牟攀，陳坤梅，朱愛國，陳平，高鋼，王曉飛，馮新康，劉寧，邵德義，喻春明

（中國農(nóng)業(yè)科學院麻類研究所，湖南 長沙 410205）

重金屬鎘（Cd）是植物生長的非必需元素，是生物毒性最強的重金屬之一。土壤中Cd通過地上部植物經(jīng)食物鏈不斷地在人體內(nèi)富集，易引起慢性中毒，對人體健康造成危害［1］。土壤中重金屬Cd的主要來源為礦物自然風化和人類工業(yè)活動，工業(yè)采礦冶金在生產(chǎn)中將含Cd污水排入土壤造成重金屬污染，不正當?shù)厥褂昧追屎臀⒘吭胤柿弦矔斐赊r(nóng)田Cd污染［2］。Cd以水溶態(tài)、交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、有機結(jié)合態(tài)、殘留態(tài)等形式存在于土壤中［3］。土壤改良劑、淋洗劑洗脫法、生物修復技術(shù)等方法先后應用于重金屬鎘污染的修復研究中［4-5］。隨著綠色可持續(xù)發(fā)展觀的提出，人們越來越關(guān)注土壤重金屬污染的生物修復技術(shù)。

苧麻（Boehmeria nivea L.）生物量較Cd超富集植物大，且為多年生植物，對重金屬有較強的忍耐力和吸收能力，在植物修復Cd污染土壤的應用中有很大發(fā)展?jié)摿Γ?］。但在對Cd污染的研究中發(fā)現(xiàn)，苧麻對Cd的敏感度以及忍耐閾值存在較大分歧［7］。另外苧麻品種間的差異對根系吸收的重金屬在植株中的分配產(chǎn)生影響，Cd在苧麻各器官中的積累也存在差異［8］。因此明確Cd耐性強且對Cd有較強富集能力的苧麻品種至關(guān)重要。本試驗選用不同苧麻品種中苧1號、中苧3號以及中苧4號，探究其在不同Cd濃度梯度下的響應特征，明確3個品種耐Cd性差異，旨在為苧麻應用于重金屬修復提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用的中苧1號、中苧3號［9］、中苧4號是中國農(nóng)業(yè)科學院麻類研究所選育的苧麻品種，其中，中苧1號是湖南地區(qū)主栽品種，中苧3號、中苧4號是近年來選育而成的品種。試驗所用材料取自國家種質(zhì)長沙苧麻圃，選取同一時期長勢一致的嫩梢進行水培扦插。

1.2 試驗方法

1.2.1 苧麻嫩梢水培扦插與鎘脅迫處理

扦插苗制備參考李玉蘭［10］的方法：試驗前先去除所選種質(zhì)苧麻苗主莖，待側(cè)枝長到10～15 cm后選取生長旺盛且長勢一致的嫩梢苧麻苗，使用刀片削除末端，使每株長大約為10 cm，剔除老葉，保留頂端2～3片展開葉，浸入500倍百菌靈消毒液中消毒30 s。處理好的側(cè)枝扦插于裝有自來水的卡蓮（Karen）水培儀中培養(yǎng)，每盆裝12 L水，每盆15株。扦插苗培養(yǎng)15 d后去除長勢不好的幼苗，留10株長勢一致的幼苗在盆中。加入 CdCl2溶液，使鎘濃度分別為0、10、30、80、150 mg／L。繼續(xù)培養(yǎng)，記錄苧麻生長狀況。

1.2.2 葉片SPAD值測定

鎘處理15 d后采用SPAD-502型葉綠素儀測定葉片SPAD值，取底端最后一片葉遠離葉脈兩端5～7個點進行測定，每個鎘濃度處理下測3株，取平均值。

1.2.3 光合參數(shù)測定

鎘處理10 d后采用CI-340便攜式光合儀［11］測定葉片光合特征，統(tǒng)一選擇植株底端最后一片葉測定光合參數(shù)，每個處理測3株，取平均值。測定時選擇手動測量，利用外界光源進行測定，光照強度在 400～800μmol／m2／s。

1.2.4 酶活力測定

鎘處理10 d后取葉片頂端向下第三片新鮮葉片，裝入液氮中帶回實驗室測定超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、過氧化物酶（peroxidase，POD）、過氧化氫酶（catalase，CAT）。3種酶活測定時均統(tǒng)一取研磨成粉末狀的0.2 g新鮮葉片進行測定，不同品種以及不同鎘濃度處理葉片均設(shè)置兩個重復，結(jié)果取平均值。酶活采用南京建成生物公司試劑盒測定。

1.2.5 苧麻生物量測定

鎘處理25 d后收獲苧麻整株，先用去離子水浸泡根部15 min，去除附著在根系表面的Cd2+以及各種雜物，然后將根、莖、葉分裝于袋中置于烘箱，105℃殺青30 min，75℃烘干至恒重，稱干重。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計與繪圖使用Excel 2019，采用IBM SPSS statistics 25進行單因素方差分析（one-way，ANOVA）。p＜0.05為顯著水平。使用SPSS完成主成分分析，并利用隸屬函數(shù)值對3個苧麻品種的耐鎘性進行綜合評價［12-13］，計算公式如下：

式中：Xj表示第j個公因子的得分值；Xmin為第j個因子得分的最小值；Xmax為第j個因子得分的最大值。

式中：Wj表示第j個公因子在所有公因子中的重要程度；Pj為各品種第j個公因子的貢獻率。

式中：Di表示苧麻在鎘處理條件下用綜合指標所得的耐鎘綜合評價值；k為樣本個數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度鎘脅迫下苧麻生物量變化特征

由表1可知，中苧1號、中苧3號以及中苧4號各個鎘濃度處理組鮮重和干重均顯著低于對照。苧麻生物量總體變化趨勢為隨著鎘濃度的增加而逐漸降低。隨著鎘濃度的增加，不同品種苧麻受到影響程度不同，具體表現(xiàn)為生物量的下降程度不同：與對照相比，10 mg／L鎘處理，中苧1號鮮重下降了13.58%，中苧3號鮮重下降了58.53%，中苧4號鮮重下降了39.70%。隨著鎘濃度的增加，苧麻生物量下降程度表現(xiàn)為中苧3號＞中苧4號＞中苧1號。

表1 不同鎘濃度處理對苧麻生物量的影響Table 1 Effect of different cadmium concentration treatments on the biomass of ramie

2.2 不同鎘濃度脅迫下葉片SPAD值變化特征

由圖1可知，苧麻葉片SPAD值隨著鎘濃度的增加先升高后降低，與對照相比，低鎘濃度（10 mg／L）顯著促進中苧1號葉片葉綠素的合成，而80 mg／L鎘濃度處理顯著增加中苧3號葉片SPAD值。不同鎘濃度處理下，中苧4號葉片SPAD值差異不顯著。低濃度鎘處理可以顯著提高葉片葉綠素含量，高濃度鎘處理對苧麻葉片SPAD值的抑制作用并不明顯。與中苧1號相比，中苧3號以及中苧4號葉片的SPAD值分別下降了7.54%和2.04%。

圖1 不同鎘濃度處理對苧麻葉片SPAD值的影響Fig.1 Effect of different cadmium concentrations on SPAD values of ramie leaves

2.3 不同鎘濃度脅迫下葉片光合特征

2.3.1 凈光合速率

由圖2可知，與對照相比，不同鎘濃度處理對中苧1號和中苧4號葉片凈光合速率并無顯著性影響，對中苧3號影響較大，隨著鎘濃度的增加中苧3號葉片凈光合速率顯著降低，與對照相比，10、30、80、150 mg／L鎘濃度處理葉片凈光合速率分別下降了 38.76%、44.50%、76.08%、75.12%。中苧4號和中苧1號葉片凈光合速率隨著鎘濃度的增加先增加后降低，可以看出低濃度鎘處理對葉片凈光合速率有一定的促進作用。與中苧1號相比，中苧3號葉片凈光合速率更強，而中苧4號葉片凈光合速率低于中苧1號。

2.3.2 蒸騰速率

由圖3可知，低濃度鎘處理（30 mg／L、10 mg／L）分別對中苧1號和中苧3號葉片蒸騰速率有明顯促進作用，30 mg／L鎘處理顯著促進中苧1號葉片蒸騰速率。中苧4號葉片蒸騰速率隨著鎘濃度的增加而降低，但其下降程度并不顯著，3個苧麻品種蒸騰速率均值為中苧4號＞中苧3號＞中苧1號。

圖3 不同鎘處理對苧麻葉片蒸騰速的影響Fig.3 Effect of different cadmium treatments on transpiration rate of ramie leaves

2.3.3 葉片胞間二氧化碳濃度

由圖4可知，隨著鎘濃度的增加，中苧1號葉片胞間二氧化碳濃度有所增加，0、10、30 mg／L鎘處理葉片胞間二氧化碳濃度顯著（p＜0.05）高于對照。中苧3號葉片胞間二氧化碳濃度隨著鎘濃度的增加而增加，其中150 mg／L鎘處理顯著（p＜0.05）高于對照，其余處理均高于對照但未達到顯著水平。中苧4號葉片胞間二氧化碳濃度總體變化趨勢是隨著鎘濃度的增加而降低。3個苧麻品種胞間二氧化碳濃度均值為中苧1號＞中苧4號＞中苧3號。

圖4 不同鎘濃度處理對苧麻葉片胞間二氧化碳濃度的影響Fig.4 Effect of different cadmium concentration treatments on the intercellular carbon dioxide concentration of ramie leaves

2.3.4 葉片氣孔導度

由圖5可知，中苧1號和中苧4號苧麻葉片氣孔導度隨著鎘濃度的增加而先增加后降低，中苧3號葉片氣孔導度隨著鎘濃度的增加而逐漸降低。其中，低濃度鎘處理（10、30 mg／L）中苧1號和中苧4號葉片氣孔導度高于對照但未達到顯著水平，而中苧1號葉片在80、150mg／L鎘處理下，其氣孔導度均顯著（p＜0.05）低于對照。10、30、80、150 mg／L鎘處理顯著（p＜0.05）降低了中苧 3號葉片氣孔的開放程度，說明鎘處理抑制了中苧3號葉片氣孔的開放。葉片氣孔導度均值為中苧4號＞中苧3號＞中苧1號。

圖5 不同鎘濃度對苧麻葉片氣孔導度的影響Fig.5 Effect of different cadmium concentrations on stomatal conductance of ramie leaves

2.4 不同鎘濃度脅迫下葉片抗氧化酶差異

2.4.1 葉片SOD

由圖6可知，3種苧麻葉片SOD活力隨著鎘濃度的增加而逐漸增強。不同鎘濃度處理下，中苧3號和中苧4號葉片SOD活力均顯著（p＜0.01）高于對照。中苧1號中只有150 mg／L鎘處理下SOD活力顯著（p＜0.01）高于對照，其余各處理與對照相比均不顯著。與對照相比，3個苧麻品種中中苧1號SOD活力最高，其次是中苧3號，最后是中苧4號。

圖6 不同鎘濃度處理對苧麻葉片SOD活力的影響Fig.6 Effect of different cadmium concentration treatments on the SOD activity of ramie leaves

2.4.2 葉片POD

由圖7可知，中苧1號葉片POD活力隨著鎘濃度的增加而增加，各處理均顯著（p＜0.05）高于對照。低濃度鎘處理（10 mg／L）促進中苧3號葉片POD活力但未達到顯著水平，在中苧3號中150、80 mg／L鎘濃度處理的葉片POD活力顯著（p＜0.05）低于對照。中苧4號葉片POD活力總體變化趨勢為先降低后增加：10、30 mg／L鎘濃度處理顯著（p＜0.05）低于對照，而80 mg／L鎘處理葉片POD活力顯著（p＜0.05）高于對照。3個苧麻品種POD活力均值中苧1號＞中苧4號＞中苧3號。

圖7 不同鎘濃度處理對苧麻葉片POD活力的影響Fig.7 Effect of different cadmium concentration treatments on POD activity of ramie leaves

2.4.3 葉片CAT

由圖8可知，中苧1號葉片CAT活力隨著鎘濃度的增加而增加，其中低鎘濃度處理（10、30 mg／L）與對照相比差異并不顯著，而80、150mg／L鎘處理的葉片CAT活力均顯著（p＜0.01）高于對照。中苧3號和中苧4號葉片CAT活力總體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，150 mg／L鎘處理葉片CAT活力均顯著（p＜0.05）低于對照。中苧4號葉片CAT活力隨著鎘濃度的改變變化較大，10、30、80 mg／L鎘處理葉片CAT活力顯著（p＜0.05）高于對照，而150 mg／L鎘處理葉片CAT活力顯著（p＜0.05）低于對照。3個苧麻葉片CAT活力均值為中苧1號＞中苧3號＞中苧4號，與中苧1號相比，中苧3號以及中苧4號在鎘脅迫條件下葉片CAT活力變化更為敏感。

圖8 不同鎘濃度處理對苧麻葉片CAT酶活力的影響Fig.8 Effect of different cadmium concentration treatments on CAT enzyme activity of ramie leaves

2.5 隸屬函數(shù)比較3個品種耐鎘性能

各單項指標的耐鎘系數(shù)α值用公式1進行計算，結(jié)果如表2所示，可以看出苧麻經(jīng)鎘處理后單項指標的變化幅度不同，中苧1號的單項指標凈光合速率、氣孔導度、POD、干重、鮮重較對照有所增加（α＞100%），而SPAD值、蒸騰速率、SOD、CAT較對照有所下降（α＜100%），因而用單項指標的耐鎘系數(shù)來評價苧麻耐鎘性具有片面性。

表2 各單項指標的耐鎘系數(shù)α值Table.2 Value of cadmium tolerance coefficientαfor each individual index %

利用SPSS軟件對3個苧麻品種10個單項指標進行主成分分析，從相關(guān)系數(shù)矩陣（表3）可以看出，各單項指標間存在一定的相關(guān)性，使得它們提供的信息發(fā)生重疊。同時各單項指標在苧麻耐鎘性中所起的作用也不盡相同，所以利用此單項指標對苧麻耐鎘性進行評價則不準確。

表3 各單項指標系數(shù)矩陣Table 3 Coefficientmatrix of single indexes

對各單項指標進行主成分分析，提取了兩個綜合指標（表4），其貢獻率分別為62.1%、37.9%，累積貢獻率達100%。將原來10個單項指標轉(zhuǎn)換為兩個新的相互獨立的綜合指標。根據(jù)各綜合指標的系數(shù)（表4）以及各單項指標的耐鎘系數(shù)（表2）求出每一個苧麻品種兩個綜合指標的得分值（表 5）。

表4 各綜合指標的系數(shù)及貢獻率Table 4 Coefficients and contribution rates of each composite index

表5 種苧麻綜合指標的公因子得分值C（x）、隸屬函數(shù)值U（x）、綜合評價值DTable 5 The common index score C（x），the subordinate function value U（x），and the composite evaluation value D of the three ramie composite indexes

由公式2求得所有因子的隸屬函數(shù)值U（x）。根據(jù)兩個綜合指標的貢獻率分別為62.1%、37.9%，由公式3求得綜合指標的權(quán)重分別為0.621、0.379。再根據(jù)公式4求得綜合評價值D（表5）。由表5可知，中苧1號D值最大，中苧3號其次，中苧4號D值最小。故3個苧麻品種耐鎘性強弱關(guān)系依次為中苧1號＞中苧3號＞中苧4號。

3 討論

主成分分析法可有效避免單項指標在評價作物抗逆性時發(fā)生信息交叉與重疊的現(xiàn)象以及在確定權(quán)重時存在的客觀性。綜合評價值（D）是一個［0，1］閉區(qū)間上的純數(shù)，使各品種間的耐鎘性具有可比性。隸屬函數(shù)法是對材料綜合評價的方法，應用于作物抗逆性選擇更具有科學性以及可靠性。對3種苧麻綜合評價值（D值）的計算表明：在水培條件下，中苧1號的耐鎘能力最強，中苧3號次之，中苧4號耐鎘能力最弱。由于中苧3號和中苧4號苧麻品種是本團隊近年選育的品種，尚未在重金屬污染區(qū)進行大田試驗，其大田的耐鎘性還需要進一步研究。

苧麻作為生物量大的多年生作物，對重金屬鎘有較強的富集能力以及耐受性。研究［14］表明，不同苧麻品種對鎘的耐受性存在差異。曹德菊等［6］通過對盆栽苧麻進行鎘處理研究發(fā)現(xiàn)：低濃度（50～200 mg／kg）的鎘處理在一定程度上可以促進苧麻生長。而盆栽試驗與水培試驗存在較大差異，在本文水培試驗研究中：較低鎘濃度（10～30 mg／L）處理并沒有促進苧麻生長，在水培試驗中不同濃度鎘處理對苧麻生物量的影響還需進一步驗證。在本試驗中隨著鎘濃度的增加，苧麻生物量下降程度表現(xiàn)為中苧3號＞中苧4號＞中苧1號。從側(cè)面表明中苧1號的耐鎘性較中苧3號和中苧4號強。

在水培條件下研究鎘脅迫對玉米的影響發(fā)現(xiàn)［15］：鎘脅迫會降低葉片中葉綠素含量、破壞葉綠體結(jié)構(gòu)，導致光合作用降低，進而抑制玉米幼苗的生長。而在本試驗中，中苧1號葉片的凈光合速率、蒸騰作用、細胞間二氧化碳濃度以及氣孔導度均隨著鎘濃度的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。中苧3號葉片凈光合速率隨著鎘濃度的增加顯著降低，而低濃度鎘處理顯著增加了葉片的蒸騰速率以及葉片氣孔導度，細胞間二氧化碳濃度也有所增加，但未達到顯著水平。因此中苧3號葉片凈光合速率下降的主要原因可能是葉片主要進行呼吸作用。不同濃度鎘處理對中苧4號葉片凈光合速率以及蒸騰速率影響不顯著，葉片氣孔導度隨著鎘濃度的增加顯著降低。由此可見，苧麻光合特征對鎘脅迫的響應存在品種差異，苧麻耐鎘性與光合特征之間的關(guān)系尚需進一步探討。因此，單憑光合特征這一指標不能充分評價苧麻品種的耐鎘性。

SOD是植物在逆境脅迫下產(chǎn)生的一種重要抗氧化物質(zhì)，主要通過歧化反應清除細胞中的自由基以及活性氧來對抗逆境脅迫［16］，一般情況下逆境脅迫條件下植物的SOD活力是升高的，與植物體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧相適應，抗性強的品種SOD活力比抗性弱的品種要高。POD是植物體內(nèi)重要的保護酶之一，與植物的抗逆性有關(guān)［17］。CAT是植物抗氧化保護酶系統(tǒng)中的重要酶之一，研究發(fā)現(xiàn)，在重金屬脅迫下表現(xiàn)為不同植物CAT活力升高和降低的程度不同［18］。本試驗中，中苧1號葉片SOD、POD以及CAT活力總體變化趨勢是隨著鎘濃度的增加而升高。中苧1號葉片SOD、POD以及CAT活力均較中苧3號以及中苧4號的高，由此也從側(cè)面反映中苧1號的耐鎘性最強，其次是中苧3號，中苧4號的耐鎘性最差。