鎘脅迫條件下硅對果蔗幼苗生長及鎘吸收的影響

王天順，陳 偉，楊玉霞，廖 潔，蔣翠文，蔣文艷，莫磊興*

鎘脅迫條件下硅對果蔗幼苗生長及鎘吸收的影響

王天順1，2，陳 偉1，2，楊玉霞1，2，廖 潔1，2，蔣翠文1，2，蔣文艷1，2，莫磊興1，2*

(1.廣西農業科學院農產品質量安全與檢測技術研究所，廣西南寧 530007;2.農業部甘蔗品質監督檢驗測試中心(南寧)，廣西南寧530007)

【目的】探究鎘(Cd)脅迫條件下硅(Si)對果蔗生長及Cd吸收的影響。【方法】采用砂培試驗的方法，以廣西普遍種植果蔗品種(Badila)為材料，研究不同Si施量(0、10、20和40 mg/L)對Cd脅迫條件下的果蔗生長指標及Cd吸收的影響。【結果】Cd脅迫條件下，與未施Si的對照處理相比，各施Si處理下果蔗鮮重、株高、根長等指標均有所增加，其中Si用量為20 mg/L處理的果蔗鮮重、株高和根長等指標均為最高，分別比對照處理增加78.74%、303.98%和85.11%。與未施Si相比，各施Si處理果蔗根莖葉Cd的含量均顯著降低，降幅達31.69%～61.24%。各施Si處理均可顯著增加Cd從根系向葉的轉運，轉運因子相比對照分別增加27.27%、72.73%和36.36%。【結論】Cd脅迫條件下，施Si可以促進果蔗幼苗的生長，降低果蔗根莖葉中鎘的含量，一定程度上緩解了鎘對果蔗的毒害作用。

鎘脅迫;硅;果蔗;幼苗生長

【研究意義】廣西是我國果蔗的主要產地，果蔗風味獨特，營養豐富，深受消費者喜愛[1]。近年來，長期、大量或不合理施用含Cd的農用化肥、使用塑料大棚和地膜，造成了重金屬Cd在土壤中的積累，致使農田土壤Cd污染問題日益嚴重[2]，這樣的土壤條件對果蔗生產和人類健康都存在潛在的威脅[3]，因此有必要對當前產地環境進行Cd污染防治調控。【研究進展】Si是土壤中最為常見的元素，盡管目前Si還沒有被認定為植物生長的必需元素，但是其在增強植物對生物脅迫和非生物脅迫的抵抗作用方面的效果已被大量的報道[4-5]。有關研究表明Si可以緩解Cd對植物的毒害作用[6-9]。【本研究切入點】結合研究基礎[10-11]，以施Si對果蔗Cd脅迫的作用機制為切入點，以果蔗品種Badila為材料設置水培試驗，研究梯度Si濃度對Cd脅迫下果蔗生物量、株高、根長和植株鎘含量的影響。【擬解決的關鍵問題】開展Cd脅迫條件下Si對果蔗生長和重金屬吸收的影響的研究，旨在闡明Si是否能緩解重金屬Cd對果蔗的毒害，以期為果蔗產地環境調控及Si肥在農業生產中的應用提供科學依據。

表1 營養液配方Table 1 Recipe of nutrient solution

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試果蔗品種為Badila，試驗用苗為組織培養果蔗幼苗，營養液采用改良的華南農業大學葉菜類配方配制，配方見表1。A液、B液溶質稱量后分別稀釋定容至1000 mL，C液溶質稱量后稀釋定容至1000 mL。然后把1000 mL A、B液依次加入25 L塑料桶中，每加入一種溶液后要充分搖勻，最后移取10 mL C液加入塑料桶中，搖勻加滿超純水即可。為了防止長時間貯存濃縮營養液產生沉淀，可加入H2SO4或HNO3至溶液pH5.5左右。處理所用的試劑均為分析純。

1.2 試驗方法

選取大小一致的果蔗幼苗，用超純水沖洗根部，移植于裝有洗凈的細砂塑料桶(直徑20 cm，高25 cm)中，每桶裝沙12 kg，每桶3棵果蔗幼苗。用營養液澆灌，營養液pH值保持在5.5左右，每隔3～5 d澆罐營養液0.5 L，培養2個月之后，用5個不同濃度梯度含Cd含Si營養液澆灌，每個濃度梯度4次重復。本試驗按Cd和Si不同濃度組合設以下處理:T0(0和0 mg/L)、T1(10和0 mg/L)、T2(10和10 mg/L)、T3(10和20 mg/L)、T4(10和40 mg/L)。以T0處理作為Cd空白對照，以T1處理作為Si空白對照，首次澆灌量為2 L，7 d后再澆灌2 L，之后每隔3～5 d澆罐營養液0.5 L，30 d后取樣分析。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 果蔗全株鮮重、根長、株高的測定 處理結束后除去細紗，整株取出果蔗，先用自來水把根部沖洗干凈，并將根部放在20 mmol/L的Na2-EDTA溶液中浸泡3 h以除去表面吸附的Cd2+，再用去離子水反復沖洗干凈，晾干水分后測量果蔗全株鮮重、根長、株高。

1.3.2 果蔗根莖葉中Cd含量的測定 將果蔗分為根、莖、葉3部分，105℃殺青30 min后，70℃烘箱中烘干至恒重，研磨樣品過0.5 mm篩后準確稱取磨碎的根、莖、葉各0.2000 g至微波消解罐中，加入3 mL H2O2和6 mL濃HNO3蓋緊進行微波消解，消解液轉移至100 mL容量瓶定容后再稀釋10～100倍，采用石墨爐原子吸收光譜儀測定溶液中Cd的含量。

1.4 數據處理及分析

Cd轉運因子(Translocation factor，TF)=受Cd部位w(Cd)/供Cd部位w(Cd)[12]。采用SPSS 18. 1軟件對數據進行差異性分析，采用Excel軟件進行統計處理。

2 結果與分析

2.1 鎘脅迫下硅對果蔗鮮重的影響

從表2可以看出，相比T0處理，T3處理的果蔗鮮重顯著增加(P＜0.05，下同)，增加幅度為37.03 %，其余處理差異均不顯著，其中T1處理因受Cd脅迫影響，相比降低23.34%，T2和T4處理相比增加14.54%和37.03%;與T1處理相比，各添加Si處理的果蔗鮮重均呈不同程度增加，其中T2和T3處理分別增加49.40%和78.74%，差異均達顯著水平，T4處理果蔗鮮重增加34.99%，但差異未達顯著水平。T3果蔗的鮮重最重，分別達T0和T1處理的1.37和1.79倍。因此，在一定濃度Cd脅迫下，不加Si果蔗鮮重明顯減輕，但在加Si處理后，果蔗鮮重均比對照有所增重，一定程度上緩解了Cd對果蔗生物量的影響。

表2 鎘脅迫下硅對果蔗鮮重的影響Table 2 The effects of Si on fresh weight of chewing cane under cadmium stress

2.2 鎘脅迫下硅對果蔗株高的影響

從表3可以看出，相比T0處理，T1處理的果蔗株高顯著降低，降低幅度為60.63%，T3處理的果蔗株高顯著增高，增高幅度為59.20%，其余處理差異均不顯著;與T1處理相比，各添加Si處理的果蔗株高均呈不同程度增加，其中T2、T3和T4處理分別增加175.95%，303.98%和153.11%，差異均達顯著水平。T3處理果蔗的株高最高，分別達T0和T1處理的1.59和4.03倍。因此，在一定濃度Cd脅迫下，不加Si果蔗株高明顯降低，但在加Si處理后，果蔗株高均比T1有所提升，一定程度上緩解了Cd對果蔗株高的負面影響。

2.3 鎘脅迫下硅對果蔗根長的影響

從表4可以看出，相比T0處理，T3處理的果蔗根長顯著增長，增長幅度為43.24%;T1處理因受Cd脅迫影響，相比減短22.62%，T2和T4處理相比減短3.92%和9.65%;與T1處理相比，各添加Si處理的果蔗根長均呈不同程度增長，其中T2和T4處理分別增長24.16%和16.76%，差異均未達顯著水平，T3處理果蔗根長增長85.11%，差異達顯著水平。T3果蔗的根長最長，分別達T0和T1處理的1.43和1.86倍。因此，在一定濃度Cd脅迫下，不加Si果蔗根長明顯減短，但在加Si處理后，果蔗根長比T1處理有所提升，一定程度上緩解了Cd對果蔗根長的負面影響。

表3 鎘脅迫下硅對果蔗株高的影響Table 3 The effects of Si on plant height of chewing cane under cadmium stress

表4 鎘脅迫下硅對果蔗根長的影響Table 4 The effects of Si on root length of chewing cane under cadmium stress

表5 鎘脅迫下硅對果蔗鎘含量及轉運的影響Table 5 The effects of Si on Cd content and Cd translocation factor of chewing cane under cadmium stress

2.4 鎘脅迫下硅對果蔗鎘含量及轉運的影響

伴隨著果蔗生長，果蔗從根部向上運輸Cd，使得果蔗地上部產生Cd積累。從表5可以看出，施Si處理后，果蔗地上各組織Cd含量顯著降低。比較地上部分各組織Cd含量，均以T4處理時，葉、莖含Cd量最低，由T1處理的5.27、18.90 mg/kg分別降低至3.14、7.34 mg/kg。比較根中Cd含量，T3處理根含Cd量最低，由T1處理時的50.03 mg/kg、降低至19.39 mg/kg。施Si和未施Si處理下果蔗各組織Cd含量差異顯著，與T1處理相比，各添加Si處理果蔗葉中Cd含量較T1分別減少37.38%、31.69 %和40.42%，各處理間差異不顯著;果蔗莖中Cd含量較T1分別減少53.02%、55.87%和61.16%，各處理間差異不顯著;果蔗根中Cd含量較T1分別減少52.21%、61.24%和56.75%，各處理間差異不顯著。因此，各添加Si處理在一定范圍內降低了果蔗體內Cd含量。

從表5可以看出，Cd脅迫下Cd從根部至莖葉的轉運中，T4處理時，莖部的Cd轉運系數降至最低值0.34，T3處理時，莖部的Cd轉運系數升至最大值0.43，莖部的Cd轉運系數在各施Si處理間及與T1間差異不顯著。葉部的Cd轉運系數隨著施Si量的增加而增加，轉運系數分別增加27.27%、72.73和36.36%，以T3處理最大。

3 討 論

本實驗結果發現，隨著環境中Cd含量的增加，果蔗組織中的Cd含量也逐漸增加，生物量明顯減少，Cd在果蔗組織中的積累順序為根＞莖＞葉，這與前人的研究結果一致[13-15]。

Si是土壤中最為普遍的元素，它可提高植物對重金屬毒害的耐受力[16]、提高農作物的產量和改善其品質等[17]。外源施加Si后對Cd毒害的緩解作用已經在很多植物中得到驗證，例如:在玉米和黃瓜[18-19]中外源施加Si都能增強其抗Cd毒害的能力。Shi XH[20]通過營養液培養水稻幼苗發現，Si減輕了Cd對水稻的毒害癥狀，促進了幼苗的生長，并發現加Si處理顯著減少了水稻地上部Cd的含量，而根部Cd的積累增加。趙穎等[21]研究發現Si不僅可以降低水稻對Cd的吸收，降低水稻Cd含量。在本試驗中，當經過Cd處理后，外源施加Si能顯著地增加果蔗的生物量，且顯著降低Cd在果蔗各組織的積累，不同Si濃度處理下果蔗根中Cd含量減少52.21%、61.24%和56.75%、莖中減少53.02 %、55.87%和61.16%、葉中減少37.38%、31.69 %和40.42%。所以，外源施加Si能顯著地增強果蔗幼苗對Cd毒害的抵抗作用。

研究表明，在一定的施Si水平條件下，施Si能抑制植物對重金屬Cd的吸收。劉朋等[22]進行的水培試驗表明，外源施加Si能顯著地緩解Cd對高粱地上部分和地下部分鮮重及干重的抑制作用。孫巖等[23]的盆栽試驗研究表明，外源添加Si對2種水稻根和莖葉的干物質重均有影響，莖葉的干物質重隨著Si含量的增大而增加;Cd含量為0.5 mg/kg時，隨Si含量的增加，根干物質量先增大后降低。也有研究表明，Si抑制低濃度Cd處理下Cd向地上部的遷移，但對高Cd處理，Si卻促進了Cd向小麥地上部的遷移[24]。楊超光等[25]研究表明，施Si可極顯著降低玉米根和莖葉中Cd的濃度，其中根中累積Cd的濃度遠大于莖葉。在Cd等量情況下，施Si極顯著降低了玉米根、莖、葉吸收Cd的絕對量及全株總吸收量。本研究表明，施Si能顯著降低果蔗地上部和根部的Cd濃度，從而緩解了Cd對果蔗幼苗的毒害作用。

4 結 論

本試驗結果表明，不同Si濃度對Cd脅迫下果蔗幼苗鮮重、根長、株高及其Cd含量均有一定的影響。從各施Si處理的數據可以看出，采取T3處理時，果蔗幼苗鮮重、根長、株高相較于T1處理均有一定幅度的增加，一定程度上緩解了Cd對果蔗生理生長影響。而且在Cd等量的情況下，施Si可極顯著降低果蔗根莖葉中含Cd量。

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(責任編輯 陳 格)

Effects of Silicon on Grow th and Cadm ium Uptake of Chew ing Cane Seedlings under Cadm ium Stress

WANG Tian-shun1，2，CHENWei1，2，YANG Yu-xia1，2，LIAO Jie1，2，JIANG Cui-wen1，2，JIANGWen-yan1，2，MO Lei-xing1，2*
(1.Research Institute of Agro-products Quality Safety and Testing Technology，Guangxi Academy of Agricultural Sciences，Guangxi Nanning 530007，China;2.Quality Supervision and Testing Center for Sugarcane，China Ministry of Agriculture，Guangxi Nanning530007，China)

【Objective】The experimental objective was to investigate the effects of silicon(Si)on chewing cane seedling growth and its uptake of cadmium(Cd)under Cd stress.【Method】Using sand culture experiments，a common cultivating chewing cane(Badila)in Guangxi was selected.Si(as Na2SiO3)was applied to sand at four levels of0，10，20 and 40 mg/L，and the effects of different Si treatmentswere studied on chewing cane seedling growth and its uptake of Cd under Cd stress.【Result】Fresh weight，plant height，root length of chewing cane increased with the application of Si.The heaviest fresh weight(188.48 g)，the highest plant height(23.35 cm)，the longest root length(23.75cm)of chewing cane were found at20 mg/kg silicon treatment，which was increased by 78.74%，303.98%and 85.11% compared with the control，respectively.The results also showed that Cd concentration in root，stem，and leaf of chewing cane decreased with the application of Si.The Cd concentration in root，stem，and leaf of chewing cane were decreased by 31.69%-61.24%at silicon treatment compared with the control T1，and itwas found that Siapplication increased Cd transportation from root to leaf.The transport factors of Cd from root to leaf increased by 27.27%，72.73%and 36.36%at Si treatment，respectively.【Conclusion】Under Cd stress，the application of Si could promote the growth of chewing cane seedlings and reduce the Cd content in root，stem and leaf of chewing cane.To a certain extent，the application of Si alleviated the toxicity of Cd to chewing cane.

Cadmium stress;Silicon;Chewing cane;Seedling growth

S566.1

A

1001-4829(2017)8-1899-05

10.16213/j.cnki.scjas.2017.8.035

2017-05-02

廣西農業科學院基本科研業務專項重點項目(桂農科2015YZ11);廣西基本科研業務專項團隊項目(2015YT92)

王天順(1980-)，男，河南項城人，碩士，助理研究員，主要從事農產品質量安全及產地環境研究，Email:wangts@ gxaas.net，*為通訊作者，Email:xcdike@163.com。