夏蔓蔓，何冠諦，符東順，付天嶺，郭 超，楊世梅 ，何騰兵,

(1.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴陽(yáng) 550025； 2.貴州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，貴陽(yáng) 550025；3.貴州大學(xué)新農(nóng)村發(fā)展研究院，貴陽(yáng) 550025)

鎘(Cadmium，Cd)是我國(guó)農(nóng)田土壤重金屬污染物中的優(yōu)先污染物，其點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)7.0%[1]。Cd的生物毒性和流動(dòng)性都較強(qiáng)[2]，長(zhǎng)期存留在土壤中，可通過植物吸收進(jìn)入食物鏈，威脅人類健康[3]，還會(huì)在植物體內(nèi)過量累積抑制植物種子的發(fā)芽及對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收、擾亂植物正常的新陳代謝、降低植物體內(nèi)的葉綠素含量、破壞植物的呼吸作用和光合作用等，進(jìn)而影響作物的產(chǎn)量、品質(zhì)和安全[4-6]。因此，研究作物的耐鎘性強(qiáng)弱并篩選出耐鎘性強(qiáng)的農(nóng)作物品種具有重要的實(shí)踐和理論意義。吳敏蘭等[7]通過研究不同水平Cd脅迫對(duì)煙草葉綠素含量、活性氧代謝和煙草生物量等的影響得出，K 326和云煙87對(duì)鎘脅迫較為敏感，而翠碧1號(hào)耐鎘性較強(qiáng)。高夕彤等[8]也對(duì)Cd脅迫下不同品種番茄的耐鎘性進(jìn)行差異性研究，發(fā)現(xiàn)脅迫后不同品種番茄在株高、根長(zhǎng)、總生物量以及葉綠素含量等在含量上變化不盡相同，其中908表現(xiàn)出最強(qiáng)的耐鎘性。不同品種的小白菜對(duì)Cd的生理生化響應(yīng)也不盡相同，張菊平等[9]通過對(duì)比分析這些指標(biāo)，篩選出四季青、日本華冠和上海雞毛菜這3個(gè)對(duì)Cd的耐受能力較強(qiáng)的小白菜品種。馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)是僅次于小麥、水稻和玉米的世界第四大主糧作物[10]，2017年我國(guó)馬鈴薯的種植面積和總產(chǎn)量分別達(dá)576.7萬(wàn)hm2和9 920.5萬(wàn)t，均穩(wěn)居世界首位[11]。目前關(guān)于篩選馬鈴薯品種Cd吸收差異的研究已有報(bào)道，但對(duì)不同品種的耐鎘性資源積累尚不充分，應(yīng)予以加強(qiáng)。本研究通過測(cè)定6個(gè)馬鈴薯品種在Cd脅迫后的形態(tài)、生理和光合特征等指標(biāo)，利用隸屬函數(shù)值法分析各指標(biāo)與馬鈴薯耐鎘性間相互關(guān)系，評(píng)價(jià)這6個(gè)品種的耐鎘性差異，以期為篩選和培育耐鎘馬鈴薯新品種提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試品種為青薯9號(hào)(QS 9)、威芋7號(hào)(WY 7)、云薯505(YS 505)、畢薯2號(hào)(BS 2)、LZ川(LZC)和云薯801(YS 801)等6個(gè)馬鈴薯品種。供試土壤為砂巖風(fēng)化物發(fā)育的硅鋁質(zhì)黃壤，土壤理化性質(zhì)為：pH值5.18，有機(jī)質(zhì)27.58 g·kg-1、全氮1.19 g·kg-1、CEC 9.34 cmol·kg-1和土壤全Cd 1.246 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018年3—7月在貴州大學(xué)資環(huán)學(xué)院溫室大棚內(nèi)進(jìn)行。選取健康、大小一致的塊莖作為種薯，盆栽控水方式進(jìn)行試驗(yàn)。盆栽所用塑料盆直徑40 cm，高30 cm。土壤經(jīng)風(fēng)干、磨碎、過40 mm孔徑篩，每盆裝土10 kg，施復(fù)合肥(N∶P∶K=15∶15∶15)10 g作為基肥與土壤混勻后裝盆。每品種9盆，每盆1株。種植后，每品種分別取3盆，向其中加入CdCl2溶液，使土壤鎘濃度為50 mg·kg-1；待所有馬鈴薯長(zhǎng)到發(fā)棵期，每品種再取未處理3盆，向其中加入CdCl2溶液，使土壤鎘濃度為50 mg·kg-1；剩余每品種3盆，則不進(jìn)行鎘處理。待所有馬鈴薯再生長(zhǎng)7 d，開始測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)。

1.2.2測(cè)定指標(biāo)及方法

株高：以馬鈴薯植株從地面裸露開始到最上部展開葉葉尖的距離作為植株株高；最大節(jié)間距：以每株馬鈴薯一個(gè)節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的最大距離作為植株最大節(jié)間距。

葉綠素(Chl)含量采用分光光度計(jì)法進(jìn)行測(cè)定[12]，丙二醛含量(MDA)、超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、苯丙氨酸酶(PAL)、多酚氧化酶(PPO)均使用南京建成生物工程研究所提供的試劑盒進(jìn)行測(cè)定。凈光合速率(Pn)采用便攜式光合測(cè)定儀(GSF 3000，德國(guó)WALZ)，測(cè)定時(shí)間為09：00—11：00時(shí)，溫度25 ℃，在陽(yáng)光充足的白天對(duì)馬鈴薯植株的數(shù)第4片葉進(jìn)行測(cè)定。指標(biāo)測(cè)定均3次重復(fù)，結(jié)果取平均值。

1.2.3數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換[13]，隸屬函數(shù)公式為：

…(1)

…(2)

采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，用SigmaPlot 14.0軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd脅迫對(duì)馬鈴薯形態(tài)特征的影響

如表1所示，與對(duì)照組(ck)相比，Cd脅迫7 d時(shí)，6個(gè)馬鈴薯品種的株高和最大節(jié)間距指標(biāo)差異不顯著，但在Cd脅迫45 d時(shí)，6個(gè)品種的株高和最大間距均顯著下降。LZC和BS 2的株高指標(biāo)降幅較大，分別為77.8%和77.6%，WY 7降幅最小，僅為35.0%；BS 2的最大節(jié)間距指標(biāo)降幅最大，達(dá)62.0%，其次是QS 9(61.1%)，WY 7的最大節(jié)間距指標(biāo)降幅最小，為20.2%。以上研究表明，Cd脅迫處理45 d可顯著影響6個(gè)馬鈴薯品種的株高和最大節(jié)間距，但在6個(gè)品種中WY 7的株高和最大節(jié)間距的降幅均較小，說明WY 7較其它5個(gè)品種具有較強(qiáng)的鎘耐受性。

表1 Cd脅迫對(duì)不同品種馬鈴薯形態(tài)特征的影響

2.2 Cd脅迫對(duì)馬鈴薯生理指標(biāo)的影響

2.2.1Cd脅迫對(duì)馬鈴薯MDA和Chl含量的影響

MDA是膜脂過氧化的分解產(chǎn)物，其含量的高低可反映植物受到損傷程度的強(qiáng)弱。如圖1 所示，與ck比，Cd分別脅迫7 d(S)和45 d(L)時(shí)，馬鈴薯6個(gè)品種葉片中的MDA含量均顯著增加。相比ck，脅迫45 d時(shí)，6個(gè)品種的增幅分別為37.6%、21.9%、38.1%、43.2%、26.9%、25.5%，WY 7的增幅最小，BS 2增幅最大，說明在Cd脅迫下，WY 7的膜脂過氧化程度較輕，而BS 2受傷害程度較重。與ck相比，Cd脅迫7 d后，QS 9和YS 801的Chl含量變化不顯著，WY 7、YS 505、BS 2的Chl含量分別下降了13.2%、51.0%、19.7%，LZC上升了18.4%，YS 505降幅最大。與ck相比，Cd脅迫45 d后，6個(gè)品種馬鈴薯的Chl含量都顯著下降，降幅在33.9%～82.8%之間，YS 505降幅最大，WY 7降幅最小，說明在Cd脅迫下，WY 7較其他品種更能維持較高的Chl含量，耐鎘能力較強(qiáng)。

圖1 MDA 和葉綠素含量的變化

2.2.2Cd脅迫對(duì)馬鈴薯AOEs活性的影響

如圖2所示，與ck比，Cd脅迫7 d后，除BS 2的SOD活性增加不顯著外，其余品種的SOD活性都顯著增加，與ck相比，脅迫45 d后，6個(gè)馬鈴薯品種的SOD活性分別增加了29.4%、67.4%、28.1%、14.8%、30.3%、39.7%，WY 7的增幅最大，BS 2增幅最小。6個(gè)馬鈴薯品種中，YS 505的POD活性在Cd脅迫7 d和45 d后均無顯著差異，其余品種的POD活性在Cd脅迫后均顯著增加，Cd脅迫7 d后的增幅為10.4%～50.6%，Cd脅迫45 d后的增幅為12.7%～53.6%。與ck相比，Cd脅迫7 d和45 d后6個(gè)品種的CAT活性均顯著上升，Cd脅迫7 d后的CAT活性增幅在17.9%～59.2%之間，Cd脅迫45 d后CAT活性的增幅在21.6%～62.1%之間，QS 9在Cd脅迫7 d和45 d后的增幅都最小，Cd脅迫7 d后WY 7增幅最大，脅迫45 d后YS 505增幅最大，說明Cd脅迫后，WY 7和YS 505平衡活性氧的產(chǎn)生與消除能力較低，QS 9能力較強(qiáng)。與ck比，Cd脅迫7 d后，WY 7、YS 505和BS 2的PAL活性在Cd脅迫7 d后無顯著變化，QS 9、LZC、YS 801的PAL活性顯著增加，YS 801增幅最大(37.5%)，與ck相比，Cd脅迫45 d后，除BS 2變化不顯著外，其余5個(gè)品種馬鈴薯的PAL活性都顯著增加，增幅在11.6%～23.9%之間，其中WY 7增幅最大。與ck相比，Cd脅迫7 d和45 d后，馬鈴薯6個(gè)品種的PPO活性都呈上升趨勢(shì)，Cd脅迫7 d和45 d后的增幅為15.9%～32.9%、22.0%～36.6%，2種脅迫條件下，WY 7的PPO活性增幅都最大，而BS 2都最小。

圖2 抗氧化酶活性的變化

2.3 Cd脅迫對(duì)馬鈴薯Pn的影響

如圖3所示，Cd脅迫后，所有品種的Pn均受到顯著抑制。與ck相比，Cd脅迫7 d和45 d后的降幅分別為18.1%～28.4%、36.0%～54.1%，脅迫7 d后的降幅遠(yuǎn)小于脅迫45 d后的，Cd脅迫7 d，WY 7的Pn從14.45 mg·(dm2·h)-1降到11.83 mg·(dm2·h)-1，脅迫45 d則降到了9.25 mg·(dm2·h)-1，在所有品種中下降最少，BS 2的降幅在Cd脅迫7 d和45 d后都是最大的，分別為28.4%、54.1%?？梢奧Y 7對(duì)鎘的強(qiáng)耐受性，BS 2則較弱。

圖3 凈光合速率的變化

2.4 Cd脅迫下馬鈴薯6個(gè)品種的耐鎘性隸屬函數(shù)分析

植物耐鎘性受到多方面因素的影響，因此，評(píng)價(jià)植物的耐鎘性應(yīng)該從多個(gè)指標(biāo)的綜合變化來分析，減少單個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)“以偏概全”，造成誤差。模糊隸屬函數(shù)值法常被應(yīng)用于植物耐鎘性綜合分析[13-15]。本研究計(jì)算6個(gè)馬鈴薯品種各項(xiàng)生理指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，求其平均值并排序，結(jié)果顯示其耐鎘性強(qiáng)弱依次為WY 7>YS 801>LZC>YS 505>QS 9>BS 2。

表2 6個(gè)馬鈴薯品種耐鎘性隸屬函數(shù)值

3 結(jié)論與討論

近年來，關(guān)于Cd對(duì)植物生長(zhǎng)和代謝的影響研究成為植物逆境生理學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。MDA是膜脂過氧化的分解產(chǎn)物，其含量的高低可反映植物受到損傷的程度，因此通常被視為衡量植物對(duì)非生物脅迫耐受能力的關(guān)鍵指標(biāo)。本研究中，Cd脅迫后6個(gè)馬鈴薯品種葉片中的MDA含量都呈上升趨勢(shì)，這與李佩華等[16]的研究結(jié)果一致。植物對(duì)非生物脅迫的耐受性與其體內(nèi)的酶類活性和化合物含量密切相關(guān)。當(dāng)植物受到Cd脅迫時(shí)，體內(nèi)的活性氧(ROS)會(huì)過量累積，并與—SH、—COOH等結(jié)合來改變靶蛋白的活性，引起細(xì)胞代謝失調(diào)，從而毒害植物[17]。而植物體內(nèi)的氧化還原酶類，如SOD、POD、CAT、PAL和PPO等則可以幫助清除植物體內(nèi)的毒素[18]。本試驗(yàn)中，6個(gè)馬鈴薯品種受到Cd脅迫后，所測(cè)的氧化還原類酶活性都發(fā)生改變，只是不同品種之間存在一定的差異。Cd脅迫后，除BS 2在脅迫7 d后的SOD活性與對(duì)照相比不顯著外，其余品種在2種脅迫下的SOD活性都顯著上升，同時(shí)BS 2的PAL活性在Cd脅迫前后差異不顯著，這可能是由于品種自身特性決定的。6個(gè)品種的CAT和PPO活性在脅迫前后都差異顯著。BS 2和QS 9在幾種酶活性的增幅上都低于其余品種，而WY 7在幾種酶活性中的增幅都較大，由此可以看出，WY 7在Cd脅迫環(huán)境下較其他品種的優(yōu)越性。本研究中，馬鈴薯葉片CAT和POD的活性在鎘脅迫后呈上升的趨勢(shì)，這與黃登峰等[19]研究結(jié)果一致。

光合作用是植物體內(nèi)重要的代謝過程。Cd2+能抑制植物的光合作用，主要表現(xiàn)在破壞葉綠素結(jié)構(gòu)、降低光合色素積累等方面，最終導(dǎo)致植物的生長(zhǎng)受阻，生物量降低[20]。Chl作為植物光合作用的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，各種環(huán)境脅迫均可導(dǎo)致Chl的破壞與降解。本研究中，馬鈴薯6個(gè)品種在鎘處理后的Chl含量和凈光合速率都顯著下降，相比對(duì)照，兩者在Cd脅迫7 d后的降幅都要遠(yuǎn)小于脅迫45 d后的。WY 7 Chl和Pn中的降幅都最小，表明其較強(qiáng)的耐鎘性。Chl的下降并不一定與Pn的下降呈正相關(guān)，YS 505在Chl中的降幅遠(yuǎn)大于BS 2，但YS 505Pn的降幅卻小于BS 2。胡小英等[21]研究表明，Cd脅迫還會(huì)影響植物體內(nèi)二氧化碳的固定和電子傳遞鏈的發(fā)生，從而降低植物光合速率，可能與此相關(guān)。

Cd脅迫對(duì)植物造成的傷害是多方面的，如導(dǎo)致植物葉片萎黃、生長(zhǎng)發(fā)育遲緩、根系生長(zhǎng)受阻、養(yǎng)分代謝失調(diào)、產(chǎn)量品質(zhì)下降及其他的生理紊亂等[22-24]。且不同種類植物或同種植物不同品種之間對(duì)其產(chǎn)生的耐性機(jī)制也有所差別，Cd脅迫下植物所表現(xiàn)出的耐性是一個(gè)復(fù)雜的過程，是由各種特征呈現(xiàn)出來的，因此要研究植物對(duì)其的耐受性，需要對(duì)多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)定[13-15]。本試驗(yàn)就植株的株高和最大節(jié)間距這2個(gè)形態(tài)指標(biāo)以及植株葉片的MDA含量、抗氧化酶活性、Chl含量和Pn等相關(guān)生理指標(biāo)，通過單因素方差分析和隸屬函數(shù)分析相結(jié)合的方法對(duì)供試材料的耐鎘性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。得出供試馬鈴薯品種的耐鎘性依次為WY 7>YS 801>LZC>YS 505>QS 9>BS 2，結(jié)果可為馬鈴薯耐鎘育種及其耐鎘機(jī)制研究提供材料。