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)。

1 材料與方法

1.1 材料

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 方法

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。

3 結(jié)論與討論

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)。