摘 要：为研究苎麻品种中苎3号、中苎4号的耐镉性，试验以湖南地区主栽品种中苎1号为对照，分析了3个苎麻品种水培扦插苗在0、10、30、80、150mg/L镉胁迫下的生物量、叶片SPAD值、叶片光合参数及抗氧化酶活力等指标，并使用隶属函数方法对苎麻耐镉性进行了综合评价。结果表明：镉胁迫处理显著降低了苎麻生物量，低浓度镉处理可显著促进叶片叶绿素的合成，低浓度镉胁迫对苎麻叶片蒸腾速率、胞间二氧化碳浓度、气孔导度有显著促进作用。苎麻叶片SOD酶活力随着镉浓度的增加而显著升高，而POD及CAT酶活力随着镉浓度的增加而降低。3个苎麻品种耐镉性强弱关系依次为中苎1号＞中苎3号＞中苎4号。
关键词：苎麻；镉胁迫；扦插水培；生理生化特征
重金属镉(Cd)是植物生长的非必需元素，是生物毒性最强的重金属之一。土壤中Cd通过地上部植物经食物链不断地在人体内富集，易引起慢性中毒，对人体健康造成危害［1］。土壤中重金属Cd的主要来源为矿物自然风化和人类工业活动，工业采矿冶金在生产中将含Cd污水排入土壤造成重金属污染，不正当地使用磷肥和微量元素肥料也会造成农田Cd污染［2］。Cd以水溶态、交换态、碳酸盐结合态、有机结合态、残留态等形式存在于土壤中［3］。土壤改良剂、淋洗剂洗脱法、生物修复技术等方法先后应用于重金属镉污染的修复研究中［4－5］。随着绿色可持续发展观的提出，人们越来越关注土壤重金属污染的生物修复技术。
苎麻(BoehmerianiveaL.)生物量较Cd超富集植物大，且为多年生植物，对重金属有较强的忍耐力和吸收能力，在植物修复Cd污染土壤的应用中有很大发展潜力［6］。但在对Cd污染的研究中发现，苎麻对Cd的敏感度以及忍耐阈值存在较大分歧［7］。另外苎麻品种间的差异对根系吸收的重金属在植株中的分配产生影响，Cd在苎麻各器官中的积累也存在差异［8］。因此明确Cd耐性强且对Cd有较强富集能力的苎麻品种至关重要。本试验选用不同苎麻品种中苎1号、中苎3号以及中苎4号，探究其在不同Cd浓度梯度下的响应特征，明确3个品种耐Cd性差异，旨在为苎麻应用于重金属修复提供理论支持。
1材料与方法
1.1试验材料
试验所用的中苎1号、中苎3号［9］、中苎4号是中国农业科学院麻类研究所选育的苎麻品种，其中，中苎1号是湖南地区主栽品种，中苎3号、中苎4号是近年来选育而成的品种。试验所用材料取自国家种质长沙苎麻圃，选取同一时期长势一致的嫩梢进行水培扦插。
1.2试验方法
1.2.1苎麻嫩梢水培扦插与镉胁迫处理
扦插苗制备参考李玉兰［10］的方法：试验前先去除所选种质苎麻苗主茎，待侧枝长到10～15cm后选取生长旺盛且长势一致的嫩梢苎麻苗，使用刀片削除末端，使每株长大约为10cm，剔除老叶，保留顶端2～3片展开叶，浸入500倍百菌灵消毒液中消毒30s。处理好的侧枝扦插于装有自来水的卡莲(Karen)水培仪中培养，每盆装12L水，每盆15株。扦插苗培养15d后去除长势不好的幼苗，留10株长势一致的幼苗在盆中。加入CdCl2溶液，使镉浓度分别为0、10、30、80、150mg/L。继续培养，记录苎麻生长状况。
1.2.2叶片SPAD值测定
镉处理15d后采用SPAD－502型叶绿素仪测定叶片SPAD值，取底端最后一片叶远离叶脉两端5～7个点进行测定，每个镉浓度处理下测3株，取平均值。
1.2.3光合参数测定
镉处理10d后采用CI－340便携式光合仪［11］测定叶片光合特征，统一选择植株底端最后一片叶测定光合参数，每个处理测3株，取平均值。测定时选择手动测量，利用外界光源进行测定，光照强度在400～800μmol/m2/s。
1.2.4酶活力测定
镉处理10d后取叶片顶端向下第三片新鲜叶片，装入液氮中带回实验室测定超氧化物歧化酶(superoxidedismutase，SOD)、过氧化物酶(peroxidase，POD)、过氧化氢酶(catalase，CAT)。3种酶活测定时均统一取研磨成粉末状的0.2g新鲜叶片进行测定，不同品种以及不同镉浓度处理叶片均设置两个重复，结果取平均值。酶活采用南京建成生物公司试剂盒测定。
1.2.5苎麻生物量测定
镉处理25d后收获苎麻整株，先用去离子水浸泡根部15min，去除附着在根系表面的Cd2+以及各种杂物，然后将根、茎、叶分装于袋中置于烘箱，105℃杀青30min，75℃烘干至恒重，称干重。
1.3数据处理与分析
数据统计与绘图使用Excel 2019，采用IBM SPSS statistics 25进行单因素方差分析(one－way，ANOVA)。p＜0.05为显著水平。使用SPSS完成主成分分析，并利用隶属函数值对3个苎麻品种的耐镉性进行综合评价［12－13］，计算公式如下：
式中：Xj表示第j个公因子的得分值；Xmin为第j个因子得分的最小值；Xmax为第j个因子得分的最大值。
式中：Wj表示第j个公因子在所有公因子中的重要程度；Pj为各品种第j个公因子的贡献率。
式中：Di表示苎麻在镉处理条件下用综合指标所得的耐镉综合评价值；k为样本个数。
2结果与分析
2.1不同浓度镉胁迫下苎麻生物量变化特征
由表1可知，中苎1号、中苎3号以及中苎4号各个镉浓度处理组鲜重和干重均显著低于对照。苎麻生物量总体变化趋势为随着镉浓度的增加而逐渐降低。随着镉浓度的增加，不同品种苎麻受到影响程度不同，具体表现为生物量的下降程度不同：与对照相比，10mg/L镉处理，中苎1号鲜重下降了13.58%，中苎3号鲜重下降了58.53%，中苎4号鲜重下降了39.70%。随着镉浓度的增加，苎麻生物量下降程度表现为中苎3号＞中苎4号＞中苎1号。
表1 不同镉浓度处理对苎麻生物量的影响
注：同列不同字母代表差异显著(p＜0.05) 。
2.2不同镉浓度胁迫下叶片SPAD值变化特征
由图1可知，苎麻叶片SPAD值随着镉浓度的增加先升高后降低，与对照相比，低镉浓度(10mg/L)显著促进中苎1号叶片叶绿素的合成，而80mg/L镉浓度处理显著增加中苎3号叶片SPAD值。不同镉浓度处理下，中苎4号叶片SPAD值差异不显著。低浓度镉处理可以显著提高叶片叶绿素含量，高浓度镉处理对苎麻叶片SPAD值的抑制作用并不明显。与中苎1号相比，中苎3号以及中苎4号叶片的SPAD值分别下降了7.54%和2.04%。
图1 不同镉浓度处理对苎麻叶片SPAD值的影响
2.3不同镉浓度胁迫下叶片光合特征
2.3.1净光合速率
由图2可知，与对照相比，不同镉浓度处理对中苎1号和中苎4号叶片净光合速率并无显著性影响，对中苎3号影响较大，随着镉浓度的增加中苎3号叶片净光合速率显著降低，与对照相比，10、30、80、150mg/L镉浓度处理叶片净光合速率分别下降了38.76%、44.50%、76.08%、75.12%。中苎4号和中苎1号叶片净光合速率随着镉浓度的增加先增加后降低，可以看出低浓度镉处理对叶片净光合速率有一定的促进作用。与中苎1号相比，中苎3号叶片净光合速率更强，而中苎4号叶片净光合速率低于中苎1号。
图2 不同镉浓度处理对苎麻叶片净光合速率的影响
2.3.蒸腾速率
由图3可知，低浓度镉处理(30mg/L、10mg/L)分别对中苎1号和中苎3号叶片蒸腾速率有明显促进作用，30mg/L镉处理显著促进中苎1号叶片蒸腾速率。中苎4号叶片蒸腾速率随着镉浓度的增加而降低，但其下降程度并不显著，3个苎麻品种蒸腾速率均值为中苎4号＞中苎3号＞中苎1号。
图3 不同镉处理对苎麻叶片蒸腾速的影响
2.3.3叶片胞间二氧化碳浓度
由图4可知，随着镉浓度的增加，中苎1号叶片胞间二氧化碳浓度有所增加，0、10、30mg/L镉处理叶片胞间二氧化碳浓度显著(p＜0.05)高于对照。中苎3号叶片胞间二氧化碳浓度随着镉浓度的增加而增加，其中150mg/L镉处理显著(p＜0.05)高于对照，其余处理均高于对照但未达到显著水平。中苎4号叶片胞间二氧化碳浓度总体变化趋势是随着镉浓度的增加而降低。3个苎麻品种胞间二氧化碳浓度均值为中苎1号＞中苎4号＞中苎3号。
图4 不同镉浓度处理对苎麻叶片胞间二氧化碳浓度的影响
2.3.4叶片气孔导度
由图5可知，中苎1号和中苎4号苎麻叶片气孔导度随着镉浓度的增加而先增加后降低，中苎3号叶片气孔导度随着镉浓度的增加而逐渐降低。其中，低浓度镉处理(10、30mg/L)中苎1号和中苎4号叶片气孔导度高于对照但未达到显著水平，而中苎1号叶片在80、150mg/L镉处理下，其气孔导度均显著(p＜0.05)低于对照。10、30、80、150mg/L镉处理显著(p＜0.05)降低了中苎3号叶片气孔的开放程度，说明镉处理抑制了中苎3号叶片气孔的开放。叶片气孔导度均值为中苎4号＞中苎3号＞中苎1号。
图5 不同镉浓度对苎麻叶片气孔导度的影响
2.4不同镉浓度胁迫下叶片抗氧化酶差异
2.4.1叶片SOD
由图6可知，3种苎麻叶片SOD活力随着镉浓度的增加而逐渐增强。不同镉浓度处理下，中苎3号和中苎4号叶片SOD活力均显著(p＜0.01)高于对照。中苎1号中只有150mg/L镉处理下SOD活力显著(p＜0.01)高于对照，其余各处理与对照相比均不显著。与对照相比，3个苎麻品种中中苎1号SOD活力最高，其次是中苎3号，最后是中苎4号。
图6 不同镉浓度处理对苎麻叶片SOD活力的影响
2.4.2叶片POD
由图7可知，中苎1号叶片POD活力随着镉浓度的增加而增加，各处理均显著(p＜0.05)高于对照。低浓度镉处理(10mg/L)促进中苎3号叶片POD活力但未达到显著水平，在中苎3号中150、80mg/L镉浓度处理的叶片POD活力显著(p＜0.05)低于对照。中苎4号叶片POD活力总体变化趋势为先降低后增加：10、30mg/L镉浓度处理显著(p＜0.05)低于对照，而80mg/L镉处理叶片POD活力显著(p＜0.05)高对照。3个苎麻品种POD活力均值中苎1号＞中苎4号＞中苎3号。
图7 不同镉浓度处理对苎麻叶片POD活力的影响
2.4.3叶片CAT
由图8可知，中苎1号叶片CAT活力随着镉浓度的增加而增加，其中低镉浓度处理(10、30mg/L)与对照相比差异并不显著，而80、150mg/L镉处理的叶片CAT活力均显著(p＜0.01)高于对照。中苎3号和中苎4号叶片CAT活力总体呈现先升高后降低的趋势，150mg/L镉处理叶片CAT活力均显著(p＜0.05)低于对照。中苎4号叶片CAT活力随着镉浓度的改变变化较大，10、30、80mg/L镉处理叶片CAT活力显著(p＜0.05)高于对照，而150mg/L镉处理叶片CAT活力显著(p＜0.05)低于对照。3个苎麻叶片CAT活力均值为中苎1号＞中苎3号＞中苎4号，与中苎1号相比，中苎3号以及中苎4号在镉胁迫条件下叶片CAT活力变化更为敏感。
图8 不同镉浓度处理对苎麻叶片 CAT 酶活力的影响
2.5隶属函数比较3个品种耐镉性能
各单项指标的耐镉系数α值用公式1进行计算，结果如表2所示，可以看出苎麻经镉处理后单项指标的变化幅度不同，中苎1号的单项指标净光合速率、气孔导度、POD、干重、鲜重较对照有所增加(α＞100%)，而SPAD值、蒸腾速率、SOD、CAT较对照有所下降(α＜100%)，因而用单项指标的耐镉系数来评价苎麻耐镉性具有片面性。
表2 各单项指标的耐镉系数α值
利用SPSS软件对3个苎麻品种10个单项指标进行主成分分析，从相关系数矩阵(表3)可以看出，各单项指标间存在一定的相关性，使得它们提供的信息发生重叠。同时各单项指标在苎麻耐镉性中所起的作用也不尽相同，所以利用此单项指标对苎麻耐镉性进行评价则不准确。
表3 各单项指标系数矩阵
对各单项指标进行主成分分析，提取了两个综合指标(表4)，其贡献率分别为62.1%、37.9%，累积贡献率达100%。将原来10个单项指标转换为两个新的相互独立的综合指标。根据各综合指标的系数(表4)以及各单项指标的耐镉系数(表2)求出每一个苎麻品种两个综合指标的得分值(表5)。
表4 各综合指标的系数及贡献率
表5 种苎麻综合指标的公因子得分值C(x)、隶属函数值U(x)、综合评价值D
由公式2求得所有因子的隶属函数值U(x)。根据两个综合指标的贡献率分别为62.1%、37.9%，由公式3求得综合指标的权重分别为0.621、0.379。再根据公式4求得综合评价值D(表5)。由表5可知，中苎1号D值最大，中苎3号其次，中苎4号D值最小。故3个苎麻品种耐镉性强弱关系依次为中苎1号＞中苎3号＞中苎4号。
3讨论
主成分分析法可有效避免单项指标在评价作物抗逆性时发生信息交叉与重叠的现象以及在确定权重时存在的客观性。综合评价值(D)是一个［0，1］闭区间上的纯数，使各品种间的耐镉性具有可比性。隶属函数法是对材料综合评价的方法，应用于作物抗逆性选择更具有科学性以及可靠性。对3种苎麻综合评价值(D值)的计算表明：在水培条件下，中苎1号的耐镉能力最强，中苎3号次之，中苎4号耐镉能力最弱。由于中苎3号和中苎4号苎麻品种是本团队近年选育的品种，尚未在重金属污染区进行大田试验，其大田的耐镉性还需要进一步研究。
苎麻作为生物量大的多年生作物，对重金属镉有较强的富集能力以及耐受性。研究［14］表明，不同苎麻品种对镉的耐受性存在差异。曹德菊等［6］通过对盆栽苎麻进行镉处理研究发现：低浓度(50～200mg/kg)的镉处理在一定程度上可以促进苎麻生长。而盆栽试验与水培试验存在较大差异，在本文水培试验研究中：较低镉浓度(10～30mg/L)处理并没有促进苎麻生长，在水培试验中不同浓度镉处理对苎麻生物量的影响还需进一步验证。在本试验中随着镉浓度的增加，苎麻生物量下降程度表现为中苎3号＞中苎4号＞中苎1号。从侧面表明中苎1号的耐镉性较中苎3号和中苎4号强。
在水培条件下研究镉胁迫对玉米的影响发现［15］：镉胁迫会降低叶片中叶绿素含量、破坏叶绿体结构，导致光合作用降低，进而抑制玉米幼苗的生长。而在本试验中，中苎1号叶片的净光合速率、蒸腾作用、细胞间二氧化碳浓度以及气孔导度均随着镉浓度的增加呈现先升高后降低的趋势。中苎3号叶片净光合速率随着镉浓度的增加显著降低，而低浓度镉处理显著增加了叶片的蒸腾速率以及叶片气孔导度，细胞间二氧化碳浓度也有所增加，但未达到显著水平。因此中苎3号叶片净光合速率下降的主要原因可能是叶片主要进行呼吸作用。不同浓度镉处理对中苎4号叶片净光合速率以及蒸腾速率影响不显著，叶片气孔导度随着镉浓度的增加显著降低。由此可见，苎麻光合特征对镉胁迫的响应存在品种差异，苎麻耐镉性与光合特征之间的关系尚需进一步探讨。因此，单凭光合特征这一指标不能充分评价苎麻品种的耐镉性。
SOD是植物在逆境胁迫下产生的一种重要抗氧化物质，主要通过歧化反应清除细胞中的自由基以及活性氧来对抗逆境胁迫［16］，一般情况下逆境胁迫条件下植物的SOD活力是升高的，与植物体内产生的活性氧相适应，抗性强的品种SOD活力比抗性弱的品种要高。POD是植物体内重要的保护酶之一，与植物的抗逆性有关［17］。CAT是植物抗氧化保护酶系统中的重要酶之一，研究发现，在重金属胁迫下表现为不同植物CAT活力升高和降低的程度不同［18］。本试验中，中苎1号叶片SOD、POD以及CAT活力总体变化趋势是随着镉浓度的增加而升高。中苎1号叶片SOD、POD以及CAT活力均较中苎3号以及中苎4号的高，由此也从侧面反映中苎1号的耐镉性最强，其次是中苎3号，中苎4号的耐镉性最差。
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文章摘自：牟攀,陈坤梅,朱爱国,陈平,高钢,王晓飞,冯新康,刘宁,邵德义,喻春明.镉胁迫下苎麻水培苗生理生化变化特征[J].中国麻业科学,2021,43(06)：294-302+344.
