鉛脅迫下玉米苗期根系性狀特征及評價方法

關(guān)鍵詞： 玉米；耐鉛性鑒定；隸屬函數(shù)；評價方法

中圖法分類號： S513 文獻標識碼： A 文章編號： 1000-2324（2024）02-0193-09

近年來，隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，我國的環(huán)境污染問題日益嚴重，其中土壤污染中重金屬污染受到社會的廣泛關(guān)注［1-4］。土壤作為重金屬儲存和轉(zhuǎn)運的場所，污染方式主要為大氣污染、污水灌溉等［5-6］。據(jù)統(tǒng)計，在我國耕地土壤中超過10%以上的農(nóng)田都被重金屬污染［7］。由于鉛的使用非常廣泛，所以造成的污染最為嚴重。鉛作為植物非必要元素，對作物有較大的毒害作用，嚴重影響作物正常生長［8］。不但如此，作物體內(nèi)還可能積累重金屬，一旦進入到食物鏈中會對人體造成危害［9-10］。土壤重金屬污染具有潛伏性、不可降解性和累積性等特點，對土壤生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構(gòu)成極大的潛在危害，如“兒童鉛中毒事件”［11］。有關(guān)鉛污染、鉛毒害及對鉛污染的治理等研究也越來越受世界各國科學家的重視。

玉米作為世界第一大作物，因其具有地上部生物量大、地下部根系發(fā)達以及籽粒鉛積累含量低等特點，被認為是最理想的重金屬修復(fù)植物之一［12］。本研究選用37 份玉米品種，在對鉛脅迫最敏感的苗期對不同玉米品種進行鉛處理，通過主成分分析、隸屬函數(shù)分析、聚類分析、相關(guān)性分析和回歸分析等分析方法對玉米根系性狀進行分析，對不同玉米品種的耐鉛性進行評價，旨在為后續(xù)利用玉米修復(fù)鉛污染土壤提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

河南科技學院農(nóng)學院玉米育種團隊選育的37份玉米品種，編號分別為H001～H037。

1.2 試驗步驟

試驗采用水培法，在河南科技學院農(nóng)學院玉米育種團隊氣候室內(nèi)進行。

具體操作如下：

（1）種子預(yù)處理：分別對37 份玉米品種的籽粒進行處理，選取籽粒飽滿、大小均勻的玉米種子，后用75%的酒精消毒 1 min，浸泡于10%次氯酸鈉溶液中消毒20 min，再用無菌水洗滌3～5遍，加適量CaSO₄過夜處理；

（2）發(fā)芽：利用發(fā)芽紙進行發(fā)芽，即將用CaSO₄浸泡后的種子利用去離子水沖洗兩次（洗掉種子表面的CaSO₄），取出吸脹后的種子置于發(fā)芽紙上，將其放入燒杯后置于人工氣候室內(nèi)（溫度及光暗周期設(shè)置為28 ℃/22 ℃和14 h/10 h），進行培養(yǎng)；待玉米萌芽至2 cm后移入裝有蛭石的燒杯中繼續(xù)培養(yǎng)，直至3葉一心期時進行后續(xù)試驗；

（3）水培：挑選6 株大小長勢一致的玉米苗子，將殘余的胚乳剔除并利用去離子水將其根部洗凈；然后用泡沫將玉米苗子進行固定，并轉(zhuǎn)移至裝有12 L不加Pb²⁺的1/2 濃度全營養(yǎng)液的方形塑料小盆中，適應(yīng)性培養(yǎng)三天；最后，將玉米苗子移至含有Pb²⁺的全營養(yǎng)液中，進行脅迫處理。注：硝酸鉛的最終濃度是1 000 mg·L^?1；供氣泵保證培養(yǎng)液正常供氧，營養(yǎng)液配方見表1。

1.3 測定指標與方法

①根系鮮重：分離玉米地上葉片和地下根系，稱量地下根系鮮活未脫水的重量。②根系掃描。分別將不同品種的玉米根系通過根系掃描儀進行掃描，后用FG-RIAS 根系分析軟件分析根總長度、根表面積、平均直徑、根體積、根尖數(shù)、分叉數(shù)、交叉數(shù)。③根系干重：玉米地下部根系在烘箱中105 ℃下殺青30 min 后，在80 ℃恒溫下烘干至恒重，稱量干重。④根冠比：地下部根系干重與地上部干重的比值。將根總長度、根表面積、平均直徑、根體積、根尖數(shù)、分叉數(shù)、交叉數(shù)、根鮮重、根干重和根冠比，分別記作X₁、X₂、X₃、X₄、X₅、X₆、X₇、X₈、X₉、X₁₀。

1.4 分析方法

首先將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)槟豌U系數(shù)，并基于耐鉛系數(shù)進行后續(xù)分析。

采用Microsoft Excel2016 和SPSS24.0 數(shù)據(jù)處理軟件進行方差分析、主成分分析、隸屬函數(shù)分析、聚類分析及回歸分析等方法，方差分析參照袁劉正等［13］的相關(guān)內(nèi)容，主成分分析、隸屬函數(shù)分析及回歸分析步驟參照李俊萍等［14］的相關(guān)內(nèi)容，聚類分析參照劉鴻等［15］的相關(guān)內(nèi)容。耐鉛性綜合評價值（D_a）、隸屬函數(shù)值（U（X_ja））和權(quán)重系數(shù)（W_j）計算公式如下（1）（2）（3）。

2 結(jié)果與分析

2.1 鉛處理后根系性狀的變化狀況

由表2 可知，在鉛脅迫下玉米幼苗生長受到顯著影響，鉛脅迫處理后根系性狀的變化情況相對于正常條件下變化較小，如根系總長度變化范圍由365.253 下降到134.917；并且鉛處理前與處理后根系性狀變化比較明顯，除根系平均直徑增加43.135%外，根系總長度、根系表面積、根體積、根尖數(shù)、分叉數(shù)、交叉數(shù)、根系鮮重、根系干重和根冠比均有不同程度減少（3.703%～79.179%）。

2.2 根系性狀的方差分析

由表3可知，37份玉米品種苗期進行鉛脅迫處理，根系總長度、根系表面積、平均直徑、根體積、根尖數(shù)、分叉數(shù)、交叉數(shù)、根系鮮重、根冠比材料間和處理間均達到極顯著差異水平，而根系干重處理間達到極顯著差異水平，材料間達到顯著差異水平. 因而根系總長度、根系表面積、平均直徑、根體積、根尖數(shù)、分叉數(shù)、交叉數(shù)、根系鮮重、根系干重和根冠比等性狀可以作為玉米苗期耐鉛性評價指標。

2.3 耐鉛性主成分分析

由于各性狀在不同品種中對耐鉛性起到的作用不一樣，因此需要進行主成分分析，得到綜合的判斷指標。為了更好的對37份玉米品種的根系性狀進行主成分分析，首先將各性狀原始數(shù)據(jù)換算為耐鉛系數(shù)，即標準化處理。為了確認主成分分析的準確性，首先對各指標的耐鉛系數(shù)進行KMO檢驗，得到KMO=0.728＞0.500；再通過Bartlett 球形度檢驗，得到卡方值=499.964，P＜0.01，說明根系性狀間相關(guān)性較強，可以進行主成分分析。

主成分分析可以通過少量的主因子替代原始指標，對鉛處理下根系性狀的耐鉛系數(shù)進行主成分分析，結(jié)果如表4所示。以特征值大于1.0為標準，提取到3個主成分（F₁，F(xiàn)₂，F(xiàn)₃），其積累貢獻率達到89.567%，F(xiàn)₁代表總長度、表面積、根尖數(shù)、分叉數(shù)、交叉數(shù)，主成分貢獻率為56.469%；F₂代表平均直徑、根體積、根系鮮重，主成分貢獻率為20.163%，F(xiàn)₃代表根系干重和根冠比，主成分貢獻率為12.936%，3個主成分代表了89.567%的表型變異，包含了所測指標的全部信息。其中主成分F₁中，根系總長度的特征向量最大，說明了根系總長度可以作為判斷玉米苗期耐鉛性強弱的指標，主成分F₂中，根系平均直徑的特征向量最大，說明根系平均直徑是判斷耐鉛性強弱的指標，主成分F3中，根冠比的特征向量最大，說明根冠比可以作為判斷玉米苗期耐鉛性強弱的指標。

2.4 基于隸屬函數(shù)分析對玉米苗期進行耐鉛綜合評價

對37 份玉米品種的主成分權(quán)重，通過隸屬函數(shù)進行處理，分別得到主成分值和各主成分的隸屬函數(shù)值，結(jié)果如表4 所示. 根據(jù)主成分的方差貢獻率可計算出3個主成分的權(quán)重，分別為63.047%、22.512%、14.443%（表4）。再根據(jù)權(quán)重可計算出主成分得分和隸屬函數(shù)值，結(jié)果見表5。主成分得分（F值）和綜合評價值（D值）排序基本一致，但主成分值出現(xiàn)負數(shù)，所以通過隸屬函數(shù)值的大小進行耐鉛能力排序。

通過綜合評價指標（D值）對這37 份品種耐鉛性進行聚類分析，結(jié)果如圖1 所示，通過聚類分析，可將37 份玉米品種的耐鉛性分為6 個等級，即高耐、耐、中等、低耐、敏感、高敏。其中‘H034’‘H022’結(jié)合D 值綜合評判為高耐；‘H023’‘H036’‘H031’結(jié)合D值綜合評判為耐；‘H015’‘H025’‘H020’‘H008’‘H032’結(jié)合D 值綜合評判為中等；‘H010’‘H029’‘H005’‘H021’‘H037’‘H011’‘H018’‘H014’結(jié)合D 值綜合評判為低耐；‘H035’‘H003’‘H019’‘H027’‘H001’‘H016’‘H013’‘H004’‘H006’‘H007’‘H028’‘H030’‘H012’‘H026’結(jié)合D 值綜合評判為敏感；‘H009’‘H017’‘H033’‘H024’‘H002’結(jié)合D值綜合評判為高敏。

2.5 基于隸屬函數(shù)的回歸分析和相關(guān)性分析

為了進一步簡化實際應(yīng)用中玉米種質(zhì)耐鉛性評價工作，可利用回歸分析建立玉米苗期耐鉛性評價的模型。將D值作為因變量、鉛脅迫處理下根系性狀的耐鉛系數(shù)作為自變量進行回歸分析，首先通過相關(guān)性分析結(jié)果表明根系總長度、根系表面積、根體積、根尖數(shù)、分叉數(shù)、交叉數(shù)、根系鮮重、根系干重的耐鉛系數(shù)對玉米苗期綜合耐鉛性的影響達到極顯著水平（表6）。

再根據(jù)回歸分析結(jié)果（表7），據(jù)此建立了最優(yōu)回歸方程：D=?0.287+0.168×根總長度+0.148×根表面積+0.087×根體積+0.041×根尖數(shù)+0.125×分叉數(shù)+0.119×交叉數(shù)+0.138×根系鮮重+0.089×根系干重，方程決定系數(shù)R²=1.000，P＜0.05。該回歸模型可用于評價玉米苗期耐鉛性，即在相同條件下測定其它品種的上述指標并求得耐鉛系數(shù)，從而利用該方程對其它品種的耐鉛性進行預(yù)測，可簡化玉米耐鉛評價工作。

3討論

目前土壤鉛污染在土壤污染中較為嚴重，鉛元素作為非必要元素，不僅降低了農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，還通過食物鏈應(yīng)影響人類健康［16］。因此，利用植物修復(fù)土壤迫在眉睫。植物修復(fù)技術(shù)是以超富集植物作為載體，將土壤中大量的鉛吸收至植株內(nèi)或轉(zhuǎn)移至地表部分，從而達到修復(fù)鉛污染土壤的目的，該方法的關(guān)鍵就是相關(guān)超富集植物的篩選［17］。植物修復(fù)技術(shù)可有效地控制土壤中的Pb 物質(zhì)，而且可較大程度的防控其毒害作用［18］。與傳統(tǒng)的物理化學方法相比，此種修復(fù)技術(shù)具有多種優(yōu)點，是未來修復(fù)鉛污染土壤發(fā)展的主流方向［19-20］。

玉米苗期是對外界環(huán)境最敏感的時期［21-23］。當玉米幼苗受到重金屬脅迫時，根系性狀受到影響不同程度的影響［24］。夏雪姣［25］認為隨著重金屬處理濃度的增加，作物的根部性狀顯著降低。本研究結(jié)果顯示，當幼苗受到重金屬脅迫時，根系生長明顯受到抑制，這與武紅［26］的研究結(jié)果一致。而關(guān)于作物的耐鉛性，受到多種因素的影響，因此需要多因素綜合評價的方法來鑒定玉米的耐鉛性［27-28］。關(guān)于玉米耐鉛性的評價方法，相關(guān)研究報道較少，但關(guān)于其它脅迫條件下的評價方法，許多學者提出了不同的評價體系，通過隸屬函數(shù)評價是目前普遍認可的多指標評價方法［29-31］。本研究通過借鑒前人對其它性狀的評價方法，利用隸屬函數(shù)和聚類分析對37 份玉米品種苗期的根系性狀進行評價，總結(jié)了一套關(guān)于玉米苗期耐鉛鑒定的評價方法。本研究結(jié)果顯示，根系總長度、根系表面積、根體積、根尖數(shù)、交叉數(shù)、分叉數(shù)、根系鮮重和根系干重與D值的相關(guān)性呈顯著水平，可作為評價作物耐鉛性的指標，前人對其它作物的鑒定與篩選中也有類似的結(jié)果［32-33］。

4結(jié)論

在鉛脅迫條件下，除根系平均直徑外，玉米其它根系性狀均有一定程度的下降；方差分析表明，根干重處理間呈極顯著差異，材料間呈顯著差異，其余性狀材料間和處理間均呈現(xiàn)極顯著差異水平；通過主成分分析和聚類分析，將玉米苗期耐鉛性分為6 類，即高耐、耐、中等、低耐、敏感和高敏；利用相關(guān)性和回歸分析建立了玉米苗期耐鉛性模型：D=-0.287+0.168×根總長度+0.148×根表面積+0.087×根體積+0.041×根尖數(shù)+0.125×分叉數(shù)+0.119×交叉數(shù)+0.138×根系鮮重+0.089×根系干重。