Cd脅迫對不同品種紫花苜蓿生長及Cd累積的影響

賈樂 楊姝 祖艷群

摘要[目的]篩選耐Cd品種且Cd高累積的苜蓿品種。[方法]通過盆栽試驗(yàn)，研究Cd脅迫下20個紫花苜蓿品種生物量、株高及植株體內(nèi)Cd含量和Cd累積量的差異。[結(jié)果]20個紫花苜蓿品種生長對Cd的響應(yīng)存在顯著差異，Cd脅迫下，品種德欽的株高最高，為35.71 cm，最低的品種是草原1號，為17.56 cm；Cd脅迫下生物量最高的品種是金黃后，為3.52 g/株，最低的品種是草原1號，為1.07 g/株；不同品種對Cd的累積能力存在顯著差異，Cd累積量最高的品種是中苜1號，為33.576 mg/kg，Cd累積量最低的品種是陜北，為3.620 mg/kg。[結(jié)論]通過株高、生物量和Cd累積量分析得出，對Cd耐性較高的品種有3個，Cd 高積累的品種有3個；綜合分析，最終篩選出甘農(nóng)1號為耐Cd 品種且Cd 高累積品種。

關(guān)鍵詞 紫花苜蓿；Cd累積；品種篩選

中圖分類號 S181 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）22-0061-04

Abstract[Objective]The aim was to screen out some varieties with resistance to Cd and high accumulation of Cd.[Method]Through pot experiment，the biomass，plant height and the difference of Cd content in plant and the Cd accumulation of 20 alfalfa varieties under Cd stress were studied.[Result]The 20 varieties of alfalfa growth response to Cd was significantly different. Under Cd stress，the plant height of Deqin was the highest，with 35.71 cm，and the grassland No.1 was the lowest，with 17.56 cm； under Cd stress，the biomass of golden was the highest，with 3.52 g/plant，and that of the prairie No.1 was the lowest，with 1.07 g/plant. Different varieties showed significant differences in accumulation ability of Cd； Zhongmu No.1 had the highest accumulation of Cd，with 33.576 mg/kg，and Shanbei had the lowest Cd accumulation，with 3.620 mg/kg.[Conclusion]Through analysis on plant height，biomass and Cd accumulation，it is found that three varieties have high tolerance to Cd，and three varieties have high accumulation of Cd； comprehensive analysis，Gannong No.1 shows high resistance to Cd and high accumulation ability of Cd.

Key words Alfalfa；Cd accumulation；Cultivar selection

由于人口的急劇增加、工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展和大量農(nóng)藥化肥的使用等原因，重金屬污染越來越嚴(yán)重，且重金屬污染也在世界范圍內(nèi)引起廣泛關(guān)注[1]。紫花苜蓿的生長對Cd的響應(yīng)存在“低促高抑”現(xiàn)象[2-3]，當(dāng)Cd濃度超過一定濃度后，其種子發(fā)芽[4-5]、生物量[6]、植株形態(tài)[7]等均會受到不同程度的抑制。然而，不同品種之間的響應(yīng)存在較大的差異。研究表明，玉米作為糧食，不同玉米品種對重金屬的吸收存在明顯差異，通過種植重金屬低累積的品種，以生產(chǎn)出安全的食品[8-10]。黃瓜是世界性蔬菜，栽培面積廣，鑒于不同黃瓜品種可能具有不同的磷累積能力，可篩選出降磷能力較強(qiáng)的品種，為降低高磷土壤磷素風(fēng)險提供參考[11-12]。目前對紫花苜蓿的品種篩選已有較多研究，主要從生產(chǎn)性能、抗旱性、抗病性、產(chǎn)量及持久性等[13-16]方面對不同苜蓿品種特性進(jìn)行比較。大量研究表明，弱秋眠性苜蓿品種具有較強(qiáng)的耐酸性土壤的能力，同時還具有抗熱性強(qiáng)、產(chǎn)量高、冬季生長活躍等優(yōu)點(diǎn)[17-19]。紫花苜蓿是一種對重金屬耐受性較強(qiáng)的植物[20-21]，已經(jīng)被廣泛證明是一種很有應(yīng)用前景的土壤重金屬修復(fù)植物，它對鎳、銅、鎘、鋅都有較好的富集作用[22]。目前相關(guān)工作集中在特定品種對Cd的響應(yīng)特征，而對不同品種的Cd響應(yīng)差異篩選的研究較少。筆者以不同品種的苜蓿的生長特性和鎘累積量為指標(biāo)，進(jìn)行了分類比較，以期篩選出耐Cd品種且Cd高累積的苜蓿品種，為Cd污染土壤的修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試土壤采自云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)場，紅壤土，pH 7.31，有機(jī)質(zhì)30.18 g/kg，全氮2.68 g/kg，堿解氮56.73 mg/kg，全磷14.21 g/kg，速效磷82.83 mg/kg，全鉀16.06 g/kg，速效鉀 521.76 mg/kg，總Cd含量0.98 mg/kg。供試紫花苜蓿種子購于蝶戀花種業(yè)有限公司，品種名稱及來源見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

于2016年6月在大棚內(nèi)進(jìn)行盆栽試驗(yàn)。盆栽試驗(yàn)設(shè)2個處理：外源Cd添加量分別為0、50 mg/kg，每個處理設(shè)4個重復(fù)；試驗(yàn)用盆為圓形塑料花盆，底部有圓孔（高度為40 cm，口內(nèi)徑為35 cm），每盆裝7 kg土壤；在土壤中拌入研成粉末狀的CdCl2，拌勻。用去離子水調(diào)節(jié)土壤含水量至最大持水量的60% 左右，平衡14 d。挑選子粒飽滿的苜蓿種子，使用10% H2O2消毒30 min，再用蒸餾水沖洗多次后晾干，每盆10粒，均勻撒播于盆內(nèi)，待出苗至10 cm左右時，每盆留5株，其余間去。生長期間常規(guī)培育，生長約120 d后收獲，測定相關(guān)指標(biāo)，包括形態(tài)指標(biāo)（株高、生物量）以及Cd含量。

1.3 取樣與Cd含量分析

在苜蓿成熟期進(jìn)行采樣，每盆取長勢比較均勻的植株樣品。將樣品用清水洗凈后晾干，放入80 ℃烘箱中12 h，在干燥器中冷卻至室溫后用天平測定干重（精確到0. 01 g）為生物量（g/株）。在105 ℃烘箱中殺青30 min，再調(diào)至80 ℃烘24 h至樣品完全烘干，粉碎，過100目篩，待測Cd含量。經(jīng)過HNO3-HCl混酸體系消煮植株樣品后，使用火焰原子吸收分光光度計測定Cd含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理 所有數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差均采用Excel 2007軟件計算，數(shù)據(jù)的方差分析和相關(guān)性分析采用SPSS 17.0軟件。

性狀變化率=（處理值-對照值）/對照值×100%

綜合響應(yīng)指數(shù)=株高變化率+生物量變化率

Cd累積量=Cd含量×生物量

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd對不同品種紫花苜蓿生長特征的影響

Cd脅迫對20個紫花苜蓿品種株高、生物量均有影響（表2）。不同品種紫花苜蓿在Cd脅迫下與對照相比，株高呈下降趨勢的為河西、中苜1號、阿爾岡金、馴鹿、苜蓿王、陜北和草原1號。Cd脅迫下株高增加的有阿勒泰雜花、圖牧1號、新牧2號、金黃后和德欽。Cd脅迫下紫花苜蓿的株高變化率在-35.30%～44.48%，株高變化率最高為隴中苜蓿，最低為草原1號。

不同品種紫花苜蓿在Cd脅迫下與對照相比，生物量呈上升趨勢的為巨人201+Z、甘農(nóng)1號、中苜1號、金黃后和游客。Cd脅迫下生物量增加的有阿爾岡金和金黃后。Cd脅迫下紫花苜蓿的生物量變化率在 -56.02%～22.80%，生物量變化率最高為巨人201+Z，最低為馴鹿。

綜合響應(yīng)指數(shù)最大品種為巨人201+Z，達(dá) 38.75%；最小品種為草原1號，為 -88.16%。對20個品種紫花苜蓿綜合響應(yīng)指數(shù)進(jìn)行排序，其中巨人201+Z、甘農(nóng)1號、金黃后為綜和響應(yīng)指數(shù)最高的一類；阿勒泰雜花、圖牧1號、中苜1號、三得利和德欽等為綜合響應(yīng)指數(shù)較高的一類；草原1號和馴鹿為綜合響應(yīng)指數(shù)最低的一類；其余品種綜合響應(yīng)指數(shù)居中。綜和響應(yīng)指數(shù)最高的巨人201+Z、甘農(nóng)1號、金黃后可作為耐Cd 品種。

2.2 Cd對不同品種紫花苜蓿體內(nèi)Cd含量及累積的影響

Cd脅迫下20個紫花苜蓿品種體內(nèi)Cd含量和Cd累積量差異顯著，且與對照相比均有顯著上升（表3）。在Cd脅迫下，各品種Cd含量為2.30～19.95 mg/kg，平均含量為9.65 mg/kg。Cd含量最高的品種甘農(nóng)1號是含量最低的品種陜北的8.67倍。

在Cd脅迫下，各品種Cd累積量為3.615～33.576 μg/株，平均含量為10.760 μg/株。Cd累積最高的品種中苜1號是含量最低的品種陜北的9.28倍。

對20個品種紫花苜蓿品種Cd累積量進(jìn)行排序，其中甘農(nóng)1號、阿泰勒雜花和中苜1號等為Cd累積最高的一類；草原1號為含量較高的一類；其他品種Cd含量較低。為了修復(fù)土壤中重金屬Cd的累積，選擇甘農(nóng)1號、阿泰勒雜花和草原1號作為紫花苜蓿高累積Cd的品種。

3 討論

Cd污染對植物的生長發(fā)育和細(xì)胞的新陳代謝具有重要影響[23-25]。該試驗(yàn)中，對照組的株高和生物量無明顯差異，且對其生長影響較小，但在Cd脅迫下與對照相比株高和生物量大部分均呈下降趨勢，小部分呈上升趨勢。Cd脅迫下巨人201+Z、甘農(nóng)1號、金黃后綜和響應(yīng)指數(shù)較高，表明巨人201+Z、甘農(nóng)1號、金黃后在Cd脅迫下能夠正常生長，生物量無明顯下降，可作為耐Cd品種。也有研究表明，鎘處理濃度為5 mg/kg時，紫花苜蓿的株高、主根長、生物量和葉綠素含量與對照相比均有所提高，但差異不顯著，隨著處理濃度增加，上述指標(biāo)呈顯著降低趨勢[26]。Cd濃度較低時對株高和生物量等生理指標(biāo)的影響不明顯，表明紫花苜蓿對Cd具有一定的耐性。另外，紫花苜蓿在高濃度Cd處理中受毒害明顯，說明紫花苜蓿耐Cd的有限性。同樣也有較多研究表明Cd對植物生長的影響均與上述結(jié)論一致，如水稻[27]、棉花[28]和番茄[29]等植物在Cd濃度較高時，產(chǎn)量和植株總生物量下降，只有少數(shù)品種產(chǎn)量和生物量有所上升。

Cd的累積濃度隨Cd濃度增加而增加，且地下部Cd累積濃度大于地上部。不同品種紫花苜蓿吸收和累積Cd的能力存在較大差異。該試驗(yàn)中，在Cd脅迫下不同紫花苜蓿品種間的Cd累積量有顯著差異，品種中苜1號累積量Cd高達(dá)33.576 mg/kg，品種陜北Cd累積量僅3.620 mg/kg。通過對比20個紫花苜蓿品種體內(nèi)Cd含量發(fā)現(xiàn)，甘農(nóng)1號、阿泰勒雜花和草原1號品種為Cd累積量最高。也有研究表明，品種新疆大葉在Cd處理濃度為100 mg/kg時，其地上部和地下部的Cd含量分別為16.01和84.21 mg/kg[30]；品種Col在處理濃度為50 mg/L時，其地上部和地下部的Cd含量分別為1 920和12 360 mg/kg（DW），與前者差異顯著[31]。與該試驗(yàn)結(jié)果一致，不同品種間的Cd累積量存在差異。

植物對鎘的抗性可以分為3種：在有Cd脅迫條件下很快死亡；在有Cd脅迫條件下可以大量吸收環(huán)境中的鎘離子，而且生長好，生物量高；在有Cd脅迫下條件下能大量吸收環(huán)境中的鎘離子，但生長受到抑制。應(yīng)用到植物修復(fù)中的植物材料是第2種情況，即可以大量吸收隔離子又不影響其生長[32]。該試驗(yàn)通過20個品種紫花苜蓿在Cd脅迫下綜合響應(yīng)指數(shù)和Cd累積量的分析，可篩選出耐Cd品種且Cd高累積的品種。在Pb污染的土壤中種植玉米，就要篩選出低累積Pb的玉米品種，且玉米籽粒中Pb含量不能超過《糧食及制品中重金屬限量標(biāo)準(zhǔn)》（NY 861—2004）[33]。紫花苜蓿不同于玉米，作為Cd污染的土壤修復(fù)植物，要篩選出高累積Cd的品種，且耐Cd品種[34]。

4 結(jié)論

Cd 脅迫下20個紫花苜蓿品種的株高、生物量的變化差異顯著。Cd脅迫下株高最高的為德欽（35.71 cm），最低的是草原1號（17.56 cm）。Cd脅迫下生物量最高的為金黃后（3.52 g/株），最低的是草原1號（1.07 g/株）。

20個品種紫花苜蓿對Cd的累積能力存在顯著差異。Cd累積量最高的品種是中苜1號（33.576 mg/kg），Cd累積量最低的品種是陜北（3.620 mg/kg）。

生物量與Cd累積量呈顯著正相關(guān)。Cd含量和Cd累積量呈顯著正相關(guān)。

綜合分析，最終篩選出甘農(nóng)1號為耐Cd 品種且Cd 高累積品種。

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