摘要：為研究不同甘薯品種幼苗鎘脅迫后的生理變化，通過篩選適宜在鎘脅迫下種植的幼苗品種并利用耐鎘差異性建立預測甘薯幼苗耐鎘性的數(shù)學模型。以27個甘薯品種為試驗材料，通過對甘薯幼苗水培，研究450 μmol/L鎘脅迫條件下各甘薯葉片的生理響應，結(jié)合主成分分析、隸屬函數(shù)分析、逐步回歸分析及系統(tǒng)聚類分析進行品種篩選及耐鎘性評價。在鎘脅迫條件下，參試材料各生理指標含量變化不同，且不同品種甘薯幼苗的耐鎘系數(shù)也不同。通過甘薯幼苗耐鎘性綜合評價得出，綿紫薯9號耐鎘性最強，南紫薯023耐鎘性最差。通過聚類分析將甘薯幼苗耐鎘脅迫類型分為鎘敏感型、低耐鎘型、中耐鎘型和高耐鎘型4種。建立適宜于同等脅迫條件下其他甘薯品種幼苗耐鎘性鑒定的預測方程。發(fā)現(xiàn)供試甘薯材料中有5個品種的甘薯幼苗屬于高耐鎘型，分別是綿紫薯9號、渝蘇303、萬薯9號、濟薯26和蘇薯29。這5個高耐鎘型品種的甘薯幼苗在鎘處理后受脅迫影響相對較小，在450 μmol/L及更低鎘濃度污染環(huán)境下進行甘薯栽培種植時，可優(yōu)先利用。本研究開發(fā)的甘薯幼苗耐鎘性預測方程可用于同等鎘脅迫條件下甘薯幼苗的耐鎘性評價和預測。

關(guān)鍵詞：甘薯；幼苗；耐鎘性；綜合評價；聚類分析

中圖分類號：S531.037""文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2025）01-0038-08

鎘是一種有毒污染物，半衰期強、分布廣，可被植物根系吸收并積累在植物組織和種子中，嚴重影響植物的存活和產(chǎn)量。鎘還可以通過生物積累和生物放大作用對人類健康構(gòu)成嚴重威脅^［1］。而篩選耐鎘性較強且累積低的作物在重度鎘污染土壤上種植，是一種有效的技術(shù)手段。甘薯具有豐富的營養(yǎng)價值，同時具有抗旱、耐貧瘠及產(chǎn)量多等優(yōu)點，兼具糧食作物及經(jīng)濟作物的屬性^［2-3］。目前，在我國南方地區(qū)，隨著土壤鎘污染程度的日益嚴重，甘薯的存活率和產(chǎn)量大大降低。因此通過對南方地區(qū)廣泛種植的甘薯品種的鎘耐受性進行綜合評價并篩選出鎘脅迫下抗性較強的甘薯品種具有重要意義。胡玉龍等研究發(fā)現(xiàn)寧紫薯一號在鎘脅迫下，葉綠素含量減少，光合作用減弱；丙二醛（MDA）含量和過氧化氫含量升高，細胞受損加速，導致寧紫薯一號抗性減弱^［4］。肖力力研究發(fā)現(xiàn)，隨著土壤鎘濃度的升高，甘薯各部位的鎘含量呈增高趨勢，且當濃度達到30 mg/kg時，甘薯生長受到抑制^［5］。靳艷玲等研究發(fā)現(xiàn)，在中度及以下鎘污染的土壤中種植的甘薯，其含鎘量未超過限量標準，比花生和大豆的食用風險低^［6］。前人關(guān)于作物耐鎘性分析及篩選也進行了一定的研究，如夏蔓蔓等采用單因素方差分析和隸屬函數(shù)值法對6個馬鈴薯品種的耐鎘性進行綜合評價^［7］。吳月瑩等采用主成分分析和隸屬函數(shù)分析對4個玉米品種耐鎘性進行綜合評價，篩選耐鎘品種^［8］。龍春麗等通過測定不同鎘濃度下2個耐鎘辣椒品種的生理指標來分析其抗性生理變化^［9］。徐天成等采用主成分分析、隸屬函數(shù)分析對12個甜玉米品種的耐鎘性進行綜合評價，并通過聚類分析將12個品種分為敏感型、中間型和耐受型3類^［10］。

有關(guān)重金屬鎘脅迫下甘薯的研究大多集中在甘薯對鎘的吸收、富集等方面，關(guān)于鎘脅迫下不同甘薯品種幼苗耐鎘性綜合評價及抗性指標篩選缺乏系統(tǒng)研究。本研究在鎘脅迫條件下，以27個甘薯品種為試驗材料，結(jié)合主成分分析、隸屬函數(shù)分析、逐步回歸分析及聚類分析對各品種的耐鎘性進行評價，同時建立數(shù)學模型高效確定篩選指標，以期為甘薯品種幼苗耐鎘性快速評價及耐鎘品種快速篩選提供理論依據(jù)，同時為鎘污染土地高效利用及土壤重金屬污染生態(tài)修復提供參考。

1"材料與方法

1.1"試驗材料

試驗于2023年5月20日到2023年6月17日在四川省南充市農(nóng)業(yè)科學院溫室進行，27個品種甘薯幼苗采自國家甘薯體系南充綜合試驗站。

1.2"試驗方法

1.2.1"試驗設計

以27個甘薯品種（表1）為試驗材料進行水培培養(yǎng)，對照組（CK）用改良的霍格蘭溶液培養(yǎng)，試驗組在改良的霍格蘭營養(yǎng)液中添加 450 μmol/L CdCl2進行鎘脅迫處理（以下用Cd處理代表），參照GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量"農(nóng)用地土壤污染風險管控標準》^［11］，鎘含量超標，為重度污染。每3 d換1次營養(yǎng)液，15 d后開始取樣，將樣品用鋁箔紙迅速包好并用液氮處理，后置于 -80 ℃ 的超低溫冰箱保存，用于測定各項生理指標。

1.2.2"測定指標及方法

用乙醇-紫外分光光度法測定葉綠素和類胡蘿卜素含量^［12-13］，單位：mg/g；鹽酸、甲醇-紫外分光光度法測定花青素含量^［14］，單位：mg/g；丙酮-紫外分光光度法測定過氧化氫含量^［15］，單位：μmol/g；硫代巴比妥酸法測定丙二醛（MDA）含量^［16］"單位：nmol/g； 茚三酮-分光光

1.2.3"數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2020軟件對數(shù)據(jù)進行整理及統(tǒng)計分析，采用SPSS 22.0進行主成分分析、隸屬函數(shù)分析及逐步回歸分析，采用Origin 2021對品種的耐鎘性進行聚類分析。各測試指標耐鎘系數(shù)=Cd處理測定值/CK測定值。

2"結(jié)果與分析

2.1"鎘脅迫下不同甘薯品種各單項指標含量變化及其耐鎘系數(shù)分析

結(jié)合表2、表3可以看出，參試材料在Cd處理下，葉綠素含量與對照組相比均下降，11號下降幅度最小，為5.47%，耐鎘系數(shù)為0.944；17號下降幅度最大， 為59.35%， 耐鎘系數(shù)為0.406。 類胡蘿卜素含量與對照組相比均下降，其中2號下降幅度最小，為13.33%，耐鎘系數(shù)為0.842；17號下降幅度最大，為66.67%，耐鎘系數(shù)為0.337?；ㄇ嗨睾颗c對照組相比均下降，其中8號與15號與CK對比沒有下降，降幅為最??；13號下降幅度最大，為75.00%，耐鎘系數(shù)為0.235。過氧化氫含量與對照組相比均增加，其中15號上升幅度最小，為2.84%，耐鎘系數(shù)為1.032；22號上升幅度最大，為436.78%，耐鎘系數(shù)為5.367。丙二醛含量與對照組相比均增加，其中15號上升幅度最小，為4.89%，耐鎘系數(shù)為1.051；22號上升幅度最大，為362.83%，耐鎘系數(shù)為4.627。脯氨酸含量與對照組相比均增加，其中26號上升幅度最大，為237.92%，耐鎘系數(shù)為3.379；5號上升幅度最小，為0.46%，耐鎘系數(shù)為1.005?？扇苄缘鞍缀颗c對照組相比均有所增加，其中12號上升幅度最大，為229.15%，耐鎘系數(shù)為3.291；21號上升幅度最小，為1.43%，耐鎘系數(shù)為1.014。綜上可得，不同品種各指標含量變化和耐鎘系數(shù)均不同。因此，用各單項生理指標的耐鎘系數(shù)對甘薯耐鎘性進行評價，其結(jié)果可能存在差異。

2.2"甘薯幼苗各單項生理指標相關(guān)性分析

如圖1所示，鎘脅迫條件下，甘薯幼苗各生理指標間存在不同程度的相關(guān)性。葉綠素含量與類胡蘿卜素含量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.770；花青素含量與過氧化氫含量呈極顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.750；丙二醛含量與過氧化氫含量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.910。綜合表2、表3可知，各指標在不同甘薯品種耐鎘性中所起的作用不同。因此， 利用單項指標不能準確直觀地反映甘薯的耐鎘性，須結(jié)合主成分分析及隸屬函數(shù)綜合分析各甘薯品種的耐鎘性。

2.3"鎘脅迫下甘薯幼苗耐鎘性綜合評價

用主成分分析法^［16］對本研究的7個單項指標進行分析，如表4所示，得到新的7個綜合指標，前4個的貢獻率分別為 45.241%、24.666%、11.487%和10.600%，累計貢獻率達91.994%，表明這4個指標基本能反映出原有指標所包含的絕大部分信息，可以用這4個新的相互獨立的綜合指標來代替原先的7個指標。

在各指標特征根、貢獻率和累計貢獻率基礎上，通過隸屬函數(shù)分析^［16］得到27個甘薯品種的綜合評價值D值。從表5可以看出，不同甘薯品種耐鎘性排序為綿紫薯9號＞渝蘇303＞萬薯9號＞濟薯26＞蘇薯29＞湘薯7號＞內(nèi)渝紫2號＞煙薯25＞湘541＞漯紫薯10號＞南紫薯020＞湘薯203＞渝紫3號＞普薯12＞渝薯68＞濟薯9號＞晉薯3號＞渝薯33＞豫薯8號＞西充紫薯＞南渝薯022＞濟薯15＞渝薯1號＞渝薯17＞黔薯8號＞渝紅心薯4號＞南紫薯023。

2.4"鎘脅迫下甘薯幼苗各品種系統(tǒng)聚類分析

對27個甘薯品種進行系統(tǒng)聚類分析，由圖2可見，在歐氏距離為14處可分為4個類群。第1類群為綿紫薯9號、渝蘇303、萬薯9號、濟薯26和蘇薯29品種，此類群綜合評價值（D值）最高，耐鎘性最好，為強耐鎘群體。第2類群為湘薯7號、內(nèi)渝紫2號、煙薯25、湘541、漯紫薯10號、南紫薯020、湘薯203，此類群綜合評價值排在6～12位，耐鎘性較好，為中耐鎘群體。第3類群為渝紫3號、普薯12、渝薯68、濟薯9號、晉薯3號、渝薯33、豫薯8號，此類群綜合評價值排在13～19位，耐鎘性一般，為低耐鎘群體。第4類群為西充紫薯、南渝薯022、濟薯15、渝薯1號、渝薯17、黔薯8號、渝紅心薯4號、南紫薯023，此類群綜合評價值排在20～27位，耐鎘性較差，為鎘敏感類群。

2.5"回歸方程建立及不同甘薯品種耐鎘性鑒定指標篩選

在上述研究基礎上，以耐鎘性綜合評價值D值為因變量，以各單項指標的耐鎘系數(shù)為自變量，通過逐步回歸分析，建立可用于不同甘薯品種幼苗耐鎘性評價的數(shù)學模型，得到方程：D=-0.349+0.294X1+0.123X6+0.086X7+0.320X2+0.099X3（R²=0.998，P=0.000 1）。如表6所示，各品種估計精度均在93%以上，表明方程中的5個指標對甘薯耐鎘性有顯著影響，可用于甘薯耐鎘性評價。同時，若在相同條件下分析測定其他甘薯品種的耐鎘性，可用該方程預測。

3"討論與結(jié)論

鎘脅迫下植物的生長受到影響，發(fā)育緩慢，植物產(chǎn)量減少。最直觀的表現(xiàn)就是植物體內(nèi)的葉綠素合成受阻，葉綠素含量下降，光合作用減弱^［18］。本研究中，27個甘薯品種的葉綠素含量均比對照組低，耐鎘甘薯幼苗通過比鎘敏感甘薯幼苗含有更多的葉綠素來維持植物的光合作用。鎘脅迫會降低辣椒中的葉綠素（葉綠素a、 葉綠素b和總?cè)~綠素）含量，耐鎘辣椒品種葉綠素含量下降相對較少^［1］。脯氨酸能調(diào)節(jié)植物滲透作用，通過改變細胞水勢防止質(zhì)膜通透性改變^［19］。本研究中，隨著鎘脅迫時間的增加，甘薯品種的脯氨酸含量均比對照組高，耐鎘甘薯通過比鎘敏感甘薯產(chǎn)生更多的脯氨酸來穩(wěn)定細胞蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)以及減少酶活性的降低。與楊馥榕等關(guān)于木槿脯氨酸含量與鎘脅迫濃度成正比的研究成果^［20］一致。鎘脅迫下，植株內(nèi)會產(chǎn)生大量的活性氧與脂膜的不飽和酸反應，使丙二醛含量增加^［21］。本研究中，在鎘脅迫下，甘薯植株體內(nèi)MDA和過氧化氫含量與對照組相比均有所增加，鎘敏感甘薯品種比耐鎘甘薯品種產(chǎn)生更多的MDA和過氧化氫，加速細胞受損。以往研究中，玉米植株在鎘脅迫下的處理也有類似現(xiàn)象，其葉片中產(chǎn)生超氧陰離子自由基的速率會加快，過氧化氫含量隨鎘處理時間的增加而增加^［22］?？扇苄缘鞍讓χ参锬芷鸬揭欢ǖ臐B透調(diào)節(jié)作用，在鎘脅迫下可通過提高其含量來維持體內(nèi)正常滲透壓^［23］。本研究中，鎘脅迫下27個甘薯品種的可溶性蛋白含量均比對照組高，耐鎘甘薯品種通過比鎘敏感甘薯品種產(chǎn)生更多的可溶性蛋白來維持植物的滲透調(diào)節(jié)功能，以此來減少植物遭受鎘脅迫的傷害程度。以往研究中，生菜可溶性蛋白含量會隨著鎘濃度的增加而升高來抵抗脅迫帶來的壓力^［24］。

前人關(guān)于作物抗性鑒定采用的指標可能不同，如可以用株高、地上部干重和根系干重來鑒定棉花的耐鹽性^［25］，也可用相對株高、相對葉面積^［26］、脯氨酸含量^［27］來鑒定。如可以用株高、節(jié)間長、穗數(shù)、穗粒重來鑒定小麥抗旱性^［28-29］，也可用總莖數(shù)、有效穗數(shù)、株高、穗長來鑒定^［30］。這是因為作物抗性受多因子影響，單一或少量指標可能難以全面反映作物的抗性強弱。因此，在研究作物抗性時，須用能反映植物抗性的指標進行研究。本研究中，不同甘薯品種的耐鎘性采用7個指標（葉綠素、類胡蘿卜素、花青素、過氧化氫、丙二醛、脯氨酸和可溶性蛋白含量）進行評價，研究發(fā)現(xiàn)不同品種各指標含量變化不同，其耐鎘系數(shù)也不同。所以，用不同單項生理指標的耐鎘系數(shù)對甘薯耐鎘性進行評價，其結(jié)果可能存在差異。但是這些指標存在著一定的相關(guān)關(guān)系，如花青素含量與過氧化氫、丙二醛含量呈極顯著負相關(guān)，與脯氨酸含量呈顯著正相關(guān)。因此，在各指標特征根、貢獻率和累計貢獻率基礎上，進一步結(jié)合主成分分析及隸屬函數(shù)分析對各甘薯品種的耐鎘性進行綜合評價。依據(jù)綜合評價值D值分析得到綿紫薯9號的耐鎘性最強，南紫薯023對鎘最敏感。且綿紫薯9號，渝蘇303、萬薯9號、濟薯26、蘇薯29這5個品種的綜合評價值（D值）均大于0.55，受鎘脅迫影響較小，其幼苗可優(yōu)先在450 μmol/L及更低濃度鎘污染土壤中種植。同時建立了一個相對最優(yōu)的回歸方程作為評價甘薯幼苗耐鎘強弱的數(shù)學模型，通過方程得到的預測值及排序與通過主成分分析及隸屬函數(shù)分析得到的結(jié)果一致。后續(xù)，可用該模型預測甘薯幼苗的耐鎘強度。

本研究選用幼苗進行試驗且是在水培條件下進行，要篩選出適用于實際生產(chǎn)的耐鎘品種，還需結(jié)合田間試驗、多種指標與更多的分析方法才能建立更加精準的模型，以服務國家糧食安全及改善生態(tài)環(huán)境戰(zhàn)略。

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