鎘脅迫對蓮根系形態(tài)的影響

周學(xué)忠 王銳 李寒

摘要 [目的] 研究鎘脅迫對6個品種蓮根系形態(tài)的影響。[方法] 采用水培試驗，設(shè)置3個處理CK（0 mg/kg Cd）、T1（1 mg/kg Cd）、T2（5 mg/kg Cd），測定總根長、根表面積、根體積以及不同直徑根長分布情況。[結(jié)果] 6個蓮品種根系對鎘的響應(yīng)具有差異，粉色花和黃色花對鎘脅迫比較敏感，總根長、根表面積和根體積都隨鎘脅迫產(chǎn)生較大的變化;而白色花品種對鎘具有較強的耐性，其總根長、根表面積和根體積及不同直徑根的分布情況受鎘的影響均較小。[結(jié)論]6個蓮品種對鎘的耐性存在較大差異。

關(guān)鍵詞 鎘;蓮;根系形態(tài)

中圖分類號 X173文獻標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）19-0078-03doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.19.023

Abstract [Objective]To study the root morphological responses of six lotus cultivars to cadmium exposure. [Method]A hydroponic experiment was conducted and three treatments CK（0 mg/kg Cd）， T1（1 mg/kg Cd）， T2（5 mg/kg Cd）were used in this study. The total root length， root surface area， root volume and root architecture were measured. [Result]There had differences in root morphology among six cultivars after cadmium treatment. Cultivars those have pink flower and yellow flower were sensitive to cadmium exposure， their total root length， root surface area and root volume changed a lot after cadmium exposure. While cultivars that have white flower were tolerance to cadmium exposure， and its total root length， root surface area， root volume and root architecture had little change after cadmium exposure. [Conclusion]There were obvious difference of tolerance to cadmium among six lotus cultivars.

Key words Cadmium;Lotus;Root morphology

鎘（Cd）是一種非必需、有毒的重金屬，在哺乳動物體內(nèi)具有較長的半衰期。廣泛的鎘污染已增加了鎘在人體內(nèi)的積累風(fēng)險[1-2]。降低作物可食部位的鎘可以降低人體對鎘的吸收。作為植物與環(huán)境物質(zhì)交換的主要界面，根系在金屬的吸收和轉(zhuǎn)移過程中起重要作用，并對變化的環(huán)境表現(xiàn)出高度適應(yīng)性[3]。研究表明，與對照相比，鎘處理后的擬南芥主根長度變短，而側(cè)根直徑是對照的2倍[4]。也有研究表明，具有更多細根的花生品種具有更強的積累鎘的能力[5]。硬質(zhì)小麥品種Acrola有更大的根表面積和更多的根尖，積累鎘的能力也更強[6]。與非超富集生態(tài)型相比，東南景天鎘超富集生態(tài)型在鎘脅迫下能保持更細、分布廣泛的根系[7]。因此，根形態(tài)可能在品種間不同鎘吸收能力中起重要作用。

蓮是一種水生生物，其地下莖和種子均可食用。筆者以6個蓮品種作為研究對象進行水培試驗，研究鎘處理對不同蓮品種根系形態(tài)的影響。

1 材料與方法

1.1 植物材料及其處理

選擇6個具有不同花色（白色、綠色、粉色、紅色、深紅色、黃色）的蓮品種（購于明珠種業(yè)）。發(fā)芽15 d后，選取長勢一致的幼苗進行水培試驗。水培營養(yǎng)液為1/2 Hoagland營養(yǎng)液，所用試劑均為分析純。設(shè)置3個處理CK（0 mg/kg Cd）、T1（1 mg/kg Cd）、T2（5 mg/kg Cd），每瓶2株苗，每個處理3個重復(fù)，每隔3 d換1次培養(yǎng)液，20 d后取樣進行根系形態(tài)分析。

1.2 樣品測定方法

總根長、根表面積、根體積以及不同直徑根長分布是用根系掃描儀進行掃描并用軟件Win-RHIZO Pro（regent instruments，QC，Canada）進行分析。根直徑（RD）分為5個等級，以0.2 mm為間距（根直徑為0～0.2 mm時被記為RD≤0.2 mm），分析不同直徑下根長分布情況。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

用SPSS和Excel 2013對所得數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘處理對蓮總根長、根表面積、根體積的影響

對6個品種的根系形態(tài)進行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)品種受鎘處理后，總根長、根表面積均表現(xiàn)出下降趨勢（圖1）。粉色花、黃色花和深紅色花品種對鎘的耐性較差，根生長在T1處理時即顯著受到抑制，在T2處理下根長仍顯著低于對照;綠色花和紅色花品種對T1濃度的鎘具有較強的耐性，而在T2濃度下根生長明顯受到抑制;白色花品種對鎘表現(xiàn)出較強的耐性，在T1處理時根長增加，T2處理后，總根長與對照相比差異不顯著（圖1A）。粉色花、紅色花、深紅色花在T1處理下，根表面積顯著小于對照（圖1B）。不同鎘濃度處理后，白色花品種根表面積與對照相比差異仍不顯著。粉色花、紅色花和黃色花品種根體積在鎘處理時顯著降低，而綠色花、深紅色花和白色花受鎘處理后根體積沒有顯著降低（圖1C）。由此可見，不同品種根系對鎘的響應(yīng)是有差異的。

2.2 鎘處理后蓮不同直徑根長分布情況

以根直徑（RD）0.2 mm為間隔分析不同蓮品種根長分布情況（表1）。RD≤0.2 mm的根長所占比例最大，均高于總根長的58%以上。一般而言，T2處理后，RD≤0.4 mm的根長均顯著降低。粉色花、深紅色花和黃色花品種在T1處理下，RD≤0.4 mm 的根長呈顯著下降趨勢，而白色花品種在此處理下RD≤0.4 mm的根長反而呈上升趨勢。大部分品種中，T1處理下，RD>0.4 mm根長并沒有顯著降低。T2處理下，粉色花、黃色花品種RD>0.4 mm根長顯著降低，而白色花、深紅色花和綠色花品種RD>0.4 mm根長與對照相比并沒有顯著降低。說明不同蓮品種在鎘處理下，不同直徑根長分布變化趨勢也不相同。

3 結(jié)論與討論

根系是一個復(fù)雜的體系，鎘可以通過影響植物根系的縱向延長和橫向發(fā)展來影響根系形態(tài)。該研究表明，6個蓮品種根系對鎘的響應(yīng)具有差異，粉色花和黃色花對鎘脅迫比較敏感，總根長、根表面積和根體積都隨鎘脅迫產(chǎn)生較大的變化;而白色花品種對鎘具有較強的耐性，其總根長、根表面積和根體積及不同直徑根的分布情況受鎘的影響均較小，總根長甚至在低鎘處理時與對照相比顯著增加。說明不同蓮品種對鎘的耐性存在較大差異。植物耐受鎘的細胞機制可能與細胞質(zhì)內(nèi)的金屬硫蛋白、谷胱甘肽、植物絡(luò)合素、有機酸、氨基酸、非蛋白巰基等物質(zhì)有關(guān)[8]。肖亞濤等[9]的研究也表明，不同基因型冬小麥在鎘處理后根系形態(tài)變化存在差異，低鎘濃度（10 μmol/L）對籽粒鎘含量低的品種LY的粗根系根長、根表面積、根體積均有促進作用，而對籽粒鎘含量較高的XM品種表現(xiàn)為抑制作用，中高濃度鎘處理則對2個品種均表現(xiàn)為抑制作用。

何俊瑜等[10]對鎘脅迫后2個水稻品種根系總長度、根系表面積、根體積等的指標(biāo)進行比較后，認(rèn)為水稻品種間對鎘脅迫存在著一定的差異。

由此可見，同一物種的不同品種根系對鎘脅迫的響應(yīng)不同，這是由品種特性差異所決定的。

參考文獻

[1] 林肖，任艷芳，張艷超，等.土壤鎘污染對水稻孕穗期植株生長及鎘積累的影響[J].河北農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2017，21（3）：96-99，105.

[2] 蔡佳佩，朱堅，彭華，等.不同鎘污染消減措施對水稻-土壤鎘累積的影響[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2018，27（12）：2337-2342.

[3] 黃白飛，辛俊亮.植物積累重金屬的機理研究進展[J].草業(yè)學(xué)報，2013，22（1）：300-307.

[4] VITTI A，NUZZACI M，SCOPA A，et al.Auxin and cytokinin metabolism and root morphological modifications in Arabidopsis thaliana seedlings infected with Cucumber mosaic virus（CMV）or exposed to cadmium[J].International journal of molecular sciences，2013，14（4）：6889-6902.

[5] ZHANG Z，LIU C F，WANG X M，et al.Cadmium-induced alterations in morpho-physiology of two peanut cultivars differing in cadmium accumulation[J].Acta physiologiae plantarum，2013，35（7）：2105-2112.

[6] BERKELAAR E，HALE B.The relationship between root morphology and cadmium accumulation in seedlings of two durum wheat cultivars[J].Canadian journal of botany，2000，78（3）：381-387.

[7] LI T Q，YANG X E，LU L L，et al.Effects of zinc and cadmium interactions on root morphology and metal translocation in a hyperaccumulating species under hydroponic conditions[J].Journal of hazardous materials，2009，169（1/2/3）：734-741.

[8] 陳曉艷，李強.植物耐受鎘的細胞機制研究進展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，46（22）：8-11，17.

[9] 肖亞濤，吳海卿，李中陽，等.不同基因型冬小麥鎘累積差異及其與根系形態(tài)的關(guān)系[J].水土保持學(xué)報，2015，29（6）：276-280，286.

[10] 何俊瑜，王陽陽，任艷芳，等.鎘脅迫對不同水稻品種幼苗根系形態(tài)和生理特性的影響[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2009，18（5）：1863-1868.