不同桑樹品種幼苗對鎘的耐受性

陳 露，張 芳，羅澤虎，孫運鵬，韓世玉，吳康云，王曉紅

(貴州省農業科學院 蠶業研究所, 貴州 貴陽 550025)

0 引言

【研究意義】近年來，由于我國工農業及采礦業的不斷發展，導致環境污染問題越來越嚴重。目前，我國的土壤鎘污染面積已達20萬km2，并有不斷擴大的趨勢[1-2]。當鎘含量達到植物所能承受的閾值時，植物會表現出植株生長緩慢、生物量下降等鎘中毒現象，同時各生理指標的變化也會受到不同程度的影響[3-5]。存在于無機環境中的鎘通常會被植物吸收，從而隨食物鏈流動轉移到動物和人體中，對人體健康造成威脅[6-7]，因此，篩選對鎘有較強耐受性的植物，對減少無機環境中的鎘含量及降低鎘在食物鏈中的流動具有重要意義。【前人研究進展】相關研究表明，桑樹植株對重金屬鎘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屬鎘，從而緩解鎘污染。不同植物及品種間的耐鎘性存在較大差異，這一現象在水稻[12]、番茄[13]、芹菜[14]等多種植物上已得到證實。在鎘污染土壤中種植耐鎘性強的經濟植物，不僅可以充分有效地利用污染土地，而且還能獲得經濟效益，達到雙贏的目的。【研究切入點】桑樹(Morusalba.L)是桑科(Moraceae)桑屬(Morus)多年生落葉木本植物，適應性強、生物量大，是我國重要的經濟樹種。桑樹對鎘有較強的耐受性，但耐受性因品種不同而異。【擬解決的關鍵問題】以9個桑樹品種的實生幼苗為試驗材料，比較其在鎘脅迫下的生長情況，以期篩選出耐鎘性強的桑樹品種，為鎘污染土地的種植植物篩選提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

桑樹實生幼苗：共9個品種，分別為桑特優2號、桂桑優62號、粵桑11號、粵桑51號、蛋白桑、69851、桂桑優12號、桂桑5號和桂桑6號，種子來源于廣西蠶業推廣總站，經同一條件下進行播種，統一管理培育。

供試土壤：貴州省農業科學院蠶業研究所桑園基地的園土與營養土按1∶1均勻混合，過篩。其基本理化性質為pH 6.81、有機質157.61 g/kg、全氮7.42 g/kg、全磷0.525 g/kg、全鉀19.41 g/kg、堿解氮412 mg/kg、有效磷372.8 mg/kg、速效鉀4 842 mg/kg，總鎘0.82 mg/kg。

1.2 試驗設計

采用溫室大棚盆栽試驗，栽植盆高25 cm，口徑23 cm，每盆放置2 kg混合土。試驗用桑樹幼苗長勢均勻一致，每盆種桑苗2株，緩苗2周后進行鎘處理。用CdCl2·2.5 H2O(分析純)配制鎘濃度分別為0 mg/kg、5 mg/kg、50 mg/kg、150 mg/kg、300 mg/kg和500 mg/kg溶液，每個濃度為1個處理，重復6次。試驗期間視土壤狀況進行統一澆水和除草等管理。

鎘脅迫處理60 d后，每個處理隨機選取3盆測定株高和生物量(烘干至恒重)，另3盆用于測定葉片(植株從上往下第3～6片成熟葉)生理生化指標。所有取樣和測定于當天完成。

1.3 測定指標

1.3.1 幼苗生長指標 株高為植株基部到頂端生長點的高度，相對株高為鎘脅迫處理組株高與對照的百分比，生物量為植株烘干至恒重后的整株質量，相對生物量為鎘脅迫處理與對照組的生物量百分比。

1.3.2 幼苗葉片生理生化指標 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，采用蘇州科銘生物技術有限公司相應的試劑盒進行測定，操作步驟參照其試劑盒說明書。

1.4 數據處理

采用Excel 2007對試驗數據進行整理，用SPSS 20.0對數據進行分析，采用聚類分析的方法利用桑樹耐鎘性綜合值對其進行聚類分析。

1.4.1 單項指標耐鎘性系數 耐鎘性強弱受多因素影響，并且生長指標和生理指標因品種不同而差異較大，單憑指標變化判斷耐鎘性強弱具有一定的局限性。因此，采用石永紅等[15-16]的評價方法對桑樹的耐鎘性進行評價。

耐鎘性系數=鎘脅迫下某一指標的測定值/對照值。

1.4.2 各指標的權重 利用以下公式對某一指標的權重進行計算[16]。

式中，Vj為各指標的標準差系數，Xij為第i個品種的第j個指標，Xj為第j個指標的平均值；i=1，2，3，…，n；j=1，2，3，…，m；Wj為各指標的權重指數，表示第j個指標在所有指標中的重要程度[17]。

1.4.3 隸屬函數值 指標變化與鎘濃度之間的關系有2種情況：

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

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

式中，Xi為第i個綜合指標，Xmin為第i個綜合指標的最小值，Xmax為第i個綜合指標的最大值。

1.4.4 耐鎘性綜合值 利用以下公式進行耐鎘性綜合值(D)計算。

式中，μ(Xj)表示第j個指標的隸屬函數平均值，Wj為各指標的權重指數。

2 結果與分析

2.1 不同桑樹品種幼苗對鎘脅迫的響應與鎘脅迫閾值的確定

從表1看出，隨著土壤鎘濃度的增加，株高和生物量桂桑5號和粵桑11號呈下降趨勢，其他桑樹品種呈先增后降趨勢。5 mg/kg鎘脅迫下，69851和桂桑優62號的株高和生物量達最大值；50 mg/kg鎘脅迫下，粵桑51號、桂桑優12號和桑特優2號的株高和生物量達最大值；150 mg/kg鎘脅迫下，桂桑6號和蛋白桑的株高和生物量達最大值。株高除桂桑6號的150 mg/kg鎘脅迫處理顯著高于對照外，其余桑樹品種不同濃度的鎘脅迫處理與對照間差異均不顯著。當鎘濃度為設定的最大值(500 mg/kg)時，除粵桑11號外，其余品種株高增量均明顯下降。不同濃度的鎘脅迫處理下，9個品種桑樹生物量與對照間差異不顯著或顯著低于對照。說明，不同桑樹品種的耐鎘性有一定的差異。某一最低鎘濃度下，至少有1個桑樹品種的株高和生物量均下降10%，此鎘濃度即為桑樹鎘脅迫閾值[18]，根據此結論，在鎘濃度為5 mg/kg時，粵桑11號株高和生物量分別下降11.47%和10.17%，因此，在5 mg/kg的鎘濃度下進一步分析不同品種桑樹的生理生化指標，探究桑樹耐鎘性的強弱。

表1 鎘脅迫下不同桑樹品種幼苗的株高及生物量Table 1 Plant height and biomass of different mulberry seedlings under Cd stress

2.2 鎘脅迫下桑樹葉片的生理指標

從圖1看出，在鎘濃度為5 mg/kg脅迫下，桑樹在鎘脅迫下各生理指標受到不同程度的影響，整體上，與對照相比，除MDA和脯氨酸外，鎘脅迫下其余指標均受到抑制。可溶性蛋白含量：除桂桑優12號和桂桑優62號較對照稍增加外，其余7個品種較對照均下降，其中桂桑5號、桂桑6號、蛋白桑、69851分別較對照顯著下降。可溶性糖含量：除69851較對照相差不大外，其余7個品種較對照均有所下降，其中桂桑5號較對照下降22%。CAT活性：桂桑5號、粵桑51號和69851較對照增加，其中桂桑5號較對照顯著增加；其余品種均較對照低。MDA含量：各品種較對照均增加，以桑特優2號增加最多。脯氨酸含量：除桂桑6號和蛋白桑比對照稍有下降外，其余品種均上升，其中粵桑11號和桂桑62號顯著上升。POD活性：與對照相比，蛋白桑稍增加，桂桑優12號、粵桑11號和桂桑62號均顯著增加，其余品種均低于對照。SOD活性：蛋白桑和粵桑51號較對照均顯著增加，桂桑優12號和桂桑優62號略增加，其余品種均下降。

圖1 鎘脅迫處理下不同桑樹幼苗葉片的生理指標Fig.1 Physiological indexes of different mulberry seedling leaves under Cd stress

2.3 不同桑樹品種的耐鎘性

2.3.1 耐鎘性系數 由于植株的生長受多方因素的影響，而且植物自身也存在遺傳差異性[19]。因此以鎘濃度為5 mg/kg為處理，結合隸屬函數綜合評價的方法探究桑樹的耐鎘性。從表2看出，每個指標在每個品種上的表現均有差異。如株高耐鎘性系數桂桑5號、桂桑優12號和粵桑11號較低，其余品種均較高，給耐鎘性評價帶來一定難度。因此，從整體上看某指標的變化，若在該處理下較對照增加的品種居多，即按照正隸屬函數方程對其進行計算；若在該處理下較對照下降的品種居多，則按照負隸屬函數方程進行計算。

表2 鎘脅迫下不同桑樹品種幼苗各單項指標耐鎘性系數Table 2 Cadmium tolerance coefficient in single index of different mulberry seedlings under Cd stress

2.3.2 耐鎘性綜合值 由表3可知，POD活性的權重最高，為0.23，說明POD活性變化對耐鎘性強弱的影響較大；其次是MDA含量和可溶性蛋白含量，分別為0.15和0.13；權重最小的是株高，僅0.05。說明，生理指標對桑樹耐鎘性的影響較大，評價體系較側重于生理指標。耐鎘性綜合值以桑特優2號最高，為0.80，其耐鎘性最強；其次是桂桑5號和桂桑6號，均為0.58；桂桑優12號最小，僅0.37，其耐鎘性最弱。整體上，不同品種桑樹的耐鎘性為桑特優2號> 桂桑5號=桂桑6號>6985>粵桑11號 >粵桑51號>蛋白桑>桂桑優62號>桂桑優12號。

表3 不同桑樹品種的隸屬函數值、指標權重及耐鎘性綜合值Table 4 Membership function values, index weights and comprehensive value of Cd tolerance of different mulberry cultivars

2.4 不同桑樹品種幼苗的耐鎘性聚類

從圖2看出，9個桑樹品種聚類為3類。強耐鎘型品種為桑特優2號；中等耐鎘型品種為桂桑5號、桂桑6號、69851和粵桑11號；敏感型品種為粵桑51號、蛋白桑、桂桑優12號和桂桑優62號。

圖2 不同桑樹品種的耐鎘性聚類Fig.2 Cluster for Cd tolerance of different mulberry cultivars

3 討論

有研究表明，重金屬鎘會破壞植物細胞中某些重要細胞器，從而導致相應的功能喪失[20]，例如當線粒體和葉綠體的結構遭到破壞，就會影響植物進行呼吸作用和光合作用，從而導致植物生長受影響，表現出不同的鎘中毒現象。研究通過對不同濃度鎘脅迫下桑樹幼苗株高和生物量測定發現，隨著鎘處理濃度的不斷增加，桑樹株高和生物量的變化差異不大，原因可能是試驗時間較短，由于桑樹是木本植物，較草本植物抗性較強，并且其生長周期長，短時間內植株體內積累的鎘含量不能較嚴重地抑制桑樹生長，這與陳依[21]的研究結果相似。

粵桑11號在5 mg/kg處理時株高和生物量均較對照下降10%以上，從而確定桑樹的耐鎘閾值為5 mg/kg，并在此濃度下測定9個品種桑樹的生理指標的變化情況。鎘脅迫會導致植物體內的代謝過程紊亂，在低濃度鎘脅迫下，植物體啟動一系列保護機制，增強自身的抗性，但當鎘濃度達一定濃度時，植物的保護系統遭到破壞，抗性減弱。在5 mg/kg的鎘濃度處理下，9個桑樹品種各指標的變化表現為無規律性，若僅僅根據其中某一指標的變化判斷其耐鎘性強弱，所得結果可能與實際結果存在較大誤差[22]。因此，利用生長指標和生理指標的多指標綜合評價方法對桑樹的耐鎘性進行評價，在一定程度上消除了單一指標的片面性[23-24]，綜合多個指標來反映桑樹的耐鎘性，所得結果更可信。桑樹葉片POD活性的強弱對桑樹耐鎘性影響最大，說明POD活性是檢測桑樹耐鎘性強弱最重要的指標，同時生理指標的權重均大于生長指標，說明該評價體系側重于桑樹生理指標的評價。

隸屬函數綜合評價植物抗性的方法已經屢見不鮮[25-26]，無論是草本植物還是木本植物上都得到很好的運用，并且針對多個品種的植物而言，還可以采用系統聚類分析的方法對所研究的植物進行聚類分析[27-28]。

4 結論

通過隸屬函數綜合評價和系統聚類分析，對9個品種桑樹的9個指標進行綜合評價，將9個桑樹品種分為強耐鎘型(桑特優2號)、中等耐鎘型(桂桑5號、桂桑6號、69851和粵桑11號)和敏感(粵桑51號、蛋白桑、桂桑優12號和桂桑優62號)3種不同的耐鎘類型。