于子昊，李勝寶，趙曉玲，李明銳，李博，何永美，陳建軍，湛方棟

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明650201）

由于鉛鋅礦不合理開采以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等原因，Cd 通過地表徑流和地下滲透等途徑進(jìn)入農(nóng)田土壤?！度珖廴就寥勒{(diào)查公報(bào)》指出，Cd 的點(diǎn)位超標(biāo)率為7.0%，為重金屬之首[1]。我國人多地少，即使是Cd 污染的農(nóng)田仍廣泛種植農(nóng)作物，因此作物對(duì)Cd 的吸收與累積引起廣泛關(guān)注[2]。

玉米是我國重要的糧食作物，具有生長期短、易種易管和品種豐富等優(yōu)點(diǎn)[3]。陳建軍等[4]、鄢小龍等[5]和郭曉方等[6]均發(fā)現(xiàn)，玉米對(duì)Cd 有一定吸收能力，且不同品種的富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力存在明顯差異，但造成品種差異性的機(jī)理目前尚不明確。

根系是植物吸收養(yǎng)分和水分的主要器官，受環(huán)境中有益元素和有毒元素影響[7]。在受到Cd 離子脅迫時(shí)，根系會(huì)通過調(diào)整形態(tài)結(jié)構(gòu)和代謝來應(yīng)對(duì)脅迫，如耐Cd 玉米感受Cd 信號(hào)后會(huì)通過改變體內(nèi)代謝過程來適應(yīng)脅迫環(huán)境[8]。沈天爾等[9]發(fā)現(xiàn)，玉米可啟動(dòng)相關(guān)響應(yīng)機(jī)制阻滯Cd 的運(yùn)輸以緩解Cd 離子毒害。陳偉等[10]研究表明，黑麥草根長、根表面積和根尖數(shù)均隨著重金屬離子濃度升高而不斷降低。根系形態(tài)的改變又會(huì)影響根系對(duì)水分、礦物元素和Cd 的吸收。因此，植物根系形態(tài)與Cd的吸收累積存在密切關(guān)系。

重金屬脅迫影響根系的同時(shí)也會(huì)影響根鞘形成。根鞘是根系、土壤、微生物的互作產(chǎn)物，是土壤顆粒與根表及根毛相互黏附、纏繞形成的土壤連續(xù)體[11]。根鞘結(jié)構(gòu)的形成有利于植物根土界面的信息交流及水分和養(yǎng)分的交換，也可以作為一個(gè)聯(lián)合固氮微生物儲(chǔ)存庫[11]，可以表征農(nóng)作物在土壤中開發(fā)和獲取資源的能力[12]，在應(yīng)對(duì)非生物脅迫方面也具有潛在重要性[13]。Delhaize 等[14]發(fā)現(xiàn)，不同品種小麥在酸性土壤中根鞘有顯著差異，并認(rèn)為這種差異是根毛對(duì)Al 耐性而造成的。Bailey等[15]發(fā)現(xiàn)不同物種間根鞘結(jié)合強(qiáng)度不同，表明根鞘性狀存在差異。根鞘作為耐非生物脅迫的重要器官，在養(yǎng)分吸收方面具有潛在重要性，James 等[16]的試驗(yàn)表明，同一植物不同品種的根鞘性狀以及根鞘吸收磷的效率均有顯著差異。當(dāng)前，對(duì)根鞘的研究多集中在干旱條件下根鞘提高植物抗旱性和對(duì)根系的保護(hù)方面，但在Cd 污染土壤中根系和根鞘的相互關(guān)系以及根鞘與植株Cd累積方面尚缺乏系統(tǒng)研究[17]。

鑒此，本研究選取蘭坪某鉛鋅礦區(qū)周邊Cd 污染農(nóng)田土壤種植玉米，研究12 個(gè)玉米品種根系形態(tài)、根鞘與Cd 累積特征三者間的相互關(guān)系，進(jìn)而從根系和根鞘的角度研究重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)、吸收和累積的差異性。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與玉米品種

供試土壤為山原紅壤，取自云南蘭坪縣某鉛鋅礦區(qū)重金屬污染農(nóng)田，土壤風(fēng)干后過2 mm孔徑篩備用。其基本化學(xué)性質(zhì)如下：pH 值為6.22，有機(jī)質(zhì)含量40.1 g·kg-1，全氮、全磷和全鉀含量分別為2.30、12.1、12.4 g·kg-1，堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為132、44.2、165 mg·kg-1，土壤Cd含量9.59 mg·kg-1。

本試驗(yàn)選用的12 個(gè)供試玉米品種，購買于云南省昆明市小板橋種子批發(fā)市場，均為云南高原主栽玉米品種。選取籽粒飽滿的種子消毒后置于28 ℃下恒溫培養(yǎng)3 d，待種子露白后播種。供試玉米名稱及其生產(chǎn)單位見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)于2019 年9 月25 日在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)東校區(qū)溫室大棚播種，出苗35 d 后收樣，每個(gè)玉米品種4 個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)采用育苗袋尺寸為28 cm×25 cm，裝入2.0 kg土壤。每個(gè)育苗袋播種3粒出芽程度一致的種子，出苗5 d 后間苗，每袋留下1 株生長良好的幼苗。澆水根據(jù)天氣情況來定，選擇晴天傍晚澆灌，保持含水量55%左右，按常規(guī)方法進(jìn)行管理。為減少環(huán)境梯度影響，同一處理的4 個(gè)重復(fù)每隔一日隨機(jī)調(diào)換一次位置。

1.3 指標(biāo)測量方法

收獲時(shí)用小刀從兩側(cè)輕輕劃開育苗袋，取出玉米后將地上和地下部分離，搖動(dòng)地下部使大塊土壤脫落，根鞘土則會(huì)保留在根部。用玻璃棒輕輕地按壓根系，使根鞘從根系上脫離下來，將根鞘在烘箱中（75 ℃，72 h）烘至恒質(zhì)量后稱量質(zhì)量。用蒸餾水清洗玉米根系，盡量減少對(duì)根毛的損害，晾干后用吸水紙吸干根系表面水分，均勻鋪開，經(jīng)Epson Perfection V700 掃描儀（Seiko Epson，日本）掃描后，用Win RHI?ZO PRO STD4800 型（Regent，加拿大）根系圖像處理軟件分析得出根體積、根長、根尖數(shù)、根表面積、分枝數(shù)、平均根系直徑等參數(shù)。將地上部和地下部分別用自來水和去離子水沖洗3 遍，于105 ℃烘箱殺青0.5 h，然后于75 ℃烘箱烘至恒質(zhì)量，稱量質(zhì)量，碾碎備用。土壤樣品風(fēng)干、磨碎，過篩后備用。

稱取0.2 g 玉米植株樣，采用硝酸-高氯酸消解[18]，過濾并定容到50 mL 容量瓶內(nèi)；稱取5.0 g 土壤樣品，采用王水-高氯酸消解，過濾并定容到50 mL 容量瓶內(nèi)；火焰原子吸收分光光度法測定Cd 含量。用100 mL 0.01 mL·L-1氯化鈣提取根鞘土壤中的有效態(tài)Cd[19]，并用石墨爐測定。

表1 供試玉米品種、生產(chǎn)單位及品種特性Table 1 Tested cultivars of maize，production department and cultivar characteristics

根鞘發(fā)育指數(shù)由根鞘土壤與根的干質(zhì)量比表示[20]，Cd 累積量=Cd 含量（mg·kg-1）×植株生物量（g·plant-1）。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Duncan 氏新復(fù)極差法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析，采用Microsoft Excel 軟件進(jìn)行常規(guī)分析，利用Origin 9.0 作圖軟件繪圖，并采用SPSS 軟件進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米生物量

由圖1 可知，不同品種玉米地上部和地下部生物量存在差異，12 個(gè)品種地上部的平均生物量為1.29 g，最高是森玉8號(hào)（達(dá)2.05 g），其次是園玉99，且兩者之間無顯著差異；最低是林新4號(hào)，僅為0.78 g。12個(gè)品種地下部的平均生物量為0.53 g，最高是園玉99（達(dá)1.05 g），森玉8 號(hào)次之，兩者間差異顯著；最低是林新4號(hào)，僅為0.30 g。總的來看，地上部生物量最大值為最小值的2.6 倍，地下部生物量最大值為最小值的3.5倍。

2.2 玉米根系形態(tài)

由圖2 可知，根長、根表面積和根體積以園玉99最高，平均根系直徑以路單17 號(hào)最高，根尖數(shù)和分枝數(shù)以西單8號(hào)最高；根長、根表面積和分枝數(shù)以林新4號(hào)最低，平均根系直徑以云瑞88 最低，根體積和根尖數(shù)以勝玉2 號(hào)最低。12 個(gè)品種根長和根表面積最大值均為最小值的2.9倍，根體積最大值是最小值的3.2倍，根尖數(shù)最大值為最小值的5.5倍，分枝數(shù)最大值為最小值的6.1倍。

2.3 玉米根鞘性狀

由圖3 可知，根鞘質(zhì)量范圍為4.61～13.00 g，平均質(zhì)量為8.91 g，最高是園玉99，其次是森玉8 號(hào)，且兩者無顯著差異，最低是云瑞88。12 個(gè)品種的根鞘質(zhì)量最大值為最小值的3.1 倍。同時(shí)，根鞘發(fā)育指數(shù)范圍為6.9～39.7，平均值為19.4，最高為云瑞8 號(hào)，其次是西單2 號(hào)，且兩者之間無顯著差異，最低是紀(jì)元118；12 個(gè)品種的根鞘發(fā)育指數(shù)的最大值為最小值的5.8 倍。結(jié)果表明，不同品種玉米產(chǎn)生根鞘的能力差異較大。

由圖4 可知，根鞘土壤有效態(tài)Cd 含量以云瑞88最高，林新4 號(hào)最低，12 個(gè)品種的平均值為3.11 mg·kg-1。

2.4 12個(gè)玉米品種Cd累積特征

由圖5 可知，不同品種玉米對(duì)Cd 的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)能力存在差異，12 個(gè)玉米品種平均地上部Cd 含量為10.0 mg·kg-1，最高是林新4 號(hào)（達(dá)23.8 mg·kg-1），其次是紀(jì)元118，兩者差異顯著，最低是云瑞8 號(hào)（3.7 mg·kg-1）。平均地下部Cd 含量為11.7 mg·kg-1，最高是云瑞8 號(hào)（達(dá)36.8 mg·kg-1），云瑞88 次之，兩者差異顯著，最低是森玉8號(hào)（為6.0 mg·kg-1）。整體來看，地上部Cd 含量最大值為最小值的6.4 倍，地下部Cd 含量最大值為最小值的6.1倍。

平均地上部Cd 累積量為12.4 μg·plant-1，最高是紀(jì)元118（達(dá)26.5 μg·plant-1），其次是林新4 號(hào)，且兩者差異顯著；最低是云瑞8 號(hào)（為4.1 μg·plant-1）。平均地下部Cd累積量為5.3 μg·plant-1，最高是云瑞8號(hào)（達(dá)12.4 μg·plant-1），其次是園玉99，且兩者之間差異顯著，最低是曲辰11 號(hào)（為3.1 μg·plant-1）。綜合而言，地上部Cd 累積量最大值為最小值的6.5 倍，地下部最大值為最小值的4.0倍。

2.5 相關(guān)性分析

如表2 所示，根鞘質(zhì)量與根表面積、根體積呈極顯著正相關(guān)（P<0.01，下同），與平均根系直徑、分枝數(shù)呈顯著正相關(guān)（P<0.05，下同）。根鞘發(fā)育指數(shù)與根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)、分枝數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)，根鞘土壤有效態(tài)Cd 含量與根尖數(shù)呈極顯著正相關(guān)。又如表3 所示，根鞘質(zhì)量與地上部Cd 含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，根鞘發(fā)育指數(shù)與地下部Cd 含量呈極顯著正相關(guān)。地上部Cd含量與根表面積和根體積呈顯著負(fù)相關(guān)；地下部Cd含量與根尖數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)，與分枝數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。

表2 12個(gè)品種玉米根系形態(tài)與根鞘性狀的相關(guān)性Table 2 Correlation between root morphology and rhizosheath characteristics in 12 maize cultivars

表3 12個(gè)品種玉米根系形態(tài)、根鞘性狀與Cd累積特征的相關(guān)性Table 3 Correlation between root morphology，rhizosheath characteristics and Cd a cumulative characteristic of 12 maize cultivars

3 討論

3.1 玉米根系形態(tài)與重金屬累積的品種差異

植物對(duì)重金屬的吸收與自身的遺傳因素和外界環(huán)境條件有關(guān)[21]。Cd 對(duì)植物的影響與濃度有關(guān)，低濃度有積極的刺激作用，當(dāng)濃度超過一定量時(shí)就會(huì)抑制其生長發(fā)育，且隨著濃度升高抑制作用顯著提高[22]。根系是植物最先感知Cd 等有毒物質(zhì)的器官，土壤中Cd 對(duì)植物的危害也首先表現(xiàn)在根系變化上。研究表明，高濃度Cd 會(huì)對(duì)植物根系初生根的生長有明顯抑制作用[23]，減小根表面積和根體積，并抑制主根和側(cè)根的生長[24]。本研究發(fā)現(xiàn)，在Cd 污染土壤中，玉米地上部Cd含量與根表面積和根體積呈顯著負(fù)相關(guān)，玉米地下部Cd含量與根尖數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)、與分枝數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。這可能是高濃度的Cd抑制根系細(xì)胞分裂和伸長，導(dǎo)致根系生長緩慢而造成的[25]，表明植物根系形態(tài)與其Cd 吸收能力關(guān)系密切，在響應(yīng)環(huán)境Cd 污染脅迫方面表現(xiàn)出高度的形態(tài)可塑性。但也有研究表明，玉米地上部Cd含量與根表面積、根體積呈顯著正相關(guān)[26]。其原因可能與不同作物及品種對(duì)重金屬脅迫的根系響應(yīng)差異有關(guān)，這是不同作物及其品種的遺傳特性差異導(dǎo)致的。

玉米的Cd累積量存在顯著差異，這與陳建軍等[4]研究結(jié)果一致，可能是玉米在少數(shù)基因控制下對(duì)Cd積累具有基因型差異造成的[8]，也可能是不同品種對(duì)Cd 脅迫的耐性存在顯著差異造成的[27]。Cd 脅迫下，根細(xì)胞內(nèi)活性氧自由基的產(chǎn)生速率增大，致使細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能遭到破壞，根系活力下降，逐漸失去吸收水分和營養(yǎng)素的能力。因此在本試驗(yàn)中，根尖數(shù)與地下部Cd 含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與前人關(guān)于玉米等植物地下部Cd 含量與根尖數(shù)呈顯著正相關(guān)的研究結(jié)論[28]相似，說明根系形態(tài)與Cd 累積量的關(guān)系較為緊密，但與前人關(guān)于蕹菜等植物的研究結(jié)論[29]相反，這可能是植物不同種類其根系類型的差異而導(dǎo)致的[30]。有研究發(fā)現(xiàn)，紫花香薷的根長、根表面積和體積越大，越有利于吸收Pb[31]，這與試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的地上部Cd 含量與根表面積和根體積呈顯著負(fù)相關(guān)的結(jié)論相反，這可能是不同作物對(duì)重金屬的響應(yīng)存在差異，以及試驗(yàn)周期長短不同[32]造成的。此外，土壤pH 和金屬離子間的相互作用也會(huì)影響植物對(duì)Cd 的吸收和累積[32]。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，12 個(gè)品種玉米地上部Cd 累積量均大于地下部，與多數(shù)研究者的結(jié)論相反[4]，這可能是因?yàn)榕柙耘c大田試驗(yàn)相比，水肥供應(yīng)、根系生長空間、氣候等環(huán)境因素差異大，導(dǎo)致大田植株重金屬含量與盆栽試驗(yàn)存在明顯的差異性[2]。所以，盆栽試驗(yàn)得到的重金屬累積方面的結(jié)果，還需要進(jìn)一步開展大田試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2 玉米根鞘性狀與重金屬累積品種差異的關(guān)系

自根鞘發(fā)現(xiàn)以來，有關(guān)研究多集中于根鞘形成機(jī)理和根鞘耐干旱、保持土壤肥力以及根鞘微生物方面[12，16-17]，很少關(guān)注根鞘與重金屬脅迫的關(guān)系。本試驗(yàn)研究了根鞘的3 個(gè)特征，即根鞘質(zhì)量、根鞘土壤有效態(tài)Cd 含量以及根鞘發(fā)育指數(shù)，發(fā)現(xiàn)不同品種之間根鞘特征有顯著的差異性。在前人的研究中，用于描述根鞘的指標(biāo)各不相同，比如根鞘厚度、附著在根上的潮濕土壤質(zhì)量和每單位根長度的根新鮮質(zhì)量[33]，植物物種之間的差異可能會(huì)因所使用的指標(biāo)不同而有很大差異[34]。本試驗(yàn)用根鞘發(fā)育指數(shù)表征玉米根系產(chǎn)生根鞘的能力，結(jié)果表明根鞘發(fā)育指數(shù)與地下部Cd 含量呈極顯著正相關(guān)，這可能是因?yàn)樵贑d 脅迫下根系分泌物大量分泌，促進(jìn)了根鞘的形成[35]。此外，根鞘發(fā)育指數(shù)與根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)、分枝數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，即隨著根系的生長發(fā)育，根系產(chǎn)生根鞘的能力遞減，這與Ma 等[20]試驗(yàn)結(jié)論相符合。在唐子欽等[36]對(duì)牧草根鞘的研究中發(fā)現(xiàn)，根平均連接長度、根體積、根平均直徑是影響根鞘質(zhì)量的3 個(gè)根系形態(tài)指標(biāo)，本試驗(yàn)也有類似的結(jié)論。本試驗(yàn)中根鞘土壤有效態(tài)Cd含量差異較大，可歸因于植物吸收、局部氧化還原條件、質(zhì)子釋放或其他分泌物的影響[37]。本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，根尖數(shù)和分枝數(shù)會(huì)影響根鞘土壤有效態(tài)Cd含量。

需要指出的是，目前在根鞘研究方面爭議較大，特別是根鞘的獲取方法急需統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化。本試驗(yàn)為盆栽試驗(yàn)，局限于生長周期與生長容器的限制，僅僅是一次玉米幼苗時(shí)期根鞘性狀與重金屬Cd累積特征以及根系形態(tài)之間相互關(guān)系的初步探索，為根鞘的研究和玉米在重金屬脅迫下的生長狀況研究提供理論基礎(chǔ)。今后需要將大田和室內(nèi)盆栽試驗(yàn)相結(jié)合，開展長期系統(tǒng)的研究，著重解決同一物種在不同時(shí)期根鞘的動(dòng)態(tài)形成過程，在大田試驗(yàn)豐富的土壤環(huán)境下采集大量的根鞘，細(xì)致地研究根鞘內(nèi)的微生物、酶以及根系分泌物與植物耐重金屬脅迫之間的關(guān)系，為進(jìn)一步對(duì)根鞘的研究提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）供試12 個(gè)品種玉米的生物量、根系形態(tài)和根鞘存在明顯品種差異，其中不同玉米品種的根鞘指標(biāo)差異更為明顯。

（2）植株Cd 含量與根系形態(tài)指標(biāo)（根表面積、根體積和根尖數(shù)）呈負(fù)相關(guān)，地下部Cd含量與根鞘發(fā)育指數(shù)呈極顯著正相關(guān)，表明玉米植株Cd 吸收與根系形態(tài)、根鞘性狀關(guān)系密切，根系形態(tài)和根鞘性狀是導(dǎo)致玉米Cd吸收品種差異的原因之一。