甜高粱苗期鎘耐性和富集能力綜合評價

黃 娟,周 瑜,張亞勤,李澤碧,王秋月,奚 江,吳修林

(重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院特色作物研究所,重慶 402160)

近年來,耕地重金屬污染日益嚴(yán)重[1],其中,鎘(Cadmium,Cd)分布廣泛,易被作物吸收并積累,降低產(chǎn)量和品質(zhì),并通過食物鏈在人體富集,嚴(yán)重威脅人類健康[2-3],為重金屬污染物之首[4]。因此,Cd污染土壤的修復(fù)與安全利用已迫在眉睫。治理Cd污染的方式有多種,而植物修復(fù)是修復(fù)重金屬污染土壤最經(jīng)濟(jì)、綠色的途徑[5]。甜高粱(SorghumbicolorL.)具有抗逆性強(qiáng)、生長快、生物量高、光合效率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢[6-7],在全球廣泛種植,是公認(rèn)的生物能源作物。甜高粱能夠通過根系吸收土壤中的重金屬,并轉(zhuǎn)移到地上部,從而修復(fù)污染土壤[8]。另外,修復(fù)后的甜高粱可以用于生產(chǎn)生物乙醇,作為能源不進(jìn)入食物鏈[9],因此,甜高粱是Cd污染土壤植物修復(fù)最具前景的作物。

不同作物對Cd的耐性不同,花生(Arachishypogaea)和油菜(Brassicanapus)強(qiáng)于大豆(Glycinemax),棉花(Gossypiumhirsutum)強(qiáng)于紅麻(Hibiscuscannabinus)和苧麻(Boehmerianivea)[10],亞香茅(Cymbopogonnardus)強(qiáng)于象草(Pennisetumpurpureum)[11]。高粱具有較強(qiáng)的Cd耐受性,明顯強(qiáng)于小麥(Triticumaestivium)、玉米(Zeamays)和豆角(Canavaliaensiformis)[12-13],在低濃度Cd處理下持續(xù)脅迫30天也能基本保持正常生長[14]。高粱不同基因型間的耐Cd性差異較大,品種間的耐Cd指數(shù)最大差異可達(dá)8.7倍多。耐Cd性更強(qiáng)的品種才能在Cd污染土壤中正常生長[15],因此,評價甜高粱品種耐Cd性,篩選出強(qiáng)耐Cd性甜高粱品種,是利用甜高粱修復(fù)Cd污染土壤的前提。

高粱具有把Cd從土壤吸收到植株中的高富集能力以及從根部轉(zhuǎn)移到莖的高轉(zhuǎn)移能力[16],從而消減土壤中的Cd含量。不同高粱種質(zhì)對重金屬的吸收、轉(zhuǎn)移及儲存能力差異顯著[17]。‘遼甜1號’對Cd的吸收能力強(qiáng)于‘新高粱3號’[18],對Cd的富集系數(shù)高于‘XT-2’[19]。高丹草(Sorghumhybridsudangrass)對Cd的富集能力強(qiáng)于‘大力士’和蘇丹草(Sorghumsudanense)[20]。Jia等[15]發(fā)現(xiàn),Cd總吸收量和轉(zhuǎn)移系數(shù)最高的甜高粱品種比最低的均高4.2倍,選擇Cd富集能力強(qiáng)的基因型,能夠提高修復(fù)效率。因此,篩選富集轉(zhuǎn)移性高的品種是利用甜高粱修復(fù)Cd污染土壤的關(guān)鍵。

然而,現(xiàn)有研究對甜高粱Cd修復(fù)能力的評價僅從耐Cd性或Cd富集能力一個方面進(jìn)行,二者缺乏有機(jī)結(jié)合,綜合評價體系尚不健全。本試驗采用沙培法,分析26份甜高粱品種幼苗在Cd脅迫下生長特性和生理指標(biāo)的變化,運(yùn)用多種統(tǒng)計方法對甜高粱的耐Cd性進(jìn)行綜合評價,同時對甜高粱品種的Cd富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)進(jìn)行比較,篩選出耐Cd性強(qiáng)、富集轉(zhuǎn)移性高的甜高粱品種,以期為利用甜高粱修復(fù)Cd污染土壤提供優(yōu)異材料。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選用26個甜高粱品種,品種名稱及來源見表1。

表1 供試高粱品種及來源Table 1 Sweet sorghum varieties and their origins

1.2 試驗設(shè)計

挑選健康飽滿、大小均勻的甜高粱種子,經(jīng)自來水反復(fù)沖洗后,用75%酒精消毒5 min,去離子水沖洗3次,并浸泡4 h,而后放入鋪有兩層濾紙的培養(yǎng)皿中,置于28℃恒溫箱培養(yǎng)箱內(nèi)催芽。將露白后的種子均勻播種于裝有等量1.5 kg (以干重計)細(xì)砂的塑料花盆(上口徑15 cm,底部直徑10 cm,高14 cm)中,每盆播10粒種子,置于溫度為25℃/20℃(晝/夜),相對濕度為50%～60%,光照周期為14 h/10 h (晝/夜)的溫室中培養(yǎng)。每天澆水1次,以澆透為準(zhǔn),出苗后每隔1 d澆施1/2 Hoagland營養(yǎng)液100 mL。待幼苗長至3葉1心時,每盆定苗5株。然后開始Cd脅迫處理,設(shè)置2個Cd處理水平,即細(xì)砂中Cd2+含量分別為0 (CK)和5 mg·kg-1,稱取152.679 mg的CdCl2·2.5H2O與Hoagland營養(yǎng)液配置成1 000 mL的溶液,每盆澆100 mL,使其土壤最終Cd2+含量達(dá)到5 mg·kg-1,CK澆灌等量的Hoagland營養(yǎng)液,每個處理6次重復(fù)。脅迫期間每隔1 d澆施Hoagland營養(yǎng)液100 mL,為防止Cd2+流失,花盆下墊塑料托盤,將滲出的溶液再返倒回花盆的土中。Cd處理21 d后取樣并測定相關(guān)指標(biāo)。

1.3 指標(biāo)測定

1.3.1生長指標(biāo)的測量 每盆選擇3株具有代表性的植株,3次重復(fù),共9株,小心從細(xì)砂中取出完整植株,先用自來水沖洗,根系洗凈后用20 mmol·L-1的Na2EDTA溶液浸泡15 min,再用去離子水沖洗3次,濾紙吸干,在根莖結(jié)合處剪斷,將植物分為莖葉部和根部,測定生長指標(biāo)。株高(Plant height,PH)：用米尺測量植株基部到上部最長葉葉尖的距離。根長(Root length,RL)：用米尺測量植株基部到根系下端最長距離。根部鮮重(Roots fresh weight,RFW)和莖葉部鮮重(Shoots fresh weight,SFW)：用千分之一天平稱量其鮮重。然后置烘箱105℃殺青30 min,65℃下烘干48 h以上至恒重,分別用千分之一天平再稱量根部干重(Root dry weight,RDW)和莖葉部干重(Shoots dry weight,RDW),再用不銹鋼粉樣機(jī)分別粉碎備測。

1.3.2生理指標(biāo)的測定 每盆選擇3株具有代表性的植株,3次重復(fù),共9株,取倒數(shù)第1片完全展開葉進(jìn)行各項生理指標(biāo)測定。葉綠素(Chlorophyll content,Chl)含量的測定利用SPAD-502Plus便攜式儀測定葉綠素相對含量[21]。超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)、過氧化物酶(Peroxidase,POD)活性和丙二醛(Malondialdehyde,MDA)含量參照楊柳等[22]方法,采用試劑盒(購自蘇州科銘生物技術(shù)有限公司,貨號為SOD-1-Y、POD-1-Y和MDA-1-Y)測定。

1.3.3Cd含量的測定 取烘干的植株樣品,準(zhǔn)確稱取0.1 g,置于聚四氟乙烯消煮管中,將樣品在HNO3∶H2O2=5∶1(體積比,v/v)中消化直至完全澄清。去離子水稀釋后,用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS,Plasma Quant?MS,德國)測定。

重金屬富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)的計算公式[23]為：

1.4 數(shù)據(jù)分析

為了消除不同品種間固有差異對測量結(jié)果的影響,各生長和生理指標(biāo)均采用耐Cd指數(shù)來反映不同甜高粱品種的耐Cd性,即耐Cd指數(shù)X=某一指標(biāo)Cd脅迫處理組測定值/對照組測定值[24]。

在耐Cd性綜合評價過程中,首先對各個單項指標(biāo)的耐Cd指數(shù)進(jìn)行主成分分析,從中選取能夠代替原有指標(biāo)的主成分,然后計算出各品種在各主成分下的綜合指標(biāo)值,在此基礎(chǔ)上再計算出各品種各綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值,最后根據(jù)各綜合指標(biāo)權(quán)重計算出耐Cd性綜合評價值D值,以此確定各品種耐Cd性的強(qiáng)弱。相關(guān)計算公式如下[25-26]：

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)中,Cij表示第i品種的第j個綜合指標(biāo)值,Zij為各單項指標(biāo)耐Cd指數(shù)的特征值所對應(yīng)的特征向量,Xij為第i品種的第j指標(biāo)的耐Cd指數(shù)。

式(2)中,Uij表示甜高粱第i品種的第j個綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值;Cjmin和Cjmax分別為所有參試材料第j個綜合指標(biāo)的最小值和最大值。

式(3)中,Wj為第j個綜合指標(biāo)在所有綜合指標(biāo)中的權(quán)重;Vj為各品種第j個綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率。

式(4)中,D值為由生長和生理指標(biāo)確定的耐Cd能力綜合評價值,該值越大表明品種耐Cd性越強(qiáng),反之耐Cd性越弱[27]。

采用Microsoft Excel 2010整理數(shù)據(jù),SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析、主成分分析、隸屬函數(shù)分析和聚類分析。采用Duncan’s法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd脅迫對不同甜高粱品種苗期的影響

方差分析結(jié)果可知(表2),10項指標(biāo)在甜高粱品種和Cd處理間均存在極顯著差異(P<0.01)。由表3可知,與對照相比,Cd脅迫下甜高粱幼苗的根長、株高、根鮮重、根干重、莖葉鮮重、莖葉干重、葉綠素含量分別降低16.614%,11.263%,16.603%,23.889%,15.734%,11.450%,19.050%,POD活性、SOD活性和MDA含量分別升高38.832%,21.758%和102.605%,表明MDA含量對Cd脅迫更敏感。Cd脅迫下,10項指標(biāo)的變異系數(shù)均在10%以上,其中SOD活性最高,葉綠素含量最低。

表2 不同處理下各甜高粱品種幼苗性狀的方差分析Table 2 Variance analysis of seedling traits of sweet sorghum varieties under different treatments

表3 不同處理對甜高粱品種幼苗性狀的影響Table 3 Effects of different treatments on the seedling traits of sweet sorghum varieties

2.2 不同甜高粱品種耐Cd性評價

2.2.1不同甜高粱品種的耐Cd性差異 由表4可知,不同甜高粱品種的單項耐Cd指數(shù)差異明顯,除根鮮重外,其余指標(biāo)在品種間均有極顯著差異(P<0.01)。根長、株高、根鮮重、根干重、莖葉鮮重、莖葉干重、葉綠素含量、POD活性、SOD活性、MDA含量的耐Cd指數(shù)變化范圍分別為0.738～0.945,0.678～1.037,0.655～0.945,0.532～0.950,0.603～1.053,0.681～1.040,0.607～1.055,1.117～1.946,0.901～2.272,1.627～2.697。變異系數(shù)介于6.268%～27.044%之間,SOD活性耐Cd指數(shù)的CV最大,為27.044%,其次為根干重耐Cd指數(shù),CV為20.455%,再次為MDA含量、POD活性和根鮮重的耐Cd指數(shù),CV分別為17.304%,16.648%和16.612%,CV均大于15%,根長耐Cd指數(shù)的CV最小,為6.278%。

2.2.2甜高粱各指標(biāo)的主成分分析 對26份甜高粱的根長、株高、根鮮重、根干重、莖葉鮮重、莖葉干重、葉綠素含量、POD活性、SOD活性和MDA含量10項指標(biāo)的耐Cd指數(shù)進(jìn)行主成分分析(表5),前3個主成分的貢獻(xiàn)率分別為60.162%,16.334%,10.745%,累積貢獻(xiàn)率達(dá)87.242%,因此提取3個主成分對耐Cd性進(jìn)行分析,可代表10項原始指標(biāo)的大部分?jǐn)?shù)據(jù)信息。第1主成分的特征值為6.016,對應(yīng)較高的特征向量為株高、根干重、葉綠素含量和MDA含量的耐Cd指數(shù);第2主成分特征值為1.633,對應(yīng)較高的特征向量為根鮮重、POD和SOD活性的耐Cd指數(shù);第3主成分特征值為1.075,對應(yīng)較高的特征向量為根長、莖葉鮮重和干重的耐Cd指數(shù)。

表4 不同Cd脅迫下相關(guān)指標(biāo)的耐性指數(shù)X值Table 4 The X value of tolerance indicators of the tested varieties under cadmium stress

表5 各綜合指標(biāo)的系數(shù)、特征值、貢獻(xiàn)率Table 5 Coefficient,characteristic value and contribution rate of each comprehensive index

2.2.3甜高粱苗期耐Cd性綜合評價 由主成分分析結(jié)果,根據(jù)公式(1)計算出甜高粱各品種的3個綜合指標(biāo)得分值(表6),然后再根據(jù)公式(2)計算出不同品種各綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值Uij。在主成分1下,‘F10’(S8)的隸屬函數(shù)值最大,U1值為1.000,表明‘F10’(S8)在第1主成分上耐Cd能力最強(qiáng);而‘晉草12’(S13)的隸屬函數(shù)值最小,U1值為0,表明‘晉草12’(S13)在第1主成分上耐Cd能力最差。

根據(jù)公式(3)計算各綜合指標(biāo)權(quán)重Wj,3個主成分的權(quán)重分別為0.690,0.187,0.123。帶入公式(4)計算各甜高粱品種耐Cd能力綜合評價值D值,并對其耐Cd能力強(qiáng)弱進(jìn)行排序(表6)。其中‘遼甜6號’(S3)的D值最大,為0.952,表明其耐Cd能力最強(qiáng),其次為‘F10’(S8)和‘10132’(S26),D值分別為0.881和0.872;‘晉草12’(S13)的D值最小,僅有0.116,說明其耐Cd能力最差。

采用歐氏距離法對D值進(jìn)行聚類分析,可將26份甜高粱品種劃分為3類：‘遼甜6號’(S3)、‘10132’(S26)和‘F10’(S8)為第Ⅰ類,共3個品種,耐Cd性排序位于前3位,D值為0.872～0.937,屬于強(qiáng)耐Cd型品種;‘bmv6A×20152128’(S17)、‘皖甜1號’(S20)、‘大獎1180’(S6)、‘隴甜高1號’(S11)、‘10099’(S22)、‘Sx14A×海牧’(S14)、‘L407A×Ma-5-2’(S15)、‘10125’(S24)、‘遼甜3號’(S2)、‘青貯大師’(S18)、‘大力士’(S7)、‘10130’(S25)、‘隴甜高2號’(S12)、‘晉牧1號’(S16)、‘BJ0603’(S5)、‘皖草3號’(S21)、‘隴草2號’(S10)、‘隴草1號’(S9)、‘遼甜1號’(S1)、‘超級糖王’(S19)為第Ⅱ類,共20個品種,耐Cd性排序位于4～23位,D值為0.378～0.665,屬于中等耐Cd型品種;‘遼甜7號’(S4)、‘晉草12’(S13)和‘10112’(S23)為第III類,共3個品種,耐Cd性排序位于24～26位,D值為0.114～0.136,屬于Cd敏感型品種(表6)。

表6 各品種綜合指標(biāo)值、隸屬函數(shù)值、權(quán)重、D值、排序及綜合評價Table 6 Comprehensive index value,subordinate function value,index weight,D value,ranking and comprehensive evaluation of each tested variety

2.3 不同甜高粱品種的富集能力評價

2.3.1甜高粱對Cd的富集和轉(zhuǎn)移能力差異 由表7可知,不同甜高粱品種對Cd的根部富集系數(shù)和莖葉富集系數(shù)差異極顯著(P<0.01),范圍分別為0.179～0.685和0.083～0.671;平均值分別為0.311和0.233;變異系數(shù)分別為44.095%和60.736%。供試26個甜高粱品種中,‘F10’(S8)、‘遼甜6號’(S3)和‘隴草2號’(S10)的根部富集系數(shù)最高,均大于0.5,分別是根部富集系數(shù)最小‘大力士’(S7)的3.8,3.3和2.9倍;‘遼甜6號’(S3)和‘F10’(S8)的莖葉富集系數(shù)最高,均大于0.5,是莖葉富集系數(shù)最小‘晉草12’(S13)的8.1和7.1倍。根部富集系數(shù)一般大于莖葉富集系數(shù),除了‘遼甜6號’(S3)和10130(S25)外。

從表7可知,不同甜高粱品種對Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)差異極顯著(P<0.01),變化范圍為0.338～1.137;平均值為0.734;變異系數(shù)CV為24.275%?！?0130’(S25)和‘遼甜6號’(S3)的轉(zhuǎn)移系數(shù)最高,分別為1.137和1.126,分別是轉(zhuǎn)移系數(shù)最小‘隴甜高2號’(S12)的3.4和3.3倍。

表7 各甜高粱幼苗中Cd生物富集系數(shù)及轉(zhuǎn)移系數(shù)Table 7 Cd bioconcentration factor and transfer coefficient in sweet sorghum seedlings

2.3.2強(qiáng)Cd耐性、高富集轉(zhuǎn)移能力甜高粱品種篩選 為篩選出對Cd耐性強(qiáng)、富集轉(zhuǎn)移能力高的甜高粱品種,以甜高粱的耐Cd能力的綜合評價值D值、地上部富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)為變量,采用歐氏距離法進(jìn)行聚類分析,可將26種甜高粱品種劃分為4類(圖1)：第I類2個品種,包括‘遼甜6號’(S3)和‘F10’(S8),占供試材料的7.692%,屬于耐性強(qiáng)且富集轉(zhuǎn)移強(qiáng)型品種;第II類4個品種,包括‘10132’(S26)、‘隴草2號’(S10)、‘隴草1號’(S9)和‘遼甜1號’(S1),占供試材料的15.385%,屬于耐性較強(qiáng)但富集轉(zhuǎn)移較弱型品種;第III類數(shù)量最多共18個品種,包括‘10130’(S25)、‘隴甜高2號’(S12)、‘遼甜7號’(S4)、‘皖甜1號’(S20)、‘超級糖王’(S19)、‘青貯大師’(S18)、‘晉牧1號’(S16)、‘遼甜3號’(S2)、‘L407A×Ma-5-2’(S15)、‘BJ0603’(S5)、‘皖草3號’(S21)、‘大獎1180’(S6)、‘10125’(S24)、‘大力士’(S7)、‘隴甜高2號’(S12)、‘10099’(S22)、‘bmv6A×20152128’(S17)和‘隴甜高1號’(S11),占供試材料的69.231%,屬于耐性較弱但富集轉(zhuǎn)移較強(qiáng)型品種;第IV類2個品種,包括‘10112’(S23)和‘晉草12’(S13),占供試材料的7.692%,屬于耐性弱且富集轉(zhuǎn)移弱型品種。

圖1 26個甜高粱品種的聚類分析Fig.1 Dendrogram of cluster analysis of 26 sweet sorghum varieties

3 討論

3.1 Cd脅迫對甜高粱幼苗生長的影響

Cd對甜高粱幼苗有毒害作用,表現(xiàn)為葉片變窄變薄、葉片發(fā)黃失綠,植株變矮以及根系生長發(fā)育受阻,植株生長受到抑制,生長緩慢、生物量下降[18]。本研究中,Cd脅迫21 d,高粱呈根長變短、根重降低、株高變矮、莖葉重量降低、葉綠素含量下降、POD活性和MDA含量升高趨勢。Cd進(jìn)入植物體內(nèi),首先在根系積累,通過損傷根尖細(xì)胞的核仁,降低核糖核酸酶活性,改變RNA合成,抑制細(xì)胞分裂,阻礙根系的伸長生長[28],降低植物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收[29]。然后經(jīng)蒸騰作用由根系運(yùn)輸?shù)降厣喜?進(jìn)入葉綠體,影響葉綠素的生物合成和光化學(xué)反應(yīng)的運(yùn)行,擾亂葉綠體的功能,破壞光系統(tǒng)II(PSII),降低光合作用[30-31]。同時Cd誘導(dǎo)活性氧(ROS)的產(chǎn)生,造成細(xì)胞膜脂過氧化,破壞細(xì)胞內(nèi)氧化還原平衡,損傷細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng),影響植株的細(xì)胞代謝能力[32],最終阻礙植物正常的生長發(fā)育[20,33]。

3.2 甜高粱苗期耐Cd性評價

生長和生理生化指標(biāo)均可用來評價植物的耐Cd性,單一指標(biāo)分析耐Cd性時,雖然可對耐Cd性進(jìn)行快速的鑒定,但植物的耐Cd性是多種生理生化的綜合反應(yīng)[34],受多因素調(diào)控,單項指標(biāo)往往只能反映某個性狀或某個時期對Cd脅迫的反應(yīng),難以全面的評價植物的耐Cd能力[35]。因此選擇合適的方法是正確評價植物耐Cd能力的關(guān)鍵。前人對植物的耐Cd性已有相關(guān)研究,張付貴等[36]比較了單個指標(biāo)和多指標(biāo)對甘藍(lán)型油菜幼苗期的耐Cd性進(jìn)行評價,表明主成分分析法是耐Cd性評價的最優(yōu)方法。田小霞等[26]運(yùn)用基于主成分分析的隸屬函數(shù)法篩選出6份強(qiáng)耐Cd能力的馬藺(Irislactea)材料。余瑋等[37]利用隸屬函數(shù)法評價9個苧麻品種的耐Cd性差異。本研究結(jié)果顯示,除根鮮重外,其余9項指標(biāo)的耐Cd指數(shù)在甜高粱品種間差異極顯著。進(jìn)一步表明用單項指標(biāo)很難準(zhǔn)確地反映出不同品種的耐Cd能力,選取多項指標(biāo)綜合評價值更可信,利用隸屬函數(shù)法對多個指標(biāo)進(jìn)行綜合分析,可以避免單一指標(biāo)帶來的片面性[38]。本研究中,主成分分析將10個單項指標(biāo)轉(zhuǎn)化成3個相互獨立的綜合指標(biāo),計算出各品種的3個綜合指標(biāo)值,再利用隸屬函數(shù)法與各綜合指標(biāo)權(quán)重獲得不同甜高粱品種苗期耐Cd能力的綜合評價值D值,再根據(jù)D值進(jìn)行聚類,將26個甜高粱品種劃分成強(qiáng)耐Cd、中等耐Cd和Cd敏感3種類型。

3.3 甜高粱Cd富集和轉(zhuǎn)移能力比較

植物通過根系吸收土壤中的Cd,并且儲存在各個部位中,從而達(dá)到消減土壤Cd含量的目的。富集系數(shù)是評價植物吸附重金屬能力的重要指標(biāo),富集系數(shù)越大,表明植物富集能力越強(qiáng)[39]。張英等[39]通過對269份苧麻資源進(jìn)行評價鑒定,篩選出18份高Cd富集能力的種質(zhì)。Tsuboi等[40]通過比較106個高粱品種Cd積累,最高基因型比最低高近140倍。籍貴蘇等[17]研究表明Cd主要在高粱根中富集,本試驗結(jié)果與之類似,大部分甜高粱品種的Cd富集系數(shù)表現(xiàn)為根部>莖葉,由于根最先直接接觸Cd,植物為了使其他部位免遭毒害,在根中與Cd形成大分子絡(luò)合物,影響Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)[41],另外Cd與根部形成的植物螯合肽(PCs)能螯合鈍化Cd2+,故而易在根部儲存積累[42]。

植物吸收重金屬后,根部還繼續(xù)留在土壤中,其吸收的重金屬又回到土壤中,只有地上部的重金屬可徹底從土壤中移除,因此需要促進(jìn)重金屬從根部向上轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)移系數(shù)是評價植物從根部向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬的能力,轉(zhuǎn)移系數(shù)越大,植物轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬能力越強(qiáng)[41]。Jia等[15]認(rèn)為96個高粱品種的Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)差異達(dá)4倍以上,且隨Cd處理濃度增加,轉(zhuǎn)移系數(shù)下降[16]。本試驗中,不同甜高粱品種的轉(zhuǎn)移系數(shù)為0.338～1.137,最大差異達(dá)到3.4倍。苯丙素和木質(zhì)素合成、細(xì)胞壁修飾過程以及某些金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的差異表達(dá)可能是導(dǎo)致兩個甜高粱品系對Cd吸收和轉(zhuǎn)移能力不同的重要原因[16]。

此外,高粱對Cd的富集能力和轉(zhuǎn)移能力不一致,如品種‘10130’(S25)、‘BJ0603’(S5)的根富集系數(shù)居中或偏低,但其轉(zhuǎn)移系數(shù)卻偏高;而‘晥?zhí)?號’(S20)、‘10112’(S23)的根和莖葉富集系數(shù)均較高,但其轉(zhuǎn)移系數(shù)卻較低?？赡苁荂d在根中主要結(jié)合于細(xì)胞壁上或儲存于液泡內(nèi),使細(xì)胞內(nèi)游離的Cd少,移動性變差,前一器官對Cd具有固定或“攔截”能力,會對下一器官Cd的積累產(chǎn)生影響[43]。另外Cd的轉(zhuǎn)移還與轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、重金屬ATP酶4(HMA4)和植物鎘抗性蛋白(PCR1/2)的差異有關(guān)[32]。因此,需要篩選富集和轉(zhuǎn)移能力均較高的品種,從而提高植物修復(fù)效率。

3.4 綜合評價

通常認(rèn)為,植物重金屬富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1,表明該植物富集能力強(qiáng),適合用于重金屬污染修復(fù)[44-46],但它忽略了植物富集能力與生長情況之間的關(guān)系,在實際應(yīng)用中存在不足[47]。單一的耐性評價或富集能力評價具有局限性,存在富集能力強(qiáng),但生物量低、生長緩慢,或者耐受性強(qiáng),但富集轉(zhuǎn)移重金屬能力卻低[48],導(dǎo)致修復(fù)周期長且去除污染量小[6]。本文中的‘遼甜7號’(S4)雖然對Cd敏感,但是Cd富集轉(zhuǎn)移能力較強(qiáng);而‘10132’(S26)耐Cd性強(qiáng),但富集轉(zhuǎn)移能力卻較弱,均不適于修復(fù)重金屬污染。因此,需要將二者結(jié)合起來,篩選出Cd耐受性強(qiáng)且富集、轉(zhuǎn)移能力強(qiáng)的植物。胡旭等[49]采用水培試驗,對181份海雀稗(Paspalumvaginatum)種質(zhì)進(jìn)行耐Cd性和Cd富集能力評價,篩選出6份可作為修復(fù)Cd污染土壤的種質(zhì)。本研究以甜高粱的耐Cd能力的綜合評價值D值、地上部富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)為變量,進(jìn)行聚類分析,將26個甜品種劃分為4種類型。其中‘10112’(S23)和‘晉草12’(S13)為Cd耐性弱且富集轉(zhuǎn)移弱型品種,在生長上表現(xiàn)為植株矮小、葉片發(fā)黃,避免種植在Cd污染土壤上?！|甜6號’(S3)和‘F10’(S8)為Cd耐性強(qiáng)且富集轉(zhuǎn)移強(qiáng)的品種,適合用于修復(fù)土壤Cd污染。

4 結(jié)論

通過主成分分析和隸屬函數(shù)法,計算出不同甜高粱品種苗期耐Cd能力的綜合評價值D值,再利用D值進(jìn)行聚類,篩選出3份耐Cd性強(qiáng)的品種。采用歐氏距離法對D值、富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)進(jìn)行聚類分析,將26個甜高粱品種劃分成4類,耐性強(qiáng)且富集轉(zhuǎn)移強(qiáng)型、耐性較強(qiáng)但富集轉(zhuǎn)移較弱型、耐性較弱但富集轉(zhuǎn)移較強(qiáng)型和耐性弱且富集轉(zhuǎn)移弱型,其中‘遼甜6號’和‘F10’是耐性強(qiáng)且富集轉(zhuǎn)移強(qiáng)型品種,具有較高的Cd吸收能力和轉(zhuǎn)移能力,適用于修復(fù)土壤Cd污染。