镉胁迫条件下硅对果蔗幼苗生长及镉吸收的影响

王天顺，陈 伟，杨玉霞，廖 洁，蒋翠文，蒋文艳，莫磊兴*

镉胁迫条件下硅对果蔗幼苗生长及镉吸收的影响

王天顺1，2，陈 伟1，2，杨玉霞1，2，廖 洁1，2，蒋翠文1，2，蒋文艳1，2，莫磊兴1，2*

(1.广西农业科学院农产品质量安全与检测技术研究所，广西南宁 530007;2.农业部甘蔗品质监督检验测试中心(南宁)，广西南宁530007)

【目的】探究镉(Cd)胁迫条件下硅(Si)对果蔗生长及Cd吸收的影响。【方法】采用砂培试验的方法，以广西普遍种植果蔗品种(Badila)为材料，研究不同Si施量(0、10、20和40 mg/L)对Cd胁迫条件下的果蔗生长指标及Cd吸收的影响。【结果】Cd胁迫条件下，与未施Si的对照处理相比，各施Si处理下果蔗鲜重、株高、根长等指标均有所增加，其中Si用量为20 mg/L处理的果蔗鲜重、株高和根长等指标均为最高，分别比对照处理增加78.74%、303.98%和85.11%。与未施Si相比，各施Si处理果蔗根茎叶Cd的含量均显著降低，降幅达31.69%～61.24%。各施Si处理均可显著增加Cd从根系向叶的转运，转运因子相比对照分别增加27.27%、72.73%和36.36%。【结论】Cd胁迫条件下，施Si可以促进果蔗幼苗的生长，降低果蔗根茎叶中镉的含量，一定程度上缓解了镉对果蔗的毒害作用。

镉胁迫;硅;果蔗;幼苗生长

【研究意义】广西是我国果蔗的主要产地，果蔗风味独特，营养丰富，深受消费者喜爱[1]。近年来，长期、大量或不合理施用含Cd的农用化肥、使用塑料大棚和地膜，造成了重金属Cd在土壤中的积累，致使农田土壤Cd污染问题日益严重[2]，这样的土壤条件对果蔗生产和人类健康都存在潜在的威胁[3]，因此有必要对当前产地环境进行Cd污染防治调控。【研究进展】Si是土壤中最为常见的元素，尽管目前Si还没有被认定为植物生长的必需元素，但是其在增强植物对生物胁迫和非生物胁迫的抵抗作用方面的效果已被大量的报道[4-5]。有关研究表明Si可以缓解Cd对植物的毒害作用[6-9]。【本研究切入点】结合研究基础[10-11]，以施Si对果蔗Cd胁迫的作用机制为切入点，以果蔗品种Badila为材料设置水培试验，研究梯度Si浓度对Cd胁迫下果蔗生物量、株高、根长和植株镉含量的影响。【拟解决的关键问题】开展Cd胁迫条件下Si对果蔗生长和重金属吸收的影响的研究，旨在阐明Si是否能缓解重金属Cd对果蔗的毒害，以期为果蔗产地环境调控及Si肥在农业生产中的应用提供科学依据。

表1 营养液配方Table 1 Recipe of nutrient solution

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试果蔗品种为Badila，试验用苗为组织培养果蔗幼苗，营养液采用改良的华南农业大学叶菜类配方配制，配方见表1。A液、B液溶质称量后分别稀释定容至1000 mL，C液溶质称量后稀释定容至1000 mL。然后把1000 mL A、B液依次加入25 L塑料桶中，每加入一种溶液后要充分摇匀，最后移取10 mL C液加入塑料桶中，摇匀加满超纯水即可。为了防止长时间贮存浓缩营养液产生沉淀，可加入H2SO4或HNO3至溶液pH5.5左右。处理所用的试剂均为分析纯。

1.2 试验方法

选取大小一致的果蔗幼苗，用超纯水冲洗根部，移植于装有洗净的细砂塑料桶(直径20 cm，高25 cm)中，每桶装沙12 kg，每桶3棵果蔗幼苗。用营养液浇灌，营养液pH值保持在5.5左右，每隔3～5 d浇罐营养液0.5 L，培养2个月之后，用5个不同浓度梯度含Cd含Si营养液浇灌，每个浓度梯度4次重复。本试验按Cd和Si不同浓度组合设以下处理:T0(0和0 mg/L)、T1(10和0 mg/L)、T2(10和10 mg/L)、T3(10和20 mg/L)、T4(10和40 mg/L)。以T0处理作为Cd空白对照，以T1处理作为Si空白对照，首次浇灌量为2 L，7 d后再浇灌2 L，之后每隔3～5 d浇罐营养液0.5 L，30 d后取样分析。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 果蔗全株鲜重、根长、株高的测定 处理结束后除去细纱，整株取出果蔗，先用自来水把根部冲洗干净，并将根部放在20 mmol/L的Na2-EDTA溶液中浸泡3 h以除去表面吸附的Cd2+，再用去离子水反复冲洗干净，晾干水分后测量果蔗全株鲜重、根长、株高。

1.3.2 果蔗根茎叶中Cd含量的测定 将果蔗分为根、茎、叶3部分，105℃杀青30 min后，70℃烘箱中烘干至恒重，研磨样品过0.5 mm筛后准确称取磨碎的根、茎、叶各0.2000 g至微波消解罐中，加入3 mL H2O2和6 mL浓HNO3盖紧进行微波消解，消解液转移至100 mL容量瓶定容后再稀释10～100倍，采用石墨炉原子吸收光谱仪测定溶液中Cd的含量。

1.4 数据处理及分析

Cd转运因子(Translocation factor，TF)=受Cd部位w(Cd)/供Cd部位w(Cd)[12]。采用SPSS 18. 1软件对数据进行差异性分析，采用Excel软件进行统计处理。

2 结果与分析

2.1 镉胁迫下硅对果蔗鲜重的影响

从表2可以看出，相比T0处理，T3处理的果蔗鲜重显著增加(P＜0.05，下同)，增加幅度为37.03 %，其余处理差异均不显著，其中T1处理因受Cd胁迫影响，相比降低23.34%，T2和T4处理相比增加14.54%和37.03%;与T1处理相比，各添加Si处理的果蔗鲜重均呈不同程度增加，其中T2和T3处理分别增加49.40%和78.74%，差异均达显著水平，T4处理果蔗鲜重增加34.99%，但差异未达显著水平。T3果蔗的鲜重最重，分别达T0和T1处理的1.37和1.79倍。因此，在一定浓度Cd胁迫下，不加Si果蔗鲜重明显减轻，但在加Si处理后，果蔗鲜重均比对照有所增重，一定程度上缓解了Cd对果蔗生物量的影响。

表2 镉胁迫下硅对果蔗鲜重的影响Table 2 The effects of Si on fresh weight of chewing cane under cadmium stress

2.2 镉胁迫下硅对果蔗株高的影响

从表3可以看出，相比T0处理，T1处理的果蔗株高显著降低，降低幅度为60.63%，T3处理的果蔗株高显著增高，增高幅度为59.20%，其余处理差异均不显著;与T1处理相比，各添加Si处理的果蔗株高均呈不同程度增加，其中T2、T3和T4处理分别增加175.95%，303.98%和153.11%，差异均达显著水平。T3处理果蔗的株高最高，分别达T0和T1处理的1.59和4.03倍。因此，在一定浓度Cd胁迫下，不加Si果蔗株高明显降低，但在加Si处理后，果蔗株高均比T1有所提升，一定程度上缓解了Cd对果蔗株高的负面影响。

2.3 镉胁迫下硅对果蔗根长的影响

从表4可以看出，相比T0处理，T3处理的果蔗根长显著增长，增长幅度为43.24%;T1处理因受Cd胁迫影响，相比减短22.62%，T2和T4处理相比减短3.92%和9.65%;与T1处理相比，各添加Si处理的果蔗根长均呈不同程度增长，其中T2和T4处理分别增长24.16%和16.76%，差异均未达显著水平，T3处理果蔗根长增长85.11%，差异达显著水平。T3果蔗的根长最长，分别达T0和T1处理的1.43和1.86倍。因此，在一定浓度Cd胁迫下，不加Si果蔗根长明显减短，但在加Si处理后，果蔗根长比T1处理有所提升，一定程度上缓解了Cd对果蔗根长的负面影响。

表3 镉胁迫下硅对果蔗株高的影响Table 3 The effects of Si on plant height of chewing cane under cadmium stress

表4 镉胁迫下硅对果蔗根长的影响Table 4 The effects of Si on root length of chewing cane under cadmium stress

表5 镉胁迫下硅对果蔗镉含量及转运的影响Table 5 The effects of Si on Cd content and Cd translocation factor of chewing cane under cadmium stress

2.4 镉胁迫下硅对果蔗镉含量及转运的影响

伴随着果蔗生长，果蔗从根部向上运输Cd，使得果蔗地上部产生Cd积累。从表5可以看出，施Si处理后，果蔗地上各组织Cd含量显著降低。比较地上部分各组织Cd含量，均以T4处理时，叶、茎含Cd量最低，由T1处理的5.27、18.90 mg/kg分别降低至3.14、7.34 mg/kg。比较根中Cd含量，T3处理根含Cd量最低，由T1处理时的50.03 mg/kg、降低至19.39 mg/kg。施Si和未施Si处理下果蔗各组织Cd含量差异显著，与T1处理相比，各添加Si处理果蔗叶中Cd含量较T1分别减少37.38%、31.69 %和40.42%，各处理间差异不显著;果蔗茎中Cd含量较T1分别减少53.02%、55.87%和61.16%，各处理间差异不显著;果蔗根中Cd含量较T1分别减少52.21%、61.24%和56.75%，各处理间差异不显著。因此，各添加Si处理在一定范围内降低了果蔗体内Cd含量。

从表5可以看出，Cd胁迫下Cd从根部至茎叶的转运中，T4处理时，茎部的Cd转运系数降至最低值0.34，T3处理时，茎部的Cd转运系数升至最大值0.43，茎部的Cd转运系数在各施Si处理间及与T1间差异不显著。叶部的Cd转运系数随着施Si量的增加而增加，转运系数分别增加27.27%、72.73和36.36%，以T3处理最大。

3 讨 论

本实验结果发现，随着环境中Cd含量的增加，果蔗组织中的Cd含量也逐渐增加，生物量明显减少，Cd在果蔗组织中的积累顺序为根＞茎＞叶，这与前人的研究结果一致[13-15]。

Si是土壤中最为普遍的元素，它可提高植物对重金属毒害的耐受力[16]、提高农作物的产量和改善其品质等[17]。外源施加Si后对Cd毒害的缓解作用已经在很多植物中得到验证，例如:在玉米和黄瓜[18-19]中外源施加Si都能增强其抗Cd毒害的能力。Shi XH[20]通过营养液培养水稻幼苗发现，Si减轻了Cd对水稻的毒害症状，促进了幼苗的生长，并发现加Si处理显著减少了水稻地上部Cd的含量，而根部Cd的积累增加。赵颖等[21]研究发现Si不仅可以降低水稻对Cd的吸收，降低水稻Cd含量。在本试验中，当经过Cd处理后，外源施加Si能显著地增加果蔗的生物量，且显著降低Cd在果蔗各组织的积累，不同Si浓度处理下果蔗根中Cd含量减少52.21%、61.24%和56.75%、茎中减少53.02 %、55.87%和61.16%、叶中减少37.38%、31.69 %和40.42%。所以，外源施加Si能显著地增强果蔗幼苗对Cd毒害的抵抗作用。

研究表明，在一定的施Si水平条件下，施Si能抑制植物对重金属Cd的吸收。刘朋等[22]进行的水培试验表明，外源施加Si能显著地缓解Cd对高粱地上部分和地下部分鲜重及干重的抑制作用。孙岩等[23]的盆栽试验研究表明，外源添加Si对2种水稻根和茎叶的干物质重均有影响，茎叶的干物质重随着Si含量的增大而增加;Cd含量为0.5 mg/kg时，随Si含量的增加，根干物质量先增大后降低。也有研究表明，Si抑制低浓度Cd处理下Cd向地上部的迁移，但对高Cd处理，Si却促进了Cd向小麦地上部的迁移[24]。杨超光等[25]研究表明，施Si可极显著降低玉米根和茎叶中Cd的浓度，其中根中累积Cd的浓度远大于茎叶。在Cd等量情况下，施Si极显著降低了玉米根、茎、叶吸收Cd的绝对量及全株总吸收量。本研究表明，施Si能显著降低果蔗地上部和根部的Cd浓度，从而缓解了Cd对果蔗幼苗的毒害作用。

4 结 论

本试验结果表明，不同Si浓度对Cd胁迫下果蔗幼苗鲜重、根长、株高及其Cd含量均有一定的影响。从各施Si处理的数据可以看出，采取T3处理时，果蔗幼苗鲜重、根长、株高相较于T1处理均有一定幅度的增加，一定程度上缓解了Cd对果蔗生理生长影响。而且在Cd等量的情况下，施Si可极显著降低果蔗根茎叶中含Cd量。

[1]李杨瑞.现代甘蔗学[M].北京:中国农业出版社，2010:536-537.

[2]罗文倩.镉在腐殖酸、针铁矿及其复合胶体上的吸持特性研究[D].重庆:西南大学，2009:11-12.

[3]Shao G，Chen M，Wang D，et al.Using iron fertilizer to control Cd accumulation in rice plants:A new promising technology[J].Sci in China Series C:Life Sci，2008，51(3):245-253.

[4]Garbuzov M，Reidinger S，Hartley SE.Interactive effects of plantavailable soil silicon and herbivory on competition between two grass species[J].Annals of Botany，2011，108(7):1355-1363.

[5]Dallagnol L J，Rodrigues F A，Tanaka F A O，etal.Effectof potassium silicate on epidemic components of powdery mildew on melon [J].Plant Pathology，2012，61(2):323-330.

[6]Chika CN，Alfredo JH.Silicon-induced cadmium resistance in rice (Oryza sativa)[J].Journal of Plant Nutrition and Soil Science，2008，171(6):841-848.

[7]黄秋婵，韦友欢，黎晓峰.硅对镉胁迫下水稻幼苗生长及其生理特性的影响[J].湖北农业科学，2007，46(3):354-357.

[8]高柳青，杨树杰.硅对小麦吸收镉锌的影响及其生理效应[J].中国农学通报，2004，20(5):246-249.

[9]陈翠芳，钟继洪，李淑仪.硅对受土壤中镉污染的白菜生长和抗胁迫能力的影响[J].植物生理学通讯，2007，43(3):479-482.

[10]Wang Tian-shun，Fang feng-xue，Yang Yu-xia，et al.Determination of Cadmium and Lead in Sugarcane by Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometer with Zeeman Correction[J].Agricultural Science&Technology，2011，12(5):630-631，638.

[11]Zhu JJ，Li Y R，Liao JX.Involvement of anthocyanins in the resistance to chilling-induced oxidative stress in Saccharum officinarum L.leaves[J].Plant Physiology and Biochemistry，2013，73(6): 427-433.

[12]王怡璇，刘 杰，唐云舒，等.硅对水稻镉转运的抑制效应研究[J].生态环境学报，2016，25(11):1822-1827.

[13]何炎森，李瑞美.甘蔗耐镉性初探[J].甘蔗，2003，10(1):12 -15.

[14]Sereno M L，Almeida A R S，Deborah S，etal.Response of sugarcane to increasing concentrations of copper and cadmium and expression ofmetallothionein genes[J].Journal of Plant Physiology，2007，164(11):1499-1515.

[15]夏会龙，程文伟，池小雅.镉胁迫对甘蔗生长及生理性状的影响[J].中国土壤与肥料，2009(1):42-45.

[16]Neumann D，Zur Nieden U.Silicon and heavy metal tolerance of higher plants[J].Phytochemistry，2001，56(7):685-692.

[17]陈怀满.土壤-植物系统中的重金属污染[M].北京:科学出版社，1996:115-125.

[18]Vaculík M，Landberg T，Greger M，et al.Silicon modifies root anatomy，and uptake and subcellular distribution of cadmium in young maize plants[J].Annals of Botany，2012，110(2):433-443.

[19]Liang Y，Wong JW C，Wei L.Silicon modified enhancement of cadmium tolerance in maize(Zea mays L.)grown in cadmium contaminated soil[J].Chemosphere，2005，58(4):475-483.

[20]Shi X H，Zhang C C，Wang H，et al.Effect of Si on the distribution of Cd in rice seedlings[J].Plant and Soil，2005，272:53-60.

[21]赵 颖，李 军.硅对水稻吸收镉的影响[J].东北农业大学学报，2010，41(3):59-64.

[22]刘 朋，殷俐娜，王仕稳，等.镉胁迫下硅对高粱生长的影响及其作用机制[J].水土保持研究，2014，21(6):329-333.

[23]孙 岩，韩 颖，李 军，等.硅对镉胁迫下水稻生物量及镉的化学形态的影响[J].西南农业学报，2013，26(3):1240-1244.

[24]陈秀芳，赵秀兰，夏章菊，等.硅缓解小麦镉毒害的效应研究[J].西南农业大学学报(自然科学版)，2005，27(4):447-450.

[25]杨超光，豆 虎，梁永超，等.硅对土壤外源镉活性和玉米吸收镉的影响[J].中国农业科学，2005，38(1):116-121.

(责任编辑 陈 格)

Effects of Silicon on Grow th and Cadm ium Uptake of Chew ing Cane Seedlings under Cadm ium Stress

WANG Tian-shun1，2，CHENWei1，2，YANG Yu-xia1，2，LIAO Jie1，2，JIANG Cui-wen1，2，JIANGWen-yan1，2，MO Lei-xing1，2*
(1.Research Institute of Agro-products Quality Safety and Testing Technology，Guangxi Academy of Agricultural Sciences，Guangxi Nanning 530007，China;2.Quality Supervision and Testing Center for Sugarcane，China Ministry of Agriculture，Guangxi Nanning530007，China)

【Objective】The experimental objective was to investigate the effects of silicon(Si)on chewing cane seedling growth and its uptake of cadmium(Cd)under Cd stress.【Method】Using sand culture experiments，a common cultivating chewing cane(Badila)in Guangxi was selected.Si(as Na2SiO3)was applied to sand at four levels of0，10，20 and 40 mg/L，and the effects of different Si treatmentswere studied on chewing cane seedling growth and its uptake of Cd under Cd stress.【Result】Fresh weight，plant height，root length of chewing cane increased with the application of Si.The heaviest fresh weight(188.48 g)，the highest plant height(23.35 cm)，the longest root length(23.75cm)of chewing cane were found at20 mg/kg silicon treatment，which was increased by 78.74%，303.98%and 85.11% compared with the control，respectively.The results also showed that Cd concentration in root，stem，and leaf of chewing cane decreased with the application of Si.The Cd concentration in root，stem，and leaf of chewing cane were decreased by 31.69%-61.24%at silicon treatment compared with the control T1，and itwas found that Siapplication increased Cd transportation from root to leaf.The transport factors of Cd from root to leaf increased by 27.27%，72.73%and 36.36%at Si treatment，respectively.【Conclusion】Under Cd stress，the application of Si could promote the growth of chewing cane seedlings and reduce the Cd content in root，stem and leaf of chewing cane.To a certain extent，the application of Si alleviated the toxicity of Cd to chewing cane.

Cadmium stress;Silicon;Chewing cane;Seedling growth

S566.1

A

1001-4829(2017)8-1899-05

10.16213/j.cnki.scjas.2017.8.035

2017-05-02

广西农业科学院基本科研业务专项重点项目(桂农科2015YZ11);广西基本科研业务专项团队项目(2015YT92)

王天顺(1980-)，男，河南项城人，硕士，助理研究员，主要从事农产品质量安全及产地环境研究，Email:wangts@ gxaas.net，*为通讯作者，Email:xcdike@163.com。