砧用南瓜幼苗對鎘的耐性和積累能力研究

王慧慧，王 晨，張明華，蒲玉琳，李 婷，賈永霞

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源學(xué)院，成都 610000)

隨著中國工業(yè)化和城市化進程的不斷加快，化肥農(nóng)藥大量施用、污水灌溉及生活廢棄物排放等增加，農(nóng)田土壤重金屬污染已成為人類高度重視的環(huán)境問題[1-2]。2014年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，中國土壤污染總的超標率為16.1%，以無機型為主，其中重金屬鎘(Cd)污染最為嚴重，點位超標率達到7.0%[3]；另有研究發(fā)現(xiàn)，中國約24.1%的菜園土壤Cd含量超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準[4]。而Cd是植物生長的非必需元素，具有分布廣、毒性強、移動性大等特點，易在植物體內(nèi)富集[5]。過量的Cd會導(dǎo)致植物種子萌發(fā)率降低、胚芽和根系生長受阻、葉片失綠、植株矮小，農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)降低等，進而通過食物鏈危害人體健康[6-7]。

瓜類蔬菜是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚闹匾澄?，然而當土壤中重金屬含量超標時，瓜類蔬菜可食部位易積累重金屬離子[8-9]。研究發(fā)現(xiàn)，嫁接在一定程度上可以減少植物體內(nèi)重金屬的積累[10-11]。李小紅[12]比較了7種葡萄嫁接苗對Cd的耐性與吸收積累能力，發(fā)現(xiàn)與耐性弱的砧木相比，采用耐性強的砧木進行嫁接，葡萄嫁接苗對Cd的耐性更強；張媛媛[13]研究發(fā)現(xiàn)采用‘黑籽南瓜’嫁接黃瓜可以抑制Cd向地上部運輸，有效降低黃瓜地上部的Cd含量；Dimitrios等[11]發(fā)現(xiàn)黃瓜嫁接苗地上部對Cd的積累主要取決于砧木的吸收和轉(zhuǎn)運能力。那么，選擇對重金屬吸收和轉(zhuǎn)運能力弱而耐性強的砧木品種就顯得尤為重要和迫切。目前，瓜類蔬菜生產(chǎn)上常用的嫁接砧木以白籽南瓜、黃籽南瓜或黑籽南瓜為主，然而關(guān)于不同品種砧用南瓜對Cd的耐性及吸收積累能力研究報道較少。因此，本研究選用白籽、黃籽、黑籽共10種砧用南瓜品種，比較不同品種砧木幼苗在Cd脅迫下生長狀況、受傷害程度和地上部Cd含量變化，利用隸屬函數(shù)法綜合評價各砧木的Cd耐性及對Cd吸收積累的差異，以期為優(yōu)良砧用南瓜的篩選與評價提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

參試的10個砧用南瓜品種名稱及來源見表1，其中白籽、黃籽和黑籽品種分別為4、4和2個。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2017年4～7月在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)溫江校區(qū)塑料大棚內(nèi)進行。采用水培盆栽試驗，共設(shè)置0(對照，不添加Cd)、5、10 mg·L-1Cd濃度3個處理，每個處理重復(fù)3次。

選取顆粒飽滿、大小一致的參試南瓜種子，55 ℃溫湯浸種15 min后室溫(25 ℃)下浸泡6～8 h，之后放于(28±1) ℃培養(yǎng)箱中催芽，發(fā)芽后播于裝有石英砂的育苗盤中。按時澆灌自來水，直至2片子葉長出開始澆灌1/2 Hoagland營養(yǎng)液。待植株3葉1心時挑選生長一致的南瓜幼苗分別定植于裝有1/2 Hoagland營養(yǎng)液的水培箱內(nèi)，用空氣壓縮泵間歇通氣(40 min·h-1)，進行預(yù)培養(yǎng)。3 d后，分別于營養(yǎng)液中添加不同濃度的Cd(由CdCl2·2.5H2O配制)進行脅迫處理。12 d后采樣測定各項指標。

1.3 測定指標及方法

1.3.1生物量及耐性指數(shù)南瓜幼苗先用自來水沖洗干凈，然后用蒸餾水沖洗3～4次后擦干。洗凈的植株分為根系和地上部兩部分，105 ℃下殺青30 min，再經(jīng)70 ℃烘干至恒重，測其干重。根據(jù)植株的生物量來計算植物的耐性指數(shù)(endurance index，EI)[14]，計算公式為：

EI=Cd處理生物量/未處理生物量(CK)

1.3.2葉綠素含量取生長點以下第2片真葉，采用混合浸提法(乙醇∶丙酮∶水=4.5∶4.5∶1)進行葉綠素含量[15]測定。

1.3.3抗氧化酶及丙二醛(MDA)含量根系及葉片超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍四唑(NBT)比色法[15]測定，過氧化氫酶(CAT)和抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性采用紫外吸收法[15]測定；葉片及根系MDA含量采用硫代巴比妥酸法[15]測定。

1.3.4鎘含量及轉(zhuǎn)移系數(shù)植物樣品經(jīng)烘干、粉碎、過篩后，再用HNO3-HClO4(4∶1/V∶V)消化[14]，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀ICP-MS測定Cd含量。然后根據(jù)植物體的重金屬含量計算植物的轉(zhuǎn)移系數(shù)(translocation factor，TF)[16]，計算公式為：

TF=地上部中Cd含量(mg·kg-1)/根系中Cd含量(mg·kg-1)

1.3.5耐性及鎘積累能力綜合評價采用隸屬函數(shù)法進行砧用南瓜品種Cd耐性及吸收積累能力綜合評價[17]，隸屬函數(shù)值計算方法為：

Yij1= (yij-yjmin) /(yjmax-yjmin)

Yij2=1-(yij-yjmin) /(yjmax-yj min)

式中：Yij為i砧用南瓜在10 mg·L-1Cd處理后j指標值；yjmin為j指標的最小值；yjmax為j指標的最大值。若所測指標與植物的抗逆性呈正相關(guān)，則采用Yij1計算隸屬值，反之用Yij2計算。累加各品種各指標的隸屬函數(shù)值并求平均值，平均隸屬函數(shù)值越大，砧木耐性越強，地上部Cd積累量越小。

1.4 數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)利用Excel 2010進行數(shù)據(jù)初步處理和作圖，用SPSS17.0軟件進行方差分析和多重比較分析(LSD)。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘脅迫對各砧木幼苗生物量及葉綠素含量的影響

10種砧用南瓜幼苗葉片在Cd處理下均有不同程度的黃化，葉綠素含量不同程度降低，黃化程度與Cd處理濃度和砧木品種密切相關(guān)，但是在不同顏色籽粒的砧木品種間并無規(guī)律性變化(圖1，表2)。其中，P1、P3、P4、P6、P7、P8、P9幼苗葉綠素含量在5 mg·L-1Cd處理下與相應(yīng)對照無顯著差異，在10 mg·L-1Cd處理下顯著低于對照；而P2、P5、P10幼苗葉綠素含量在5 mg·L-1Cd處理下就顯著低于相應(yīng)對照，且在10 mg·L-1Cd處理下又顯著低于5 mg·L-1Cd處理；10種砧用南瓜葉綠素含量均在10 mg·L-1Cd處理時達到最小值。

Cd處理對各品種砧用南瓜幼苗生長狀況的影響不盡相同(表2)。其中，與對照相比，P1、P2、P3、P7、P9根系干重在2種濃度Cd處理下均無差異；P4、P5、P6、P8根系干重均顯著降低且在5 mg·L-1與10 mg·L-1Cd處理間無顯著差異；而P10在5 mg·L-1Cd處理下無顯著差異，在10 mg·L-1Cd處理下顯著降低。同時，在2種濃度Cd處理下，P1、P2、P3地上部和全株干重與相應(yīng)對照無顯著差異；P7地上部干重均比對照顯著降低，其全株干重則與對照無顯著差異；P8地上部和全株干重均在10 mg·L-1Cd處理下才顯著降低；P4、P5、P6、P9、P10地上部和全株干重均顯著低于相應(yīng)對照，且在5 mg·L-1與10 mg·L-1Cd處理間無顯著差異。此外，Cd處理下，白籽與黃籽砧用南瓜生長勢明顯好于黑籽南瓜。綜合來看，在5 mg·L-1和10 mg·L-1Cd脅迫處理下，P1、P2、P3、P7砧用南瓜耐性指數(shù)均顯著高于其他品種，說明這幾個砧木品種在Cd脅迫下生長勢較好，具有較強的耐性。

P1～P10為砧用南瓜品種編號, 詳見表1 ，下同圖1 10種砧用南瓜幼苗在不同Cd處理下的植株表型 The number of P1-P10 for the pumpkin varieties is shown in Table 1, the same belowFig.1 The plant growth performance of 10 variety pumpkin seedlings for rootstocks under different cadmium treatments

2.2 鎘脅迫對砧用南瓜幼苗抗氧化酶活性的影響

由圖2可以看出，P1、P3、P5根系SOD、CAT、APX等抗氧化酶活性較高，在5 mg·L-1Cd處理下與相應(yīng)對照無顯著差異，10 mg·L-1Cd處理下分別降低6.82%～49.43%、6.38%～18.81%、13.84%～18.79%；P2、P7、P9根系抗氧化酶活性在Cd處理下顯著降低，其中P2的 CAT活性在10 mg·L-1Cd處理時下降了59.35%；而P4、P6、P8、P10根系抗氧化酶活性在5 mg·L-1Cd處理下已顯著低于相應(yīng)對照，且在10 mg·L-1Cd處理時低于5 mg·L-1Cd處理，整體下降程度達到28.29%～63.91%。

同時，P9葉片CAT活性在5 mg·L-1Cd處理時有所增加，在10 mg·L-1Cd處理時降低且與相應(yīng)對照無顯著差異，其SOD、APX活性下降幅度較??；P1、P3、P5葉片中各抗氧化酶活性較高，在5 mg·L-1Cd處理下與相應(yīng)對照幾乎無差異，在10 mg·L-1Cd處理下分別降低了35.48%～41.53%、11.70%～31.25%、18.85%～24.89%；P2與P7葉片SOD、CAT活性在5 mg·L-1Cd處理下降低幅度較小，但在10 mg·L-1Cd處理時下降幅度較大，降幅分別為47.76%～51.91%、31.68%～49.61%；P4、P6、P8、P10葉片抗氧化酶活性在5 mg·L-1Cd處理下已顯著低于相應(yīng)對照，在10 mg·L-1Cd處理時顯著低于5 mg·L-1Cd處理，整體下降幅度為15.00%～67.28%。綜合來看，不同顏色籽粒砧用南瓜間抗氧化酶活性變化并無明顯規(guī)律，其中的P1、P3、P5砧木幼苗根葉各抗氧化酶活性在Cd處理下降低幅度較小，清除活性氧的能力較強。

2.3 鎘脅迫對砧用南瓜幼苗丙二醛含量的影響

由圖3可知，砧用南瓜P3根系MDA含量在2種濃度Cd處理下均與對照無顯著差異；P1和P7在5 mg·L-1Cd處理下與對照無顯著差異，在10 mg·L-1處理下顯著高于對照；其余砧木根系MDA含量在2種濃度Cd處理下均顯著高于相應(yīng)對照，且除P9外又表現(xiàn)為10 mg·L-1Cd處理顯著高于5 mg·L-1Cd處理。同時，與相應(yīng)對照相比，砧用南瓜P3、P8、P9葉片MDA含量在2種濃度Cd處理下無顯著變化，P1、P2、P6、P10在5 mg·L-1Cd處理下無顯著變化，在10 mg·L-1Cd處理下顯著提高，其余砧木在2種濃度Cd處理下均顯著提高，且P4的10 mg·L-1處理又顯著高于5 mg·L-1Cd處理。綜合來看，Cd

表2 不同鎘脅迫下各砧木南瓜幼苗葉綠素含量、生物量及耐性指數(shù)

注：同一品種砧木中不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，圖2、3同。耐性指數(shù)中同一處理不同字母表示不同品種砧木間差異顯著 (P<0.05)，圖4同

Note: The different letters within the same rootstock indicate significant difference between treatments (P<0.05)；The same as
Fig.2 and 3. The different letters within the same treatment in the analysis of the endurance index indicate significant differences between the rootstocks (P<0.05)，The same as
Fig.4

處理下不同顏色籽粒砧用南瓜間MDA含量無顯著變化規(guī)律，其中P3體內(nèi)MDA含量升高幅度較低且未達到顯著水平，受傷害程度較低。

2.4 鎘脅迫對砧用南瓜幼苗鎘含量及轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響

以植株干重來計算植物體內(nèi)Cd含量，發(fā)現(xiàn)各砧用南瓜幼苗地上部Cd含量均隨Cd處理濃度升高而增加，但不同顏色籽粒砧用南瓜間變化并無規(guī)律(圖4)。在對照(0 mg·L-1Cd)處理下，所有砧用南瓜品種幼苗地上部都未監(jiān)測到Cd；在5 mg·L-1Cd處理下，P3砧木幼苗地上部Cd含量最低并顯著低于其他砧木品種，其次是P1、P2、P7，而P6、P9地上部Cd含量較高并顯著高于其余品種；在10 mg·L-1Cd脅迫處理下，P3、P7砧木幼苗地上部Cd含量差異不顯著并顯著低于其他砧木品種，其次是P2、P1、P5、P4，而P8、P10地上部Cd含量較高并顯著高于其余砧木品種。同時，不同南瓜砧木品種對Cd的轉(zhuǎn)移能力存在顯著差異(圖3)。其中，在5 mg·L-1Cd處理下，砧木P2、P3幼苗Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)差異不顯著，且顯著低于其他砧用南瓜品種，其次是P1、P5，而P4、P10 Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)較高；在10 mg·L-1Cd處理下，P2和P3幼苗Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)較小，且兩者間無顯著差異，P2顯著低于其余品種，其次是P1、P5、P7，而P8、P9、P10幼苗Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)較高并顯著高于其他品種。以上結(jié)果表明砧用南瓜品種P2、P3幼苗地上部Cd含量低，且轉(zhuǎn)移系數(shù)小，其對Cd的吸收積累能力明顯較弱，其次是品種P1、P5。

圖2 不同鎘處理下各南瓜砧木幼苗根系和葉片SOD、CAT、APX活性Fig.2 SOD, CAT and APX activities in roots and leaves of rootstocks seedling under different cadmium treatments

圖3 不同鎘處理下各南瓜砧木幼苗根系和葉片MDA含量Fig.3 MDA content in root and leaf of rootstocks seedling under different cadmium stress

圖4 不同鎘處理下各南瓜砧木幼苗地上部鎘含量及轉(zhuǎn)移系數(shù)Fig.4 Cadmium content in shoot and translocation factor of rootstocks seedling under different cadmium stress

砧木Rootstock指標隸屬函數(shù)值 Function data of indexEIChltRSODLSODRCATLCATRAPXLAPXRMDALMDACdTFMean排序OrderP11.000.150.740.471.000.390.360.791.001.000.790.890.722P21.000.290.370.450.380.170.990.590.660.690.801.000.624P30.760.731.000.950.871.001.000.760.950.721.000.930.891P40.510.090.000.210.000.000.570.320.180.720.740.270.306P50.670.500.491.000.380.530.521.000.930.770.760.680.693P60.700.310.090.260.100.140.000.000.000.110.610.400.239P70.860.690.240.280.060.200.380.460.360.440.940.600.465P80.660.680.140.510.150.080.130.060.530.290.000.080.288P90.411.000.250.310.170.270.360.100.240.110.380.000.307P100.000.000.080.000.090.010.430.580.300.000.140.110.1510

注：EI: 耐性指數(shù)； Chlt: 葉綠素總量； RSOD: 超氧化物歧化酶； LSOD: 葉片超氧化物歧化酶； RCAT: 根系過氧化氫酶； LCAT: 葉片過氧化氫酶； RAPX: 根系抗壞血酸過氧化物酶； LAPX: 葉片抗壞血酸過氧化物酶； 根系RMDA: 根系丙二醛；LMDA: 葉片丙二醛；TF: 轉(zhuǎn)移系數(shù)

Note：EI: Endurance Index; Chlt: Total chlorophyll; RSOD: Root Superoxide dismutase; LSOD: Leaf Superoxide dismutase; RCAT: Root Catalase; LCAT: Leaf Catalase; RAPX: Root Ascorbate peroxidase; LAPX: Leaf Ascorbate peroxidase; RMDA: Root MDA; SMDA: Leaf MDA; TF:Translocation factor

2.5 各砧木的鎘耐性及積累能力綜合評價

砧用南瓜品種對Cd的耐性及積累能力由耐性指數(shù)以及葉綠素、抗氧化酶活性、丙二醛及地上部Cd含量和轉(zhuǎn)移系數(shù)等多指標綜合評價，結(jié)論比單一指標評價更準確。根據(jù)以上各砧用南瓜品種測定指標，通過分析比較它們的隸屬函數(shù)值(表3)來評定10種砧用南瓜幼苗對Cd的耐性與積累能力(表3)。其中，P3的平均隸屬函數(shù)值最高，說明其耐性好，對Cd的吸收轉(zhuǎn)移能力弱，地上部Cd積累量低，是一種優(yōu)良的砧用南瓜品種；P1、P2、P5砧用南瓜的耐Cd性次之；而P6、P10品種的耐性較差，地上部Cd吸收能力強。

3 討 論

Cd是毒性最強的重金屬元素之一，過量的Cd進入植物體內(nèi)，會導(dǎo)致植物生長受阻、葉片褪綠黃化[18-19]，然而不同植物在Cd脅迫下生長狀況不盡相同。Xin等[20]分析了不同辣椒品種在Cd脅迫下的生長狀況，發(fā)現(xiàn)有6個品種的生物量在所有Cd處理下均顯著高于對照；12個品種的生物量在所有Cd處理下與對照無差異；2個品種生物量在低濃度Cd處理下顯著高于對照，在高濃度Cd處理時顯著低于對照。說明同一物種不同品種間的Cd耐性存在顯著差異。與前人研究結(jié)果相似，本研究中，‘野木一雄’、‘津油108’砧用南瓜在2種Cd濃度下仍生長狀況良好且葉片在5 mg·L-1Cd處理時未出現(xiàn)明顯黃化，說明其Cd耐性較強；而其他砧用南瓜生物量在Cd處理下均有不同程度的降低，其中‘多美109’、‘黑籽南瓜’、‘云南黑籽南瓜’在10 mg·L-1Cd處理下全株生物量分別顯著降低了37.26%、44.32%、70.78%，且新葉黃化現(xiàn)象嚴重，部分老葉葉緣干枯，耐性差。

植物受到重金屬脅迫時會產(chǎn)生大量的活性氧，導(dǎo)致細胞膜脂過氧化反應(yīng)，從而破壞細胞膜系統(tǒng)[21-23]。植物體內(nèi)的抗氧化酶SOD、CAT、APX等可以組成一個活性氧清除系統(tǒng)，有效地減少重金屬產(chǎn)生的膜脂過氧化傷害[24]，而丙二醛(MDA)作為細胞的膜脂過氧化產(chǎn)物，其含量多少代表了植物的受傷害程度。本試驗發(fā)現(xiàn)，在2個濃度Cd脅迫下‘津油108’體內(nèi)抗氧化酶活性較高，其葉片及根系MDA含量無顯著增加，未受到膜脂過氧化傷害；‘野木一雄’抗氧化酶活性較高，10 mg·L-1Cd處理時MDA含量增加幅度較小，受傷害程度較小；其他砧用南瓜抗氧化酶活性相對較低，根系和葉片MDA含量顯著高于相應(yīng)對照，其中，‘多美109’、‘強力1號’、‘云南黑籽南瓜’增加幅度較大，分別為58.64%～145.83%、33.13%～209.06、45.29%～224.09%，受傷害程度嚴重。這與王松良等[25]對Cd脅迫下13個品種小白菜的研究結(jié)果相似，表明不同植物對Cd的耐受程度不同，受到的膜脂過氧化傷害也存在差異。

植物果實中的Cd含量與葉片和莖部Cd含量及根系向地上部的轉(zhuǎn)移系數(shù)密切相關(guān)[20]。低Cd積累作物的根系對Cd有較強的固定作用，能限制Cd向地上部運輸，減少地上部可食部分的Cd含量，從而保證作物的產(chǎn)量與品質(zhì)[26-27]。Liu等[28]研究了Cd脅迫下30個小麥品種間地上部Cd含量，發(fā)現(xiàn)‘LF-13’、‘LF-16’、‘LF-21’品種地上部Cd含量很低，屬于低Cd積累材料；而‘LF-1’、‘LF-7’、‘LF-17’、‘LF-20’等品種地上部Cd含量較高，Cd積累能力較強。本試驗中，Cd脅迫條件下，‘高麗佳’、‘黑籽南瓜’及‘云南黑籽南瓜’等品種地上部Cd含量及轉(zhuǎn)移系數(shù)均較高，表現(xiàn)出很強的Cd吸收轉(zhuǎn)移能力，不適合作為低Cd積累的砧木材料；而‘野木一雄’地上部Cd含量及轉(zhuǎn)移能力相對較低，可作為低Cd積累的砧木；‘津油108’和‘青佳砧甲’地上部Cd含量及轉(zhuǎn)移系數(shù)均顯著低于其他砧木，對Cd的吸收轉(zhuǎn)移能力最弱，積累的Cd最低，是低Cd積累砧木的首選品種。

選擇長勢好、耐性強、地上部Cd含量低的砧用南瓜是瓜類蔬菜安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)。影響植物Cd耐性和Cd積累能力的因素較多，目前還沒有一個統(tǒng)一、完整的指標評價體系使評定結(jié)果與實際結(jié)果更為接近。因此，應(yīng)綜合各指標來評價植物對Cd的吸收轉(zhuǎn)移能力和耐性，避免單個指標帶來的片面影響。王麗萍等[29]綜合了4種砧用南瓜的生長狀況、鹽害指數(shù)、相對電導(dǎo)率等隸屬函數(shù)值作為品種抗逆性的評定標準，篩選出了耐鹽能力最強的砧木品種。徐愛春等[30]綜合了5個柳樹品種在Cd脅迫下生長狀況、葉綠素、MDA、脯氨酸及可溶性蛋白的隸屬函數(shù)值，評定了不同品種柳樹抗Cd脅迫能力的強弱。本研究中，綜合比較了Cd處理下10種砧用南瓜幼苗耐性指數(shù)、葉綠素、抗氧化酶活性、丙二醛、地上部Cd含量及轉(zhuǎn)移系數(shù)等隸屬函數(shù)值的平均值大小，比較發(fā)現(xiàn)‘津油108’各指標綜合隸屬函數(shù)值最高，是最優(yōu)良的砧用南瓜品種，其次為‘野木一雄’、‘鑫力3號’和‘青佳砧甲’，而‘強力1號’與‘云南黑籽南瓜’的耐性最差，它們Cd吸收轉(zhuǎn)移能力強，不宜作為瓜類蔬菜嫁接砧木。

綜上所述，不同品種砧用南瓜品種幼苗抗氧化酶活性對鎘脅迫的響應(yīng)存在明顯差異，它們生長情況以及鎘耐性、吸收轉(zhuǎn)運能力也顯著不同?！蛴?08’耐性強、Cd吸收轉(zhuǎn)移能力弱，是優(yōu)良的砧用南瓜品種，可作為Cd污染農(nóng)田中瓜類蔬菜的嫁接砧木；‘野木一雄’、‘青佳砧甲’與‘鑫力3號’ Cd耐性均較強，且地上部Cd含量和轉(zhuǎn)移系數(shù)也較低，也可選作瓜類嫁接砧木品種；而‘強力1號’與‘云南黑籽南瓜’在Cd處理下生長狀況差，耐性弱，且地上部Cd含量和轉(zhuǎn)移系數(shù)高，不適合作為Cd污染農(nóng)田嫁接砧木。