不同桑树品种幼苗对镉的耐受性

陈 露，张 芳，罗泽虎，孙运鹏，韩世玉，吴康云，王晓红

(贵州省农业科学院 蚕业研究所, 贵州 贵阳 550025)

0 引言

【研究意义】近年来，由于我国工农业及采矿业的不断发展，导致环境污染问题越来越严重。目前，我国的土壤镉污染面积已达20万km2，并有不断扩大的趋势[1-2]。当镉含量达到植物所能承受的阈值时，植物会表现出植株生长缓慢、生物量下降等镉中毒现象，同时各生理指标的变化也会受到不同程度的影响[3-5]。存在于无机环境中的镉通常会被植物吸收，从而随食物链流动转移到动物和人体中，对人体健康造成威胁[6-7]，因此，筛选对镉有较强耐受性的植物，对减少无机环境中的镉含量及降低镉在食物链中的流动具有重要意义。【前人研究进展】相关研究表明，桑树植株对重金属镉具有一定的富集和耐受作用[8-11]，可吸收土壤中的部分重金属镉，从而缓解镉污染。不同植物及品种间的耐镉性存在较大差异，这一现象在水稻[12]、番茄[13]、芹菜[14]等多种植物上已得到证实。在镉污染土壤中种植耐镉性强的经济植物，不仅可以充分有效地利用污染土地，而且还能获得经济效益，达到双赢的目的。【研究切入点】桑树(Morusalba.L)是桑科(Moraceae)桑属(Morus)多年生落叶木本植物，适应性强、生物量大，是我国重要的经济树种。桑树对镉有较强的耐受性，但耐受性因品种不同而异。【拟解决的关键问题】以9个桑树品种的实生幼苗为试验材料，比较其在镉胁迫下的生长情况，以期筛选出耐镉性强的桑树品种，为镉污染土地的种植植物筛选提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

桑树实生幼苗：共9个品种，分别为桑特优2号、桂桑优62号、粤桑11号、粤桑51号、蛋白桑、69851、桂桑优12号、桂桑5号和桂桑6号，种子来源于广西蚕业推广总站，经同一条件下进行播种，统一管理培育。

供试土壤：贵州省农业科学院蚕业研究所桑园基地的园土与营养土按1∶1均匀混合，过筛。其基本理化性质为pH 6.81、有机质157.61 g/kg、全氮7.42 g/kg、全磷0.525 g/kg、全钾19.41 g/kg、碱解氮412 mg/kg、有效磷372.8 mg/kg、速效钾4 842 mg/kg，总镉0.82 mg/kg。

1.2 试验设计

采用温室大棚盆栽试验，栽植盆高25 cm，口径23 cm，每盆放置2 kg混合土。试验用桑树幼苗长势均匀一致，每盆种桑苗2株，缓苗2周后进行镉处理。用CdCl2·2.5 H2O(分析纯)配制镉浓度分别为0 mg/kg、5 mg/kg、50 mg/kg、150 mg/kg、300 mg/kg和500 mg/kg溶液，每个浓度为1个处理，重复6次。试验期间视土壤状况进行统一浇水和除草等管理。

镉胁迫处理60 d后，每个处理随机选取3盆测定株高和生物量(烘干至恒重)，另3盆用于测定叶片(植株从上往下第3～6片成熟叶)生理生化指标。所有取样和测定于当天完成。

1.3 测定指标

1.3.1 幼苗生长指标 株高为植株基部到顶端生长点的高度，相对株高为镉胁迫处理组株高与对照的百分比，生物量为植株烘干至恒重后的整株质量，相对生物量为镉胁迫处理与对照组的生物量百分比。

1.3.2 幼苗叶片生理生化指标 包括SOD、POD、CAT、MDA、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量和可溶性糖含量，采用苏州科铭生物技术有限公司相应的试剂盒进行测定，操作步骤参照其试剂盒说明书。

1.4 数据处理

采用Excel 2007对试验数据进行整理，用SPSS 20.0对数据进行分析，采用聚类分析的方法利用桑树耐镉性综合值对其进行聚类分析。

1.4.1 单项指标耐镉性系数 耐镉性强弱受多因素影响，并且生长指标和生理指标因品种不同而差异较大，单凭指标变化判断耐镉性强弱具有一定的局限性。因此，采用石永红等[15-16]的评价方法对桑树的耐镉性进行评价。

耐镉性系数=镉胁迫下某一指标的测定值/对照值。

1.4.2 各指标的权重 利用以下公式对某一指标的权重进行计算[16]。

式中，Vj为各指标的标准差系数，Xij为第i个品种的第j个指标，Xj为第j个指标的平均值；i=1，2，3，…，n；j=1，2，3，…，m；Wj为各指标的权重指数，表示第j个指标在所有指标中的重要程度[17]。

1.4.3 隶属函数值 指标变化与镉浓度之间的关系有2种情况：

正相关：μ(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)，i=1，2，3，…，n

负相关：μ(Xi)=(Xmax-Xi)/(Xmax-Xmin)，i=1，2，3，…，n

式中，Xi为第i个综合指标，Xmin为第i个综合指标的最小值，Xmax为第i个综合指标的最大值。

1.4.4 耐镉性综合值 利用以下公式进行耐镉性综合值(D)计算。

式中，μ(Xj)表示第j个指标的隶属函数平均值，Wj为各指标的权重指数。

2 结果与分析

2.1 不同桑树品种幼苗对镉胁迫的响应与镉胁迫阈值的确定

从表1看出，随着土壤镉浓度的增加，株高和生物量桂桑5号和粤桑11号呈下降趋势，其他桑树品种呈先增后降趋势。5 mg/kg镉胁迫下，69851和桂桑优62号的株高和生物量达最大值；50 mg/kg镉胁迫下，粤桑51号、桂桑优12号和桑特优2号的株高和生物量达最大值；150 mg/kg镉胁迫下，桂桑6号和蛋白桑的株高和生物量达最大值。株高除桂桑6号的150 mg/kg镉胁迫处理显著高于对照外，其余桑树品种不同浓度的镉胁迫处理与对照间差异均不显著。当镉浓度为设定的最大值(500 mg/kg)时，除粤桑11号外，其余品种株高增量均明显下降。不同浓度的镉胁迫处理下，9个品种桑树生物量与对照间差异不显著或显著低于对照。说明，不同桑树品种的耐镉性有一定的差异。某一最低镉浓度下，至少有1个桑树品种的株高和生物量均下降10%，此镉浓度即为桑树镉胁迫阈值[18]，根据此结论，在镉浓度为5 mg/kg时，粤桑11号株高和生物量分别下降11.47%和10.17%，因此，在5 mg/kg的镉浓度下进一步分析不同品种桑树的生理生化指标，探究桑树耐镉性的强弱。

表1 镉胁迫下不同桑树品种幼苗的株高及生物量Table 1 Plant height and biomass of different mulberry seedlings under Cd stress

2.2 镉胁迫下桑树叶片的生理指标

从图1看出，在镉浓度为5 mg/kg胁迫下，桑树在镉胁迫下各生理指标受到不同程度的影响，整体上，与对照相比，除MDA和脯氨酸外，镉胁迫下其余指标均受到抑制。可溶性蛋白含量：除桂桑优12号和桂桑优62号较对照稍增加外，其余7个品种较对照均下降，其中桂桑5号、桂桑6号、蛋白桑、69851分别较对照显著下降。可溶性糖含量：除69851较对照相差不大外，其余7个品种较对照均有所下降，其中桂桑5号较对照下降22%。CAT活性：桂桑5号、粤桑51号和69851较对照增加，其中桂桑5号较对照显著增加；其余品种均较对照低。MDA含量：各品种较对照均增加，以桑特优2号增加最多。脯氨酸含量：除桂桑6号和蛋白桑比对照稍有下降外，其余品种均上升，其中粤桑11号和桂桑62号显著上升。POD活性：与对照相比，蛋白桑稍增加，桂桑优12号、粤桑11号和桂桑62号均显著增加，其余品种均低于对照。SOD活性：蛋白桑和粤桑51号较对照均显著增加，桂桑优12号和桂桑优62号略增加，其余品种均下降。

图1 镉胁迫处理下不同桑树幼苗叶片的生理指标Fig.1 Physiological indexes of different mulberry seedling leaves under Cd stress

2.3 不同桑树品种的耐镉性

2.3.1 耐镉性系数 由于植株的生长受多方因素的影响，而且植物自身也存在遗传差异性[19]。因此以镉浓度为5 mg/kg为处理，结合隶属函数综合评价的方法探究桑树的耐镉性。从表2看出，每个指标在每个品种上的表现均有差异。如株高耐镉性系数桂桑5号、桂桑优12号和粤桑11号较低，其余品种均较高，给耐镉性评价带来一定难度。因此，从整体上看某指标的变化，若在该处理下较对照增加的品种居多，即按照正隶属函数方程对其进行计算；若在该处理下较对照下降的品种居多，则按照负隶属函数方程进行计算。

表2 镉胁迫下不同桑树品种幼苗各单项指标耐镉性系数Table 2 Cadmium tolerance coefficient in single index of different mulberry seedlings under Cd stress

2.3.2 耐镉性综合值 由表3可知，POD活性的权重最高，为0.23，说明POD活性变化对耐镉性强弱的影响较大；其次是MDA含量和可溶性蛋白含量，分别为0.15和0.13；权重最小的是株高，仅0.05。说明，生理指标对桑树耐镉性的影响较大，评价体系较侧重于生理指标。耐镉性综合值以桑特优2号最高，为0.80，其耐镉性最强；其次是桂桑5号和桂桑6号，均为0.58；桂桑优12号最小，仅0.37，其耐镉性最弱。整体上，不同品种桑树的耐镉性为桑特优2号> 桂桑5号=桂桑6号>6985>粤桑11号 >粤桑51号>蛋白桑>桂桑优62号>桂桑优12号。

表3 不同桑树品种的隶属函数值、指标权重及耐镉性综合值Table 4 Membership function values, index weights and comprehensive value of Cd tolerance of different mulberry cultivars

2.4 不同桑树品种幼苗的耐镉性聚类

从图2看出，9个桑树品种聚类为3类。强耐镉型品种为桑特优2号；中等耐镉型品种为桂桑5号、桂桑6号、69851和粤桑11号；敏感型品种为粤桑51号、蛋白桑、桂桑优12号和桂桑优62号。

图2 不同桑树品种的耐镉性聚类Fig.2 Cluster for Cd tolerance of different mulberry cultivars

3 讨论

有研究表明，重金属镉会破坏植物细胞中某些重要细胞器，从而导致相应的功能丧失[20]，例如当线粒体和叶绿体的结构遭到破坏，就会影响植物进行呼吸作用和光合作用，从而导致植物生长受影响，表现出不同的镉中毒现象。研究通过对不同浓度镉胁迫下桑树幼苗株高和生物量测定发现，随着镉处理浓度的不断增加，桑树株高和生物量的变化差异不大，原因可能是试验时间较短，由于桑树是木本植物，较草本植物抗性较强，并且其生长周期长，短时间内植株体内积累的镉含量不能较严重地抑制桑树生长，这与陈依[21]的研究结果相似。

粤桑11号在5 mg/kg处理时株高和生物量均较对照下降10%以上，从而确定桑树的耐镉阈值为5 mg/kg，并在此浓度下测定9个品种桑树的生理指标的变化情况。镉胁迫会导致植物体内的代谢过程紊乱，在低浓度镉胁迫下，植物体启动一系列保护机制，增强自身的抗性，但当镉浓度达一定浓度时，植物的保护系统遭到破坏，抗性减弱。在5 mg/kg的镉浓度处理下，9个桑树品种各指标的变化表现为无规律性，若仅仅根据其中某一指标的变化判断其耐镉性强弱，所得结果可能与实际结果存在较大误差[22]。因此，利用生长指标和生理指标的多指标综合评价方法对桑树的耐镉性进行评价，在一定程度上消除了单一指标的片面性[23-24]，综合多个指标来反映桑树的耐镉性，所得结果更可信。桑树叶片POD活性的强弱对桑树耐镉性影响最大，说明POD活性是检测桑树耐镉性强弱最重要的指标，同时生理指标的权重均大于生长指标，说明该评价体系侧重于桑树生理指标的评价。

隶属函数综合评价植物抗性的方法已经屡见不鲜[25-26]，无论是草本植物还是木本植物上都得到很好的运用，并且针对多个品种的植物而言，还可以采用系统聚类分析的方法对所研究的植物进行聚类分析[27-28]。

4 结论

通过隶属函数综合评价和系统聚类分析，对9个品种桑树的9个指标进行综合评价，将9个桑树品种分为强耐镉型(桑特优2号)、中等耐镉型(桂桑5号、桂桑6号、69851和粤桑11号)和敏感(粤桑51号、蛋白桑、桂桑优12号和桂桑优62号)3种不同的耐镉类型。