于子昊，李勝寶，趙曉玲，李明銳，李博，何永美，陳建軍，湛方棟

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明650201）

由于鉛鋅礦不合理開采以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等原因，Cd 通過地表徑流和地下滲透等途徑進入農(nóng)田土壤。《全國污染土壤調(diào)查公報》指出，Cd 的點位超標率為7.0%，為重金屬之首[1]。我國人多地少，即使是Cd 污染的農(nóng)田仍廣泛種植農(nóng)作物，因此作物對Cd 的吸收與累積引起廣泛關(guān)注[2]。

玉米是我國重要的糧食作物，具有生長期短、易種易管和品種豐富等優(yōu)點[3]。陳建軍等[4]、鄢小龍等[5]和郭曉方等[6]均發(fā)現(xiàn)，玉米對Cd 有一定吸收能力，且不同品種的富集轉(zhuǎn)運能力存在明顯差異，但造成品種差異性的機理目前尚不明確。

根系是植物吸收養(yǎng)分和水分的主要器官，受環(huán)境中有益元素和有毒元素影響[7]。在受到Cd 離子脅迫時，根系會通過調(diào)整形態(tài)結(jié)構(gòu)和代謝來應(yīng)對脅迫，如耐Cd 玉米感受Cd 信號后會通過改變體內(nèi)代謝過程來適應(yīng)脅迫環(huán)境[8]。沈天爾等[9]發(fā)現(xiàn)，玉米可啟動相關(guān)響應(yīng)機制阻滯Cd 的運輸以緩解Cd 離子毒害。陳偉等[10]研究表明，黑麥草根長、根表面積和根尖數(shù)均隨著重金屬離子濃度升高而不斷降低。根系形態(tài)的改變又會影響根系對水分、礦物元素和Cd 的吸收。因此，植物根系形態(tài)與Cd的吸收累積存在密切關(guān)系。

重金屬脅迫影響根系的同時也會影響根鞘形成。根鞘是根系、土壤、微生物的互作產(chǎn)物，是土壤顆粒與根表及根毛相互黏附、纏繞形成的土壤連續(xù)體[11]。根鞘結(jié)構(gòu)的形成有利于植物根土界面的信息交流及水分和養(yǎng)分的交換，也可以作為一個聯(lián)合固氮微生物儲存庫[11]，可以表征農(nóng)作物在土壤中開發(fā)和獲取資源的能力[12]，在應(yīng)對非生物脅迫方面也具有潛在重要性[13]。Delhaize 等[14]發(fā)現(xiàn)，不同品種小麥在酸性土壤中根鞘有顯著差異，并認為這種差異是根毛對Al 耐性而造成的。Bailey等[15]發(fā)現(xiàn)不同物種間根鞘結(jié)合強度不同，表明根鞘性狀存在差異。根鞘作為耐非生物脅迫的重要器官，在養(yǎng)分吸收方面具有潛在重要性，James 等[16]的試驗表明，同一植物不同品種的根鞘性狀以及根鞘吸收磷的效率均有顯著差異。當前，對根鞘的研究多集中在干旱條件下根鞘提高植物抗旱性和對根系的保護方面，但在Cd 污染土壤中根系和根鞘的相互關(guān)系以及根鞘與植株Cd累積方面尚缺乏系統(tǒng)研究[17]。

鑒此，本研究選取蘭坪某鉛鋅礦區(qū)周邊Cd 污染農(nóng)田土壤種植玉米，研究12 個玉米品種根系形態(tài)、根鞘與Cd 累積特征三者間的相互關(guān)系，進而從根系和根鞘的角度研究重金屬轉(zhuǎn)運、吸收和累積的差異性。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與玉米品種

供試土壤為山原紅壤，取自云南蘭坪縣某鉛鋅礦區(qū)重金屬污染農(nóng)田，土壤風干后過2 mm孔徑篩備用。其基本化學(xué)性質(zhì)如下：pH 值為6.22，有機質(zhì)含量40.1 g·kg-1，全氮、全磷和全鉀含量分別為2.30、12.1、12.4 g·kg-1，堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為132、44.2、165 mg·kg-1，土壤Cd含量9.59 mg·kg-1。

本試驗選用的12 個供試玉米品種，購買于云南省昆明市小板橋種子批發(fā)市場，均為云南高原主栽玉米品種。選取籽粒飽滿的種子消毒后置于28 ℃下恒溫培養(yǎng)3 d，待種子露白后播種。供試玉米名稱及其生產(chǎn)單位見表1。

1.2 試驗設(shè)計

盆栽試驗于2019 年9 月25 日在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)東校區(qū)溫室大棚播種，出苗35 d 后收樣，每個玉米品種4 個重復(fù)。試驗采用育苗袋尺寸為28 cm×25 cm，裝入2.0 kg土壤。每個育苗袋播種3粒出芽程度一致的種子，出苗5 d 后間苗，每袋留下1 株生長良好的幼苗。澆水根據(jù)天氣情況來定，選擇晴天傍晚澆灌，保持含水量55%左右，按常規(guī)方法進行管理。為減少環(huán)境梯度影響，同一處理的4 個重復(fù)每隔一日隨機調(diào)換一次位置。

1.3 指標測量方法

收獲時用小刀從兩側(cè)輕輕劃開育苗袋，取出玉米后將地上和地下部分離，搖動地下部使大塊土壤脫落，根鞘土則會保留在根部。用玻璃棒輕輕地按壓根系，使根鞘從根系上脫離下來，將根鞘在烘箱中（75 ℃，72 h）烘至恒質(zhì)量后稱量質(zhì)量。用蒸餾水清洗玉米根系，盡量減少對根毛的損害，晾干后用吸水紙吸干根系表面水分，均勻鋪開，經(jīng)Epson Perfection V700 掃描儀（Seiko Epson，日本）掃描后，用Win RHI?ZO PRO STD4800 型（Regent，加拿大）根系圖像處理軟件分析得出根體積、根長、根尖數(shù)、根表面積、分枝數(shù)、平均根系直徑等參數(shù)。將地上部和地下部分別用自來水和去離子水沖洗3 遍，于105 ℃烘箱殺青0.5 h，然后于75 ℃烘箱烘至恒質(zhì)量，稱量質(zhì)量，碾碎備用。土壤樣品風干、磨碎，過篩后備用。

稱取0.2 g 玉米植株樣，采用硝酸-高氯酸消解[18]，過濾并定容到50 mL 容量瓶內(nèi)；稱取5.0 g 土壤樣品，采用王水-高氯酸消解，過濾并定容到50 mL 容量瓶內(nèi)；火焰原子吸收分光光度法測定Cd 含量。用100 mL 0.01 mL·L-1氯化鈣提取根鞘土壤中的有效態(tài)Cd[19]，并用石墨爐測定。

表1 供試玉米品種、生產(chǎn)單位及品種特性Table 1 Tested cultivars of maize，production department and cultivar characteristics

根鞘發(fā)育指數(shù)由根鞘土壤與根的干質(zhì)量比表示[20]，Cd 累積量=Cd 含量（mg·kg-1）×植株生物量（g·plant-1）。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Duncan 氏新復(fù)極差法對數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析，采用Microsoft Excel 軟件進行常規(guī)分析，利用Origin 9.0 作圖軟件繪圖，并采用SPSS 軟件進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米生物量

由圖1 可知，不同品種玉米地上部和地下部生物量存在差異，12 個品種地上部的平均生物量為1.29 g，最高是森玉8號（達2.05 g），其次是園玉99，且兩者之間無顯著差異；最低是林新4號，僅為0.78 g。12個品種地下部的平均生物量為0.53 g，最高是園玉99（達1.05 g），森玉8 號次之，兩者間差異顯著；最低是林新4號，僅為0.30 g?？偟膩砜矗厣喜可锪孔畲笾禐樽钚≈档?.6 倍，地下部生物量最大值為最小值的3.5倍。

2.2 玉米根系形態(tài)

由圖2 可知，根長、根表面積和根體積以園玉99最高，平均根系直徑以路單17 號最高，根尖數(shù)和分枝數(shù)以西單8號最高；根長、根表面積和分枝數(shù)以林新4號最低，平均根系直徑以云瑞88 最低，根體積和根尖數(shù)以勝玉2 號最低。12 個品種根長和根表面積最大值均為最小值的2.9倍，根體積最大值是最小值的3.2倍，根尖數(shù)最大值為最小值的5.5倍，分枝數(shù)最大值為最小值的6.1倍。

2.3 玉米根鞘性狀

由圖3 可知，根鞘質(zhì)量范圍為4.61～13.00 g，平均質(zhì)量為8.91 g，最高是園玉99，其次是森玉8 號，且兩者無顯著差異，最低是云瑞88。12 個品種的根鞘質(zhì)量最大值為最小值的3.1 倍。同時，根鞘發(fā)育指數(shù)范圍為6.9～39.7，平均值為19.4，最高為云瑞8 號，其次是西單2 號，且兩者之間無顯著差異，最低是紀元118；12 個品種的根鞘發(fā)育指數(shù)的最大值為最小值的5.8 倍。結(jié)果表明，不同品種玉米產(chǎn)生根鞘的能力差異較大。

由圖4 可知，根鞘土壤有效態(tài)Cd 含量以云瑞88最高，林新4 號最低，12 個品種的平均值為3.11 mg·kg-1。

2.4 12個玉米品種Cd累積特征

由圖5 可知，不同品種玉米對Cd 的富集和轉(zhuǎn)運能力存在差異，12 個玉米品種平均地上部Cd 含量為10.0 mg·kg-1，最高是林新4 號（達23.8 mg·kg-1），其次是紀元118，兩者差異顯著，最低是云瑞8 號（3.7 mg·kg-1）。平均地下部Cd 含量為11.7 mg·kg-1，最高是云瑞8 號（達36.8 mg·kg-1），云瑞88 次之，兩者差異顯著，最低是森玉8號（為6.0 mg·kg-1）。整體來看，地上部Cd 含量最大值為最小值的6.4 倍，地下部Cd 含量最大值為最小值的6.1倍。

平均地上部Cd 累積量為12.4 μg·plant-1，最高是紀元118（達26.5 μg·plant-1），其次是林新4 號，且兩者差異顯著；最低是云瑞8 號（為4.1 μg·plant-1）。平均地下部Cd累積量為5.3 μg·plant-1，最高是云瑞8號（達12.4 μg·plant-1），其次是園玉99，且兩者之間差異顯著，最低是曲辰11 號（為3.1 μg·plant-1）。綜合而言，地上部Cd 累積量最大值為最小值的6.5 倍，地下部最大值為最小值的4.0倍。

2.5 相關(guān)性分析

如表2 所示，根鞘質(zhì)量與根表面積、根體積呈極顯著正相關(guān)（P<0.01，下同），與平均根系直徑、分枝數(shù)呈顯著正相關(guān)（P<0.05，下同）。根鞘發(fā)育指數(shù)與根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)、分枝數(shù)呈極顯著負相關(guān)，根鞘土壤有效態(tài)Cd 含量與根尖數(shù)呈極顯著正相關(guān)。又如表3 所示，根鞘質(zhì)量與地上部Cd 含量呈極顯著負相關(guān)，根鞘發(fā)育指數(shù)與地下部Cd 含量呈極顯著正相關(guān)。地上部Cd含量與根表面積和根體積呈顯著負相關(guān)；地下部Cd含量與根尖數(shù)呈極顯著負相關(guān)，與分枝數(shù)呈顯著負相關(guān)。

表2 12個品種玉米根系形態(tài)與根鞘性狀的相關(guān)性Table 2 Correlation between root morphology and rhizosheath characteristics in 12 maize cultivars

表3 12個品種玉米根系形態(tài)、根鞘性狀與Cd累積特征的相關(guān)性Table 3 Correlation between root morphology，rhizosheath characteristics and Cd a cumulative characteristic of 12 maize cultivars

3 討論

3.1 玉米根系形態(tài)與重金屬累積的品種差異

植物對重金屬的吸收與自身的遺傳因素和外界環(huán)境條件有關(guān)[21]。Cd 對植物的影響與濃度有關(guān)，低濃度有積極的刺激作用，當濃度超過一定量時就會抑制其生長發(fā)育，且隨著濃度升高抑制作用顯著提高[22]。根系是植物最先感知Cd 等有毒物質(zhì)的器官，土壤中Cd 對植物的危害也首先表現(xiàn)在根系變化上。研究表明，高濃度Cd 會對植物根系初生根的生長有明顯抑制作用[23]，減小根表面積和根體積，并抑制主根和側(cè)根的生長[24]。本研究發(fā)現(xiàn)，在Cd 污染土壤中，玉米地上部Cd含量與根表面積和根體積呈顯著負相關(guān)，玉米地下部Cd含量與根尖數(shù)呈極顯著負相關(guān)、與分枝數(shù)呈顯著負相關(guān)。這可能是高濃度的Cd抑制根系細胞分裂和伸長，導(dǎo)致根系生長緩慢而造成的[25]，表明植物根系形態(tài)與其Cd 吸收能力關(guān)系密切，在響應(yīng)環(huán)境Cd 污染脅迫方面表現(xiàn)出高度的形態(tài)可塑性。但也有研究表明，玉米地上部Cd含量與根表面積、根體積呈顯著正相關(guān)[26]。其原因可能與不同作物及品種對重金屬脅迫的根系響應(yīng)差異有關(guān)，這是不同作物及其品種的遺傳特性差異導(dǎo)致的。

玉米的Cd累積量存在顯著差異，這與陳建軍等[4]研究結(jié)果一致，可能是玉米在少數(shù)基因控制下對Cd積累具有基因型差異造成的[8]，也可能是不同品種對Cd 脅迫的耐性存在顯著差異造成的[27]。Cd 脅迫下，根細胞內(nèi)活性氧自由基的產(chǎn)生速率增大，致使細胞膜的結(jié)構(gòu)和功能遭到破壞，根系活力下降，逐漸失去吸收水分和營養(yǎng)素的能力。因此在本試驗中，根尖數(shù)與地下部Cd 含量呈顯著負相關(guān)，與前人關(guān)于玉米等植物地下部Cd 含量與根尖數(shù)呈顯著正相關(guān)的研究結(jié)論[28]相似，說明根系形態(tài)與Cd 累積量的關(guān)系較為緊密，但與前人關(guān)于蕹菜等植物的研究結(jié)論[29]相反，這可能是植物不同種類其根系類型的差異而導(dǎo)致的[30]。有研究發(fā)現(xiàn)，紫花香薷的根長、根表面積和體積越大，越有利于吸收Pb[31]，這與試驗中發(fā)現(xiàn)的地上部Cd 含量與根表面積和根體積呈顯著負相關(guān)的結(jié)論相反，這可能是不同作物對重金屬的響應(yīng)存在差異，以及試驗周期長短不同[32]造成的。此外，土壤pH 和金屬離子間的相互作用也會影響植物對Cd 的吸收和累積[32]。試驗中還發(fā)現(xiàn)，12 個品種玉米地上部Cd 累積量均大于地下部，與多數(shù)研究者的結(jié)論相反[4]，這可能是因為盆栽與大田試驗相比，水肥供應(yīng)、根系生長空間、氣候等環(huán)境因素差異大，導(dǎo)致大田植株重金屬含量與盆栽試驗存在明顯的差異性[2]。所以，盆栽試驗得到的重金屬累積方面的結(jié)果，還需要進一步開展大田試驗進行驗證。

3.2 玉米根鞘性狀與重金屬累積品種差異的關(guān)系

自根鞘發(fā)現(xiàn)以來，有關(guān)研究多集中于根鞘形成機理和根鞘耐干旱、保持土壤肥力以及根鞘微生物方面[12，16-17]，很少關(guān)注根鞘與重金屬脅迫的關(guān)系。本試驗研究了根鞘的3 個特征，即根鞘質(zhì)量、根鞘土壤有效態(tài)Cd 含量以及根鞘發(fā)育指數(shù)，發(fā)現(xiàn)不同品種之間根鞘特征有顯著的差異性。在前人的研究中，用于描述根鞘的指標各不相同，比如根鞘厚度、附著在根上的潮濕土壤質(zhì)量和每單位根長度的根新鮮質(zhì)量[33]，植物物種之間的差異可能會因所使用的指標不同而有很大差異[34]。本試驗用根鞘發(fā)育指數(shù)表征玉米根系產(chǎn)生根鞘的能力，結(jié)果表明根鞘發(fā)育指數(shù)與地下部Cd 含量呈極顯著正相關(guān)，這可能是因為在Cd 脅迫下根系分泌物大量分泌，促進了根鞘的形成[35]。此外，根鞘發(fā)育指數(shù)與根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)、分枝數(shù)呈顯著負相關(guān)，即隨著根系的生長發(fā)育，根系產(chǎn)生根鞘的能力遞減，這與Ma 等[20]試驗結(jié)論相符合。在唐子欽等[36]對牧草根鞘的研究中發(fā)現(xiàn)，根平均連接長度、根體積、根平均直徑是影響根鞘質(zhì)量的3 個根系形態(tài)指標，本試驗也有類似的結(jié)論。本試驗中根鞘土壤有效態(tài)Cd含量差異較大，可歸因于植物吸收、局部氧化還原條件、質(zhì)子釋放或其他分泌物的影響[37]。本試驗還發(fā)現(xiàn)，根尖數(shù)和分枝數(shù)會影響根鞘土壤有效態(tài)Cd含量。

需要指出的是，目前在根鞘研究方面爭議較大，特別是根鞘的獲取方法急需統(tǒng)一標準化。本試驗為盆栽試驗，局限于生長周期與生長容器的限制，僅僅是一次玉米幼苗時期根鞘性狀與重金屬Cd累積特征以及根系形態(tài)之間相互關(guān)系的初步探索，為根鞘的研究和玉米在重金屬脅迫下的生長狀況研究提供理論基礎(chǔ)。今后需要將大田和室內(nèi)盆栽試驗相結(jié)合，開展長期系統(tǒng)的研究，著重解決同一物種在不同時期根鞘的動態(tài)形成過程，在大田試驗豐富的土壤環(huán)境下采集大量的根鞘，細致地研究根鞘內(nèi)的微生物、酶以及根系分泌物與植物耐重金屬脅迫之間的關(guān)系，為進一步對根鞘的研究提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）供試12 個品種玉米的生物量、根系形態(tài)和根鞘存在明顯品種差異，其中不同玉米品種的根鞘指標差異更為明顯。

（2）植株Cd 含量與根系形態(tài)指標（根表面積、根體積和根尖數(shù)）呈負相關(guān)，地下部Cd含量與根鞘發(fā)育指數(shù)呈極顯著正相關(guān)，表明玉米植株Cd 吸收與根系形態(tài)、根鞘性狀關(guān)系密切，根系形態(tài)和根鞘性狀是導(dǎo)致玉米Cd吸收品種差異的原因之一。