外源硅對(duì)鎘脅迫下玉米生理參數(shù)及根系構(gòu)型分級(jí)的影響

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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)春 130118）

鎘（cadmium，Cd）作為主要的土壤無(wú)機(jī)污染物之一［1］，是一種動(dòng)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(gè)部位［2］，可通過(guò)食物鏈進(jìn)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(qiáng)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(shí)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(huì)造成玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的降低［6］。Cd會(huì)抑制植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育，導(dǎo)致植株矮小，生物量顯著下降，葉尖褪綠等問(wèn)題，嚴(yán)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(guò)量活性氧（reactive oxygen species，ROS）的產(chǎn)生，干擾水分平衡以及植物對(duì)養(yǎng)分的吸收，引起細(xì)胞膜的脂質(zhì)過(guò)氧化損傷，造成細(xì)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(xì)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(bào)道指出，玉米在10-5和10-6mol·L-1Cd處理下暴露一定時(shí)間后會(huì)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(dá)，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(duì)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(zhǎng)、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(jí)區(qū)間內(nèi)的根長(zhǎng)、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(yàn)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?jī)H次于氧的元素［2］，在植株中主要以水合無(wú)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(qiáng)植物對(duì)自身的保護(hù)，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(hào)、正紅115）苗期生物量的積累，葉面積的擴(kuò)大，促進(jìn)根系發(fā)育及其對(duì)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(duì)Cd的吸收［24-25］，能夠在細(xì)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(yùn)［27］。另外，Si能夠影響Cd的亞細(xì)胞分布、提高抗氧化能力、調(diào)節(jié)基因表達(dá)等［2，24，28］，從而減少作物對(duì)Cd的吸收和積累，緩解Cd對(duì)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(jìn)光合作用，緩解Cd對(duì)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(duì)環(huán)境的變化具有較強(qiáng)的可塑性，Cd脅迫下外源物質(zhì)對(duì)玉米根系構(gòu)型及分級(jí)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(duì)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(duì)于保障玉米安全生產(chǎn)、飼料安全以及發(fā)掘玉米對(duì)污染土壤的修復(fù)能力是十分必要的。本試驗(yàn)以玉米（鄭單958）為供試植物，采用營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)法，旨在探究不同濃度Si對(duì)Cd脅迫下幼苗的生長(zhǎng)以及耐受性、光合系統(tǒng)、根系構(gòu)型分級(jí)和Cd吸收積累特征的影響，綜合評(píng)價(jià)不同濃度Si對(duì)玉米Cd毒害的緩解效果，進(jìn)一步從根系構(gòu)型及分級(jí)角度豐富Si應(yīng)用于緩解Cd對(duì)玉米毒害的機(jī)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(gòu)買于河南秋樂(lè)種業(yè)科技股份有限公司。

營(yíng)養(yǎng)液 ：Hoagland營(yíng) 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(yíng)養(yǎng)液中。

1.2 試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)于2020年6月在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)光照培養(yǎng)室進(jìn)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(rùn)的紗布上，保持種子濕潤(rùn)，催芽72 h后轉(zhuǎn)入溫室。待玉米長(zhǎng)至一葉一心時(shí)，選取大小一致的幼苗移栽至盛有1/4 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液的培養(yǎng)盒（體積為2 L）中進(jìn)行培養(yǎng)，每盆定植9棵幼苗，2 d后更換1/2 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液，并每2 d更新一次營(yíng)養(yǎng)液，待幼苗生長(zhǎng)至兩葉一心時(shí)，更換全Hoagland營(yíng)養(yǎng)液并施加各處理。試驗(yàn)共設(shè)置8個(gè)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(gè)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(cè)定光合氣體交換參數(shù)并進(jìn)行采樣。部分樣品用于測(cè)量株高、根長(zhǎng)、鮮重和根系指標(biāo)后進(jìn)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(cè)定，部分鮮樣用于葉綠素含量的測(cè)定，各指標(biāo)均設(shè)置3個(gè)重復(fù)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)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(cè)定株高和主根長(zhǎng)，用萬(wàn)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(cè)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(guó)）測(cè)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(dāng)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(jì)（L5，上海儀電分析儀器有限公司）于470、649、665 nm處測(cè)量吸光度后計(jì)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(cè)定儀（Li-6400，LICOR Inc.，美國(guó)）測(cè)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(qiáng)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(biāo) 采樣當(dāng)天，各處理選取3個(gè)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(cè)量總根長(zhǎng)（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(jí)參數(shù)。根據(jù)根系直徑（RD，mm）大小對(duì)RL、SA和RV進(jìn)行區(qū)間等級(jí)定義：Ⅰ級(jí)：RD 0.0～0.5 mm；Ⅱ級(jí)：RD 0.5～1.0 mm；Ⅲ級(jí)：RD 1.0～1.5 mm；Ⅳ級(jí)：RD＞1.5 mm［30］。

1.3.5 耐受性綜合評(píng)價(jià) 采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法對(duì)玉米的耐受性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)［31］。計(jì)算公式為：

式中：X為某一指標(biāo)的測(cè)定值；Xmax和Xmin分別為同一指標(biāo)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(dāng)參數(shù)與玉米耐受性呈正相關(guān)時(shí)選擇公式（1），參數(shù)與玉米耐受性呈負(fù)相關(guān)時(shí)選擇公式（2）是所有隸屬度累加的均值，Xij是第i個(gè)指標(biāo)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(guó)）和Metabo Analyst 5.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用最小顯著差異法（LSD）進(jìn)行單因素方差分析（one-way ANOVA），檢驗(yàn)處理間差異的顯著性，采用Pearson法進(jìn)行指標(biāo)間的相關(guān)性分析，使用Origin 2018（OriginLab Corporation，美國(guó)）和Microsoft Visio進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd脅迫下不同濃度Si對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)的影響

不同處理下玉米幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育特征如圖1和表1所示，Cd對(duì)玉米幼苗具有較強(qiáng)的毒害作用，地上部和地下部的伸長(zhǎng)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(jìn)地上部和地下部的伸長(zhǎng)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(dá)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(jìn)一步提高，于Cd50Si4處理下達(dá)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(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)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(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)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(duì)玉米地上地下部Cd濃度、含量及轉(zhuǎn)運(yùn)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(méi)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(yùn)系數(shù)，與Cd50Si0相比分別下降了33.43%～74.69%，其中當(dāng)外源Si濃度≥1.50 mmol·L-1時(shí)，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)趨于穩(wěn)定，處理間無(wú)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(duì)玉米幼苗組織內(nèi)Cd濃度、Cd含量以及轉(zhuǎn)運(yùn)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(duì)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(duì)玉米幼苗光合系統(tǒng)的影響

與空白對(duì)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(dá)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(jìn)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(dá)到最高點(diǎn)，但與Cd50Si0相比并無(wú)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(duì)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(duì)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(duì)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(wú) 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(yán)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(duì)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(duì)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(duì)玉米幼苗根系構(gòu)型分級(jí)的影響

通過(guò)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(jí)區(qū)間的RL（66.46%、41.41%和41.43%）、Ⅰ～Ⅱ級(jí)徑級(jí)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(duì)根系的毒害作用，其中，當(dāng)Si濃度為1.00 mmol·L-1時(shí)（Cd50Si1），根系的RL和RF達(dá)到最大值，與Cd50Si0相比提高了31.78%和42.01%；SA和RV在Cd50Si1.5處達(dá)到最大，升高了52.67%和102.04%；Ⅰ級(jí)徑級(jí)區(qū)間的RL、SA和RV均在Cd50Si1處達(dá)到峰值，Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)徑級(jí)區(qū)間的RL、SA和RV則在Cd50Si1.5處達(dá)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(jí)徑級(jí)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(jí)徑級(jí)區(qū)間內(nèi)的RL和SA占比則有所上升，相對(duì)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(duì)玉米幼苗根長(zhǎng)、根表面積以及根體積在不同徑級(jí)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(jí)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(duì)理Si處度濃同不項(xiàng)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(zhǎng)面積根SA（cm2）表體RD（m m）總積根RV（cm3）根徑RT RF長(zhǎng)級(jí) 面級(jí) 積級(jí) 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(píng)價(jià)Cd脅迫下不同濃度Si對(duì)玉米幼苗的影響

如表3所示，采用隸屬函數(shù)法對(duì)玉米幼苗在不同處理下的生理指標(biāo)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，玉米在不同處理下的耐受性由強(qiáng)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(zhǎng)耐受性綜合評(píng)價(jià)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(biāo)之間的主成分分析、熱圖分析、相關(guān)矩陣以及隨機(jī)森林

利用主成分分析（principal component analysis，PCA）的方法進(jìn)一步探究了Cd脅迫下不同濃度Si的施加對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)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(gè)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(yùn)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(jí)徑級(jí)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(yùn)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(biāo)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(zhǎng)、RT呈顯著負(fù)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(yùn)系數(shù)與玉米幼苗的株高、主根長(zhǎng)、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(jí)徑級(jí)區(qū)間內(nèi)的RL和SA以及Ⅰ～Ⅱ級(jí)徑級(jí)區(qū)間內(nèi)的RV呈顯著負(fù)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(biāo)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(jī)森林回歸結(jié)果表明，對(duì)于玉米地上部來(lái)說(shuō)，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(duì)于玉米根系來(lái)說(shuō)，不同處理依次對(duì)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(zhǎng)有較大影響；對(duì)于根系構(gòu)型來(lái)說(shuō)Ⅱ級(jí)徑級(jí)區(qū)間內(nèi)的RL位于Ⅱ級(jí)徑級(jí)區(qū)間內(nèi)的SA之前；對(duì)于葉綠素含量來(lái)說(shuō)，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(biāo)變化的隨機(jī)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(duì)Cd脅迫下玉米生長(zhǎng)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(huì)刺激過(guò)量活性氧（ROS）的產(chǎn)生，造成細(xì)胞膜的過(guò)氧化損傷，影響植物對(duì)水分和礦質(zhì)元素的吸收，干擾其正常生長(zhǎng)發(fā)育［2，21，32］。玉米作為優(yōu)質(zhì)的糧食、經(jīng)濟(jì)、飼料以及修復(fù)作物，探究降低玉米幼苗對(duì)Cd的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)途徑，以及緩解Cd對(duì)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(duì)植物的毒害作用體現(xiàn)在多種方面。曲丹陽(yáng)等［7，10］發(fā)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)液中Cd濃度為80 mg·L-1時(shí)，會(huì)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(yàn)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(duì)逆境脅迫時(shí)常見(jiàn)的響應(yīng)策略。另外一種原因是相對(duì)于地下部分，玉米幼苗的地上部對(duì)Cd更為敏感，受Cd毒害更為嚴(yán)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(yùn)輸［2，27］，增強(qiáng)抗氧化酶活性，緩解氧化脅迫［33-34］。耐受性綜合評(píng)價(jià)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(duì)玉米幼苗的毒害。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，施Si降低根系吸Cd能力和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，減少玉米幼苗對(duì)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(jìn)一步提高，說(shuō)明施Si進(jìn)一步提高了生物量向地下部分的分配，促進(jìn)了根系生物量的積累。楊超光等［35］通過(guò)玉米盆栽試驗(yàn)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(chǎng)所，是細(xì)胞內(nèi)重要的細(xì)胞器。葉綠體具有雙層膜結(jié)構(gòu)，外界不良環(huán)境易對(duì)其結(jié)構(gòu)和功能造成影響。有報(bào)道指出，在Cd離子濃度為1 μmol·L-1時(shí)，玉米的葉綠體結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯的損傷，隨Cd濃度的逐漸升高以及脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，部分葉綠體出現(xiàn)模糊、膨脹以及類囊體片層擴(kuò)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(yàn)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(yàn)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(jìn)小麥根系中Ca、Cu、Fe、Mg、Mn、Na的積累［38］。陳翠芳［39］通過(guò)土培試驗(yàn)探究了Cd脅迫下施Si對(duì)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(duì)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(shuō)明高濃度的Si會(huì)抑制光合色素的合成。有報(bào)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(lái)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(duì)葉綠素合成的抑制作用，但隨Si處理濃度的進(jìn)一步升高，葉綠素含量逐漸下降，可能是因?yàn)楦邼舛鹊腟i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(biāo)［2］。Cd單獨(dú)存在時(shí)會(huì)對(duì)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(yàn)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(duì)特化的表皮保衛(wèi)細(xì)胞組成，是CO2進(jìn)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(duì)K+吸收的大量減少以及對(duì)Na+吸收的增多可能對(duì)保衛(wèi)細(xì)胞的開合造成了負(fù)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(duì)棉花（Gossypium hirsutum）水分利用效率的影響，緩解Cd對(duì)光合系統(tǒng)的毒害［45］。本試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)外源Si的施加并未有效促進(jìn)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(jìn)一步提高，Pn、Gs和Tr出現(xiàn)下降趨勢(shì)，而Ci較為穩(wěn)定，可能Cd對(duì)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(dāng)濃度Si的施加可能促進(jìn)了根系對(duì)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(duì)保衛(wèi)細(xì)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(duì)CO2的利用。

3.2 施Si對(duì)Cd脅迫下玉米根系構(gòu)型分級(jí)的影響

根系作為重要的營(yíng)養(yǎng)器官，能夠首先感知來(lái)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(zhǎng)中起著重要作用。Cd脅迫會(huì)造成玉米根系細(xì)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(shí)間的增加和脅迫程度的加重，甚至?xí)霈F(xiàn)核膜及細(xì)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(fù)相關(guān)（P＜0.05），表明Cd對(duì)玉米幼苗側(cè)根的生成具有負(fù)面影響，其中Cd脅迫下Ⅰ～Ⅲ級(jí)徑級(jí)區(qū)間的RL以及Ⅰ～Ⅱ級(jí)徑級(jí)區(qū)間的SA和RV受到了較為嚴(yán)重的抑制作用，Ⅳ級(jí)徑級(jí)區(qū)間的RL以及Ⅲ～Ⅳ級(jí)徑級(jí)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(dāng)Cd脅迫濃度高于5 μmol·L-1時(shí)兩種水稻的總根長(zhǎng)、根表面積和根體積受到抑制，0～1.5 mm徑級(jí)區(qū)間的根系長(zhǎng)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(guò)促進(jìn)根系對(duì)草酸的分泌［25］、在細(xì)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(duì)Cd的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)，緩解Cd對(duì)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(duì)玉米根系的負(fù)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(dá)到顯著水平，平均直徑隨Si濃度的升高呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；1.50 mmol·L-1外源Si的施加則顯著緩解了Cd對(duì)Ⅲ～Ⅳ級(jí)徑級(jí)區(qū)間根系參數(shù)的毒害作用。說(shuō)明了1.50 mmol·L-1Si的施加能更好地緩解Cd對(duì)＞1 mm粗根的毒害，玉米不同直徑的根系在面對(duì)環(huán)境的變化時(shí)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(jìn)細(xì)胞壁的伸長(zhǎng)［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(xì)胞壁中均發(fā)現(xiàn)了植硅體［50］。Fan等［51］探究了施Si對(duì)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(duì)水稻根系的毒害，兩個(gè)品種水稻的總根長(zhǎng)、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(méi)有顯著緩解Cd（5和20 μmol·L-1）對(duì)小麥根系形態(tài)（總根長(zhǎng)、根表面積、根體積和根平均直徑）的抑制，可能施Si對(duì)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(duì)玉米幼苗的生長(zhǎng)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(yùn)系數(shù)顯著降低，玉米根系對(duì)Cd的吸收能力和吸收效率也顯著下降，并促進(jìn)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(jí)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(jí)徑級(jí)區(qū)間的SA和RV。其中玉米幼苗的耐受性綜合評(píng)價(jià)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(duì)玉米的毒害作用，促進(jìn)玉米幼苗的發(fā)育和光合效率，提高耐受性。