不同镉浓度对棉苗生长及其体内镉积累的影响

欧阳燕莎　刘爱玉　李瑞莲　李毅　张志刚　郭利双

摘要：在漂浮育苗条件下研究了不同浓度镉胁迫对棉花幼苗生长及各器官镉的积累分配和转移特性。结果表明，随 Cd浓度升高，棉苗株高、鲜重、根系体积和干重均降低，降低的大小表现为株高>单株干重>根系体积>单株鲜重，茎干重降低最多，达到42.8%，叶鲜重降低最少，为19.5%。在1.0 mmol/L和2.0 mmol/L镉浓度处理时，4、5、10和11号品种的茎干重下降幅度较大，受镉影响程度较明显，而6、21和22号品种则受镉影响较小。棉苗镉含量随着镉胁迫浓度的增加而增加，Cd在根、茎和叶中的分配表现为根>茎>叶片（含叶柄），但品种间差异极显著。茎的转运能力大于叶的转运能力，随着 Cd浓度的增加，转运率（TE）则降低。

关键词：棉花；漂浮育苗；镉胁迫；积累

中图分类号： S562.062 文献标识码： A 文章编号：2095-3143（2016）01-0003-08

DOI：10.3969/j.issn.2095-3143.2016.01.001

Abstract： The accumulation， distribution and？transfer characteristic of cadmium in cotton seedling growth and organs under the stresses， at different？cadmium concentration by the floating system were studied. The results showed that with the increasing of Cd concentration， the cotton seedling height， fresh weight， root volume and root dry weight of cotton seedling were decreasing， the decreased magnitude performed plant height>plant dry weight>root volume>plant fresh weight， the stem dry weight declined biggest， 42.8%， the leaf fresh weight declined smallest， 19.5%. In the 1.0 mmol/L and 2.0 mmol/L Cd concentration， the stem dry weight of No.4，5，10，11 varieties declined greatly， obvious influence； but the influence on No.6，21，22 varieties was less. Cadmium？accumulation？in cotton seedlings？increased with the increasing？of cadmium stress concentration， the performance of Cd distribution ratio was as follows： root>stem>leaf （including petiole）， but the differences between varieties were significant.？The transport capacity of stem was greater than the leaf. With the increase of Cd concentration，？the transport rate？（TE）？decreased.

Key words： Cotton； Floating system； Cadmium stress； Accumulation

0 引言

镉是一种毒性较大的重金属[1]，镉污染已成为中国南方部分农田的重要问题，对农产品质量安全特别是粮食安全造成了严重影响。对于耕地重金属污染问题，世界各国正在探讨以植物富集为基础的修复技术[2]。目前，国内对Cd在小麦、玉米、水稻、大豆、花生等农作物体内的富集规律都有广泛的研究[3-9]，但针对棉花的相关研究则较少。棉花是重要的经济作物之一[10]，其生物量大，且为非直接食用产品[11]。因此，可作为不再适宜种植水稻等粮食作物的中度和重度污染的农田在种植结构调整中的替代作物。同时，有必要探讨将棉花作为镉污染土地中利用修复作物的可行性。

有关镉胁迫对棉花生长的影响及镉的吸收、转移和富集特性的研究，大多采用盆栽试验。本研究采用的水培，与盆栽试验相比有以下好处：①水培以营养液水体为苗床使镉浓度更均匀；②水培简单安全可靠，且可持续，是名副其实的“有机栽培技术”；③水培所使用的溶液不会流入土壤，对环境没有影响。本研究在水培条件下，进行了模拟镉污染试验，探讨在不同镉浓度胁迫下棉苗的生长状况及对镉的吸收能力与分配，以期为培育耐镉品种和利用棉花进行镉污染植物修复提供参考。

1 材料与方法

试验于2014年在湖南农业大学校内科研基地进行，育苗池位于大棚内。

1.1 试验材料

供试的22个品种（系）由湖南农业大学棉花研究所和湖南棉花科学研究所提供，供试品种分别为湘杂棉7号、天3、湘X14490、Q4、Q5、湘K18、湘XP63、湘FZ008、湘FZ009、SC1401、SC1402、中628、新陆早42、新陆早45、JX013、中76、2011Y1、2011Y2、2011Y3、2011Y4、2011Y5、2011Y6，依次编号为1～22号。

1.2 试验处理

采用漂浮育苗方式进行，设4个镉浓度处理（0、0.5、1.0和2.0mmol/L），先配制成1 mol/L的CdCl2溶液，每个育苗池加入等量自来水，再按设计浓度加入相应量的CdCl2溶液，使育苗池营养液Cd浓度分别达到0、0.5、1.0和2.0mmol/L，将已播种的育苗盘置入育苗池内，整个试验期间不再加水。

1.3 测定项目及方法

播种后34 d各处理随机选取长势一致15株（3次重复）棉苗，测定株高后将植株分为根、茎和叶三部分，再测定根系体积和鲜重，105 ℃杀青 30 min，80 ℃烘干至恒定后称量，测定其干物质质量；选择其中的6个材料（Q5、湘K18、湘FZ009、 JX013、2011Y3和2011Y5），将各器官粉碎，过120目筛，用原子吸收法测定 Cd含量，并计算Cd吸收转移率（TF）。

TF=地上部或某器官中镉含量/根部镉含量[12]。

1.4 统计分析方法

采用DPS7.05及Microsoft Excel 2003 软件进行数据处理和统计分析。数据为 3 次重复的平均值与标准差。

2 结果与分析

2.1不同镉浓度处理对棉苗生长的影响

试验测定22个品种的株高、叶干鲜重、根干鲜重和体积、茎干鲜重共8个性状，由表1可见，其各性状22个材料的均值均随着Cd处理浓度的增加而减小，表明Cd胁迫对棉苗产生了一定的毒害作用。其中茎干重降低最多，达到42.8%，表明茎干重受镉的影响较大；叶鲜重降低最少，为19.5%，表明叶鲜重受镉的影响较小。

由表1结论茎干重受镉的影响较大，因而选择茎干重在不同镉浓度处理下各材料的表现，作为品种耐镉分析。不同浓度镉胁迫对品种茎生长量（干重）的情况见表2。

由表2可见，不同棉花品种（系）的茎干重大体上随着镉处理浓度的增加而减少。在无镉（对照）处理中，11号品种茎干重最高，比2号品种增加了69%；在0.5 mmol/L镉浓度处理时，11号品种的茎干重受镉影响较大，其值下降幅度显著高于其他品种，而20号品种茎干重却比无镉处理高，可能是由于在0.5 mmol/L镉浓度处理能刺激棉苗的生长所致；在1.0 mmol/L和2.0 mmol/L镉浓度处理时，4、5、10和11号品种的茎干重下降幅度较大，受镉影响程度较明显，而6、21和22号品种则受镉影响较小。综合镉胁迫下各材料的表现，以6号材料受镉影响较小，表明该材料耐镉性较好；以11号材料受镉影响较大，表明该材料对镉敏感。

2.2 镉胁迫对不同基因型棉苗生物量的影响

利用棉苗总干重对22个棉花品种进行聚类分析，分别用0.5 mmol/L、1.0 mmol/L和2.0 mmol/L的Cd浓度处理下棉苗总干重（根、茎、叶干重之和）与0 mmol/L处理下棉苗总干重（对照）的比值作为聚类样本数据，用离差平方和法进行系统聚类，依次见图1、图2、图3。图1结果表明：22个棉花品种对0.5 mmol/L 浓度的Cd胁迫的适应性可以分为3类：镉胁迫对其生物量影响最小的类型有7个材料，分别为1、8、5、7、12、14和20号，其干重为对照的99.8%～98.3%；镉胁迫对其生物量影响中等的类型有9个材料，分别为2、3、16、6、13、22、19、21和15号，其干重为对照的95.8 %～82.8%；镉胁迫对其生物量影响较大的类型有6个材料，分别为4、9、18、10、17和11号，其干重为对照的74.0%～43.3%。图2结果表明：22个棉花品种对1.0 mmol/L浓度的Cd胁迫的适应性也可以分为3类：镉胁迫对其生物量影响最小的类型有5个材料，分别为1、20、7、12和8号，其干重为对照的98.7%～91.8%；镉胁迫对其生物量影响中等的类型有7个材料，分别为2、22、13、19、15、6和21号，其干重为对照的86.1%～78.9%；镉胁迫对其生物量影响较大的类型有10个材料，分别为3、17、4、14、18、11、5、16、10和9号，其干重为对照的71.0%～48.0%。图3结果表明：22个棉花品种对2.0 mmol/L浓度的Cd胁迫的适应性也是分为3类：镉胁迫对其生物量影响最小的类型有6个材料，分别为1、16、21、8、19和20号，其干重为对照的86.8%～71.8%；镉胁迫对其生物量影响中等的类型有4个材料，分别为9、 15、12和18号，其干重为对照的68.1%～63.3%；镉胁迫对其生物量影响较大的类型有12个材料，分别为2、3、6、17、5、7、22、4、10、14、13和11号，其干重为对照的59.9%～32.5%。镉胁迫对其生物量影响较大，表明镉对其生长的伤害较大，则该品种对镉敏感。由图1、图2和图3综合可知，1、8和20号3个材料在0.5 mmol/L、1.0 mmol/L和2.0 mmol/L镉浓度胁迫处理下，其生物量受影响较小，且都无显著影响，表明这3个材料耐镉性较好；7和12号只在2.0 mmol/L镉浓度胁迫处理下其生物量才受影响，且7号比12号受影响更显著些；5和14号在0.5 mmol/L镉浓度胁迫处理下其生物量不受影响，但在高浓度下有影响；2、3、16、6、13、22、19、21和15号在0.5 mmol/L镉浓度处理下其生物量就受到影响，高浓度下受影响较显著；4、9、18、10、17和11号在0.5 mmol/L镉浓度胁迫处理下其生物量受影响显著，表明这些材料耐镉性较差。

2.3 镉在棉苗植株体内的含量

镉胁迫后 6 个棉花品种（系）植株根、茎和叶中镉含量情况见表3。由表3可知，6个棉花品种（系）的根、茎和叶的镉含量随着镉处理浓度的增加而增加。累积镉含量能力的顺序为：根>茎>叶片（含叶柄）。当Cd浓度为0 mmol/L时，棉苗根、茎和叶的镉含量均不为0，可能是由于在试验过程中漂浮育苗的基质和自来水中都含有一定量的镉，或者由于棉花种子中含Cd所致。

根是在漂浮育苗过程中最先接触到镉的部位，因而镉胁迫后，根系镉含量最高。同一棉花品种（系）的不同处理浓度间根中镉含量差异达到极显著水平。其中湘FZ009根中镉含量在0.5 mmol/L镉处理时只极显著高于2011Y3，但在1.0 mmol/L和2.0 mmol/L镉处理时根中镉含量极显著高于其他参试品种（系）；湘FZ009根中镉含量在2.0 mmol/L镉处理后比2011Y3高55.00%，差异达极显著水平。

叶中的镉含量随着镉处理浓度的增加而显著增加，同一品种（系）不同浓度处理间的叶中镉含量差异均达到极显著水平。叶中镉含量在参试品种（系）间差异极显著，其中湘K18棉苗叶中镉含量在0.5 mmol/L镉浓度处理时极显著低于Q5和湘FZ009，但在1.0 mmol/L和2.0 mmol/L镉浓度处理时极显著高于其他参试品种；湘K18棉苗叶中镉含量在2.0 mmol/L镉浓度处理后比2011Y5高38%，差异达极显著水平。

由表3可知，茎的镉含量随着镉处理浓度的增加而显著增加，同一棉花品种的不同处理间的茎中镉含量差异均达到极显著水平。茎中镉含量在参试品种（系）间差异极显著，其中2011Y5茎中镉含量在0.5 mmol/L镉浓度处理时只极显著低于湘FZ009，但在1.0 mmol/L和2.0 mmol/L镉浓度处理时却极显著高于其他参试品种。

2.4 镉在棉苗体内的积累

由表4可见，6个品种之间的镉积累量差异极显著，镉积累量随着镉处理浓度的增加而增加。单个植株体内镉积累表现为，在低浓度镉处理（0 mmol/L和0.5 mmol/L）下，Q5的积累量极显著的高于其它参试品种，2011Y3的镉积累量普遍较低；高浓度镉处理（1.0 mmol/L和2.0 mmol/L）下，湘FZ009的积累量极显著的高于其它参试品种，2011Y3的积累量最低。

2.5 镉在棉苗体内的转移

6个品种的棉苗植株各器官的镉转移系数见表5。

由表5可知，叶对镉的转移系数变化范围为0.102～0.362，而茎对镉的转移系数的变化范围为0.128～0.450，说明茎的转运能力大于叶的转运能力。棉苗的转运能力大致上是随着Cd处理浓度的增加而降低，在Cd浓度为0.5mmol/L时最大。

3讨论

Cd对植物的生长具有毒害作用，阻碍植物幼苗的生长发育。白禽，等[13]的研究表明，镉污染抑制水稻种苗的初期生长，株高降低、根数减少、根系变短，因而影响水稻种苗的正常代谢。陈悦等[14]的研究结果表明，低浓度 Cd 对棉花植株的生长发育有一定的促进作用；高浓度Cd对植株的生长发育有显著的抑制作用，植株生长量、籽棉产量和皮棉产量显著降低。在油菜、烟草和花生等[15-17]作物中也具有类似的结果。本试验中，随着 Cd 处理浓度增加，棉苗干物质质量、鲜重、株高和根系体积均降低，说明高浓度的Cd抑制棉苗的生长，这与白禽，等[13]在水稻上的研究结果类似。在品种聚类的22个参试品种中，湘杂棉7号、湘FZ008和2011Y4这3个品种的生物量受镉胁迫的影响较小，说明其棉苗的生长受镉影响较小，3个品种具有较好的耐镉性。

镉是植物非必须金属元素，植物对其吸收和转运的作用都很强，且在植物体内的分布不平衡[18]。一般，镉在植物体内的分布是根系>茎叶>果实[19]，大多数植物吸收的重金属主要积累在根系而在地上部的含量较低[20]。本结果显示，镉胁迫后，棉花幼苗根、茎和叶中镉的含量随镉胁迫浓度的增加而增加。积累镉含量能力的顺序为根>茎>叶片（含叶柄），这与李玲，等[21]和刘连涛，等[22]的结果不同，可能与处理方法和采样时间有关，水培使得植株的根系产生了很大的变化，即根在生长发育过程中与水体镉直接相接触。同时李玲，等[21]研究结果指出，3 个棉花品种的营养器官、地上部及整个植株的富集系数均大于1，表现出棉花具有较强的吸收、转运和聚集重金属镉的能力，体内存在较好的镉运输机制，具备作为超富集植物的基本特征，可以作为超富集植物来治理土壤镉污染。本次试验未测棉籽中的Cd含量，棉籽本身的Cd含量对试验结果和耐Cd性及其吸收、转运是否有影响是以后需要进一步研究的问题。本次试验中的6个品种的Cd转移率在0.5mmol/ L时达到最高，随着Cd浓度的增加而降低，说明低浓度处理对Cd的转运能力达到最大，同时达到棉苗对Cd的最大耐性浓度。另外，在高浓度的镉处理下，湘FZ009的镉积累量是较高的，有利于镉污染土壤的修复，而2011Y3的镉积累量是较低的，较适合在镉污染土壤中种植。

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