镉胁迫对不同品种玉米幼苗生长及生理特性的影响

吴月莹，邓思情，刘松芹，罗红兵，易镇邪，邓敏*

镉胁迫对不同品种玉米幼苗生长及生理特性的影响

吴月莹1,2，邓思情1,2，刘松芹1,2，罗红兵1,2，易镇邪1,2，邓敏1,2*

(1.湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128；2.湖南省玉米工程技术研究中心，湖南 长沙 410128)

为探究不同品种玉米苗期对镉胁迫的响应差异，筛选出耐镉性较强的品种，选用4个玉米杂交种(京农科728、郑单958、正大999、豫单9953)，通过水培的方法进行镉胁迫(6 mg/L CdCl2·2.5H2O)处理，在镉胁迫3、6、9、12 d后对4个玉米品种苗期的生长指标和生理指标进行检测分析，并采用主成分分析和隶属函数法进行耐镉性综合评价。结果表明：镉胁迫后4个品种幼苗的根长、株高、地上部干质量、地上部鲜质量、地下部干质量、地下部鲜质量和总叶绿素含量整体低于对照(蒸馏水处理)，豫单9953在整个胁迫过程中叶片和根部的POD活性以及MDA含量高于对照组；镉胁迫下，与其他品种相比，豫单9953的株高、根长和干质量下降幅度较大，但其鲜质量受影响较小，且其叶片MDA含量增加幅度小，POD活性强。耐镉性综合评价结果显示，豫单9953、京农科728、正大999、郑单958的耐镉性依次减弱，豫单9953可作为耐镉性品种培育。

玉米；镉胁迫；生理指标；主成分分析；隶属函数法

玉米(L.)是一种重要的粮食作物、饲料作物和工业原料。由于矿石开采、污水灌溉、化肥农药过量施用等原因，使得重金属污染问题日益严重[1–2]。据估算，全世界每年排放到环境中的镉约1.0×106t[3]。镉进入农田土壤后会因难以降解而造成土壤污染，不仅会影响农作物的产量与品质，而且还会通过食物链富集危害人类。据全国土壤污染状况调查公报[4]显示，中国的镉污染点位超标率达到7.0%。

研究表明，镉胁迫会导致植株根系发黑、形态异常、叶片萎蔫黄化、叶片透气性降低、光合色素含量降低、光合速率下降[5]，影响植株总根长、总根表面积、根干质量、侧根密度、根尖数[6]，破坏线粒体结构，降低膜通透性，影响呼吸速率[7]，还会促使细胞内活性氧含量上升，造成细胞膜氧化损伤[8]，影响植物对Mg、Ca等离子和水分的吸收[9–10]，最终造成植物生长发育异常。但植物会以多种响应方式缓解镉胁迫对其造成的影响，如通过合成某些物质参与渗透调节来维持细胞膜的完整性或通过抗氧化酶系统清除植物体内过量的活性氧来抵抗胁迫[11–12]。

本研究以4个玉米品种为试验材料，研究玉米幼苗在镉胁迫3、6、9、12 d后的生长指标和生理指标的变化情况，通过主成分分析和隶属函数法对4个玉米品种的耐Cd性进行综合评价，以筛选出苗期耐Cd性较强的玉米品种，为选育镉胁迫下苗势强、苗壮、苗齐的玉米新品种提供材料。

1　材料与方法

1.1　材料

4个玉米品种分别是玉米杂交种郑单958、豫单9953、正大999、京农科728。

1.2　试验设计

整个试验过程在人工气候室中进行。玉米种子发芽前温度设置为25 ℃，暗培养；发芽后昼夜温度设置为(22±1)/(20±1) ℃，昼夜时长为14 h/10 h，光照度为20 000 lx。

选择大小基本一致且无病害的种子置于10% H2O2中浸泡15 min，用去离子水洗净，摆放于铺有湿润滤纸的发芽盘中，当玉米种子的芽伸长至1 cm左右时，选取长势一致的种子置于玉米幼苗生长专用培养盒中，每盒100株。用去离子水培养1 d后，更换为1/4(体积分数)的Hoagland营养液(溶液需没过滤纸下边缘)，期间每隔3 d更换1次营养液。1叶1心期后进行镉(T，6 mg/L CdCl2·2.5H2O，国产分析纯) 浸泡处理，并设置对照组(CK，蒸馏水)。每个处理3次重复，随机区组排列。

1.3　测定项目和方法

1.3.1生长指标的测定

于镉胁迫处理的第3、6、9、12天，随机选取对照和处理组各5株幼苗，用去离子水冲净后去掉玉米种子，以幼苗基部为中心，分成地上、地下两部分，测其长度和鲜质量；在105 ℃烘箱中杀青30 min，75 ℃烘干至恒重，测量其干质量。

1.3.2生理指标的测定

于镉胁迫处理的第3、6、9、12天，从对照和处理组中各选取3株幼苗，测其叶片中的叶绿素含量；其余幼苗经液氮冷冻后置于–80 ℃超低温冰箱中保存，用于后期幼苗POD活性和MDA含量的测定。采用丙酮浸提法[13]测定叶绿素含量；采用愈创木酚法[14]测定POD活性；采用硫代巴比妥酸法[14]测定MDA含量。

1.4　玉米耐Cd性的综合评价

按照刘梦霜等[15]的方法，采用隶属函数法综合评价4个玉米品种的耐Cd性。

1.5　数据处理与分析

采用SPSS 26.0进行单因素方差分析，选用Duncan法进行多重比较。

2　结果与分析

2.1　镉胁迫对玉米幼苗株高和根长的影响

由表1可知，与对照相比，镉胁迫处理下，4个玉米品种的株高降低，根长缩短。豫单9953的株高在镉胁迫3 d时显著降低，在镉胁迫12 d时降低幅度更大，降幅为29.9%；郑单958和京农科728在镉胁迫6 d时显著下降；正大999在镉胁迫12 d时才显著降低，降幅为26.3%。正大999的根长在镉胁迫9 d时显著短于对照的，为对照的53.4%；其余品种的根长均在镉胁迫6 d时显著短于对照的，且随胁迫时间延长，差距越明显，在镉胁迫12 d时差距最大，京农科728、郑单958和豫单9953的根长分别较对照短46.4%、50.4%、42.3%。可见，镉胁迫对郑单958和豫单9953的株高和根长有较大影响；在胁迫前期，对正大999的影响较小。另外，根长的下降幅度大于株高的下降降幅，即镉胁迫对根长的影响比对株高的影响更大。

表1　供试玉米的株高和根长

同列数据不同小写字母表示处理间的差异有统计学意义(<0.05)。

2.2　镉胁迫对玉米干质量和鲜质量的影响

由表2、表3可知，与对照相比，在镉胁迫处理下，各个玉米品种的干质量和鲜质量总体上是下降的，但不同品种的变化趋势并不完全相同。郑单958在镉胁迫6 d时地上部鲜质量和地下部鲜质量下降幅度最大，分别降低30.6%、32.4%；京农科728、正大999和豫单9953在镉胁迫12 d时下降幅度最大，其地上部鲜质量分别下降39.0%、33.8%、27.6%，地下部鲜质量分别下降30.1%、21.9%、16.5%。4个品种地上部干质量降幅最大的时期与鲜质量降幅最大的时期一致。郑单958在镉胁迫6 d时地上部干质量为对照的82.3%；京农科728、正大999和豫单9953在镉胁迫12 d时地上部干质量分别是对照的66.9%、79.7%、75.4%。郑单958和京农科728的地下部干质量在镉胁迫6 d时降幅最大，分别下降14.8%、22.4%；正大999在9 d时下降幅度最大，豫单9953在12 d时下降幅度最大，分别下降16.7%、25.8%。整个胁迫过程中，与对照相比，豫单9953的地上、地下部鲜质量的降幅较小，郑单958的地上、地下部干质量降幅最小，说明镉胁迫会影响玉米幼苗的干物质积累和对水分的吸收。

表2　供试玉米的鲜质量

同列数据不同小写字母表示处理间的差异有统计学意义(<0.05)。

表3　供试玉米的干质量

同列数据不同小写字母表示处理间的差异有统计学意义(<0.05)。

2.3　镉胁迫对玉米叶绿素含量的影响

由表4可知，与对照相比，在镉胁迫处理下，各个玉米品种的叶绿素含量整体上下降。在镉胁迫3 d时，4个品种的叶绿素含量与对照相比均无显著差异。郑单958的叶绿素含量在镉胁迫6 d时降幅最大，下降32.1%；豫单9953、正大999和京农科728的叶绿素含量在镉胁迫12 d时降幅最大，分别下降26.4%、38.3%、33.7%。整体而言，在镉胁迫下，正大999的叶绿素含量的降幅较大，而豫单9953的降幅较小。

表4　供试玉米的叶绿素含量

同列数据不同小写字母表示处理间的差异有统计学意义(<0.05)。

2.4　镉胁迫对玉米POD活性的影响

由表5可知，在镉胁迫3 d时，郑单958和京农科728的叶片POD活性低于对照的；在镉胁迫6 d时，仅郑单958的叶片POD活性显著低于对照的，其他3个玉米品种的叶片POD活性均显著高于对照的；在镉胁迫9、12 d时，4个玉米品种的叶片POD活性均显著高于对照的，其中，豫单9953的增幅最大，在镉胁迫9 d时，达到对照的4.29倍。

在镉胁迫3 d时，郑单958和正大999的根部POD活性均显著低于对照的，豫单9953和京农科728的则显著高于对照的；在镉胁迫6、9 d时，4个品种的根部POD活性均高于对照的，其中，京农科728的增幅最大，分别是对照的1.29倍、1.60倍；在镉胁迫12 d时，正大999和京农科728的根部POD活性低于对照的，但差异并不显著。总体上看，在镉胁迫下，豫单9953的叶片和根部POD活性以及京农科728的根部POD活性增加更为明显；镉胁迫对叶片POD活性的影响大于对根部POD活性的影响。

表5　供试玉米叶片和根部的POD活性

同列数据不同小写字母表示处理间的差异有统计学意义(<0.05)。

2.5　镉胁迫对玉米丙二醛含量的影响

由表6可知，在镉胁迫3、6 d时，仅京农科728的叶片MDA含量低于对照的，但差异并不显著；在镉胁迫9、12 d时，其叶片MDA含量显著高于对照的，其中在镉胁迫12 d时增幅最大，增加55.3%；在整个胁迫过程中，郑单958、豫单9953、正大999的叶片MDA含量均显著高于对照的，且在镉胁迫9 d时增幅最大，分别增加了114.6%、33.3%、110.4%。整体而言，豫单9953和京农科728的MDA含量增幅较小。

在镉胁迫3 d时，京农科728和正大999的根部MDA含量低于对照的，分别为对照的89.1%、90.2%；在镉胁迫6 d时，分别为对照的88.3%、77.0%；在镉胁迫9、12 d时，其根部MDA含量高于对照的，且在镉胁迫12 d时，增幅最大，分别增加145.7%、61.3%。豫单9953的根部MDA含量在整个胁迫过程中均高于对照的，在镉胁迫9 d时增幅最大，增加149.3%。郑单958的根部MDA含量在镉胁迫3、6、9 d时高于对照的，在镉胁迫12 d时低于对照的，为对照的80.5%。

表6　供试玉米叶片和根部的MDA含量

同列数据不同小写字母表示处理间的差异有统计学意义(<0.05)。

2.6　不同品种玉米耐镉性综合评价

已有研究[16–17]表明，玉米多个性状的耐镉指数间存在显著或极显著相关，可以先通过主成分分析把多个性状转换成综合指标，再利用隶属函数法综合评价各个品种的耐镉性。本研究中，各个品种的耐镉指数如表7所示。通过主成分分析，从11个单项指标中提取了3个主成分，其贡献率分别为55.36%、28.00%、16.63%，可以解释Cd胁迫下11个单项指标99.99%的变化。再根据贡献率计算出权重，进而计算出隶属函数值，得到耐镉性综合评价值(值)。值越大，说明该品种的耐Cd性越强。由表8可知，豫单9953、京农科728、正大999、郑单958的耐Cd性依次减弱。

表7　镉胁迫下供试玉米的耐镉指数

表8　镉胁迫下供试玉米的综合指标值、隶属函数值、综合评价值及排序

1、2、3为综合指标值；1、2、3为综合指标的隶属函数值；为综合评价值。

3　结论与讨论

本研究结果表明，在镉胁迫下，供试玉米的株高、根长、地上部鲜质量、地下部鲜质量、地上部干质量、地下部干质量、叶片叶绿素含量整体低于对照的，叶片和根部的POD活性以及MDA含量整体上高于对照的。这与前人[17–20]的研究结果基本一致。

玉米对镉胁迫的响应是由遗传特性和生长环境共同决定的，不同品种的玉米有着不同的遗传特性[10,16–17]。豫单9953的株高、地下部干质量受镉胁迫的影响明显大于京农科728、正大999和郑单958，根长、地上部干质量、总叶绿素含量受镉胁迫的影响处于中间水平，但其地上部鲜质量和地下部鲜质量在4个品种中受影响最小，说明豫单9953在面对胁迫时可以更好地维持对水分的吸收。VACULÍK等[21]、宇克莉等[22]和李陈贞等[20]研究表明，严重的镉胁迫会破坏叶绿体结构，影响光合色素的合成，扰乱植物生长。本研究结果显示，4个玉米品种的叶绿素含量均低于对照的，其中正大999的叶绿素含量的降幅较大。在镉胁迫条件下，植物体内的活性氧(ROS)会不断积累，促使膜降解，从而导致丙二醛积累，而POD可以清除植物体过量的活性氧，减少植物损伤，对植物的正常生长具有重要作用[23]。本研究中，镉处理条件下，豫单9953的叶片MDA含量增加较少，但其叶片POD活性明显高于其他品种，且始终维持在一个较高的水平，说明在该胁迫条件下，豫单9953相比其他品种具有更好的耐镉性。

前人对植物耐镉性指标的筛选已有不少研究结果。顾丹丹等[24]认为，植株地上部干质量和叶片SPAD值的耐性指数可作为耐镉基因型筛选的指标；KOSOLSAKSAKUL等[25]认为植株对镉的吸收和积累能力可以作为反映镉耐受性的指标。但是一直以来并没有统一的行业鉴定标准。本研究中，将玉米幼苗的株高、根长、地上部干质量、地下部干质量、地上部鲜质量、地下部鲜质量、总叶绿素含量、POD活性、MDA含量等11个单项指标转化为3个综合指标，通过隶属函数法得到豫单9953、京农科728、正大999、郑单958的耐镉性依次减弱。推测在较低的镉胁迫浓度下，玉米品种豫单9953可作为耐镉性玉米培育优选品种。

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Effects of cadmium stress on the growth and physiological characteristics of maize seedlings from different varieties

WU Yueying1,2，DENG Siqing1,2，LIU Songqin1,2，LUO Hongbing1,2，YI Zhenxie1,2，DENG Min1,2*

(1.College of Agronomy, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128, China; 2.Maize Engineering Technology Research Center of Hunan Province, Changsha, Hunan 410128, China)

This study aimed to explore the differences of cadmium stress response in the different maize varieties seedling stage and screen out varieties with strong cadmium tolerance. The four maize hybrids Jingnongke728, Zhengdan958, Zhengda999 and Yudan9953 were selected in this study. Through laboratory hydroponics, they were treated with cadmium stress(6 mg/L CdCl2·2.5H2O). The growth indexes and physiological indexes of four maize varieties at seedling stage were detected and analyzed after 3, 6, 9 and 12 days of cadmium stress, and the comprehensive evaluation of cadmium tolerance was carried out using principal component analysis and membership function method. The results showed that the root length, plant height, dry and fresh weight and total chlorophyll content of the seedlings of the four varieties after cadmium stress were lower than those of the control(distilled water treatment), and the POD activity and MDA content of leaves and roots of Yudan9953 were higher than those of the control during the whole stress process. Under cadmium stress, Yudan9953 decreased significantly in plant height, root length and dry weight compared with other varieties, but its fresh weight was less affected, and its leaf MDA content increased less and POD activity was strong. The comprehensive evaluation results of cadmium tolerance showed that the cadmium tolerance of Yudan9953, Jingnongke728, Zhengda999 and Zhengdan958 weakened sequentially, and Yudan9953 could be cultivated as a cadmium-tolerant variety.

maize; cadmium stress; physiological index; principal component analysis; membership function method

S513.01

A

1007–1032(2023)05–0509–07

吴月莹，邓思情，刘松芹，罗红兵，易镇邪，邓敏．镉胁迫对不同品种玉米幼苗生长及生理特性的影响[J]．湖南农业大学学报(自然科学版)，2023，49(5)：509–515．

WU Y Y，DENG S Q，LIU S Q，LUO H B，YI Z X，DENG M．Effects of cadmium stress on the growth and physiological characteristics of maize seedlings from different varieties[J]．Journal of Hunan Agricultural University(Natural Sciences)，2023，49(5)：509–515．

http://xb.hunau.edu.cn

2023–03–21

2023–09–27

国家自然科学基金项目(32101700)；湖南省科技创新计划(2021RC2082)；中国博士后基金项目(2022M711122)

吴月莹(2000—)，女，河南新乡人，硕士研究生，主要从事作物栽培与耕作学研究，wuyueying2022@163.com；*通信作者，邓敏，博士，副教授，主要从事玉米遗传学及功能基因组学研究，hdengmin@163.com

10.13331/j.cnki.jhau.2023.05.002

责任编辑：毛友纯

英文编辑：柳正