外源硅对镉胁迫下玉米生理参数及根系构型分级的影响

姜瑛，魏畅，焦秋娟，申凤敏，李鸽子，张雪海，杨芳，柳海涛*

（1.河南农业大学资源与环境学院，河南 郑州 450002；2.河南农业大学农学院，省部共建小麦玉米作物学国家重点实验室，河南 郑州 450002；3.吉林农业大学资源与环境学院，吉林 长春 130118）

镉（cadmium，Cd）作为主要的土壤无机污染物之一［1］，是一种动植物及人类非必需的有害元素，易被植物吸收并积累于各个部位［2］，可通过食物链进入人体从而引发各种疾病［3］，如骨痛病、肾病、肺炎等［4］。玉米（Zea mays）作为优良的粮食作物，具有较强的适应性和较高的生产力，被广泛应用于食品、饲料等行业，同时也可应用于污染土壤的控制与治理［5］。

研究表明，土壤中50 mg·kg-1Cd胁迫会造成玉米产量和品质的降低［6］。Cd会抑制植物的正常生长发育，导致植株矮小，生物量显著下降，叶尖褪绿等问题，严重情况下甚至造成产量下降和品质降低［7-8］。Cd在植物体内的大量积累能够刺激过量活性氧（reactive oxygen species，ROS）的产生，干扰水分平衡以及植物对养分的吸收，引起细胞膜的脂质过氧化损伤，造成细胞质膜通透性提高，干扰抗氧化酶活性以及抗氧化物质的生成，造成细胞内代谢紊乱［9-12］。叶绿体具有双层膜结构，易受ROS的影响，干扰光合系统的功能［13］。有报道指出，玉米在10-5和10-6mol·L-1Cd处理下暴露一定时间后会造成叶绿体超微结构的明显损伤［14］。葛才林等［15-16］的研究发现较高的Cd浓度可改变叶绿素a和叶绿素b含量及比值，抑制水稻（Oryza sativa）叶片内淀粉同工酶的表达，干扰光合同化物的转化和输出，抑制相关酶的活性，影响水稻的光合作用和呼吸作用。根系作为首要接触土壤污染物的重要器官，在植物对矿质元素以及水分吸收上占据着重要地位，而Cd胁迫能够导致玉米根系发育异常，症状主要为根系弯曲、颜色变黑［9］，生物量降低以及形态上的变化（总根长、根表面积、根体积、根平均直径和根尖数显著降低）［7］。前期研究表明，玉米幼苗0～1.5 mm径级区间内的根长、根表面积和根体积在Cd胁迫条件下受到了较大影响［17］，何俊瑜等［18］在水稻幼苗试验中也得出了相同的结论。

硅（silicon，Si）是广泛分布于地壳中，含量仅次于氧的元素［2］，在植株中主要以水合无定形二氧化硅聚合物的形式积聚在各种组织的表皮上，加强植物对自身的保护，可有效缓解生物及非生物胁迫［19-21］。研究表明正常条件下施Si可提高玉米（正红2号、正红115）苗期生物量的积累，叶面积的扩大，促进根系发育及其对氮、磷、钾的吸收积累［22］。外源Si在缓解小麦（Triticum aestivum）［23］、水稻［21］、玉米［5］等作物Cd毒害方面具有积极作用。Si可诱导根系分泌草酸，减少对Cd的吸收［24-25］，能够在细胞壁上与Cd形成复合体［26］，并且Si可沉积于根系中形成屏障，阻碍Cd向地上部的转运［27］。另外，Si能够影响Cd的亚细胞分布、提高抗氧化能力、调节基因表达等［2，24，28］，从而减少作物对Cd的吸收和积累，缓解Cd对根系的损伤，提高根系生物量［21，23］。Cd胁迫条件下，施Si可改善矿质养分吸收状况，促进光合作用，缓解Cd对光合系统的毒害作用［2，5］。Shi等［23］研究发现，施Si（1 mmol·L-1）显著提高了小麦在Cd（5、20 μmol·L-1）胁迫下的光合速率。

根系面对环境的变化具有较强的可塑性，Cd胁迫下外源物质对玉米根系构型及分级的影响尚未发现，综合玉米地上地下部在施Si条件下对Cd胁迫的响应情况，寻求提高玉米抵抗Cd胁迫能力的途径，对于保障玉米安全生产、饲料安全以及发掘玉米对污染土壤的修复能力是十分必要的。本试验以玉米（郑单958）为供试植物，采用营养液培养法，旨在探究不同浓度Si对Cd胁迫下幼苗的生长以及耐受性、光合系统、根系构型分级和Cd吸收积累特征的影响，综合评价不同浓度Si对玉米Cd毒害的缓解效果，进一步从根系构型及分级角度丰富Si应用于缓解Cd对玉米毒害的机制，为保障玉米的安全生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试品种：玉米品种为郑单958，种子购买于河南秋乐种业科技股份有限公司。

营养液 ：Hoagland营 养液，配 方 为 ：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作为Cd源和Si源，加入营养液中。

1.2 试验设置

试验于2020年6月在河南农业大学光照培养室进行。选取大小均一且饱满的种子于5%的H2O2中浸泡消毒15 min后，用去离子水充分冲洗以清理种子表面的H2O2，于25℃黑暗条件下在育苗盘中用去离子水浸泡12 h后，将种子均匀摆放在浸润的纱布上，保持种子湿润，催芽72 h后转入温室。待玉米长至一叶一心时，选取大小一致的幼苗移栽至盛有1/4 Hoagland营养液的培养盒（体积为2 L）中进行培养，每盆定植9棵幼苗，2 d后更换1/2 Hoagland营养液，并每2 d更新一次营养液，待幼苗生长至两叶一心时，更换全Hoagland营养液并施加各处理。试验共设置8个处理：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，每个处理设置3盆重复。温室内设置昼/夜条件为16 h/8 h，温度为25℃，各处理施加5 d后测定光合气体交换参数并进行采样。部分样品用于测量株高、根长、鲜重和根系指标后进行杀青（105℃杀青30 min）和烘干（70℃烘干至恒重）处理，用于后续干重和Cd含量测定，部分鲜样用于叶绿素含量的测定，各指标均设置3个重复。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 地上地下部生物量 各处理用干净的不锈钢剪刀分离玉米的地上部和地下部，去离子水清洗并擦干后，用刻度尺测定株高和主根长，用万分位天平（FA2104，上海舜宇恒平科学仪器有限公司）称量地上部和地下部的鲜重，地上部装入信封。地下部置于乙二胺四乙酸二钠（ethylene diamine tetraacetic acid disodium salt，EDTANa2，20 mmol·L-1）溶液中浸泡15 min，用去离子水反复冲洗3次，用于根系形态测量后，装入信封。地上和地下部均放置于烘箱中，烘至恒重，称量地上部和地下部干重后备用。

1.3.2 地上地下部Cd含量 各处理称取0.2 g干样，置于50 mL三角瓶中，加入10 mL混酸HNO3-HClO4（3∶1，v/v）静置12 h，用电热板加热消解后用去离子水将酸蒸发掉，并于25 mL容量瓶定容，用原子吸收光谱仪（ZEEnit 700，Analytik Jena，德国）测量样品中Cd离子浓度。

式中：DW为干重（dry weight）。

1.3.3 叶绿素含量和光合参数 采样当天取0.3 g新鲜玉米叶（第一片完全成熟叶）加入乙醇（25 mL，95%），于黑暗条件下浸提至叶片褪色，用紫外分光光度计（L5，上海仪电分析仪器有限公司）于470、649、665 nm处测量吸光度后计算得出叶绿素a（chlorophyll a，Chl a）、叶绿素b（chlorophyll b，Chl b）、类胡萝卜素（carotenoid）、总叶绿素（total chlorophyll，TChl）的含量［29］。

于采样前1 d，各处理选取3棵健康玉米幼苗，用便携式光合测定仪（Li-6400，LICOR Inc.，美国）测量第一片完全展开叶片的气体交换参数。叶室内光照强度设置为1000 mol·m-2·s-1，温度为25℃，参数数值稳定后，记录光 合 速 率（photosynthetic rate，Pn）、气 孔 导 度（stomatal conductance，Gs）、胞 间CO2浓 度（intercellular CO2concentration，C）i和蒸腾速率（transpiration rate，Tr）。

1.3.4 根系构型指标 采样当天，各处理选取3个完整的根系，使用根系扫描仪（V700 PHOTO，Epson，日本）和图像分析软件（WinRHIZO™2003b，加拿大）测量总根长（total root length，RL）、根表面积（root surface area，SA）、根体积（root volume，RV）、根平均直径（root average diameter，RD）、根尖数（root tips，RT）和分枝数（root forks，RF）以及根系构型分级参数。根据根系直径（RD，mm）大小对RL、SA和RV进行区间等级定义：Ⅰ级：RD 0.0～0.5 mm；Ⅱ级：RD 0.5～1.0 mm；Ⅲ级：RD 1.0～1.5 mm；Ⅳ级：RD＞1.5 mm［30］。

1.3.5 耐受性综合评价 采用模糊数学隶属函数法对玉米的耐受性进行综合评价［31］。计算公式为：

式中：X为某一指标的测定值；Xmax和Xmin分别为同一指标中的最大值和最小值；U（X）为玉米在各处理下的隶属度，0≤U（X）≤1。当参数与玉米耐受性呈正相关时选择公式（1），参数与玉米耐受性呈负相关时选择公式（2）是所有隶属度累加的均值，Xij是第i个指标所在处理的隶属度。

1.4 数据处理

利用Microsoft Excel、SPSS 25（SPSS Inc.，美国）和Metabo Analyst 5.0对数据进行分析，采用最小显著差异法（LSD）进行单因素方差分析（one-way ANOVA），检验处理间差异的显著性，采用Pearson法进行指标间的相关性分析，使用Origin 2018（OriginLab Corporation，美国）和Microsoft Visio进行绘图。

2 结果与分析

2.1 Cd胁迫下不同浓度Si对玉米幼苗生长的影响

不同处理下玉米幼苗的生长发育特征如图1和表1所示，Cd对玉米幼苗具有较强的毒害作用，地上部和地下部的伸长和发育受到阻碍。从玉米幼苗的根系形态可以看出，与Cd50Si0处理相比，施加4.00 mmol·L-1Si后侧根减少。Cd胁迫下1.00和1.50 mmol·L-1外源Si的施加可较好地促进地上部和地下部的伸长和生物量的积累。相较于50 μmol·L-1Cd胁迫下的玉米，Cd50Si1处理显著提高了株高、地下部干重和根耐受指数，分别增加了29.97%、66.67%和61.44%；Cd50Si1.5处理下株高、地下部鲜重、地上部干重、地下部干重、茎耐受指数和根耐受指数达到最大，较Cd50Si0分别显著提升了30.44%、56.84%、46.67%、83.33%、43.37%和88.82%（P＜0.05），根冠比在施Si后进一步提高，于Cd50Si4处理下达到最大，相比于Cd50Si0处理提高了66.67%。

图1 Cd胁迫下不同浓度Si处理对玉米幼苗生长表型的影响Fig.1 Effects of different Si treatment on growth phenotype of maize seedlings under Cd stress

表1 Cd胁迫下不同浓度Si处理对玉米幼苗生长及耐受指数的影响Table 1 Effects of different Si treatment on the growth and tolerance index of maize seedlings under Cd stress（mean±SD）

2.2 Cd胁迫下不同浓度Si对玉米地上地下部Cd浓度、含量及转运系数的影响

Cd50Si0处理地下部的Cd浓度显著高于地上部（图2）。Cd胁迫下玉米地上部、地下部的Cd浓度和地上部Cd含量随Si施加浓度的升高而降低，其中0.25 mmol·L-1Si便可显著降低地上部的Cd浓度和含量以及地下部的Cd浓度（P＜0.05）。与Cd50Si0相比，施加不同浓度Si后，地上部、地下部Cd浓度和地上部Cd含量，分别下降了37.50%～94.72%、18.52%～87.21%和32.26%～95.76%；施Si在不同程度上减少了Cd胁迫下玉米幼苗的整株Cd含量，分别下降了12.65%～88.07%；其中0.25～1.50 mmol·L-1Si的施加并没有显著降低地下部Cd含量。施Si在不同程度上降低了转运系数，与Cd50Si0相比分别下降了33.43%～74.69%，其中当外源Si浓度≥1.50 mmol·L-1时，转运系数趋于稳定，处理间无显著差异（P＞0.05）。玉米幼苗的根系Cd吸收能力和Cd吸收效率随外源Si施加浓度的提升显著下降（P＜0.05，图3），与Cd50Si0相比降低了29.87%～91.11%和20.40%～84.43%。

图2 Cd胁迫下不同浓度Si处理对玉米幼苗组织内Cd浓度、Cd含量以及转运系数的影响Fig.2 Effects of different Si treatment on Cd concentration，Cd accumulation and translocation factors of maize seedling tissue under Cd stress

图3 Cd胁迫下不同浓度Si处理对玉米幼苗根系Cd吸收能力和Cd吸收效率的影响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胁迫下不同浓度Si处理对玉米幼苗光合系统的影响

与空白对照（CK）相比，Cd50Si0处理下Chl a、Chl b、类胡萝卜素和TChl的含量均显著增加（P＜0.05）（图4）。Chl a、Chl b和TChl含量均于Cd50Si0.25处达到最大值，并显著高于Cd50Si0处理（P＜0.05），分别高出了9.71%、17.38%和11.76%。随Si浓度的进一步增加，Chl a、Chl b和TChl的含量逐渐下降，其中Cd50Si4处理下，Chl a、Chl b和TChl的含量均显著低于CK（P＜0.05）。在Cd50Si0.25处理下类胡萝卜素含量达到最高点，但与Cd50Si0相比并无显著差异，0.25～1.50 mmol·L-1外源Si的施加并未显著提高或降低类胡萝卜素含量，但Cd50Si2和Cd50Si4处理下类胡萝卜素含量显著低于Cd50Si0。

图4 Cd胁迫下不同浓度Si处理对玉米幼苗叶绿素含量的影响Fig.4 Effects of different Si treatment on chlorophyll content of maize seedling tissue under Cd stress

对于光合参数（图5），Cd胁迫下外源Si的施加并未有效缓解Cd对玉米幼苗Pn的抑制作用，与Cd50Si0相比，施 加0.25～1.00 mmol·L-1外 源Si后Pn无 显著变化（P＞0.05）；在Cd50Si1.5、Cd50Si2和Cd50Si4处理下 ，相比于Cd50Si0处理，Pn显著降低，受到了更为严重的抑制（P＜0.05）。Cd50Si0处理显著抑制了玉米幼苗的Gs、Ci和T（rP＜0.05），与CK相比分别降低了45.98%、45.63%和44.93%。0.25～1.50 mmol·L-1外源Si在不同程度上缓解了Cd对Gs和Tr的抑制作用，其中1 mmol·L-1外源Si缓解效果最好，Gs和Tr分别提高了63.22%和59.10%；Cd胁迫下0.50～4.00 mmol·L-1外源Si的施加显著提高了玉米幼苗的C，与CdSi处理相比上升46.21%～63.85%。

图5 Cd胁迫下不同浓度Si处理对玉米幼苗光合参数的影响Fig.5 Effects of different Si treatment on photosynthetic parameters of maize seedling tissue under Cd stress

i500

2.4 Cd胁迫下不同浓度Si对玉米幼苗根系构型分级的影响

通过表2可以发现Cd胁迫显著降低了玉米幼苗的RL、SA、RV、RT和RF，和CK相比分别减少了61.97%、52.54%、40.96%、66.00%和70.50%。另外，Cd还显著抑制了Ⅰ～Ⅲ径级区间的RL（66.46%、41.41%和41.43%）、Ⅰ～Ⅱ级径级区间SA（62.72%和42.29%）和RV（60.87%和44.07%）。外源施加Si明显缓解了Cd对根系的毒害作用，其中，当Si浓度为1.00 mmol·L-1时（Cd50Si1），根系的RL和RF达到最大值，与Cd50Si0相比提高了31.78%和42.01%；SA和RV在Cd50Si1.5处达到最大，升高了52.67%和102.04%；Ⅰ级径级区间的RL、SA和RV均在Cd50Si1处达到峰值，Ⅲ级和Ⅳ级径级区间的RL、SA和RV则在Cd50Si1.5处达到最大，并显著高于Cd50Si0处理。从图6中可以看出4.00 mmol·L-1外源Si的施加降低了Ⅰ级径级区间内的RL、SA和RV的占比，与Cd50Si0相比分别减少了23.03%、46.19%和62.69%；Ⅱ级径级区间内的RL和SA占比则有所上升，相对于CK和Cd50Si0分别升高了127.75%、49.25%（RL）和25.00%、5.36%（SA）。

图6 Cd胁迫下不同浓度Si处理对玉米幼苗根长、根表面积以及根体积在不同径级区间所占百分比的影响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±响影的级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±构结系根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±对理Si处度浓同不项Item 目下SA o f each class（cm2）迫RL o f each class（cm）积RV o f each class（cm3）2 C d胁RL（cm）长面积根SA（cm2）表体RD（m m）总积根RV（cm3）根径RT RF长级 面级 积级 直数数根分 表分 体分 均尖枝总各ⅠⅡⅢⅣ根各ⅠⅡⅢⅣ根各ⅠⅡⅢⅣ平根分

2.5 综合评价Cd胁迫下不同浓度Si对玉米幼苗的影响

如表3所示，采用隶属函数法对玉米幼苗在不同处理下的生理指标进行了分析，结果表明，玉米在不同处理下的耐受性由强到弱依次为：CK＞Cd50Si1＞Cd50Si1.5＞Cd50Si0.25＞Cd50Si0.5＞Cd50Si2＞Cd50Si0＞Cd50Si4。

表3 Cd胁迫下不同浓度Si处理后玉米幼苗生长耐受性综合评价Table 3 Effects of different Si treatment on comprehensive evaluation of tolerance of maize seedlings under Cd stress

2.6 玉米幼苗各指标之间的主成分分析、热图分析、相关矩阵以及随机森林

利用主成分分析（principal component analysis，PCA）的方法进一步探究了Cd胁迫下不同浓度Si的施加对玉米幼苗生长的影响。PC1占据了总方差的58.5%，PC2占据了总方差的24.1%（图7A）。8个处理（CK、Cd50Si0、Cd50Si0.25、Cd50Si0.5、Cd50Si1、Cd50Si1.5、Cd50Si2、Cd50Si4）均 被PC2显著分离，Cd50Si0和Cd50Si0.25处 理与CK、Cd50Si0.5、Cd50Si1、Cd50Si1.5、Cd50Si2、Cd50Si4处理显著分离（图7B）。PC1显著影响了地上部的Cd浓度及含量、地下部的Cd浓度及含量、整株Cd含量、转运系数、地上部和地下部的耐受指数、RD、根冠比、Chl b含量、Ⅳ级径级区间内的RV，TChl含量、Chl a含量和类胡萝卜素含量，PC2显著影响了RD、转运系数、根冠比和Chl b含量（图7C）。

图7 Cd胁迫下不同浓度Si处理诱导玉米幼苗各指标变化的主成分分析Fig.7 Principal component analysis of the changes of each index of maize seedlings induced by Si at different concentrations under Cd stress

由相关性分析结果可知，地上部和地下部的Cd浓度及含量和整株Cd含量与玉米幼苗的主根长、RT呈显著负相关（P＜0.05），与Chl a、Chl b、类胡萝卜素以及TChl含量呈极显著正相关（P＜0.01）；转运系数与玉米幼苗的株高、主根长、地上部鲜重、地下部鲜重、地上部干重、地下部干重、RL、SA、RV、RT、RF、Ⅰ～Ⅲ级径级区间内的RL和SA以及Ⅰ～Ⅱ级径级区间内的RV呈显著负相关（P＜0.05），与茎耐受指数、Chl a、Chl b、类胡萝卜素、TChl含量呈显著正相关（P＜0.05）（图8）。

图8 Cd胁迫下不同浓度Si处理诱导玉米幼苗各指标变化的相关性分析和热图Fig.8 Thermography and correlation analysis of the changes of each index of maize seedlings induced by Si at different concentrations under Cd stress

随机森林回归结果表明，对于玉米地上部来说，平均精度下降（mean decrease accuracy）值由大到小分别为地上部Cd含量、地上部Cd浓度、株高、整株Cd含量；对于玉米根系来说，不同处理依次对地下部Cd浓度、根耐受指数、地下部Cd含量、根冠比和主根长有较大影响；对于根系构型来说Ⅱ级径级区间内的RL位于Ⅱ级径级区间内的SA之前；对于叶绿素含量来说，按照平均精度下降值由大到小排列为TChl含量、Chl a含量、Chl b含量及类胡萝卜素含量（图9）。

图9 Cd胁迫下不同浓度Si处理诱导玉米幼苗各指标变化的随机森林分析Fig.9 Random forest plot of the changes of each index of maize seedlings induced by Si at different concentrations under Cd stress

3 讨论

3.1 施Si对Cd胁迫下玉米生长的影响

Cd作为一种有毒的重金属元素，在植物体内的大量积累会刺激过量活性氧（ROS）的产生，造成细胞膜的过氧化损伤，影响植物对水分和矿质元素的吸收，干扰其正常生长发育［2，21，32］。玉米作为优质的粮食、经济、饲料以及修复作物，探究降低玉米幼苗对Cd的吸收转运途径，以及缓解Cd对玉米幼苗毒害的途径，在保障食品安全和人体健康上具有重要意义。

Cd对植物的毒害作用体现在多种方面。曲丹阳等［7，10］发现营养液中Cd浓度为80 mg·L-1时，会引起玉米幼苗的氧化胁迫，丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量增加，叶绿素含量减少，抗氧化系统受到抑制，表现出叶片发黄以及生物量显著降低。在本试验中，Cd胁迫下玉米植株矮小，根系发育受阻，生物量下降，根和茎的耐受指数降低；Cd50Si0处理下根冠比显著上升，可能是由于在高Cd胁迫下，玉米幼苗光合产物向地下部分配的比例提高，这是植物面对逆境胁迫时常见的响应策略。另外一种原因是相对于地下部分，玉米幼苗的地上部对Cd更为敏感，受Cd毒害更为严重（表1）。Si可沉积于根系的内皮层附近形成屏障，阻碍Cd向地上部的运输［2，27］，增强抗氧化酶活性，缓解氧化胁迫［33-34］。耐受性综合评价结果显示，施加一定浓度的Si（0.25～2.00 mmol·L-1）可在不同程度上缓解Cd对玉米幼苗的毒害。从试验结果来看，施Si降低根系吸Cd能力和转运系数，减少玉米幼苗对Cd的积累。Cd胁迫下施加1.00和1.50 mmol·L-1外源Si后，玉米株高显著上升，生物量增加，耐受指数显著提高，相关性分析表明耐受指数与地上部和地下部Cd含量呈显著正相关（P＜0.05）。施Si后根冠比进一步提高，说明施Si进一步提高了生物量向地下部分的分配，促进了根系生物量的积累。杨超光等［35］通过玉米盆栽试验发现了类似的现象，Cd（1 mmol·kg-1）胁迫下施加外源Si（2～4 g·kg-1）可显著降低根和茎叶中Cd含量，并显著提高玉米的生物量。

叶绿体作为绿色高等植物光合作用发生的场所，是细胞内重要的细胞器。叶绿体具有双层膜结构，外界不良环境易对其结构和功能造成影响。有报道指出，在Cd离子浓度为1 μmol·L-1时，玉米的叶绿体结构没有明显的损伤，随Cd浓度的逐渐升高以及胁迫时间的延长，部分叶绿体出现模糊、膨胀以及类囊体片层扩张明显甚至溶解的现象［13］，抑制植物的光合作用和呼吸作用。而在本试验中，Cd胁迫下Chl a、Chl b、类胡萝卜素和TChl的含量与CK相比显著上升，Ozyigit等［36］、沈春修等［37］分别在小麦和水稻试验中发现了类似的现象，研究表明水培条件下0.5～50.0 mg·L-1Cd处理可促进小麦根系中Ca、Cu、Fe、Mg、Mn、Na的积累［38］。陈翠芳［39］通过土培试验探究了Cd胁迫下施Si对白菜（Brassica pekinensis）的影响，发现低Cd（0～0.6 mg·kg-1）处理下一定浓度Si（0.5～1.0 g·kg-1）的施加可提高叶片叶绿素的相对含量（soil and plant analyzer development，SPAD），较高浓度Si（2 g·kg-1）的施加则降低了SPAD值，说明高浓度的Si会抑制光合色素的合成。有报道指出，在Cd污染土壤中施Si（150 kg·hm-2）显著降低了杂交稻叶片中Cu、Mn及Zn含量［40］。从光合色素含量的结果来看，Cd50Si0.25处理下Chl a、Chl b和总叶绿素的含量显著高于Cd50Si0，0.25 mmol·L-1Si施加后，地上部Cd浓度及含量的下降可能在一定程度上减轻了Cd对叶绿素合成的抑制作用，但随Si处理浓度的进一步升高，叶绿素含量逐渐下降，可能是因为高浓度的Si抑制了矿质元素吸收，导致光合色素合成和光合作用受到抑制。

光合作用的状态可作为一种指示植物受胁迫程度的重要指标［2］。Cd单独存在时会对玉米PSⅡ的效率造成影响［5］。Cd可抑制Calvin循环以及光合电子传递链中关键酶的活性，使光合作用受到抑制［15-16，41］。试验数据显示Cd胁迫显著抑制了玉米的Pn、Gs、Ci和Tr，小麦［23］和水稻［32］中也发现了类似的现象。气孔是由一对特化的表皮保卫细胞组成，是CO2进入植物和植物蒸腾失水的主要通道，K+和Na+在调节气孔开合上具有重要作用，Cd胁迫下根系对K+吸收的大量减少以及对Na+吸收的增多可能对保卫细胞的开合造成了负面影响［38，42-44］，导致Gs下降，抑制了玉米幼苗的Tr以及Ci。有研究表明施Si可有效减轻Cd对棉花（Gossypium hirsutum）水分利用效率的影响，缓解Cd对光合系统的毒害［45］。本试验中发现外源Si的施加并未有效促进玉米的光合作用，Cd50Si1处理下Gs、Ci和Tr显著提高，随Si浓度的进一步提高，Pn、Gs和Tr出现下降趋势，而Ci较为稳定，可能Cd对玉米幼苗的PSⅡ造成了一定程度的损伤，导致了Pn的显著下降。Cd胁迫下适当浓度Si的施加可能促进了根系对N、P、K、Ca、Mn、Zn等元素的吸收［46］，从而在一定程度上缓解了Cd对保卫细胞的胁迫，Gs、Ci和Tr有所提升；较高浓度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气孔因素的限制［47］，干扰了玉米幼苗对CO2的利用。

3.2 施Si对Cd胁迫下玉米根系构型分级的影响

根系作为重要的营养器官，能够首先感知来自土壤有毒物质的胁迫，其发育状态在植物的正常生长中起着重要作用。Cd胁迫会造成玉米根系细胞在超微结构上的损伤，造成质壁分离、内质网和高尔基体结构受损，随着胁迫时间的增加和胁迫程度的加重，甚至会出现核膜及细胞的解体［13］。本研究发现Cd可显著降低玉米根系的RL、SA和RV，呈现出明显的毒害症状（图1和表2），与小麦［48］、水稻［18］等作物Cd毒害症状相似。Cd胁迫条件下，RF和RT大幅度减少，并与地下部Cd浓度和含量呈显著负相关（P＜0.05），表明Cd对玉米幼苗侧根的生成具有负面影响，其中Cd胁迫下Ⅰ～Ⅲ级径级区间的RL以及Ⅰ～Ⅱ级径级区间的SA和RV受到了较为严重的抑制作用，Ⅳ级径级区间的RL以及Ⅲ～Ⅳ级径级区间的SA和RV受Cd的影响不大。何俊瑜等［18］比较了两种水稻在不同浓度Cd胁迫下根系形态的变化，当Cd胁迫浓度高于5 μmol·L-1时两种水稻的总根长、根表面积和根体积受到抑制，0～1.5 mm径级区间的根系长度、根系表面积和根系体积受Cd的影响较大。

适量浓度的Si可通过促进根系对草酸的分泌［25］、在细胞壁上结合形成Si-半纤维素基质［26］等途径阻碍根系对Cd的吸收转运，缓解Cd对植物的毒害作用［2］。本研究中，0.25～2.00 mmol·L-1外源Si的施加在不同程度上缓解了Cd对玉米根系的负面作用，其中1.00～1.50 mmol·L-1外源Si的效果较好，但RL、RF和RT在Cd50Si1.5处理下与Cd50Si0相比并未达到显著水平，平均直径随Si浓度的升高呈现增大趋势；1.50 mmol·L-1外源Si的施加则显著缓解了Cd对Ⅲ～Ⅳ级径级区间根系参数的毒害作用。说明了1.50 mmol·L-1Si的施加能更好地缓解Cd对＞1 mm粗根的毒害，玉米不同直径的根系在面对环境的变化时具有不同的形态可塑性和功能差异性。有研究表明，Si可促进细胞壁的伸长［49］，在富含Cd、Zn的土壤中施Si后，玉米根系的表皮、外皮层、内皮层、中柱鞘和木质部细胞壁中均发现了植硅体［50］。Fan等［51］探究了施Si对重金属胁迫下水稻的影响，发现S（i1.50 mmol·L-1）的施加可有效缓解Cd（50 μmol·L-1）对水稻根系的毒害，两个品种水稻的总根长、根表面积、根体积以及根平均直径在不同程度上有所提高；而Shi等［23］则发现S（i1.00 mmol·L-1）的施加并没有显著缓解Cd（5和20 μmol·L-1）对小麦根系形态（总根长、根表面积、根体积和根平均直径）的抑制，可能施Si对Cd毒害的缓解效果也受到物种和培养条件的影响。

4 结论

50 μmol·L-1Cd对玉米幼苗的生长具有明显的毒害作用。Cd胁迫下随着Si浓度的增加，地下部与地上部的Cd浓度与转运系数显著降低，玉米根系对Cd的吸收能力和吸收效率也显著下降，并促进了光合产物向玉米幼苗地下部的分配。在Cd50Si1和Cd50Si1.5处理下根系的生物量、根表面积、根体积以及平均直径显著增加，各根系分级下的根系参数也在不同程度上有所提高，其中Cd50Si1.5处理显著增加了Ⅲ～Ⅳ级径级区间的SA和RV。其中玉米幼苗的耐受性综合评价表明1.00 mmol·L-1外源Si的施加在整体上能更好地缓解Cd对玉米的毒害作用，促进玉米幼苗的发育和光合效率，提高耐受性。