鎘暴露條件下玉米生長及根系構型分級特征研究

魏暢，焦秋娟，柳海濤*，張靜靜，申鳳敏，姜瑛*，張雪海，孫孌姿，楊芳，劉振

（1. 河南農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，河南 鄭州 450002；2. 河南農業(yè)大學農學院，省部共建小麥玉米作物學國家重點實驗室，河南 鄭州 450002；3. 西北農林科技大學草業(yè)與草原學院，陜西 咸陽 712100；4. 吉林農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，吉林 長春 130118；5. 山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點實驗室，濱州學院，山東 濱州 256603）

近年來，隨著工礦業(yè)的不斷發(fā)展，人類賴以生存的土壤不斷受到影響，土壤重金屬污染問題越來越嚴重。根據(jù)環(huán)境保護部和國土資源部于2014 年發(fā)布的《全國土壤污染狀況調查公報》，全國土壤總的點位超標率為16.1%，受到污染的耕地點位超標率為19.4%［1］。鎘（cadmium，Cd）作為主要污染物之一，可通過大氣沉降、畜禽糞便、化肥不合理施用以及污水灌溉等途徑進入土壤，通過食物鏈最終進入人的體內，影響人類健康，誘發(fā)多種疾?。?］。

玉米（Zea mays）是須根系植物，根系發(fā)達，具有生物量大、生長周期短、易管理等特點，不僅可以作為重要的糧食、經濟、飼料作物，也可以用于重金屬污染的治理與修復。因此，研究玉米對重金屬的耐性、吸收積累特征等對保障糧食和飼料安全、挖掘玉米用于污染土壤修復的潛力具有重要意義。陳建軍等［3］通過田間試驗，比較了25個玉米品種對Cd 脅迫（質量分數(shù)為50 mg·kg-1）的響應，大部分品種生物量和產量有所下降。研究表明，不同玉米品種富集和轉運Cd 的能力存在明顯的差異，其中高積累品種可作為修復植物用于土壤重金屬污染治理，而低積累品種可作為保障糧食和飼料安全的品種加以推廣［4］，其中在酸性土壤條件下（Cd 質量分數(shù)為1.29 mg·kg-1），Cd 在玉米植株中的分布規(guī)律為根＞葉＞莖，莖葉Cd 含量與根部Cd 含量呈正相關，說明玉米根系作為一種屏障，一定程度上可以阻止Cd 的遷移［5］，這與袁林等［6］在Cd 質量分數(shù)為10.47 mg·kg-1的土壤中發(fā)現(xiàn)玉米不同器官的Cd 積累特征一致，但是玉米莖的Cd 含量與根部Cd 含量呈負相關。

根系作為最早接觸Cd 的器官，Cd 脅迫可影響根系的生物量、解剖結構、形成和發(fā)育狀態(tài)，導致根系變黑并彎曲，其形態(tài)的變化可直觀反映出根系功能的變化，并和Cd 吸收積累有直接關系［7-9］。曲丹陽等［10］研究發(fā)現(xiàn)，與對照相比，在Cd 脅迫濃度為80 mg·L-1時，兩個玉米品種（鄭單958 和東農253）根系的生物量積累均受到明顯抑制，根系形態(tài)受到顯著影響，根系總長、根表面積、根體積、平均直徑和根尖數(shù)顯著減小。何俊瑜等［11］比較了不同Cd濃度對水稻（Oryza sativa）根系形態(tài)及分級特征變化的影響，發(fā)現(xiàn)當Cd 濃度＞5 μmol·L-1時，隨Cd 濃度的升高，水稻的總根長、根表面積和根體積受到不同程度的抑制，其中Cd 對直徑≤1.5 mm 根系的根長、根表面積和根體積影響較大。目前關于Cd 對玉米幼苗毒害的研究較多，但Cd 脅迫下玉米根系構型分級變化特征及其與玉米生長和Cd 吸收積累特征的關系尚未見報道。

本試驗旨在結合玉米地上和地下部，深入探究不同Cd 脅迫濃度對玉米幼苗根系構型及分級特征、生長及光合作用的影響，豐富玉米對Cd 脅迫的響應機制，為將玉米應用于修復重金屬Cd 污染土壤和培育低鎘玉米品種提供理論基礎與試驗支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試玉米品種為鄭單958，購于河南秋樂種業(yè)科技股份有限公司；營養(yǎng)液使用Hoagland 營養(yǎng)液［12］；Cd 源選用CdCl2·2.5H2O。

1.2 試驗設置

試驗于2020 年7 月在溫室進行，選取大小均一的玉米種子，用5%的H2O2消毒15 min，用去離子水反復清洗干凈，并泡于育苗盒中12 h，之后于25 ℃黑暗條件催芽72 h 后轉入溫室。溫室設置晝夜條件為16 h/8 h，溫度為25 ℃。待玉米生長至一葉一心時，選取長勢一致的幼苗移栽到裝有Hoagland 營養(yǎng)液的塑料盆中（2 L），每盆9 棵玉米，每2 d 換一次營養(yǎng)液。共設置7 個Cd 濃度，分別為0、5、10、25、50、100、200 μmol·L-1，分別命名為Cd0、Cd5、Cd10、Cd25、Cd50、Cd100和Cd200，各處理設置3 盆重復，施加處理5 d 后采樣。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 玉米地上地下部生物量 用干凈的剪刀將玉米的地上部和地下部分離，用去離子水沖洗干凈后擦干表面水分，測得株高、主根長、莖鮮重和根鮮重。地下部于20 mmol·L-1的EDTA-Na2溶液中浸泡15 min，用去離子水重新洗干凈，和地上部一同于105 ℃殺青30 min 后，70 ℃累計烘干48 h 至恒重，稱得干重。

1.3.2 玉米根系構型指標 各處理選取3 個完整的根系，用根系掃描儀（V700 PHOTO，Epson，日本）和圖像分析軟件（WinRHIZO?2003b，加拿大）測定玉米幼苗根系構型與分級，測得參數(shù)：總根長（total root length，RL）、根表面積（root surface area，SA）、根體積（root volume，RV）、根平均直徑（root average diameter，RD）、分枝數(shù)（root forks，RF）和根尖數(shù)（root tips，RT）。

1.3.3 根系構型分級 以0.5 mm 為度量按照根的直徑大小對總根長、根表面積和根體積進行區(qū)間等級定義：Ⅰ級：0～0.5 mm（RD 0～0.5 mm）、Ⅱ級：0.5～1.0 mm（RD 0.5～1.0 mm）、Ⅲ級：1.0～1.5 mm（RD 1.0～1.5 mm）、Ⅳ級：1.5～2.0 mm、Ⅴ級：2.0～2.5 mm、Ⅵ級：2.5～3.0 mm、Ⅶ級：3.0～3.5 mm、Ⅷ級：3.5～4.0 mm、Ⅸ級：4.0～4.5 mm、Ⅹ級：＞4.5 mm［8］（RD＞1.5 mm 為Ⅳ到Ⅹ級總和）。

1.3.4 玉米地上地下部Cd 含量 各處理的地上部和地下部分別稱取0.2 g 干樣放置于清潔的50 mL 三角瓶中，加入10 mL 混酸（HNO3∶HClO4=3∶1），于電熱板上消解至澄清透明，趕酸后定容至25 mL 容量瓶中，用原子吸收火焰分光光度法（ZEEnit700，Analytik jena）測定溶液中Cd 離子濃度。

玉米幼苗對Cd 的吸收速率特征采用米氏方程（Michaelis-Menten）計算：

式中：V為植物對Cd 的吸收速率；Vmax為植物對Cd 的最大吸收速率；T為底物濃度；Km為米氏常數(shù)；α 表示為植物對Cd 的吸收能力。

動力學參數(shù)通過GraphPad Prism 8 擬合得到。

1.3.5 玉米葉片光合參數(shù)和葉綠素含量 使用便攜式光合測定儀（Li-6400，LICOR 公司，美國）于采樣1 d 前測定玉米幼苗頂部第1 片完全展開葉的光合速率（photosynthetic rate，Pn）、氣孔導度（stomatal conductance，Gs）和蒸騰速率（transpiration，Tr）。

采用酒精浸提法測定葉綠素含量。剪碎0.3 g 新鮮的玉米葉片浸泡入25 mL，95%的乙醇中，置于25 ℃黑暗環(huán)境，待葉片浸泡至褪色，利用紫外可見分光光度計（L5，上海儀電分析儀器有限公司），以95%的乙醇為空白，在470、649、665 nm 處測得波長，通過計算得出葉綠素a（chlorophyll a，Chl a）、葉綠素b（chlorophyll b，Chl b）、類胡蘿卜素（carotenoid）、總葉綠素含量（total chlorophyll，TChl）以及葉綠素a/葉綠素b（Chl a/Chl b）。計算公式為：

式中：C為色素含量（mg·L-1）；V為提取液體積（mL）；N為稀釋倍數(shù)；m為樣品質量（g）。

其他條件相同，在每100 mL復原奶中分別添加黃精浸提液0.3%，0.4%，0.5%，0.6%，0.7%，按照1.3.1的工藝流程制作黃精酸奶，考查不同黃精浸提液添加量對黃精酸奶品質的影響，確定黃精浸提液的最佳添加量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel、SPSS 25 和Metsbo Analyst 進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析，通過最小顯著差異法（LSD）進行單因素方差分析（one-way ANOVA），確定各處理間差異的顯著性（P＜0.05），采用Pearson 法進行指標間的相關性分析，采用Origin 2018 和Microsoft Visio 繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同濃度Cd 脅迫對玉米幼苗生長的影響

Cd 對玉米幼苗的生長發(fā)育具有明顯的抑制作用（圖1），且抑制作用隨Cd 脅迫濃度的升高而進一步增強，高濃度的Cd 處理導致玉米根系結構異常，生長發(fā)育受阻，葉片發(fā)黃。根和莖的耐受指數(shù)隨Cd 濃度的升高持續(xù)下降（表1），且外源Cd 嚴重抑制玉米幼苗干物質的積累。與對照Cd0相比，隨著Cd 脅迫濃度的持續(xù)升高，玉米幼苗的株高、地上部鮮重和干重分別顯著下降5.60%～52.80%、22.91%～80.86%和19.21%～69.83%（P＜0.05）；主根長、地下部鮮重和干重各減少14.55%～42.96%、14.23%～51.90%及15.30%～43.91%。根冠比隨Cd 脅迫濃度的升高顯著增加（P＜0.05）。

表1 不同濃度Cd 處理對玉米幼苗生長及耐受指數(shù)的影響Table 1 Effect of different Cd treatment on the growth and tolerance index of maize seedlings（mean±SD）

圖1 不同濃度Cd 處理對玉米幼苗生長表型的影響Fig.1 Effect of different concentrations of Cd treatment on growth phenotype of maize seedlings

2.2 不同濃度Cd 脅迫對玉米幼苗根系構型分級的影響

Cd 顯著抑制了玉米幼苗根系的發(fā)育，玉米幼苗的總根長（RL）、根表面積（SA）、根體積（RV）、分枝數(shù)（RF）和根尖數(shù)（RT）隨Cd 脅迫濃度的升高均顯著下降（表2），與Cd0相比分別下降39.22%～81.51%、30.09%～70.47%、19.89%～53.09%、51.88%～84.62%和46.50%～81.60%（P＜0.05）。但根平均直徑（RD）隨Cd 脅迫濃度的升高有不同程度的提升，相對于Cd0提高11.58%～59.06%。Cd 對RL、SA 和RV 的影響隨根直徑大小的不同而異，隨著Cd 脅迫濃度的升高，Ⅰ（RD 0～0.5 mm）、Ⅱ（RD 0.5～1.0 mm）和Ⅲ級（RD 1.0～1.5 mm）徑級區(qū)間的變化趨勢一致，均明顯受到抑制；在Ⅳ級及以上（RD＞1.5 mm）徑級區(qū)間內均不受Cd 的影響，各處理間無顯著性差異（P＞0.05），且占比較小。

表2 不同濃度Cd 處理對玉米根系結構和根系分級的影響Table 2 Influence of Cd treatments with different concentrations on root structure and root classification of maize（mean±SD）

在7 個處理下，RD 0～0.5 mm 徑級區(qū)間的RL 和SA 以及RD 0.5～1.0 mm 徑級區(qū)間的RV 占據(jù)總根系的較大比例；與Cd0相比，隨著Cd 脅迫濃度的升高RD 0～0.5 mm 徑級區(qū)間的RL 和SA 的占比分別降低2.41%～24.07%和6.14%～33.62%，RD 0.5～1.0 mm 徑級區(qū)間的RV 占比于Cd5處達到最大，相比于其他處理高出10.91%～73.79%（圖2）。

圖2 不同濃度Cd 處理下玉米幼苗根長、根表面積以及根體積在不同徑級區(qū)間所占百分比Fig. 2 Maize seedling root length，root surface area and percentage of root volume in different root diameters under different Cd treatments

2.3 不同Cd 濃度脅迫對玉米地上地下部Cd 濃度、含量及轉運系數(shù)的影響

地上部和地下部的Cd 濃度均隨Cd 脅迫濃度的升高顯著增加，其中地下部的Cd 濃度明顯高于地上部（圖3）。地上部、地下部以及整株Cd 含量隨Cd 處理濃度的增加在整體上顯示出上升的趨勢。與Cd0相比，Cd200處理下地上部和地下部的Cd 濃度提高了5.90 和2.49 倍，地上部和地下部的Cd 含量分別是正常生長條件下的2.20 和1.65 倍。外源Cd 濃度達到50 μmol·L-1時轉運系數(shù)的顯著提高會進一步造成地上部Cd 的積累。隨外源Cd 脅迫濃度的變化，地上部與地下部Cd 濃度的變化趨勢符合米氏方程特征（表3），擬合曲線的R2分別為0.9469 和0.9417。隨Cd 脅迫濃度的升高，地上部和地下部對Cd 的吸收顯著增加，且地下部的吸收量高于地上部，地下部的Vmax（植物對Cd 的最大吸收速率）和α（植物對Cd 的吸收能力）高于地上部，分別高出了33.40%和795.08%。

表3 玉米幼苗對營養(yǎng)液中不同濃度Cd 吸收的Michaelis-Menten 方程常數(shù)Table 3 Michaelis-Menten equation constants of Cd uptake by maize seedlings at different concentrations in growth medium

圖3 不同濃度Cd 處理對玉米幼苗組織內Cd 濃度、Cd 含量以及轉運系數(shù)的影響Fig. 3 Effects of different concentrations of Cd treatment on Cd concentration，Cd accumulation and Cd translocation factors of maize seedling tissue

2.4 不同濃度Cd 脅迫對玉米幼苗光合系統(tǒng)的影響

0～50 μmol·L-1Cd 脅迫濃度對玉米的光合速率（Pn）并無顯著影響。氣孔導度（Gs）和蒸騰速率（Tr）在Cd 暴露下受到顯著的抑制，隨Cd 脅迫濃度的提高抑制作用顯著增強（P＜0.05），且變化趨勢相似。在Cd200處 理 下，Pn、Gs和Tr相 對 于Cd0分 別 下 降 了31.50%、66.67%和66.84%（圖4）。

圖4 不同濃度Cd 處理對玉米幼苗光合參數(shù)和葉綠素含量的影響Fig.4 Effects of different concentrations of Cd treatment on photosynthetic parameters and chlorophyll content of maize seedling

葉綠素在植物利用光能方面起著重要作用，可表征植物進行光合作用的能力［13］。與對照組Cd0相比，Chl a、Chl b、類胡蘿卜素以及TChl 均隨Cd 脅迫濃度的升高整體上呈降低趨勢，分別下降15.69%～51.08%、18.10%～47.62%、19.15%～44.68%以及16.51%～50.23%（P＜0.05）。Chl a 與Chl b 的比值在Cd25處達到了最大值，與Cd0相比升高6.92%，并隨Cd 濃度的進一步升高Chl a/Chl b 呈現(xiàn)出明顯下降的趨勢，表明在50～200 μmol·L-1Cd 脅迫下，Chl a 相比于Chl b 對重金屬Cd 的脅迫更為敏感。

2.5 不同濃度Cd 處理下玉米幼苗各指標之間的主成分分析、熱圖分析、相關矩陣以及隨機森林

圖5 不同濃度Cd 處理玉米幼苗各指標變化的主成分分析Fig.5 Principal component analysis of the changes of each index of maize seedlings induced by Cd at different concentrations

相關性分析結果表明，玉米幼苗的地下部Cd 濃度與主根長、地下部鮮重及干重呈極顯著負相關（P＜0.01），相關系數(shù)分別為-0.72、-0.81 和-0.76；地下部Cd 濃度與RL、SA、RV、RF、RT 以及RD 0～0.5 mm、RD 0.5～1.0 mm、RD 1.0～1.5 mm 徑級區(qū)間的RL，SA 和RV 呈顯著負相關（P＜0.05）。地下部Cd 濃度與地上部Cd 濃度密切相關，相關系數(shù)達到0.94。地上部Cd 濃度與株高、地上部鮮重及干重呈極顯著負相關（P＜0.01），相關系數(shù)分別為-0.95、-0.92 和-0.91；地上部Cd 濃度與Chl a、Chl b、TChl、Chl a/Chl b、Pn、Gs和Tr呈顯著負相關（P＜0.05）。另外，地下部和地上部Cd 濃度與根冠比的相關系數(shù)為0.84 和0.77，均為極顯著正相關關系（P＜0.01）（圖6）。

圖6 不同濃度Cd 處理玉米幼苗各指標變化的相關性分析（A）和熱圖（B）Fig. 6 Correlation analysis（A）and thermography（B）of the changes of each index of maize seedlings induced by Cd at different concentrations

隨機森林圖（圖7）表明，對于地下部，營養(yǎng)液中的Cd 首先對地下部Cd 濃度、RD 1.0～1.5 mm 以及RD 0.5～1.0 mm 徑級區(qū)間的RL 和RT、RD 0.5～1.0 mm 徑級區(qū)間的SA、轉運系數(shù)和RD 0.5～1.0 mm 徑級區(qū)間的RV 依次具有較大的影響；對于地上部，Cd 依次對株高、Cd 含量、地上部鮮重、Cd 濃度、Gs、植株Cd 累積總量、莖耐受指數(shù)和地上部干重有重要影響。

圖7 不同濃度Cd 處理玉米幼苗各指標變化的隨機森林分析Fig.7 Random forest analyze of the changes of each index of maize seedlings induced by Cd at different concentrations

3 討論

3.1 玉米生長對Cd 脅迫的響應

玉米作為重要的糧食、經濟、飼料和修復作物，研究玉米Cd 積累特征對于玉米安全種植、畜牧業(yè)的安全生產、土壤修復及人類健康具有重要的理論和實踐意義。

Cd 是一種植物非必需的有毒元素，植物苗期對Cd 脅迫尤其敏感，Cd 進入到細胞內導致活性氧含量升高，對細胞膜造成氧化損傷，阻礙礦質元素和水分的吸收運輸，擾亂植物體內活性氧和元素平衡穩(wěn)態(tài)，破壞代謝過程中有關酶的結構，最終造成植物生長發(fā)育異常［14］。在本試驗中，隨著Cd 脅迫的加劇，Cd 在玉米體內積累到一定程度，導致玉米的主根長、株高及生物量均顯著降低，根系形態(tài)發(fā)生變化，葉片失綠，出現(xiàn)明顯的中毒現(xiàn)象（圖1）。同時，玉米對Cd 的耐受指數(shù)也逐漸減低，相關性分析表明玉米幼苗地上部和地下部的耐受指數(shù)與Cd 濃度呈極顯著負相關（P＜0.01）。楊超光等［15］在玉米上也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。

多項研究表明Cd 脅迫會損傷光合器官，抑制光合作用，阻礙葉綠素合成，從而導致玉米地上部生物量積累和生長發(fā)育受到顯著影響。本研究結果顯示，玉米Pn在0～50 μmol·L-1Cd 濃度之間沒有顯著差異（P＞0.05），當Cd 濃度超過100 μmol·L-1時，Pn急劇下降。此結果說明在一定濃度的Cd 脅迫下，玉米通過調節(jié)非酶促化學物質含量和抗氧化酶活性、調控Cd 離子在細胞內的再分配等防御措施增強自身抵御Cd 毒害的能力。汪洪等［16］在玉米幼苗的研究中發(fā)現(xiàn)，Cd 脅迫可導致光合速率的下降，以及部分抗氧化酶活性隨Cd 處理濃度的提高明顯提升。Wu 等［17］發(fā)現(xiàn)Cd 脅迫條件下，抗氧化酶活性升高，谷胱甘肽（AsA～GSH）循環(huán)增強，從而降低丙二醛、活性氧含量，減輕Cd 造成的氧化損傷，增強玉米防御能力。而高濃度的Cd 會造成細胞和代謝過程相關酶結構不可逆性的破壞，進而抑制玉米正常生長發(fā)育。本試驗中，Gs和Tr也出現(xiàn)類似現(xiàn)象。氣孔由保衛(wèi)細胞組成，是CO2從大氣進入植物和植物蒸騰失水的主要通道，能夠持續(xù)地感知來自環(huán)境的信息，包括根部的遠距離信號，外界刺激下產生的活性氧可造成保衛(wèi)細胞的氧化損傷，進而影響植物Pn和Tr［18］。本試驗中0～50 μmol·L-1Cd 脅迫下Pn沒有受到明顯的抑制，而Gs顯著降低，與Shi 等［8］在蓖麻子（Ricinus communis）的研究中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象相似；劉大林等［19］發(fā)現(xiàn)兩種狼尾草（Pennisetum americanum）在5 mg·kg-1Cd 脅迫下凈光合速率未顯著下降，氣孔導度均顯著降低（Cd濃度梯度：0、5、25、50、75、100 mg·kg-1），和田野等［20］在30 mg·kg-1Cd 脅迫下黑麥草（Lolium perenne）的研究中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象類似（Cd 濃度梯度：0、30、90、100 mg·kg-1）；而錢雷曉等［21］的研究發(fā)現(xiàn)在0～5 mg·kg-1的Cd 脅迫范圍內，兩種小白菜（Brassica campestris）的凈光合速率無明顯變化，氣孔導度出現(xiàn)顯著上升的現(xiàn)象；推測本試驗中0～50 μmol·L-1Cd 脅迫下，玉米的部分抗逆機制在一定程度上緩解了Cd 對玉米幼苗Pn的抑制作用，氣孔限制因素可能是在100～200 μmol·L-1Cd 脅迫下導致Pn降低的誘因之一。

葉綠體作為光合系統(tǒng)中重要的細胞器，是光合作用發(fā)生的場所，具有磷脂雙分子層膜結構。Cd 可誘導大量活性氧的生成，對脂質造成損傷，表現(xiàn)為脂質過氧化作用增強，膜穩(wěn)定性降低［22-23］，對葉綠體中類囊體的形成具有負面作用［24］，損害葉綠體結構［25］。Cd 還可取代葉綠素或酶中的鈣離子等必需金屬元素，破壞其功能，影響光合色素水平［23-26］。在本研究中，Gs和Tr與Chl a、Chl b 和TChl 呈顯著正相關（P＜0.05）；Chl a、Chl b、TChl、Pn、Gs和Tr與株高、根長、地上部和地下部生物量呈極顯著正相關（P＜0.01），與根冠比呈顯著負相關（P＜0.05）；Cd 脅迫下玉米光合色素的含量均明顯下降，與王玉萍等［13］、李繼偉等［27］和王芳等［25］發(fā)現(xiàn)的Cd 可減少玉米光合色素含量的現(xiàn)象一致。試驗中發(fā)現(xiàn)隨Cd 脅迫程度的提高，Chl a/Chl b 表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，說明在不同程度Cd 脅迫下，Cd 對Chl a 和Chl b 的影響有所不同，這些現(xiàn)象與張金彪等［28］在草莓（Fragaria ananassa）中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象一致；Vaculík 等［24］通過水培試驗對玉米進行Cd 脅迫（5 μmol·L-1），脅迫10 d 后發(fā)現(xiàn)Chl a/Chl b 顯著低于對照組；而劉建新等［29］在裸燕麥（Avena nuda）中發(fā)現(xiàn)隨Cd 處理濃度（0～50 mg·kg-1）的上升，Chl a/Chl b 顯著提高。

玉米地上部分Cd 含量與RL、SA、RV、RT 呈顯著負相關（P＜0.05）。這一點與于子昊等［30］的結果相似。李希銘等［31］發(fā)現(xiàn)紫花苜蓿（Medicago sativa）細根Cd 含量高于粗根，且與地上部Cd 含量呈顯著正相關，結果說明細根是植物吸收Cd 的主要器官。在本試驗中，地上部Cd 濃度與RD 0～1.5 mm 徑級區(qū)間的RL、SA 和RV 呈顯著負相關（P＜0.05）。根系吸收的Cd 通過共質體和原生質體途徑到達木質部，經過長距離運輸，運輸?shù)降厣喜糠?，對地上部分造成Cd 毒害，影響地上部分生物量的積累。根冠比的大小反映了植物地下與地上部分的相關性，還可反映環(huán)境脅迫對地下與地上部分的影響程度，根冠比增大有利于植物吸收水分和養(yǎng)分。本試驗結果發(fā)現(xiàn)玉米根冠比隨著Cd 濃度的升高而升高，說明玉米在受到脅迫時增加了光合產物向根系的分配，這種現(xiàn)象是植物生長應對土壤逆境的普遍策略。王玉萍等［13］和王芳等［25］的試驗中玉米根冠比隨Cd 脅迫的增加出現(xiàn)先升高后降低的現(xiàn)象，并均在50 mg·L-1Cd 脅迫時達到最大值，本試驗結果部分與此不一致的原因可能與品種差異和生長環(huán)境差異有關。

3.2 Cd 脅迫下玉米根系形態(tài)響應

根系是植物吸收水分和礦質元素的重要營養(yǎng)器官。根系作為首先接觸土壤有毒物質和最早感知土壤逆境脅迫的器官，其形態(tài)的變化可以直觀反映根對外界環(huán)境的適應能力。植物還可通過改變根系結構從而提高獲取水分和養(yǎng)分的能力，應對逆境脅迫。本試驗結果顯示，隨著Cd 脅迫的加劇，玉米根系的RL、SA、RV、RT 和RF 均顯著下降，且均與地下部Cd 濃度呈極顯著負相關（P＜0.01）；RD 顯著上升，與地下部Cd 濃度呈極顯著正相關（P＜0.01）。于子昊等［30］比較了12 個玉米品種根系與地下部Cd 含量的關系，發(fā)現(xiàn)地下部Cd 含量與根尖數(shù)和分枝數(shù)呈顯著負相關（P＜0.05）。Cd 進入到根細胞內，破壞細胞結構，阻礙根系細胞分裂和伸長，導致根系生長緩慢；Cd 還會干擾植物根系對營養(yǎng)元素的吸收，導致地上部生物量下降［32］。RD 0～0.5 mm、RD 0.5～1.0 mm 和RD 1.0～1.5 mm 徑級區(qū)間的RL、SA 和RV 隨著Cd 脅迫程度的升高顯著降低，而RD＞1.5 mm 徑級區(qū)間的RL、SA和RV 不受Cd 脅迫程度的影響，結果說明玉米細根相對粗根受Cd 的影響較大，表明不同徑級的根系在響應Cd 脅迫方面具有不同的形態(tài)可塑性和功能差異性。何俊瑜等［11］比較了不同濃度Cd 對兩種水稻幼苗根系形態(tài)特征的影響，發(fā)現(xiàn)隨外源Cd 脅迫濃度的升高，對兩種水稻在0～0.5 mm、0.5～1.0 mm 和1.0～1.5 mm 徑級區(qū)間內的根系長度、根系表面積和根系體積具有較大的抑制作用。肖亞濤等［33］發(fā)現(xiàn)Cd 低積累小麥（Triticum aestivum）品種洛優(yōu)9909 和Cd 高積累小麥品種新麥9817 粗根和細根根系形態(tài)在響應Cd 脅迫時具有明顯的品種和濃度差異性。Yu 等［34］比較了18 種草本植物根系形態(tài)的變化與Cd 積累的關系，發(fā)現(xiàn)根系形態(tài)存在明顯的種間差異，其中較細和較長的根可能會導致植物具有較高的Cd 轉運能力，而較粗的根系能保留更多的Cd，以減少Cd 從根系向地上部的轉運，本試驗結果與此存在一定的差異。Guo 等［35］探究了八寶景天（Hylotelephium spectabile）對2 和5 mg·L-1Cd 脅迫的響應，結果顯示Cd 脅迫對根系特征和不同徑級區(qū)間的根長和根表面積無顯著抑制作用。本研究結果中Cd 對1.5 mm 以上徑級區(qū)間的RL、SA 和RV 沒有影響，可能是物種和培養(yǎng)方式不同導致的結果差異?？偟膩碚f，玉米根系在響應土壤環(huán)境變化時具有較強的可塑性，其構型的變化可作為直觀反映土壤脅迫程度的指標，又因其與Cd 吸收密切相關，深入辨析根系響應Cd 脅迫機制對于培育農用Cd 低積累品種，和污染修復用Cd 高積累品種具有重要意義。

4 結論

隨著Cd 脅迫程度的增加，地下部的Cd 濃度與含量均顯著增加，玉米根系受到脅迫后構型發(fā)生改變，變得更短更粗，并顯著減少了根的分枝數(shù)、根尖數(shù)和根表面積，其中較細的根系（RD 0～1.5 mm）受影響更大。相關性分析表明玉米幼苗的Cd 濃度不僅與根系指標中的總根長、根表面積、根體積、分枝數(shù)、根尖數(shù)、RD 0～0.5 mm、RD 0.5～1.0 mm、RD 1.0～1.5 mm 徑級區(qū)間的根長、根表面積和根體積呈顯著負相關，還與光合指標中的總葉綠素、類胡蘿卜素和光合參數(shù)呈顯著負相關，其中玉米幼苗的Cd 濃度與轉運系數(shù)呈顯著正相關，進一步說明Cd 從地下部向地上部的轉運顯著增加，地上部高濃度Cd 的積累使得玉米葉片的通氣性變差，光合效率變低，光合色素含量下降，生物量積累受阻，從而使玉米生長受阻，耐受性變差。