11 mol/mol，较CK组高10.8%。可见，随着胁迫时间的增加，降香黄檀幼苗通过增大胞间二氧化碳浓度适应高锰环境。时间0 mg/kg50 mg/kg8006505003502008:0012:0010:0014:009:0013:0011:0015:00胞间 CO2浓度/mol/mol（a）初期时间0 mg/kg50 mg/kg8006505003502008:0012:0010:0014:009:0013:0011:0015:00胞间 CO2浓度/mol/mol（b）后期图 6 不同胁迫时期胞间 CO2浓度日变化曲线2.2.4 蒸腾速率（Tr）日变化如图 7 所示，Tr 的最大值出现的时间与 Gs 最大值出现的时间相似，胁迫初期蒸腾速率峰值出现在9:00，且实验组峰值低于 CK 组。胁迫初期 CK 组的Tr 日均值为 0.57 mmol/（m2s）,实验组 Tr 日均值为 0.35 mmol/（m2s），较 CK 组下降了 38.6%。胁迫后期 CK 组 Tr 日均值为 0.4 mmol/（m2s），实验组 Tr 日均值为 0.3 mmol/（m2s），较 CK 组下降了25.0%。在整个胁迫周期中，实验组降香黄檀幼苗 Tr值基本上均小于 CK 组，且后期下降较前期少。3 讨论与结论Mn 是植物生长必需的微量元素之一，缺少或者过量都会影响植物的正常生长。本实验对降香黄檀幼苗在重度 Mn2+胁迫下的光合生理日变化进行分析，结果发现受重度 Mn2+胁迫的降香黄檀幼苗的日蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、净光合速率（Pn）较 CK均有所下降，胞间 CO2浓度（Ci）相反，较 CK 有所上升。Mn2+与植物的光合作用关系密切，受重度 Mn2+胁迫的降香黄檀幼苗 Pn 较 CK 明显下降，这可能与降香黄檀幼苗叶片中叶绿素含量下降有关11。降香黄檀幼苗光合过程同时受到诸多生理因子和环境因子的调控，PAR 是环境因子中主要的影响因素，随着PAR 的变化，RH 和 Ca 受到影响。在外界环境因子的影响下，Ci、Gs、Tr 等光合生理指标发生变化，最终引起 Pn 的变化。Gs、Tr 在胁迫初期，较 CK 分别下降了 40.1%、38.6%，随着胁迫时间的增加，幼苗表现出了对重度Mn2+的适应性；在胁迫后期，Gs、Tr 较 CK 分别下降了 25.4%和 25.0%。Ci 的变化趋势则相反，Ci 较 CK数值有所增加，由胁迫初期上升 0.4%到胁迫后期上升 10.8%，表明重度 Mn2+胁迫对降香黄檀幼苗的光合作用造成一定抑制。受重度 Mn2+胁迫的降香黄檀幼时间0 mg/kg50 mg/kg1.201.000.800.600.400.2008:0012:0010:0014:009:0013:0011:0015:00蒸腾速率/mmol/（m2s）（a）初期时间0 mg/kg50 mg/kg1.201.000.800.600.400.2008:0012:0010:0014:009:0013:0011:0015:00蒸腾速率/mmol/（m2s）（b）后期图 7 不同胁迫时期蒸腾速率日变化曲线16生物化工2023 年苗 Pn 日峰值同样低于 CK，在胁迫初期，CK 的 Pn 日峰值为 0.86 mol/（m2s），到 12:00 时接近于零，实验组的 Pn 日峰值为 0.42 mol/（m2s）；胁迫后期，CK 的 Pn 日峰值为 0.62 mol/（m2s），实验组的为 0.25 mol/（m2s），两个时期的实验组 Pn 值基本都小于 CK 组，说明重度 Mn2+胁迫对降香黄檀幼苗的 Pn 有明显抑制作用。综上，重度锰胁迫下降香黄檀幼苗在两个不同的时期光响应表现出明显差异。环境因子 PAR 和生理因子Ci日均值在两个时期均表现为实验组高于CK组。而 Gs 和 Tr 日均值则体现出两个时期均是实验组低于 CK 组。Pn 对重度 Mn2+胁迫则较敏感。以上结果说明，重度锰胁迫对降香黄檀幼苗的光响应具有重要影响。参考文献1 江行玉,赵可夫.植物重金属伤害及其抗性机理 J.应用与环境生物学报,2001(1):92-99.2 陈远其,陈章,李志贤,等.锰污染土壤修复研究现状与展望 J.生态环境学报,2017,26(8):1451-1456.3 王仁杰,朱凡,梁惠子,等.重金属 Mn 对苦楝叶片光系统性能的影响 J.生态学报,2020,40(6):2019-2027.4 汪结明,王良桂,韩改改.4 种藤本植物对锰污染土壤的耐受性及其生理响应 J.西北植物学报,2015,35(8):1604-1611.5 王洋,叶攀骅,刘可慧,等.锰污染土壤对超富集植物木荷生长及生理的影响 J.生态毒理学报,2015,10(4):244-250.6 曾琦,耿明建,张志江,等.锰毒害对油菜苗期 Mn、Ca、Fe 含量及POD、CAT活性的影响J.华中农业大学学报,2004(3):300-303.7 杨红兰,冯守富,尹永昌,等.锰胁迫对降香黄檀幼苗期生理特性的影响 J.南方农业,2020,14(27):149-151.8 蔡道雄,卢立华.珍贵树种降香黄檀 J.广西林业,2004(6):39.9 杨红兰,梁士楚,黄雅丽,等.桂林岩溶石山光蜡树响应曲线的研究 J.安徽农业科学,2012,40(34):16505-16506.10 王丹媚,杨姣,黄华锋,等.锰胁迫对虎舌红生理生化的影响 J.贵州农业科学,2018,46(4):34-38.11 孙菲菲,曾小飚,梁敏玲,等.不同浓度锰胁迫对向日葵幼苗叶片生理生化特性的影响 J.广西科学院学报,2021,37(1):8-12.营养生长到生殖生长的转换等过程。QIU 等2运用生物信息学方法在陆地棉中首次预测到 Gh-miR156的靶基因是SPL转录因子。直至2012年，WANG等3使用 Solexa 高通量测序首次在基因组水平上鉴定到Gh-miR156，并证实了 Gh-miR156 的一个靶基因是SPL9 转录因子，且在陆地棉早期阶段抑制纤维发育。XUE 等4在伸长期的棉纤维中发现，Gh-miR156 通过介导其靶基因 SPL9 mRNA 的剪切，负调控花青素合成相关基因的转录，从而导致纤维细胞中花青素的合成降低，促进过氧化氢的迸发，使纤维细胞终止伸长、转入次生壁合成增厚期的发育。有趣的是，LIU 等5在海岛棉中发现，抑制 miR156 的功能将导致成熟纤维的长度缩短，表明 miR156 可以促进纤维伸长。本研究对陆地棉中 17 个 Gh-miR156 家族成员进行了生物信息学分析，并预测了靶基因，为后续通过实验方法验证 Gh-miR156 家族成员在陆地棉生长发育中的调控功能提供了理论基础。参考文献1 DARIO M,GRIFFITHS-JONES S,KIM M.Small RNAs:big impact on plant developmentJ.Trends Plant Sci,2017,22(12):1056-1068.2 QIU C X,XIE F L,ZHU Y Y,et al.Computational identification of microRNAs and their targets in Gossypium hirsutum expressed sequence tagsJ.Gene,2007,395(1/2):49-61.3 WANG Z M,XUE W,DONG C J,et al.A comparative miRNAome analysis reveals seven fiber initiation-related and 36 novel miRNAs in developing cotton ovulesJ.Mol Plant,2012,5(4):889-900.4 XUE W,WANG Z M,DU M J,et al.Genome-wide analysis of small RNAs reveals eight fiber elongation-related and 257 novel microRNAs in elongating cotton fiber cellsJ.BMC Genomics,2013,14:629.5 LIU N,TU L L,TANG W X,et al.Small RNA and degradome profiling reveals a role for miRNAs and their targets in the developing fibers of Gossypium barbadenseJ.Plant J,2014,80:331-344.（上接第 10 页）