姜瑛，魏暢，焦秋娟，申鳳敏，李鴿子，張雪海，楊芳，柳海濤*

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，省部共建小麥玉米作物學(xué)國家重點實驗室，河南 鄭州 450002；3.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，吉林 長春 130118）

鎘（cadmium，Cd）作為主要的土壤無機污染物之一［1］，是一種動植物及人類非必需的有害元素，易被植物吸收并積累于各個部位［2］，可通過食物鏈進入人體從而引發(fā)各種疾?。?］，如骨痛病、腎病、肺炎等［4］。玉米（Zea mays）作為優(yōu)良的糧食作物，具有較強的適應(yīng)性和較高的生產(chǎn)力，被廣泛應(yīng)用于食品、飼料等行業(yè)，同時也可應(yīng)用于污染土壤的控制與治理［5］。

研究表明，土壤中50 mg·kg-1Cd脅迫會造成玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的降低［6］。Cd會抑制植物的正常生長發(fā)育，導(dǎo)致植株矮小，生物量顯著下降，葉尖褪綠等問題，嚴重情況下甚至造成產(chǎn)量下降和品質(zhì)降低［7-8］。Cd在植物體內(nèi)的大量積累能夠刺激過量活性氧（reactive oxygen species，ROS）的產(chǎn)生，干擾水分平衡以及植物對養(yǎng)分的吸收，引起細胞膜的脂質(zhì)過氧化損傷，造成細胞質(zhì)膜通透性提高，干擾抗氧化酶活性以及抗氧化物質(zhì)的生成，造成細胞內(nèi)代謝紊亂［9-12］。葉綠體具有雙層膜結(jié)構(gòu)，易受ROS的影響，干擾光合系統(tǒng)的功能［13］。有報道指出，玉米在10-5和10-6mol·L-1Cd處理下暴露一定時間后會造成葉綠體超微結(jié)構(gòu)的明顯損傷［14］。葛才林等［15-16］的研究發(fā)現(xiàn)較高的Cd濃度可改變?nèi)~綠素a和葉綠素b含量及比值，抑制水稻（Oryza sativa）葉片內(nèi)淀粉同工酶的表達，干擾光合同化物的轉(zhuǎn)化和輸出，抑制相關(guān)酶的活性，影響水稻的光合作用和呼吸作用。根系作為首要接觸土壤污染物的重要器官，在植物對礦質(zhì)元素以及水分吸收上占據(jù)著重要地位，而Cd脅迫能夠?qū)е掠衩赘蛋l(fā)育異常，癥狀主要為根系彎曲、顏色變黑［9］，生物量降低以及形態(tài)上的變化（總根長、根表面積、根體積、根平均直徑和根尖數(shù)顯著降低）［7］。前期研究表明，玉米幼苗0～1.5 mm徑級區(qū)間內(nèi)的根長、根表面積和根體積在Cd脅迫條件下受到了較大影響［17］，何俊瑜等［18］在水稻幼苗試驗中也得出了相同的結(jié)論。

硅（silicon，Si）是廣泛分布于地殼中，含量僅次于氧的元素［2］，在植株中主要以水合無定形二氧化硅聚合物的形式積聚在各種組織的表皮上，加強植物對自身的保護，可有效緩解生物及非生物脅迫［19-21］。研究表明正常條件下施Si可提高玉米（正紅2號、正紅115）苗期生物量的積累，葉面積的擴大，促進根系發(fā)育及其對氮、磷、鉀的吸收積累［22］。外源Si在緩解小麥（Triticum aestivum）［23］、水稻［21］、玉米［5］等作物Cd毒害方面具有積極作用。Si可誘導(dǎo)根系分泌草酸，減少對Cd的吸收［24-25］，能夠在細胞壁上與Cd形成復(fù)合體［26］，并且Si可沉積于根系中形成屏障，阻礙Cd向地上部的轉(zhuǎn)運［27］。另外，Si能夠影響Cd的亞細胞分布、提高抗氧化能力、調(diào)節(jié)基因表達等［2，24，28］，從而減少作物對Cd的吸收和積累，緩解Cd對根系的損傷，提高根系生物量［21，23］。Cd脅迫條件下，施Si可改善礦質(zhì)養(yǎng)分吸收狀況，促進光合作用，緩解Cd對光合系統(tǒng)的毒害作用［2，5］。Shi等［23］研究發(fā)現(xiàn)，施Si（1 mmol·L-1）顯著提高了小麥在Cd（5、20 μmol·L-1）脅迫下的光合速率。

根系面對環(huán)境的變化具有較強的可塑性，Cd脅迫下外源物質(zhì)對玉米根系構(gòu)型及分級的影響尚未發(fā)現(xiàn)，綜合玉米地上地下部在施Si條件下對Cd脅迫的響應(yīng)情況，尋求提高玉米抵抗Cd脅迫能力的途徑，對于保障玉米安全生產(chǎn)、飼料安全以及發(fā)掘玉米對污染土壤的修復(fù)能力是十分必要的。本試驗以玉米（鄭單958）為供試植物，采用營養(yǎng)液培養(yǎng)法，旨在探究不同濃度Si對Cd脅迫下幼苗的生長以及耐受性、光合系統(tǒng)、根系構(gòu)型分級和Cd吸收積累特征的影響，綜合評價不同濃度Si對玉米Cd毒害的緩解效果，進一步從根系構(gòu)型及分級角度豐富Si應(yīng)用于緩解Cd對玉米毒害的機制，為保障玉米的安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試品種：玉米品種為鄭單958，種子購買于河南秋樂種業(yè)科技股份有限公司。

營養(yǎng)液 ：Hoagland營 養(yǎng)液，配 方 為 ：Ca（NO3）2·4H2O、KNO3、MgSO4·7H2O、NaH2PO4·2H2O、H3BO3、MnCl2·4H2O、ZnSO4·7H2O、CuSO4·5H2O、Na2MoO4·H2O、EDTA-Na2、FeSO4·7H2O。

以CdCl2·2.5H2O以及Na2SiO3·5H2O作為Cd源和Si源，加入營養(yǎng)液中。

1.2 試驗設(shè)置

試驗于2020年6月在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)光照培養(yǎng)室進行。選取大小均一且飽滿的種子于5%的H2O2中浸泡消毒15 min后，用去離子水充分沖洗以清理種子表面的H2O2，于25℃黑暗條件下在育苗盤中用去離子水浸泡12 h后，將種子均勻擺放在浸潤的紗布上，保持種子濕潤，催芽72 h后轉(zhuǎn)入溫室。待玉米長至一葉一心時，選取大小一致的幼苗移栽至盛有1/4 Hoagland營養(yǎng)液的培養(yǎng)盒（體積為2 L）中進行培養(yǎng)，每盆定植9棵幼苗，2 d后更換1/2 Hoagland營養(yǎng)液，并每2 d更新一次營養(yǎng)液，待幼苗生長至兩葉一心時，更換全Hoagland營養(yǎng)液并施加各處理。試驗共設(shè)置8個處理：1）CK：不施Cd，不施Si；2）Cd50Si0：50 μmol·L-1Cd+0 mmol·L-1Si；3）Cd50Si0.25：50 μmol·L-1Cd+0.25 mmol·L-1Si；4）Cd50Si0.5：50 μmol·L-1Cd+0.50 mmol·L-1Si；5）Cd50Si1：50 μmol·L-1Cd+1.00 mmol·L-1Si；6）Cd50Si1.5：50 μmol·L-1Cd+1.50 mmol·L-1Si；7）Cd50Si2：50 μmol·L-1Cd+2.00 mmol·L-1Si；8）Cd50Si4：50 μmol·L-1Cd+4.00 mmol·L-1Si，每個處理設(shè)置3盆重復(fù)。溫室內(nèi)設(shè)置晝/夜條件為16 h/8 h，溫度為25℃，各處理施加5 d后測定光合氣體交換參數(shù)并進行采樣。部分樣品用于測量株高、根長、鮮重和根系指標后進行殺青（105℃殺青30 min）和烘干（70℃烘干至恒重）處理，用于后續(xù)干重和Cd含量測定，部分鮮樣用于葉綠素含量的測定，各指標均設(shè)置3個重復(fù)。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 地上地下部生物量 各處理用干凈的不銹鋼剪刀分離玉米的地上部和地下部，去離子水清洗并擦干后，用刻度尺測定株高和主根長，用萬分位天平（FA2104，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司）稱量地上部和地下部的鮮重，地上部裝入信封。地下部置于乙二胺四乙酸二鈉（ethylene diamine tetraacetic acid disodium salt，EDTANa2，20 mmol·L-1）溶液中浸泡15 min，用去離子水反復(fù)沖洗3次，用于根系形態(tài)測量后，裝入信封。地上和地下部均放置于烘箱中，烘至恒重，稱量地上部和地下部干重后備用。

1.3.2 地上地下部Cd含量 各處理稱取0.2 g干樣，置于50 mL三角瓶中，加入10 mL混酸HNO3-HClO4（3∶1，v/v）靜置12 h，用電熱板加熱消解后用去離子水將酸蒸發(fā)掉，并于25 mL容量瓶定容，用原子吸收光譜儀（ZEEnit 700，Analytik Jena，德國）測量樣品中Cd離子濃度。

式中：DW為干重（dry weight）。

1.3.3 葉綠素含量和光合參數(shù) 采樣當天取0.3 g新鮮玉米葉（第一片完全成熟葉）加入乙醇（25 mL，95%），于黑暗條件下浸提至葉片褪色，用紫外分光光度計（L5，上海儀電分析儀器有限公司）于470、649、665 nm處測量吸光度后計算得出葉綠素a（chlorophyll a，Chl a）、葉綠素b（chlorophyll b，Chl b）、類胡蘿卜素（carotenoid）、總?cè)~綠素（total chlorophyll，TChl）的含量［29］。

于采樣前1 d，各處理選取3棵健康玉米幼苗，用便攜式光合測定儀（Li-6400，LICOR Inc.，美國）測量第一片完全展開葉片的氣體交換參數(shù)。葉室內(nèi)光照強度設(shè)置為1000 mol·m-2·s-1，溫度為25℃，參數(shù)數(shù)值穩(wěn)定后，記錄光 合 速 率（photosynthetic rate，Pn）、氣 孔 導(dǎo) 度（stomatal conductance，Gs）、胞 間CO2濃 度（intercellular CO2concentration，C）i和蒸騰速率（transpiration rate，Tr）。

1.3.4 根系構(gòu)型指標 采樣當天，各處理選取3個完整的根系，使用根系掃描儀（V700 PHOTO，Epson，日本）和圖像分析軟件（WinRHIZO?2003b，加拿大）測量總根長（total root length，RL）、根表面積（root surface area，SA）、根體積（root volume，RV）、根平均直徑（root average diameter，RD）、根尖數(shù)（root tips，RT）和分枝數(shù)（root forks，RF）以及根系構(gòu)型分級參數(shù)。根據(jù)根系直徑（RD，mm）大小對RL、SA和RV進行區(qū)間等級定義：Ⅰ級：RD 0.0～0.5 mm；Ⅱ級：RD 0.5～1.0 mm；Ⅲ級：RD 1.0～1.5 mm；Ⅳ級：RD＞1.5 mm［30］。

1.3.5 耐受性綜合評價 采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法對玉米的耐受性進行綜合評價［31］。計算公式為：

式中：X為某一指標的測定值；Xmax和Xmin分別為同一指標中的最大值和最小值；U（X）為玉米在各處理下的隸屬度，0≤U（X）≤1。當參數(shù)與玉米耐受性呈正相關(guān)時選擇公式（1），參數(shù)與玉米耐受性呈負相關(guān)時選擇公式（2）是所有隸屬度累加的均值，Xij是第i個指標所在處理的隸屬度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel、SPSS 25（SPSS Inc.，美國）和Metabo Analyst 5.0對數(shù)據(jù)進行分析，采用最小顯著差異法（LSD）進行單因素方差分析（one-way ANOVA），檢驗處理間差異的顯著性，采用Pearson法進行指標間的相關(guān)性分析，使用Origin 2018（OriginLab Corporation，美國）和Microsoft Visio進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd脅迫下不同濃度Si對玉米幼苗生長的影響

不同處理下玉米幼苗的生長發(fā)育特征如圖1和表1所示，Cd對玉米幼苗具有較強的毒害作用，地上部和地下部的伸長和發(fā)育受到阻礙。從玉米幼苗的根系形態(tài)可以看出，與Cd50Si0處理相比，施加4.00 mmol·L-1Si后側(cè)根減少。Cd脅迫下1.00和1.50 mmol·L-1外源Si的施加可較好地促進地上部和地下部的伸長和生物量的積累。相較于50 μmol·L-1Cd脅迫下的玉米，Cd50Si1處理顯著提高了株高、地下部干重和根耐受指數(shù)，分別增加了29.97%、66.67%和61.44%；Cd50Si1.5處理下株高、地下部鮮重、地上部干重、地下部干重、莖耐受指數(shù)和根耐受指數(shù)達到最大，較Cd50Si0分別顯著提升了30.44%、56.84%、46.67%、83.33%、43.37%和88.82%（P＜0.05），根冠比在施Si后進一步提高，于Cd50Si4處理下達到最大，相比于Cd50Si0處理提高了66.67%。

圖1 Cd脅迫下不同濃度Si處理對玉米幼苗生長表型的影響Fig.1 Effects of different Si treatment on growth phenotype of maize seedlings under Cd stress

表1 Cd脅迫下不同濃度Si處理對玉米幼苗生長及耐受指數(shù)的影響Table 1 Effects of different Si treatment on the growth and tolerance index of maize seedlings under Cd stress（mean±SD）

2.2 Cd脅迫下不同濃度Si對玉米地上地下部Cd濃度、含量及轉(zhuǎn)運系數(shù)的影響

Cd50Si0處理地下部的Cd濃度顯著高于地上部（圖2）。Cd脅迫下玉米地上部、地下部的Cd濃度和地上部Cd含量隨Si施加濃度的升高而降低，其中0.25 mmol·L-1Si便可顯著降低地上部的Cd濃度和含量以及地下部的Cd濃度（P＜0.05）。與Cd50Si0相比，施加不同濃度Si后，地上部、地下部Cd濃度和地上部Cd含量，分別下降了37.50%～94.72%、18.52%～87.21%和32.26%～95.76%；施Si在不同程度上減少了Cd脅迫下玉米幼苗的整株Cd含量，分別下降了12.65%～88.07%；其中0.25～1.50 mmol·L-1Si的施加并沒有顯著降低地下部Cd含量。施Si在不同程度上降低了轉(zhuǎn)運系數(shù)，與Cd50Si0相比分別下降了33.43%～74.69%，其中當外源Si濃度≥1.50 mmol·L-1時，轉(zhuǎn)運系數(shù)趨于穩(wěn)定，處理間無顯著差異（P＞0.05）。玉米幼苗的根系Cd吸收能力和Cd吸收效率隨外源Si施加濃度的提升顯著下降（P＜0.05，圖3），與Cd50Si0相比降低了29.87%～91.11%和20.40%～84.43%。

圖2 Cd脅迫下不同濃度Si處理對玉米幼苗組織內(nèi)Cd濃度、Cd含量以及轉(zhuǎn)運系數(shù)的影響Fig.2 Effects of different Si treatment on Cd concentration，Cd accumulation and translocation factors of maize seedling tissue under Cd stress

圖3 Cd脅迫下不同濃度Si處理對玉米幼苗根系Cd吸收能力和Cd吸收效率的影響Fig.3 Effects of different Si treatment on Cd uptake capacity of roots and Cd uptake efficiency of maize seedling under Cd stress

2.3 Cd脅迫下不同濃度Si處理對玉米幼苗光合系統(tǒng)的影響

與空白對照（CK）相比，Cd50Si0處理下Chl a、Chl b、類胡蘿卜素和TChl的含量均顯著增加（P＜0.05）（圖4）。Chl a、Chl b和TChl含量均于Cd50Si0.25處達到最大值，并顯著高于Cd50Si0處理（P＜0.05），分別高出了9.71%、17.38%和11.76%。隨Si濃度的進一步增加，Chl a、Chl b和TChl的含量逐漸下降，其中Cd50Si4處理下，Chl a、Chl b和TChl的含量均顯著低于CK（P＜0.05）。在Cd50Si0.25處理下類胡蘿卜素含量達到最高點，但與Cd50Si0相比并無顯著差異，0.25～1.50 mmol·L-1外源Si的施加并未顯著提高或降低類胡蘿卜素含量，但Cd50Si2和Cd50Si4處理下類胡蘿卜素含量顯著低于Cd50Si0。

圖4 Cd脅迫下不同濃度Si處理對玉米幼苗葉綠素含量的影響Fig.4 Effects of different Si treatment on chlorophyll content of maize seedling tissue under Cd stress

對于光合參數(shù)（圖5），Cd脅迫下外源Si的施加并未有效緩解Cd對玉米幼苗Pn的抑制作用，與Cd50Si0相比，施 加0.25～1.00 mmol·L-1外 源Si后Pn無 顯著變化（P＞0.05）；在Cd50Si1.5、Cd50Si2和Cd50Si4處理下 ，相比于Cd50Si0處理，Pn顯著降低，受到了更為嚴重的抑制（P＜0.05）。Cd50Si0處理顯著抑制了玉米幼苗的Gs、Ci和T（rP＜0.05），與CK相比分別降低了45.98%、45.63%和44.93%。0.25～1.50 mmol·L-1外源Si在不同程度上緩解了Cd對Gs和Tr的抑制作用，其中1 mmol·L-1外源Si緩解效果最好，Gs和Tr分別提高了63.22%和59.10%；Cd脅迫下0.50～4.00 mmol·L-1外源Si的施加顯著提高了玉米幼苗的C，與CdSi處理相比上升46.21%～63.85%。

圖5 Cd脅迫下不同濃度Si處理對玉米幼苗光合參數(shù)的影響Fig.5 Effects of different Si treatment on photosynthetic parameters of maize seedling tissue under Cd stress

i500

2.4 Cd脅迫下不同濃度Si對玉米幼苗根系構(gòu)型分級的影響

通過表2可以發(fā)現(xiàn)Cd脅迫顯著降低了玉米幼苗的RL、SA、RV、RT和RF，和CK相比分別減少了61.97%、52.54%、40.96%、66.00%和70.50%。另外，Cd還顯著抑制了Ⅰ～Ⅲ徑級區(qū)間的RL（66.46%、41.41%和41.43%）、Ⅰ～Ⅱ級徑級區(qū)間SA（62.72%和42.29%）和RV（60.87%和44.07%）。外源施加Si明顯緩解了Cd對根系的毒害作用，其中，當Si濃度為1.00 mmol·L-1時（Cd50Si1），根系的RL和RF達到最大值，與Cd50Si0相比提高了31.78%和42.01%；SA和RV在Cd50Si1.5處達到最大，升高了52.67%和102.04%；Ⅰ級徑級區(qū)間的RL、SA和RV均在Cd50Si1處達到峰值，Ⅲ級和Ⅳ級徑級區(qū)間的RL、SA和RV則在Cd50Si1.5處達到最大，并顯著高于Cd50Si0處理。從圖6中可以看出4.00 mmol·L-1外源Si的施加降低了Ⅰ級徑級區(qū)間內(nèi)的RL、SA和RV的占比，與Cd50Si0相比分別減少了23.03%、46.19%和62.69%；Ⅱ級徑級區(qū)間內(nèi)的RL和SA占比則有所上升，相對于CK和Cd50Si0分別升高了127.75%、49.25%（RL）和25.00%、5.36%（SA）。

圖6 Cd脅迫下不同濃度Si處理對玉米幼苗根長、根表面積以及根體積在不同徑級區(qū)間所占百分比的影響Fig.6 Effects of different Si treatment on maize seedling percentage of root length，root surface area and root volume in different root diameters under Cd stress

Si4 20 6.38±1 9.77 c 11 5.60±1 7.26 c 5.93 cd 1.19 bc 4.09 e 2.07 d 71.2 4±10.6 1±8.83±0.8 9b 36.2 9±6.66±1.0 9c 15.2 0±4.08±0.4 8b 7.24±1.0 3b 0.51±0.0 7d 0.04±0.0 1d 0.27±0.0 5d 0.13±0.0 2b 0.60±0.1 9b c 0.56±0.0 3a 62 3.67±4 6.19 bc 64 1.00±1 42.4 5c Si2 43 6.79±4 1.96 b 28 4.08±2 8.68 b 13 0.00±1 5.51 a 4.06 bc 4.97 bc 8.93±3.1 3b 2.25 b 3.31 ab 17 8.10 b 13.6 7±68.2 1±20.6 2±28.8 0±5.15±1.5 6b 7.38±2.0 4b 0.85±0.0 5ab 0.14±0.0 2b c 0.52±0.0 6ab 0.16±0.0 5b 0.61±0.1 3b c 0.50±0.0 1abc 73 5.33±5 3.68 b 14 51.0 0±43 3.66±4 3.93 b 29 7.63±3 9.49 b Si1.5 5.46 bc 7.32 a 5.20 a 9.37 b 2.28 b 1.28 bc 4.35 a 28 2.17 b 22.3 9±97.9 4±15.4 9±72.8 7±22.2 1±22.6 0±8.62±2.9 3a 12.8 2±0.99±0.2 3a 0.15±0.0 1b 0.43±0.0 3b c 0.27±0.0 9a 1.03±0.3 3a 0.54±0.0 7ab 60 3.33±1 47.5 5b c 15 12.3 3±Cd50 Si1 48 4.58±1 15.1 9b 35 8.25±9 8.33 b表Ta ble 2 E ffects o f d ifferent S i treatment o n roo t structu re a nd roo t o f d ifferent roo t d ia meters cla sses o f m aize seedlin gs u nd er C d stress（mean±S D）10 1.85±1 4.47 b 2.37 bc 13.7 4b c 7.50 b 3.12 bc 39 1.95 b 15.3 0±9.13±2.7 0b 68.1 2±25.1 0±23.1 1±5.69±0.8 2b 7.27±2.2 3b 0.76±0.1 3b c 0.17±0.0 5b 0.43±0.0 6b c 0.17±0.0 2b 0.55±0.1 9b c 0.45±0.0 2cd 72 3.00±9 7.15 bc 15 78.6 7±Si0.5 39 3.17±1 42.1 1b 29 0.55±1 29.3 9b 14.4 9b cd 1.46 bc 2.99 b 14.6 1b cd 8.51 b 3.50 cd 50 7.38 bc 79.3 6±13.1 7±10.0 2±56.0 9±19.2 0±17.7 5±4.93±0.5 3b 8.83±3.0 0ab 0.65±0.1 1b cd 0.12±0.0 5b c 0.33±0.0 7cd 0.15±0.0 2b 0.84±0.3 6ab 0.47±0.0 7b cd 56 4.00±1 90.8 4b c 13 13.6 7±Si0.25 38 0.44±6 4.23 b 29 0.32±4 3.70 b 20.6 2d 2.01 bc 0.66 b 8.81 cd e 2.73 b 5.06 d 28 2.53 bc 67.9 4±11.8 3±10.3 1±52.4 2±19.0 4±15.4 8±4.45±0.7 8b 8.12±0.6 0b 0.57±0.1 0cd 0.12±0.0 2b c 0.29±0.1 0d 0.13±0.0 2b 0.61±0.0 9b c 0.44±0.0 0cd 51 3.33±7 4.57 c 12 25.6 7±響影的級20.6 1b cd 3.24 de 0.73 b 4.14 cd 62.7 7b c分Si0系根86.0 1±9.43±1.6 7c 5.85±1.5 9b 47.7 3±15.9 3±18.7 5±3.57±0.5 9b 4.68±1.3 8b 0.49±0.0 3d 0.09±0.0 1cd 0.33±0.0 7cd 0.11±0.0 2b 0.36±0.1 2c 0.41±0.0 1d和36 7.71±3 2.39 b 26 6.37±1 4.84 b 59 8.33±1 18.4 5b c 11 11.6 7±構(gòu)結(jié)系根2.26 b 5.91 a 3.91 a 91.5 4a 65 9.30 a苗CK幼9.60±3.0 6b 6.05±0.8 7b 7.43±2.3 3b 0.83±0.0 7ab 0.23±0.0 4a 0.59±0.0 7a 0.18±0.0 3b 0.54±0.1 7b c 0.33±0.0 1e米96 6.95±1 20.1 5a 79 4.09±1 04.5 4a 14 6.80±1 7.46 a 16.1 0±10 0.56±1 0.31 a 42.7 3±32.4 9±玉17 59.6 7±37 68.6 7±對理Si處度濃同不項Item 目下SA o f each class（cm2）迫RL o f each class（cm）積RV o f each class（cm3）2 C d脅RL（cm）長面積根SA（cm2）表體RD（m m）總積根RV（cm3）根徑RT RF長級 面級 積級 直數(shù)數(shù)根分 表分 體分 均尖枝總各ⅠⅡⅢⅣ根各ⅠⅡⅢⅣ根各ⅠⅡⅢⅣ平根分

2.5 綜合評價Cd脅迫下不同濃度Si對玉米幼苗的影響

如表3所示，采用隸屬函數(shù)法對玉米幼苗在不同處理下的生理指標進行了分析，結(jié)果表明，玉米在不同處理下的耐受性由強到弱依次為：CK＞Cd50Si1＞Cd50Si1.5＞Cd50Si0.25＞Cd50Si0.5＞Cd50Si2＞Cd50Si0＞Cd50Si4。

表3 Cd脅迫下不同濃度Si處理后玉米幼苗生長耐受性綜合評價Table 3 Effects of different Si treatment on comprehensive evaluation of tolerance of maize seedlings under Cd stress

2.6 玉米幼苗各指標之間的主成分分析、熱圖分析、相關(guān)矩陣以及隨機森林

利用主成分分析（principal component analysis，PCA）的方法進一步探究了Cd脅迫下不同濃度Si的施加對玉米幼苗生長的影響。PC1占據(jù)了總方差的58.5%，PC2占據(jù)了總方差的24.1%（圖7A）。8個處理（CK、Cd50Si0、Cd50Si0.25、Cd50Si0.5、Cd50Si1、Cd50Si1.5、Cd50Si2、Cd50Si4）均 被PC2顯著分離，Cd50Si0和Cd50Si0.25處 理與CK、Cd50Si0.5、Cd50Si1、Cd50Si1.5、Cd50Si2、Cd50Si4處理顯著分離（圖7B）。PC1顯著影響了地上部的Cd濃度及含量、地下部的Cd濃度及含量、整株Cd含量、轉(zhuǎn)運系數(shù)、地上部和地下部的耐受指數(shù)、RD、根冠比、Chl b含量、Ⅳ級徑級區(qū)間內(nèi)的RV，TChl含量、Chl a含量和類胡蘿卜素含量，PC2顯著影響了RD、轉(zhuǎn)運系數(shù)、根冠比和Chl b含量（圖7C）。

圖7 Cd脅迫下不同濃度Si處理誘導(dǎo)玉米幼苗各指標變化的主成分分析Fig.7 Principal component analysis of the changes of each index of maize seedlings induced by Si at different concentrations under Cd stress

由相關(guān)性分析結(jié)果可知，地上部和地下部的Cd濃度及含量和整株Cd含量與玉米幼苗的主根長、RT呈顯著負相關(guān)（P＜0.05），與Chl a、Chl b、類胡蘿卜素以及TChl含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；轉(zhuǎn)運系數(shù)與玉米幼苗的株高、主根長、地上部鮮重、地下部鮮重、地上部干重、地下部干重、RL、SA、RV、RT、RF、Ⅰ～Ⅲ級徑級區(qū)間內(nèi)的RL和SA以及Ⅰ～Ⅱ級徑級區(qū)間內(nèi)的RV呈顯著負相關(guān)（P＜0.05），與莖耐受指數(shù)、Chl a、Chl b、類胡蘿卜素、TChl含量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）（圖8）。

圖8 Cd脅迫下不同濃度Si處理誘導(dǎo)玉米幼苗各指標變化的相關(guān)性分析和熱圖Fig.8 Thermography and correlation analysis of the changes of each index of maize seedlings induced by Si at different concentrations under Cd stress

隨機森林回歸結(jié)果表明，對于玉米地上部來說，平均精度下降（mean decrease accuracy）值由大到小分別為地上部Cd含量、地上部Cd濃度、株高、整株Cd含量；對于玉米根系來說，不同處理依次對地下部Cd濃度、根耐受指數(shù)、地下部Cd含量、根冠比和主根長有較大影響；對于根系構(gòu)型來說Ⅱ級徑級區(qū)間內(nèi)的RL位于Ⅱ級徑級區(qū)間內(nèi)的SA之前；對于葉綠素含量來說，按照平均精度下降值由大到小排列為TChl含量、Chl a含量、Chl b含量及類胡蘿卜素含量（圖9）。

圖9 Cd脅迫下不同濃度Si處理誘導(dǎo)玉米幼苗各指標變化的隨機森林分析Fig.9 Random forest plot of the changes of each index of maize seedlings induced by Si at different concentrations under Cd stress

3 討論

3.1 施Si對Cd脅迫下玉米生長的影響

Cd作為一種有毒的重金屬元素，在植物體內(nèi)的大量積累會刺激過量活性氧（ROS）的產(chǎn)生，造成細胞膜的過氧化損傷，影響植物對水分和礦質(zhì)元素的吸收，干擾其正常生長發(fā)育［2，21，32］。玉米作為優(yōu)質(zhì)的糧食、經(jīng)濟、飼料以及修復(fù)作物，探究降低玉米幼苗對Cd的吸收轉(zhuǎn)運途徑，以及緩解Cd對玉米幼苗毒害的途徑，在保障食品安全和人體健康上具有重要意義。

Cd對植物的毒害作用體現(xiàn)在多種方面。曲丹陽等［7，10］發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)液中Cd濃度為80 mg·L-1時，會引起玉米幼苗的氧化脅迫，丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量增加，葉綠素含量減少，抗氧化系統(tǒng)受到抑制，表現(xiàn)出葉片發(fā)黃以及生物量顯著降低。在本試驗中，Cd脅迫下玉米植株矮小，根系發(fā)育受阻，生物量下降，根和莖的耐受指數(shù)降低；Cd50Si0處理下根冠比顯著上升，可能是由于在高Cd脅迫下，玉米幼苗光合產(chǎn)物向地下部分配的比例提高，這是植物面對逆境脅迫時常見的響應(yīng)策略。另外一種原因是相對于地下部分，玉米幼苗的地上部對Cd更為敏感，受Cd毒害更為嚴重（表1）。Si可沉積于根系的內(nèi)皮層附近形成屏障，阻礙Cd向地上部的運輸［2，27］，增強抗氧化酶活性，緩解氧化脅迫［33-34］。耐受性綜合評價結(jié)果顯示，施加一定濃度的Si（0.25～2.00 mmol·L-1）可在不同程度上緩解Cd對玉米幼苗的毒害。從試驗結(jié)果來看，施Si降低根系吸Cd能力和轉(zhuǎn)運系數(shù)，減少玉米幼苗對Cd的積累。Cd脅迫下施加1.00和1.50 mmol·L-1外源Si后，玉米株高顯著上升，生物量增加，耐受指數(shù)顯著提高，相關(guān)性分析表明耐受指數(shù)與地上部和地下部Cd含量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。施Si后根冠比進一步提高，說明施Si進一步提高了生物量向地下部分的分配，促進了根系生物量的積累。楊超光等［35］通過玉米盆栽試驗發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，Cd（1 mmol·kg-1）脅迫下施加外源Si（2～4 g·kg-1）可顯著降低根和莖葉中Cd含量，并顯著提高玉米的生物量。

葉綠體作為綠色高等植物光合作用發(fā)生的場所，是細胞內(nèi)重要的細胞器。葉綠體具有雙層膜結(jié)構(gòu)，外界不良環(huán)境易對其結(jié)構(gòu)和功能造成影響。有報道指出，在Cd離子濃度為1 μmol·L-1時，玉米的葉綠體結(jié)構(gòu)沒有明顯的損傷，隨Cd濃度的逐漸升高以及脅迫時間的延長，部分葉綠體出現(xiàn)模糊、膨脹以及類囊體片層擴張明顯甚至溶解的現(xiàn)象［13］，抑制植物的光合作用和呼吸作用。而在本試驗中，Cd脅迫下Chl a、Chl b、類胡蘿卜素和TChl的含量與CK相比顯著上升，Ozyigit等［36］、沈春修等［37］分別在小麥和水稻試驗中發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，研究表明水培條件下0.5～50.0 mg·L-1Cd處理可促進小麥根系中Ca、Cu、Fe、Mg、Mn、Na的積累［38］。陳翠芳［39］通過土培試驗探究了Cd脅迫下施Si對白菜（Brassica pekinensis）的影響，發(fā)現(xiàn)低Cd（0～0.6 mg·kg-1）處理下一定濃度Si（0.5～1.0 g·kg-1）的施加可提高葉片葉綠素的相對含量（soil and plant analyzer development，SPAD），較高濃度Si（2 g·kg-1）的施加則降低了SPAD值，說明高濃度的Si會抑制光合色素的合成。有報道指出，在Cd污染土壤中施Si（150 kg·hm-2）顯著降低了雜交稻葉片中Cu、Mn及Zn含量［40］。從光合色素含量的結(jié)果來看，Cd50Si0.25處理下Chl a、Chl b和總?cè)~綠素的含量顯著高于Cd50Si0，0.25 mmol·L-1Si施加后，地上部Cd濃度及含量的下降可能在一定程度上減輕了Cd對葉綠素合成的抑制作用，但隨Si處理濃度的進一步升高，葉綠素含量逐漸下降，可能是因為高濃度的Si抑制了礦質(zhì)元素吸收，導(dǎo)致光合色素合成和光合作用受到抑制。

光合作用的狀態(tài)可作為一種指示植物受脅迫程度的重要指標［2］。Cd單獨存在時會對玉米PSⅡ的效率造成影響［5］。Cd可抑制Calvin循環(huán)以及光合電子傳遞鏈中關(guān)鍵酶的活性，使光合作用受到抑制［15-16，41］。試驗數(shù)據(jù)顯示Cd脅迫顯著抑制了玉米的Pn、Gs、Ci和Tr，小麥［23］和水稻［32］中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。氣孔是由一對特化的表皮保衛(wèi)細胞組成，是CO2進入植物和植物蒸騰失水的主要通道，K+和Na+在調(diào)節(jié)氣孔開合上具有重要作用，Cd脅迫下根系對K+吸收的大量減少以及對Na+吸收的增多可能對保衛(wèi)細胞的開合造成了負面影響［38，42-44］，導(dǎo)致Gs下降，抑制了玉米幼苗的Tr以及Ci。有研究表明施Si可有效減輕Cd對棉花（Gossypium hirsutum）水分利用效率的影響，緩解Cd對光合系統(tǒng)的毒害［45］。本試驗中發(fā)現(xiàn)外源Si的施加并未有效促進玉米的光合作用，Cd50Si1處理下Gs、Ci和Tr顯著提高，隨Si濃度的進一步提高，Pn、Gs和Tr出現(xiàn)下降趨勢，而Ci較為穩(wěn)定，可能Cd對玉米幼苗的PSⅡ造成了一定程度的損傷，導(dǎo)致了Pn的顯著下降。Cd脅迫下適當濃度Si的施加可能促進了根系對N、P、K、Ca、Mn、Zn等元素的吸收［46］，從而在一定程度上緩解了Cd對保衛(wèi)細胞的脅迫，Gs、Ci和Tr有所提升；較高濃度Si的施加（1.5～4.0 mmol·L-1）引起的Pn下降有可能也受到了非氣孔因素的限制［47］，干擾了玉米幼苗對CO2的利用。

3.2 施Si對Cd脅迫下玉米根系構(gòu)型分級的影響

根系作為重要的營養(yǎng)器官，能夠首先感知來自土壤有毒物質(zhì)的脅迫，其發(fā)育狀態(tài)在植物的正常生長中起著重要作用。Cd脅迫會造成玉米根系細胞在超微結(jié)構(gòu)上的損傷，造成質(zhì)壁分離、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體結(jié)構(gòu)受損，隨著脅迫時間的增加和脅迫程度的加重，甚至?xí)霈F(xiàn)核膜及細胞的解體［13］。本研究發(fā)現(xiàn)Cd可顯著降低玉米根系的RL、SA和RV，呈現(xiàn)出明顯的毒害癥狀（圖1和表2），與小麥［48］、水稻［18］等作物Cd毒害癥狀相似。Cd脅迫條件下，RF和RT大幅度減少，并與地下部Cd濃度和含量呈顯著負相關(guān)（P＜0.05），表明Cd對玉米幼苗側(cè)根的生成具有負面影響，其中Cd脅迫下Ⅰ～Ⅲ級徑級區(qū)間的RL以及Ⅰ～Ⅱ級徑級區(qū)間的SA和RV受到了較為嚴重的抑制作用，Ⅳ級徑級區(qū)間的RL以及Ⅲ～Ⅳ級徑級區(qū)間的SA和RV受Cd的影響不大。何俊瑜等［18］比較了兩種水稻在不同濃度Cd脅迫下根系形態(tài)的變化，當Cd脅迫濃度高于5 μmol·L-1時兩種水稻的總根長、根表面積和根體積受到抑制，0～1.5 mm徑級區(qū)間的根系長度、根系表面積和根系體積受Cd的影響較大。

適量濃度的Si可通過促進根系對草酸的分泌［25］、在細胞壁上結(jié)合形成Si-半纖維素基質(zhì)［26］等途徑阻礙根系對Cd的吸收轉(zhuǎn)運，緩解Cd對植物的毒害作用［2］。本研究中，0.25～2.00 mmol·L-1外源Si的施加在不同程度上緩解了Cd對玉米根系的負面作用，其中1.00～1.50 mmol·L-1外源Si的效果較好，但RL、RF和RT在Cd50Si1.5處理下與Cd50Si0相比并未達到顯著水平，平均直徑隨Si濃度的升高呈現(xiàn)增大趨勢；1.50 mmol·L-1外源Si的施加則顯著緩解了Cd對Ⅲ～Ⅳ級徑級區(qū)間根系參數(shù)的毒害作用。說明了1.50 mmol·L-1Si的施加能更好地緩解Cd對＞1 mm粗根的毒害，玉米不同直徑的根系在面對環(huán)境的變化時具有不同的形態(tài)可塑性和功能差異性。有研究表明，Si可促進細胞壁的伸長［49］，在富含Cd、Zn的土壤中施Si后，玉米根系的表皮、外皮層、內(nèi)皮層、中柱鞘和木質(zhì)部細胞壁中均發(fā)現(xiàn)了植硅體［50］。Fan等［51］探究了施Si對重金屬脅迫下水稻的影響，發(fā)現(xiàn)S（i1.50 mmol·L-1）的施加可有效緩解Cd（50 μmol·L-1）對水稻根系的毒害，兩個品種水稻的總根長、根表面積、根體積以及根平均直徑在不同程度上有所提高；而Shi等［23］則發(fā)現(xiàn)S（i1.00 mmol·L-1）的施加并沒有顯著緩解Cd（5和20 μmol·L-1）對小麥根系形態(tài)（總根長、根表面積、根體積和根平均直徑）的抑制，可能施Si對Cd毒害的緩解效果也受到物種和培養(yǎng)條件的影響。

4 結(jié)論

50 μmol·L-1Cd對玉米幼苗的生長具有明顯的毒害作用。Cd脅迫下隨著Si濃度的增加，地下部與地上部的Cd濃度與轉(zhuǎn)運系數(shù)顯著降低，玉米根系對Cd的吸收能力和吸收效率也顯著下降，并促進了光合產(chǎn)物向玉米幼苗地下部的分配。在Cd50Si1和Cd50Si1.5處理下根系的生物量、根表面積、根體積以及平均直徑顯著增加，各根系分級下的根系參數(shù)也在不同程度上有所提高，其中Cd50Si1.5處理顯著增加了Ⅲ～Ⅳ級徑級區(qū)間的SA和RV。其中玉米幼苗的耐受性綜合評價表明1.00 mmol·L-1外源Si的施加在整體上能更好地緩解Cd對玉米的毒害作用，促進玉米幼苗的發(fā)育和光合效率，提高耐受性。