镉胁迫对不同马铃薯品种形态和生理特性的影响及评价

夏蔓蔓，何冠谛，符东顺，付天岭，郭 超，杨世梅 ，何腾兵,

(1.贵州大学农学院，贵阳 550025； 2.贵州大学生命科学学院，贵阳 550025；3.贵州大学新农村发展研究院，贵阳 550025)

镉(Cadmium，Cd)是我国农田土壤重金属污染物中的优先污染物，其点位超标率达7.0%[1]。Cd的生物毒性和流动性都较强[2]，长期存留在土壤中，可通过植物吸收进入食物链，威胁人类健康[3]，还会在植物体内过量累积抑制植物种子的发芽及对营养物质的吸收、扰乱植物正常的新陈代谢、降低植物体内的叶绿素含量、破坏植物的呼吸作用和光合作用等，进而影响作物的产量、品质和安全[4-6]。因此，研究作物的耐镉性强弱并筛选出耐镉性强的农作物品种具有重要的实践和理论意义。吴敏兰等[7]通过研究不同水平Cd胁迫对烟草叶绿素含量、活性氧代谢和烟草生物量等的影响得出，K 326和云烟87对镉胁迫较为敏感，而翠碧1号耐镉性较强。高夕彤等[8]也对Cd胁迫下不同品种番茄的耐镉性进行差异性研究，发现胁迫后不同品种番茄在株高、根长、总生物量以及叶绿素含量等在含量上变化不尽相同，其中908表现出最强的耐镉性。不同品种的小白菜对Cd的生理生化响应也不尽相同，张菊平等[9]通过对比分析这些指标，筛选出四季青、日本华冠和上海鸡毛菜这3个对Cd的耐受能力较强的小白菜品种。马铃薯(SolanumtuberosumL.)是仅次于小麦、水稻和玉米的世界第四大主粮作物[10]，2017年我国马铃薯的种植面积和总产量分别达576.7万hm2和9 920.5万t，均稳居世界首位[11]。目前关于筛选马铃薯品种Cd吸收差异的研究已有报道，但对不同品种的耐镉性资源积累尚不充分，应予以加强。本研究通过测定6个马铃薯品种在Cd胁迫后的形态、生理和光合特征等指标，利用隶属函数值法分析各指标与马铃薯耐镉性间相互关系，评价这6个品种的耐镉性差异，以期为筛选和培育耐镉马铃薯新品种提供理论参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试品种为青薯9号(QS 9)、威芋7号(WY 7)、云薯505(YS 505)、毕薯2号(BS 2)、LZ川(LZC)和云薯801(YS 801)等6个马铃薯品种。供试土壤为砂岩风化物发育的硅铝质黄壤，土壤理化性质为：pH值5.18，有机质27.58 g·kg-1、全氮1.19 g·kg-1、CEC 9.34 cmol·kg-1和土壤全Cd 1.246 mg·kg-1。

1.2 试验方法

1.2.1试验设计

试验于2018年3—7月在贵州大学资环学院温室大棚内进行。选取健康、大小一致的块茎作为种薯，盆栽控水方式进行试验。盆栽所用塑料盆直径40 cm，高30 cm。土壤经风干、磨碎、过40 mm孔径筛，每盆装土10 kg，施复合肥(N∶P∶K=15∶15∶15)10 g作为基肥与土壤混匀后装盆。每品种9盆，每盆1株。种植后，每品种分别取3盆，向其中加入CdCl2溶液，使土壤镉浓度为50 mg·kg-1；待所有马铃薯长到发棵期，每品种再取未处理3盆，向其中加入CdCl2溶液，使土壤镉浓度为50 mg·kg-1；剩余每品种3盆，则不进行镉处理。待所有马铃薯再生长7 d，开始测各项指标。

1.2.2测定指标及方法

株高：以马铃薯植株从地面裸露开始到最上部展开叶叶尖的距离作为植株株高；最大节间距：以每株马铃薯一个节点到另一个节点的最大距离作为植株最大节间距。

叶绿素(Chl)含量采用分光光度计法进行测定[12]，丙二醛含量(MDA)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、苯丙氨酸酶(PAL)、多酚氧化酶(PPO)均使用南京建成生物工程研究所提供的试剂盒进行测定。净光合速率(Pn)采用便携式光合测定仪(GSF 3000，德国WALZ)，测定时间为09：00—11：00时，温度25 ℃，在阳光充足的白天对马铃薯植株的数第4片叶进行测定。指标测定均3次重复，结果取平均值。

1.2.3数据分析

数据用模糊数学隶属函数公式进行转换[13]，隶属函数公式为：

…(1)

…(2)

采用SPSS 20.0软件进行单因素方差分析，用SigmaPlot 14.0软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 Cd胁迫对马铃薯形态特征的影响

如表1所示，与对照组(ck)相比，Cd胁迫7 d时，6个马铃薯品种的株高和最大节间距指标差异不显著，但在Cd胁迫45 d时，6个品种的株高和最大间距均显著下降。LZC和BS 2的株高指标降幅较大，分别为77.8%和77.6%，WY 7降幅最小，仅为35.0%；BS 2的最大节间距指标降幅最大，达62.0%，其次是QS 9(61.1%)，WY 7的最大节间距指标降幅最小，为20.2%。以上研究表明，Cd胁迫处理45 d可显著影响6个马铃薯品种的株高和最大节间距，但在6个品种中WY 7的株高和最大节间距的降幅均较小，说明WY 7较其它5个品种具有较强的镉耐受性。

表1 Cd胁迫对不同品种马铃薯形态特征的影响

2.2 Cd胁迫对马铃薯生理指标的影响

2.2.1Cd胁迫对马铃薯MDA和Chl含量的影响

MDA是膜脂过氧化的分解产物，其含量的高低可反映植物受到损伤程度的强弱。如图1 所示，与ck比，Cd分别胁迫7 d(S)和45 d(L)时，马铃薯6个品种叶片中的MDA含量均显著增加。相比ck，胁迫45 d时，6个品种的增幅分别为37.6%、21.9%、38.1%、43.2%、26.9%、25.5%，WY 7的增幅最小，BS 2增幅最大，说明在Cd胁迫下，WY 7的膜脂过氧化程度较轻，而BS 2受伤害程度较重。与ck相比，Cd胁迫7 d后，QS 9和YS 801的Chl含量变化不显著，WY 7、YS 505、BS 2的Chl含量分别下降了13.2%、51.0%、19.7%，LZC上升了18.4%，YS 505降幅最大。与ck相比，Cd胁迫45 d后，6个品种马铃薯的Chl含量都显著下降，降幅在33.9%～82.8%之间，YS 505降幅最大，WY 7降幅最小，说明在Cd胁迫下，WY 7较其他品种更能维持较高的Chl含量，耐镉能力较强。

图1 MDA 和叶绿素含量的变化

2.2.2Cd胁迫对马铃薯AOEs活性的影响

如图2所示，与ck比，Cd胁迫7 d后，除BS 2的SOD活性增加不显著外，其余品种的SOD活性都显著增加，与ck相比，胁迫45 d后，6个马铃薯品种的SOD活性分别增加了29.4%、67.4%、28.1%、14.8%、30.3%、39.7%，WY 7的增幅最大，BS 2增幅最小。6个马铃薯品种中，YS 505的POD活性在Cd胁迫7 d和45 d后均无显著差异，其余品种的POD活性在Cd胁迫后均显著增加，Cd胁迫7 d后的增幅为10.4%～50.6%，Cd胁迫45 d后的增幅为12.7%～53.6%。与ck相比，Cd胁迫7 d和45 d后6个品种的CAT活性均显著上升，Cd胁迫7 d后的CAT活性增幅在17.9%～59.2%之间，Cd胁迫45 d后CAT活性的增幅在21.6%～62.1%之间，QS 9在Cd胁迫7 d和45 d后的增幅都最小，Cd胁迫7 d后WY 7增幅最大，胁迫45 d后YS 505增幅最大，说明Cd胁迫后，WY 7和YS 505平衡活性氧的产生与消除能力较低，QS 9能力较强。与ck比，Cd胁迫7 d后，WY 7、YS 505和BS 2的PAL活性在Cd胁迫7 d后无显著变化，QS 9、LZC、YS 801的PAL活性显著增加，YS 801增幅最大(37.5%)，与ck相比，Cd胁迫45 d后，除BS 2变化不显著外，其余5个品种马铃薯的PAL活性都显著增加，增幅在11.6%～23.9%之间，其中WY 7增幅最大。与ck相比，Cd胁迫7 d和45 d后，马铃薯6个品种的PPO活性都呈上升趋势，Cd胁迫7 d和45 d后的增幅为15.9%～32.9%、22.0%～36.6%，2种胁迫条件下，WY 7的PPO活性增幅都最大，而BS 2都最小。

图2 抗氧化酶活性的变化

2.3 Cd胁迫对马铃薯Pn的影响

如图3所示，Cd胁迫后，所有品种的Pn均受到显著抑制。与ck相比，Cd胁迫7 d和45 d后的降幅分别为18.1%～28.4%、36.0%～54.1%，胁迫7 d后的降幅远小于胁迫45 d后的，Cd胁迫7 d，WY 7的Pn从14.45 mg·(dm2·h)-1降到11.83 mg·(dm2·h)-1，胁迫45 d则降到了9.25 mg·(dm2·h)-1，在所有品种中下降最少，BS 2的降幅在Cd胁迫7 d和45 d后都是最大的，分别为28.4%、54.1%。可见WY 7对镉的强耐受性，BS 2则较弱。

图3 净光合速率的变化

2.4 Cd胁迫下马铃薯6个品种的耐镉性隶属函数分析

植物耐镉性受到多方面因素的影响，因此，评价植物的耐镉性应该从多个指标的综合变化来分析，减少单个指标评价“以偏概全”，造成误差。模糊隶属函数值法常被应用于植物耐镉性综合分析[13-15]。本研究计算6个马铃薯品种各项生理指标的隶属函数值，求其平均值并排序，结果显示其耐镉性强弱依次为WY 7>YS 801>LZC>YS 505>QS 9>BS 2。

表2 6个马铃薯品种耐镉性隶属函数值

3 结论与讨论

近年来，关于Cd对植物生长和代谢的影响研究成为植物逆境生理学领域的研究热点之一。MDA是膜脂过氧化的分解产物，其含量的高低可反映植物受到损伤的程度，因此通常被视为衡量植物对非生物胁迫耐受能力的关键指标。本研究中，Cd胁迫后6个马铃薯品种叶片中的MDA含量都呈上升趋势，这与李佩华等[16]的研究结果一致。植物对非生物胁迫的耐受性与其体内的酶类活性和化合物含量密切相关。当植物受到Cd胁迫时，体内的活性氧(ROS)会过量累积，并与—SH、—COOH等结合来改变靶蛋白的活性，引起细胞代谢失调，从而毒害植物[17]。而植物体内的氧化还原酶类，如SOD、POD、CAT、PAL和PPO等则可以帮助清除植物体内的毒素[18]。本试验中，6个马铃薯品种受到Cd胁迫后，所测的氧化还原类酶活性都发生改变，只是不同品种之间存在一定的差异。Cd胁迫后，除BS 2在胁迫7 d后的SOD活性与对照相比不显著外，其余品种在2种胁迫下的SOD活性都显著上升，同时BS 2的PAL活性在Cd胁迫前后差异不显著，这可能是由于品种自身特性决定的。6个品种的CAT和PPO活性在胁迫前后都差异显著。BS 2和QS 9在几种酶活性的增幅上都低于其余品种，而WY 7在几种酶活性中的增幅都较大，由此可以看出，WY 7在Cd胁迫环境下较其他品种的优越性。本研究中，马铃薯叶片CAT和POD的活性在镉胁迫后呈上升的趋势，这与黄登峰等[19]研究结果一致。

光合作用是植物体内重要的代谢过程。Cd2+能抑制植物的光合作用，主要表现在破坏叶绿素结构、降低光合色素积累等方面，最终导致植物的生长受阻，生物量降低[20]。Chl作为植物光合作用的重要物质基础，各种环境胁迫均可导致Chl的破坏与降解。本研究中，马铃薯6个品种在镉处理后的Chl含量和净光合速率都显著下降，相比对照，两者在Cd胁迫7 d后的降幅都要远小于胁迫45 d后的。WY 7 Chl和Pn中的降幅都最小，表明其较强的耐镉性。Chl的下降并不一定与Pn的下降呈正相关，YS 505在Chl中的降幅远大于BS 2，但YS 505Pn的降幅却小于BS 2。胡小英等[21]研究表明，Cd胁迫还会影响植物体内二氧化碳的固定和电子传递链的发生，从而降低植物光合速率，可能与此相关。

Cd胁迫对植物造成的伤害是多方面的，如导致植物叶片萎黄、生长发育迟缓、根系生长受阻、养分代谢失调、产量品质下降及其他的生理紊乱等[22-24]。且不同种类植物或同种植物不同品种之间对其产生的耐性机制也有所差别，Cd胁迫下植物所表现出的耐性是一个复杂的过程，是由各种特征呈现出来的，因此要研究植物对其的耐受性，需要对多项指标进行综合评定[13-15]。本试验就植株的株高和最大节间距这2个形态指标以及植株叶片的MDA含量、抗氧化酶活性、Chl含量和Pn等相关生理指标，通过单因素方差分析和隶属函数分析相结合的方法对供试材料的耐镉性进行综合评价。得出供试马铃薯品种的耐镉性依次为WY 7>YS 801>LZC>YS 505>QS 9>BS 2，结果可为马铃薯耐镉育种及其耐镉机制研究提供材料。