劉春,杜雪玲,施昌倩,劉蘭,夏雨晴,閆小玲,胡超猛,許慧娟,余如剛
(淮北師范大學生命科學學院,安徽 淮北 235000)
鎘(Cd)是生物體構(gòu)成的非必需元素,極易被植物吸收,通過木質(zhì)部吸收并富集在根部,轉(zhuǎn)移到農(nóng)作物的莖、葉、花、果實等器官組織中,不僅阻礙植物體正常生長,而且還可通過食物鏈給人類健康帶來安全隱患[1–2]。Cd 影響植物的細胞膜脂肪構(gòu)成比例,引起植物體內(nèi)亞細胞活性氧的積累并發(fā)生氧化脅迫反應(yīng),損害根系對營養(yǎng)成分的吸收,破壞葉片中葉綠素結(jié)構(gòu),降低光合效率,從而造成蔬菜葉片缺綠、萎蔫,最終導(dǎo)致減產(chǎn)和品質(zhì)下降[3–6]。
有研究[7–8]表明,生菜具有極強的Cd 積累能力。不同品種的生菜對Cd 的吸收能力和耐受性有明顯差異[9]。篩選并培育低Cd 富集品種是降低食用生菜Cd 危害的經(jīng)濟可行的措施之一。筆者采用盆栽試驗,對10 個生菜品種進行Cd (CdCl2·2.5H2O)脅迫處理,觀測生菜的生長性狀,計算生菜品種的鎘耐性系數(shù)和鎘轉(zhuǎn)移系數(shù),以及生菜品種地上部干質(zhì)量、株高、葉寬、根干質(zhì)量、葉綠素、最長根長等鎘耐性系數(shù)的隸屬函數(shù)值、權(quán)重及綜合耐Cd 能力,對其鎘耐性進行評價,以期篩選出高耐Cd 的低鎘積累生菜品種,為低Cd 積累生菜品種選育及示范推廣提供依據(jù)。
10 個生菜品種:‘意大利’‘海南清脆玻璃’‘四季耐抽薹’‘耐熱’‘大速’‘中國臺灣繡球’‘日本結(jié)球’‘日本紫葉’‘紅霞紫葉’‘法國紫紅花葉’,由市場購得。
1.2.1 試驗設(shè)計
試驗在安徽淮北師范大學日光溫室進行。挑選飽滿、無蟲蛀生菜種子,流水沖洗干凈,蒸餾水再浸泡24 h后播種于Cd(CdCl2·2.5H2O)含量分別為2、10 mg/kg(記為Cd2、Cd10)的潔凈沙粒營養(yǎng)缽中,對照為清水處理。各處理設(shè)3 次重復(fù)。出苗后,間隔1 d 澆100 mL 營養(yǎng)液。待幼苗長至2~3 片真葉后及時疏苗,每盆選擇長勢整齊的10 株幼苗,30 d后移栽,待生長14 d 后取樣,測定相關(guān)指標。
1.2.2 指標測定
從每處理選取3 盆,隨機選取6 株幼苗,測定生菜的生長性狀。植株高度為地面到苗株頂端的垂直距離;葉片寬度為植株葉片最寬處的寬度;植株根長為幼苗最長根長。地上部干質(zhì)量、根部干質(zhì)量的測定:將幼苗的地上部與根部分離,放入包裝紙袋,置于105 ℃烘箱中1 h,再用70 ℃烘干后稱量根、莖、葉的干質(zhì)量。
使用全譜直讀等離子體發(fā)射光譜儀(ICP–OES,美國)測定生菜地上部和根部的Cd 含量(武漢普奈斯生物科技有限公司協(xié)助數(shù)據(jù)統(tǒng)計)。
收獲前一天,用SPA–502Plus 葉綠素測定儀測定生菜葉綠素含量。
選取6 個不同鎘耐性生菜品種,用LI–6400XT光合儀、WALZ PAM–2500 便攜式調(diào)制葉綠素熒光儀分別進行生菜的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、初始熒光、最大熒光、最大光化學效率測定。
1.2.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析
運用IBM SPSS 25.0 和Excel 2010 對數(shù)據(jù)進行分析。
依據(jù)文獻[10],計算10 個生菜品種生長性狀的鎘耐性系數(shù)和鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)。參照于崧等[11]方法,計算生菜品種地上部干質(zhì)量、株高、葉寬、最長根長、根干質(zhì)量、葉綠素含量等鎘耐性系數(shù)的隸屬函數(shù)值、權(quán)重及品種綜合耐Cd 能力(D值)。D值為0~0.2時,定義為高敏感;大于0.2~0.4 為敏感;大于0.4~0.6 為中等Cd 耐性;大于0.6~0.8 為耐鎘性;大于0.8~1.0 為高度耐鎘性。
表2 10 個生菜品種的生長性狀的鎘耐性系數(shù)Table 2 Stress tolerance coefficient of each single index of 10 lettuce cultivars
相關(guān)性分析結(jié)果(表3)顯示,株高與葉寬的Cd耐性系數(shù)相關(guān)性極顯著,與地上部干質(zhì)量鎘耐性系數(shù)相關(guān)性顯著;葉片寬度和最長根長鎘耐性系數(shù)分別與地上部干質(zhì)量鎘耐性系數(shù)為極顯著相關(guān)性;植株根干質(zhì)量與葉綠素含量鎘耐性系數(shù)為顯著負相關(guān)。
表3 生菜生長性狀鎘耐性系數(shù)的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation analysis of stress tolerance coefficient of every single index
6 個生長性狀的Cd 耐性系數(shù)主成分分析結(jié)果(表4) 表明,綜合評價指標前3 個的貢獻率分別為52.74%、23.58%、9.89%,將原6 個單項指標變化為3 個獨立的綜合指標(CI),各定義為CI1、CI2和CI3主成分。前3 個主成分包含了6 個生長性狀的86.22%數(shù)據(jù)量。CI1與地上部干質(zhì)量、株高、葉寬鎘耐性系數(shù)相關(guān);CI2與根干質(zhì)量、葉綠素鎘耐性系數(shù)相關(guān);CI3與最長根長鎘耐性系數(shù)相關(guān),因而可將地上部干質(zhì)量、根干質(zhì)量和最長根長作為生菜Cd 耐性的綜合鑒定指標。
表4 各性狀主成分的特征向量及貢獻率Table 4 Eigen vector and percentage of accumulated contribution of principal components
對6 個生長性狀的鎘耐受系數(shù)進行標準化,分別計算3 個綜合指標的隸屬函數(shù)值(U)和權(quán)重,其中,統(tǒng)計3 個綜合指標的權(quán)重結(jié)果分別為0.612、0.274、0.115(表5),計算生菜品種在3 個綜合指標的綜合評價值(D) 。
表5 生菜品種鎘耐性系數(shù)的隸屬函數(shù)Table 5 Subordinate function analysis of Cd stress related index of 10 lettuce cultivars
通過各生菜品種的連接距離聚類法,構(gòu)建聚類樹狀圖(圖2),10 個生菜品種可劃分為4 類:‘意大利’和‘耐熱’為第I 類,屬于高耐Cd 類型;‘法國紫花紅葉’‘紅霞紫葉’‘四季耐抽薹’為第II 類,屬于耐Cd 類型;‘日本紫葉’為第III 類,屬于中度耐Cd 類型;‘日本結(jié)球’‘海南清脆玻璃’‘大速’‘中國臺灣繡球’為第IV 類,屬于Cd 敏感類型。
圖2 基于D 值的生菜耐鎘性分級聚類Fig.2 Classified cluster diagram based on D values of lettuce
設(shè)定因變量為Cd 耐性綜合指標(D值),自變量為生菜品種各生長性狀的Cd 耐性系數(shù),通過逐步回歸分析得出最優(yōu)回歸方程:D=–0.885+1.875×地上部干質(zhì)量鎘耐性系數(shù)+0.853×根干質(zhì)量鎘耐性系數(shù),P=0.00,R2=0.957?;貧w方程估計精度的結(jié)果(表5)表明,各品種的平均估計精度為92.35%,表明方程中葉寬和株高對生菜的Cd 耐性影響顯著,可以作為生菜Cd 耐性評價指標。
植物組織器官對重金屬 Cd 的吸收和富集,與植物品種特性有一定關(guān)聯(lián)[12–15]。植物對Cd 的毒害反應(yīng)是一個復(fù)雜的生物學過程,其耐鎘能力受多因素調(diào)控,單項指標難以全面、準確地判斷品種Cd耐性能力,所以利用多項指標綜合評價植物對Cd的耐性較為可靠[16]。針對10 個生菜品種的6 項生長性狀鎘耐性系數(shù)進行主成分分析以及相關(guān)性統(tǒng)計,將Cd 脅迫處理下的6 個單項指標轉(zhuǎn)換為3 個相互獨立的綜合指標,并獲得各生菜品種苗期的Cd耐性綜合評價值(D)。利用D值進行聚類分析,將10 個生菜品種劃分為高度耐Cd 性、耐Cd、中等耐Cd 性和Cd 敏感4 種類型。通過逐步回歸法獲得生菜幼苗耐Cd 性評價模型D=–0.885+1.875×地上部干質(zhì)量鎘耐性系數(shù)+0.853×根干質(zhì)量鎘耐性系數(shù),P=0.00,R2=0.957,平均估計精度為92.35%。篩選出葉寬和株高對生菜幼苗耐Cd 能力有顯著影響。同時Cd 含量測定發(fā)現(xiàn)‘意大利’‘耐熱’屬于耐Cd 且地上部低Cd 積累生菜品種。
研究表明,Cd 能通過減少葉綠素的含量、破壞葉綠體的超微結(jié)構(gòu)[17]、降低與光合作用有關(guān)的酶活性[18]。在Cd 脅迫條件下,葉片的氣孔導(dǎo)度、凈光合速率顯著下降,在小白菜[19]中已有報道。本試驗中,不同Cd 耐性生菜品種與熒光、光合參數(shù)的相關(guān)性分析表明,它們之間均無顯著相關(guān)??赡芘c生菜生長環(huán)境一致有關(guān)。在相同的光照條件下,不同品種的光合作用生理指標受Cd脅迫差異不明顯。慈敦偉[20]就Cd 脅迫對不同基因型小麥幼苗生長、光合特性及Cd 積累的影響的研究顯示,鎘噴施的濃度越大,葉綠素含量,葉綠素熒光等參數(shù)下降幅度越大。本試驗研究結(jié)果出現(xiàn)的現(xiàn)象,可能與Cd的濃度存在一定關(guān)聯(lián)。
利用逐步回歸法建立生菜Cd 耐性評價數(shù)學模型,并篩選出葉寬和株高為生菜Cd 耐性鑒定指標。Cd 含量測定發(fā)現(xiàn),‘意大利’‘耐熱’生菜屬于Cd 耐性強且食用組織為低Cd 富集品種。培育對重金屬低富集的蔬菜品種已成為保證食品安全生產(chǎn)的一種重要技術(shù)措施,但目前沒有統(tǒng)一明確的標準來促進低富集Cd 作物品種的篩選。劉峰等[21]研究表明,辣椒果實中Cd 含量隨果實發(fā)育程度遞進而增高,表明作物對重金屬的吸收富集在時間上存在著明顯差異,因此,在后續(xù)生菜品種篩選中應(yīng)著重培育生長周期短、生長速度快、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的品種,以實現(xiàn)生菜的安全生產(chǎn)。