玉米根系、根鞘性状与镉吸收的品种差异研究

于子昊，李胜宝，赵晓玲，李明锐，李博，何永美，陈建军，湛方栋

（云南农业大学资源与环境学院，昆明650201）

由于铅锌矿不合理开采以及工农业生产等原因，Cd 通过地表径流和地下渗透等途径进入农田土壤。《全国污染土壤调查公报》指出，Cd 的点位超标率为7.0%，为重金属之首[1]。我国人多地少，即使是Cd 污染的农田仍广泛种植农作物，因此作物对Cd 的吸收与累积引起广泛关注[2]。

玉米是我国重要的粮食作物，具有生长期短、易种易管和品种丰富等优点[3]。陈建军等[4]、鄢小龙等[5]和郭晓方等[6]均发现，玉米对Cd 有一定吸收能力，且不同品种的富集转运能力存在明显差异，但造成品种差异性的机理目前尚不明确。

根系是植物吸收养分和水分的主要器官，受环境中有益元素和有毒元素影响[7]。在受到Cd 离子胁迫时，根系会通过调整形态结构和代谢来应对胁迫，如耐Cd 玉米感受Cd 信号后会通过改变体内代谢过程来适应胁迫环境[8]。沈天尔等[9]发现，玉米可启动相关响应机制阻滞Cd 的运输以缓解Cd 离子毒害。陈伟等[10]研究表明，黑麦草根长、根表面积和根尖数均随着重金属离子浓度升高而不断降低。根系形态的改变又会影响根系对水分、矿物元素和Cd 的吸收。因此，植物根系形态与Cd的吸收累积存在密切关系。

重金属胁迫影响根系的同时也会影响根鞘形成。根鞘是根系、土壤、微生物的互作产物，是土壤颗粒与根表及根毛相互黏附、缠绕形成的土壤连续体[11]。根鞘结构的形成有利于植物根土界面的信息交流及水分和养分的交换，也可以作为一个联合固氮微生物储存库[11]，可以表征农作物在土壤中开发和获取资源的能力[12]，在应对非生物胁迫方面也具有潜在重要性[13]。Delhaize 等[14]发现，不同品种小麦在酸性土壤中根鞘有显著差异，并认为这种差异是根毛对Al 耐性而造成的。Bailey等[15]发现不同物种间根鞘结合强度不同，表明根鞘性状存在差异。根鞘作为耐非生物胁迫的重要器官，在养分吸收方面具有潜在重要性，James 等[16]的试验表明，同一植物不同品种的根鞘性状以及根鞘吸收磷的效率均有显著差异。当前，对根鞘的研究多集中在干旱条件下根鞘提高植物抗旱性和对根系的保护方面，但在Cd 污染土壤中根系和根鞘的相互关系以及根鞘与植株Cd累积方面尚缺乏系统研究[17]。

鉴此，本研究选取兰坪某铅锌矿区周边Cd 污染农田土壤种植玉米，研究12 个玉米品种根系形态、根鞘与Cd 累积特征三者间的相互关系，进而从根系和根鞘的角度研究重金属转运、吸收和累积的差异性。

1 材料与方法

1.1 供试土壤与玉米品种

供试土壤为山原红壤，取自云南兰坪县某铅锌矿区重金属污染农田，土壤风干后过2 mm孔径筛备用。其基本化学性质如下：pH 值为6.22，有机质含量40.1 g·kg-1，全氮、全磷和全钾含量分别为2.30、12.1、12.4 g·kg-1，碱解氮、速效磷和速效钾含量分别为132、44.2、165 mg·kg-1，土壤Cd含量9.59 mg·kg-1。

本试验选用的12 个供试玉米品种，购买于云南省昆明市小板桥种子批发市场，均为云南高原主栽玉米品种。选取籽粒饱满的种子消毒后置于28 ℃下恒温培养3 d，待种子露白后播种。供试玉米名称及其生产单位见表1。

1.2 试验设计

盆栽试验于2019 年9 月25 日在云南农业大学东校区温室大棚播种，出苗35 d 后收样，每个玉米品种4 个重复。试验采用育苗袋尺寸为28 cm×25 cm，装入2.0 kg土壤。每个育苗袋播种3粒出芽程度一致的种子，出苗5 d 后间苗，每袋留下1 株生长良好的幼苗。浇水根据天气情况来定，选择晴天傍晚浇灌，保持含水量55%左右，按常规方法进行管理。为减少环境梯度影响，同一处理的4 个重复每隔一日随机调换一次位置。

1.3 指标测量方法

收获时用小刀从两侧轻轻划开育苗袋，取出玉米后将地上和地下部分离，摇动地下部使大块土壤脱落，根鞘土则会保留在根部。用玻璃棒轻轻地按压根系，使根鞘从根系上脱离下来，将根鞘在烘箱中（75 ℃，72 h）烘至恒质量后称量质量。用蒸馏水清洗玉米根系，尽量减少对根毛的损害，晾干后用吸水纸吸干根系表面水分，均匀铺开，经Epson Perfection V700 扫描仪（Seiko Epson，日本）扫描后，用Win RHI⁃ZO PRO STD4800 型（Regent，加拿大）根系图像处理软件分析得出根体积、根长、根尖数、根表面积、分枝数、平均根系直径等参数。将地上部和地下部分别用自来水和去离子水冲洗3 遍，于105 ℃烘箱杀青0.5 h，然后于75 ℃烘箱烘至恒质量，称量质量，碾碎备用。土壤样品风干、磨碎，过筛后备用。

称取0.2 g 玉米植株样，采用硝酸-高氯酸消解[18]，过滤并定容到50 mL 容量瓶内；称取5.0 g 土壤样品，采用王水-高氯酸消解，过滤并定容到50 mL 容量瓶内；火焰原子吸收分光光度法测定Cd 含量。用100 mL 0.01 mL·L-1氯化钙提取根鞘土壤中的有效态Cd[19]，并用石墨炉测定。

表1 供试玉米品种、生产单位及品种特性Table 1 Tested cultivars of maize，production department and cultivar characteristics

根鞘发育指数由根鞘土壤与根的干质量比表示[20]，Cd 累积量=Cd 含量（mg·kg-1）×植株生物量（g·plant-1）。

1.4 数据统计与分析

采用Duncan 氏新复极差法对数据进行差异显著性分析，采用Microsoft Excel 软件进行常规分析，利用Origin 9.0 作图软件绘图，并采用SPSS 软件进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 玉米生物量

由图1 可知，不同品种玉米地上部和地下部生物量存在差异，12 个品种地上部的平均生物量为1.29 g，最高是森玉8号（达2.05 g），其次是园玉99，且两者之间无显著差异；最低是林新4号，仅为0.78 g。12个品种地下部的平均生物量为0.53 g，最高是园玉99（达1.05 g），森玉8 号次之，两者间差异显著；最低是林新4号，仅为0.30 g。总的来看，地上部生物量最大值为最小值的2.6 倍，地下部生物量最大值为最小值的3.5倍。

2.2 玉米根系形态

由图2 可知，根长、根表面积和根体积以园玉99最高，平均根系直径以路单17 号最高，根尖数和分枝数以西单8号最高；根长、根表面积和分枝数以林新4号最低，平均根系直径以云瑞88 最低，根体积和根尖数以胜玉2 号最低。12 个品种根长和根表面积最大值均为最小值的2.9倍，根体积最大值是最小值的3.2倍，根尖数最大值为最小值的5.5倍，分枝数最大值为最小值的6.1倍。

2.3 玉米根鞘性状

由图3 可知，根鞘质量范围为4.61～13.00 g，平均质量为8.91 g，最高是园玉99，其次是森玉8 号，且两者无显著差异，最低是云瑞88。12 个品种的根鞘质量最大值为最小值的3.1 倍。同时，根鞘发育指数范围为6.9～39.7，平均值为19.4，最高为云瑞8 号，其次是西单2 号，且两者之间无显著差异，最低是纪元118；12 个品种的根鞘发育指数的最大值为最小值的5.8 倍。结果表明，不同品种玉米产生根鞘的能力差异较大。

由图4 可知，根鞘土壤有效态Cd 含量以云瑞88最高，林新4 号最低，12 个品种的平均值为3.11 mg·kg-1。

2.4 12个玉米品种Cd累积特征

由图5 可知，不同品种玉米对Cd 的富集和转运能力存在差异，12 个玉米品种平均地上部Cd 含量为10.0 mg·kg-1，最高是林新4 号（达23.8 mg·kg-1），其次是纪元118，两者差异显著，最低是云瑞8 号（3.7 mg·kg-1）。平均地下部Cd 含量为11.7 mg·kg-1，最高是云瑞8 号（达36.8 mg·kg-1），云瑞88 次之，两者差异显著，最低是森玉8号（为6.0 mg·kg-1）。整体来看，地上部Cd 含量最大值为最小值的6.4 倍，地下部Cd 含量最大值为最小值的6.1倍。

平均地上部Cd 累积量为12.4 μg·plant-1，最高是纪元118（达26.5 μg·plant-1），其次是林新4 号，且两者差异显著；最低是云瑞8 号（为4.1 μg·plant-1）。平均地下部Cd累积量为5.3 μg·plant-1，最高是云瑞8号（达12.4 μg·plant-1），其次是园玉99，且两者之间差异显著，最低是曲辰11 号（为3.1 μg·plant-1）。综合而言，地上部Cd 累积量最大值为最小值的6.5 倍，地下部最大值为最小值的4.0倍。

2.5 相关性分析

如表2 所示，根鞘质量与根表面积、根体积呈极显著正相关（P<0.01，下同），与平均根系直径、分枝数呈显著正相关（P<0.05，下同）。根鞘发育指数与根长、根表面积、根体积、根尖数、分枝数呈极显著负相关，根鞘土壤有效态Cd 含量与根尖数呈极显著正相关。又如表3 所示，根鞘质量与地上部Cd 含量呈极显著负相关，根鞘发育指数与地下部Cd 含量呈极显著正相关。地上部Cd含量与根表面积和根体积呈显著负相关；地下部Cd含量与根尖数呈极显著负相关，与分枝数呈显著负相关。

表2 12个品种玉米根系形态与根鞘性状的相关性Table 2 Correlation between root morphology and rhizosheath characteristics in 12 maize cultivars

表3 12个品种玉米根系形态、根鞘性状与Cd累积特征的相关性Table 3 Correlation between root morphology，rhizosheath characteristics and Cd a cumulative characteristic of 12 maize cultivars

3 讨论

3.1 玉米根系形态与重金属累积的品种差异

植物对重金属的吸收与自身的遗传因素和外界环境条件有关[21]。Cd 对植物的影响与浓度有关，低浓度有积极的刺激作用，当浓度超过一定量时就会抑制其生长发育，且随着浓度升高抑制作用显著提高[22]。根系是植物最先感知Cd 等有毒物质的器官，土壤中Cd 对植物的危害也首先表现在根系变化上。研究表明，高浓度Cd 会对植物根系初生根的生长有明显抑制作用[23]，减小根表面积和根体积，并抑制主根和侧根的生长[24]。本研究发现，在Cd 污染土壤中，玉米地上部Cd含量与根表面积和根体积呈显著负相关，玉米地下部Cd含量与根尖数呈极显著负相关、与分枝数呈显著负相关。这可能是高浓度的Cd抑制根系细胞分裂和伸长，导致根系生长缓慢而造成的[25]，表明植物根系形态与其Cd 吸收能力关系密切，在响应环境Cd 污染胁迫方面表现出高度的形态可塑性。但也有研究表明，玉米地上部Cd含量与根表面积、根体积呈显著正相关[26]。其原因可能与不同作物及品种对重金属胁迫的根系响应差异有关，这是不同作物及其品种的遗传特性差异导致的。

玉米的Cd累积量存在显著差异，这与陈建军等[4]研究结果一致，可能是玉米在少数基因控制下对Cd积累具有基因型差异造成的[8]，也可能是不同品种对Cd 胁迫的耐性存在显著差异造成的[27]。Cd 胁迫下，根细胞内活性氧自由基的产生速率增大，致使细胞膜的结构和功能遭到破坏，根系活力下降，逐渐失去吸收水分和营养素的能力。因此在本试验中，根尖数与地下部Cd 含量呈显著负相关，与前人关于玉米等植物地下部Cd 含量与根尖数呈显著正相关的研究结论[28]相似，说明根系形态与Cd 累积量的关系较为紧密，但与前人关于蕹菜等植物的研究结论[29]相反，这可能是植物不同种类其根系类型的差异而导致的[30]。有研究发现，紫花香薷的根长、根表面积和体积越大，越有利于吸收Pb[31]，这与试验中发现的地上部Cd 含量与根表面积和根体积呈显著负相关的结论相反，这可能是不同作物对重金属的响应存在差异，以及试验周期长短不同[32]造成的。此外，土壤pH 和金属离子间的相互作用也会影响植物对Cd 的吸收和累积[32]。试验中还发现，12 个品种玉米地上部Cd 累积量均大于地下部，与多数研究者的结论相反[4]，这可能是因为盆栽与大田试验相比，水肥供应、根系生长空间、气候等环境因素差异大，导致大田植株重金属含量与盆栽试验存在明显的差异性[2]。所以，盆栽试验得到的重金属累积方面的结果，还需要进一步开展大田试验进行验证。

3.2 玉米根鞘性状与重金属累积品种差异的关系

自根鞘发现以来，有关研究多集中于根鞘形成机理和根鞘耐干旱、保持土壤肥力以及根鞘微生物方面[12，16-17]，很少关注根鞘与重金属胁迫的关系。本试验研究了根鞘的3 个特征，即根鞘质量、根鞘土壤有效态Cd 含量以及根鞘发育指数，发现不同品种之间根鞘特征有显著的差异性。在前人的研究中，用于描述根鞘的指标各不相同，比如根鞘厚度、附着在根上的潮湿土壤质量和每单位根长度的根新鲜质量[33]，植物物种之间的差异可能会因所使用的指标不同而有很大差异[34]。本试验用根鞘发育指数表征玉米根系产生根鞘的能力，结果表明根鞘发育指数与地下部Cd 含量呈极显著正相关，这可能是因为在Cd 胁迫下根系分泌物大量分泌，促进了根鞘的形成[35]。此外，根鞘发育指数与根长、根表面积、根体积、根尖数、分枝数呈显著负相关，即随着根系的生长发育，根系产生根鞘的能力递减，这与Ma 等[20]试验结论相符合。在唐子钦等[36]对牧草根鞘的研究中发现，根平均连接长度、根体积、根平均直径是影响根鞘质量的3 个根系形态指标，本试验也有类似的结论。本试验中根鞘土壤有效态Cd含量差异较大，可归因于植物吸收、局部氧化还原条件、质子释放或其他分泌物的影响[37]。本试验还发现，根尖数和分枝数会影响根鞘土壤有效态Cd含量。

需要指出的是，目前在根鞘研究方面争议较大，特别是根鞘的获取方法急需统一标准化。本试验为盆栽试验，局限于生长周期与生长容器的限制，仅仅是一次玉米幼苗时期根鞘性状与重金属Cd累积特征以及根系形态之间相互关系的初步探索，为根鞘的研究和玉米在重金属胁迫下的生长状况研究提供理论基础。今后需要将大田和室内盆栽试验相结合，开展长期系统的研究，着重解决同一物种在不同时期根鞘的动态形成过程，在大田试验丰富的土壤环境下采集大量的根鞘，细致地研究根鞘内的微生物、酶以及根系分泌物与植物耐重金属胁迫之间的关系，为进一步对根鞘的研究提供科学依据。

4 结论

（1）供试12 个品种玉米的生物量、根系形态和根鞘存在明显品种差异，其中不同玉米品种的根鞘指标差异更为明显。

（2）植株Cd 含量与根系形态指标（根表面积、根体积和根尖数）呈负相关，地下部Cd含量与根鞘发育指数呈极显著正相关，表明玉米植株Cd 吸收与根系形态、根鞘性状关系密切，根系形态和根鞘性状是导致玉米Cd吸收品种差异的原因之一。