Cd胁迫对不同品种紫花苜蓿生长及Cd累积的影响

贾乐 杨姝 祖艳群

摘要[目的]筛选耐Cd品种且Cd高累积的苜蓿品种。[方法]通过盆栽试验，研究Cd胁迫下20个紫花苜蓿品种生物量、株高及植株体内Cd含量和Cd累积量的差异。[结果]20个紫花苜蓿品种生长对Cd的响应存在显著差异，Cd胁迫下，品种德钦的株高最高，为35.71 cm，最低的品种是草原1号，为17.56 cm；Cd胁迫下生物量最高的品种是金黄后，为3.52 g/株，最低的品种是草原1号，为1.07 g/株；不同品种对Cd的累积能力存在显著差异，Cd累积量最高的品种是中苜1号，为33.576 mg/kg，Cd累积量最低的品种是陕北，为3.620 mg/kg。[结论]通过株高、生物量和Cd累积量分析得出，对Cd耐性较高的品种有3个，Cd 高积累的品种有3个；综合分析，最终筛选出甘农1号为耐Cd 品种且Cd 高累积品种。

关键词 紫花苜蓿；Cd累积；品种筛选

中图分类号 S181 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2018）22-0061-04

Abstract[Objective]The aim was to screen out some varieties with resistance to Cd and high accumulation of Cd.[Method]Through pot experiment，the biomass，plant height and the difference of Cd content in plant and the Cd accumulation of 20 alfalfa varieties under Cd stress were studied.[Result]The 20 varieties of alfalfa growth response to Cd was significantly different. Under Cd stress，the plant height of Deqin was the highest，with 35.71 cm，and the grassland No.1 was the lowest，with 17.56 cm； under Cd stress，the biomass of golden was the highest，with 3.52 g/plant，and that of the prairie No.1 was the lowest，with 1.07 g/plant. Different varieties showed significant differences in accumulation ability of Cd； Zhongmu No.1 had the highest accumulation of Cd，with 33.576 mg/kg，and Shanbei had the lowest Cd accumulation，with 3.620 mg/kg.[Conclusion]Through analysis on plant height，biomass and Cd accumulation，it is found that three varieties have high tolerance to Cd，and three varieties have high accumulation of Cd； comprehensive analysis，Gannong No.1 shows high resistance to Cd and high accumulation ability of Cd.

Key words Alfalfa；Cd accumulation；Cultivar selection

由于人口的急劇增加、工农业的快速发展和大量农药化肥的使用等原因，重金属污染越来越严重，且重金属污染也在世界范围内引起广泛关注[1]。紫花苜蓿的生长对Cd的响应存在“低促高抑”现象[2-3]，当Cd浓度超过一定浓度后，其种子发芽[4-5]、生物量[6]、植株形态[7]等均会受到不同程度的抑制。然而，不同品种之间的响应存在较大的差异。研究表明，玉米作为粮食，不同玉米品种对重金属的吸收存在明显差异，通过种植重金属低累积的品种，以生产出安全的食品[8-10]。黄瓜是世界性蔬菜，栽培面积广，鉴于不同黄瓜品种可能具有不同的磷累积能力，可筛选出降磷能力较强的品种，为降低高磷土壤磷素风险提供参考[11-12]。目前对紫花苜蓿的品种筛选已有较多研究，主要从生产性能、抗旱性、抗病性、产量及持久性等[13-16]方面对不同苜蓿品种特性进行比较。大量研究表明，弱秋眠性苜蓿品种具有较强的耐酸性土壤的能力，同时还具有抗热性强、产量高、冬季生长活跃等优点[17-19]。紫花苜蓿是一种对重金属耐受性较强的植物[20-21]，已经被广泛证明是一种很有应用前景的土壤重金属修复植物，它对镍、铜、镉、锌都有较好的富集作用[22]。目前相关工作集中在特定品种对Cd的响应特征，而对不同品种的Cd响应差异筛选的研究较少。笔者以不同品种的苜蓿的生长特性和镉累积量为指标，进行了分类比较，以期筛选出耐Cd品种且Cd高累积的苜蓿品种，为Cd污染土壤的修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试土壤采自云南农业大学农场，红壤土，pH 7.31，有机质30.18 g/kg，全氮2.68 g/kg，碱解氮56.73 mg/kg，全磷14.21 g/kg，速效磷82.83 mg/kg，全钾16.06 g/kg，速效钾 521.76 mg/kg，总Cd含量0.98 mg/kg。供试紫花苜蓿种子购于蝶恋花种业有限公司，品种名称及来源见表1。

1.2 试验设计

于2016年6月在大棚内进行盆栽试验。盆栽试验设2个处理：外源Cd添加量分别为0、50 mg/kg，每个处理设4个重复；试验用盆为圆形塑料花盆，底部有圆孔（高度为40 cm，口内径为35 cm），每盆装7 kg土壤；在土壤中拌入研成粉末状的CdCl2，拌匀。用去离子水调节土壤含水量至最大持水量的60% 左右，平衡14 d。挑选子粒饱满的苜蓿种子，使用10% H2O2消毒30 min，再用蒸馏水冲洗多次后晾干，每盆10粒，均匀撒播于盆内，待出苗至10 cm左右时，每盆留5株，其余间去。生长期间常规培育，生长约120 d后收获，测定相关指标，包括形态指标（株高、生物量）以及Cd含量。

1.3 取样与Cd含量分析

在苜蓿成熟期进行采样，每盆取长势比较均匀的植株样品。将样品用清水洗净后晾干，放入80 ℃烘箱中12 h，在干燥器中冷却至室温后用天平测定干重（精确到0. 01 g）为生物量（g/株）。在105 ℃烘箱中杀青30 min，再调至80 ℃烘24 h至样品完全烘干，粉碎，过100目筛，待测Cd含量。经过HNO3-HCl混酸体系消煮植株样品后，使用火焰原子吸收分光光度计测定Cd含量。

1.4 数据处理 所有数据的平均值、标准差均采用Excel 2007软件计算，数据的方差分析和相关性分析采用SPSS 17.0软件。

性狀变化率=（处理值-对照值）/对照值×100%

综合响应指数=株高变化率+生物量变化率

Cd累积量=Cd含量×生物量

2 结果与分析

2.1 Cd对不同品种紫花苜蓿生长特征的影响

Cd胁迫对20个紫花苜蓿品种株高、生物量均有影响（表2）。不同品种紫花苜蓿在Cd胁迫下与对照相比，株高呈下降趋势的为河西、中苜1号、阿尔冈金、驯鹿、苜蓿王、陕北和草原1号。Cd胁迫下株高增加的有阿勒泰杂花、图牧1号、新牧2号、金黄后和德钦。Cd胁迫下紫花苜蓿的株高变化率在-35.30%～44.48%，株高变化率最高为陇中苜蓿，最低为草原1号。

不同品种紫花苜蓿在Cd胁迫下与对照相比，生物量呈上升趋势的为巨人201+Z、甘农1号、中苜1号、金黄后和游客。Cd胁迫下生物量增加的有阿尔冈金和金黄后。Cd胁迫下紫花苜蓿的生物量变化率在 -56.02%～22.80%，生物量变化率最高为巨人201+Z，最低为驯鹿。

综合响应指数最大品种为巨人201+Z，达 38.75%；最小品种为草原1号，为 -88.16%。对20个品种紫花苜蓿综合响应指数进行排序，其中巨人201+Z、甘农1号、金黄后为综和响应指数最高的一类；阿勒泰杂花、图牧1号、中苜1号、三得利和德钦等为综合响应指数较高的一类；草原1号和驯鹿为综合响应指数最低的一类；其余品种综合响应指数居中。综和响应指数最高的巨人201+Z、甘农1号、金黄后可作为耐Cd 品种。

2.2 Cd对不同品种紫花苜蓿体内Cd含量及累积的影响

Cd胁迫下20个紫花苜蓿品种体内Cd含量和Cd累积量差异显著，且与对照相比均有显著上升（表3）。在Cd胁迫下，各品种Cd含量为2.30～19.95 mg/kg，平均含量为9.65 mg/kg。Cd含量最高的品种甘农1号是含量最低的品种陕北的8.67倍。

在Cd胁迫下，各品种Cd累积量为3.615～33.576 μg/株，平均含量为10.760 μg/株。Cd累积最高的品种中苜1号是含量最低的品种陕北的9.28倍。

对20个品种紫花苜蓿品种Cd累积量进行排序，其中甘农1号、阿泰勒杂花和中苜1号等为Cd累积最高的一类；草原1号为含量较高的一类；其他品种Cd含量较低。为了修复土壤中重金属Cd的累积，选择甘农1号、阿泰勒杂花和草原1号作为紫花苜蓿高累积Cd的品种。

3 讨论

Cd污染对植物的生长发育和细胞的新陈代谢具有重要影响[23-25]。该试验中，对照组的株高和生物量无明显差异，且对其生长影响较小，但在Cd胁迫下与对照相比株高和生物量大部分均呈下降趋势，小部分呈上升趋势。Cd胁迫下巨人201+Z、甘农1号、金黄后综和响应指数较高，表明巨人201+Z、甘农1号、金黄后在Cd胁迫下能够正常生长，生物量无明显下降，可作为耐Cd品种。也有研究表明，镉处理浓度为5 mg/kg时，紫花苜蓿的株高、主根长、生物量和叶绿素含量与对照相比均有所提高，但差异不显著，随着处理浓度增加，上述指标呈显著降低趋势[26]。Cd浓度较低时对株高和生物量等生理指标的影响不明显，表明紫花苜蓿对Cd具有一定的耐性。另外，紫花苜蓿在高浓度Cd处理中受毒害明显，说明紫花苜蓿耐Cd的有限性。同样也有较多研究表明Cd对植物生长的影响均与上述结论一致，如水稻[27]、棉花[28]和番茄[29]等植物在Cd浓度较高时，产量和植株总生物量下降，只有少数品种产量和生物量有所上升。

Cd的累积浓度随Cd浓度增加而增加，且地下部Cd累积浓度大于地上部。不同品种紫花苜蓿吸收和累积Cd的能力存在较大差异。该试验中，在Cd胁迫下不同紫花苜蓿品种间的Cd累积量有显著差异，品种中苜1号累积量Cd高达33.576 mg/kg，品种陕北Cd累积量仅3.620 mg/kg。通过对比20个紫花苜蓿品种体内Cd含量发现，甘农1号、阿泰勒杂花和草原1号品种为Cd累积量最高。也有研究表明，品种新疆大叶在Cd处理浓度为100 mg/kg时，其地上部和地下部的Cd含量分别为16.01和84.21 mg/kg[30]；品种Col在处理浓度为50 mg/L时，其地上部和地下部的Cd含量分别为1 920和12 360 mg/kg（DW），与前者差异显著[31]。与该试验结果一致，不同品种间的Cd累积量存在差异。

植物对镉的抗性可以分为3种：在有Cd胁迫条件下很快死亡；在有Cd胁迫条件下可以大量吸收环境中的镉离子，而且生长好，生物量高；在有Cd胁迫下条件下能大量吸收环境中的镉离子，但生长受到抑制。应用到植物修复中的植物材料是第2种情况，即可以大量吸收隔离子又不影响其生长[32]。该试验通过20个品种紫花苜蓿在Cd胁迫下综合响应指数和Cd累积量的分析，可筛选出耐Cd品种且Cd高累积的品种。在Pb污染的土壤中种植玉米，就要筛选出低累积Pb的玉米品种，且玉米籽粒中Pb含量不能超过《粮食及制品中重金属限量标准》（NY 861—2004）[33]。紫花苜蓿不同于玉米，作为Cd污染的土壤修复植物，要筛选出高累积Cd的品种，且耐Cd品种[34]。

4 结论

Cd 胁迫下20个紫花苜蓿品种的株高、生物量的变化差异显著。Cd胁迫下株高最高的为德钦（35.71 cm），最低的是草原1号（17.56 cm）。Cd胁迫下生物量最高的为金黄后（3.52 g/株），最低的是草原1号（1.07 g/株）。

20个品种紫花苜蓿对Cd的累积能力存在显著差异。Cd累积量最高的品种是中苜1号（33.576 mg/kg），Cd累积量最低的品种是陕北（3.620 mg/kg）。

生物量与Cd累积量呈显著正相关。Cd含量和Cd累积量呈显著正相关。

综合分析，最终筛选出甘农1号为耐Cd 品种且Cd 高累积品种。

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