刘春，杜雪玲，施昌倩，刘兰，夏雨晴，闫小玲，胡超猛，许慧娟，余如刚

(淮北师范大学生命科学学院，安徽 淮北 235000)

镉(Cd)是生物体构成的非必需元素，极易被植物吸收，通过木质部吸收并富集在根部，转移到农作物的茎、叶、花、果实等器官组织中，不仅阻碍植物体正常生长，而且还可通过食物链给人类健康带来安全隐患[1–2]。Cd 影响植物的细胞膜脂肪构成比例，引起植物体内亚细胞活性氧的积累并发生氧化胁迫反应，损害根系对营养成分的吸收，破坏叶片中叶绿素结构，降低光合效率，从而造成蔬菜叶片缺绿、萎蔫，最终导致减产和品质下降[3–6]。

有研究[7–8]表明，生菜具有极强的Cd 积累能力。不同品种的生菜对Cd 的吸收能力和耐受性有明显差异[9]。筛选并培育低Cd 富集品种是降低食用生菜Cd 危害的经济可行的措施之一。笔者采用盆栽试验，对10 个生菜品种进行Cd (CdCl2·2.5H2O)胁迫处理，观测生菜的生长性状，计算生菜品种的镉耐性系数和镉转移系数，以及生菜品种地上部干质量、株高、叶宽、根干质量、叶绿素、最长根长等镉耐性系数的隶属函数值、权重及综合耐Cd 能力，对其镉耐性进行评价，以期筛选出高耐Cd 的低镉积累生菜品种，为低Cd 积累生菜品种选育及示范推广提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

10 个生菜品种：‘意大利’‘海南清脆玻璃’‘四季耐抽薹’‘耐热’‘大速’‘中国台湾绣球’‘日本结球’‘日本紫叶’‘红霞紫叶’‘法国紫红花叶’，由市场购得。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

试验在安徽淮北师范大学日光温室进行。挑选饱满、无虫蛀生菜种子，流水冲洗干净，蒸馏水再浸泡24 h后播种于Cd(CdCl2·2.5H2O)含量分别为2、10 mg/kg(记为Cd2、Cd10)的洁净沙粒营养钵中，对照为清水处理。各处理设3 次重复。出苗后，间隔1 d 浇100 mL 营养液。待幼苗长至2～3 片真叶后及时疏苗，每盆选择长势整齐的10 株幼苗，30 d后移栽，待生长14 d 后取样，测定相关指标。

1.2.2 指标测定

从每处理选取3 盆，随机选取6 株幼苗，测定生菜的生长性状。植株高度为地面到苗株顶端的垂直距离；叶片宽度为植株叶片最宽处的宽度；植株根长为幼苗最长根长。地上部干质量、根部干质量的测定：将幼苗的地上部与根部分离，放入包装纸袋，置于105 ℃烘箱中1 h，再用70 ℃烘干后称量根、茎、叶的干质量。

使用全谱直读等离子体发射光谱仪(ICP–OES，美国)测定生菜地上部和根部的Cd 含量(武汉普奈斯生物科技有限公司协助数据统计)。

收获前一天，用SPA–502Plus 叶绿素测定仪测定生菜叶绿素含量。

选取6 个不同镉耐性生菜品种，用LI–6400XT光合仪、WALZ PAM–2500 便携式调制叶绿素荧光仪分别进行生菜的净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率、初始荧光、最大荧光、最大光化学效率测定。

1.2.3 数据处理与统计分析

运用IBM SPSS 25.0 和Excel 2010 对数据进行分析。

依据文献[10]，计算10 个生菜品种生长性状的镉耐性系数和镉转移系数。参照于崧等[11]方法，计算生菜品种地上部干质量、株高、叶宽、最长根长、根干质量、叶绿素含量等镉耐性系数的隶属函数值、权重及品种综合耐Cd 能力(D值)。D值为0～0.2时，定义为高敏感；大于0.2～0.4 为敏感；大于0.4～0.6 为中等Cd 耐性；大于0.6～0.8 为耐镉性；大于0.8～1.0 为高度耐镉性。

表2 10 个生菜品种的生长性状的镉耐性系数Table 2 Stress tolerance coefficient of each single index of 10 lettuce cultivars

相关性分析结果(表3)显示，株高与叶宽的Cd耐性系数相关性极显著，与地上部干质量镉耐性系数相关性显著；叶片宽度和最长根长镉耐性系数分别与地上部干质量镉耐性系数为极显著相关性；植株根干质量与叶绿素含量镉耐性系数为显著负相关。

表3 生菜生长性状镉耐性系数的相关系数Table 3 Correlation analysis of stress tolerance coefficient of every single index

6 个生长性状的Cd 耐性系数主成分分析结果(表4) 表明，综合评价指标前3 个的贡献率分别为52.74%、23.58%、9.89%，将原6 个单项指标变化为3 个独立的综合指标(CI)，各定义为CI1、CI2和CI3主成分。前3 个主成分包含了6 个生长性状的86.22%数据量。CI1与地上部干质量、株高、叶宽镉耐性系数相关；CI2与根干质量、叶绿素镉耐性系数相关；CI3与最长根长镉耐性系数相关，因而可将地上部干质量、根干质量和最长根长作为生菜Cd 耐性的综合鉴定指标。

表4 各性状主成分的特征向量及贡献率Table 4 Eigen vector and percentage of accumulated contribution of principal components

对6 个生长性状的镉耐受系数进行标准化，分别计算3 个综合指标的隶属函数值(U)和权重，其中，统计3 个综合指标的权重结果分别为0.612、0.274、0.115(表5)，计算生菜品种在3 个综合指标的综合评价值(D) 。

表5 生菜品种镉耐性系数的隶属函数Table 5 Subordinate function analysis of Cd stress related index of 10 lettuce cultivars

通过各生菜品种的连接距离聚类法，构建聚类树状图(图2)，10 个生菜品种可划分为4 类：‘意大利’和‘耐热’为第I 类，属于高耐Cd 类型；‘法国紫花红叶’‘红霞紫叶’‘四季耐抽薹’为第II 类，属于耐Cd 类型；‘日本紫叶’为第III 类，属于中度耐Cd 类型；‘日本结球’‘海南清脆玻璃’‘大速’‘中国台湾绣球’为第IV 类，属于Cd 敏感类型。

图2 基于D 值的生菜耐镉性分级聚类Fig.2 Classified cluster diagram based on D values of lettuce

设定因变量为Cd 耐性综合指标(D值)，自变量为生菜品种各生长性状的Cd 耐性系数，通过逐步回归分析得出最优回归方程：D=–0.885+1.875×地上部干质量镉耐性系数+0.853×根干质量镉耐性系数，P=0.00，R2=0.957。回归方程估计精度的结果(表5)表明，各品种的平均估计精度为92.35%，表明方程中叶宽和株高对生菜的Cd 耐性影响显著，可以作为生菜Cd 耐性评价指标。

3 结论与讨论

植物组织器官对重金属 Cd 的吸收和富集，与植物品种特性有一定关联[12–15]。植物对Cd 的毒害反应是一个复杂的生物学过程，其耐镉能力受多因素调控，单项指标难以全面、准确地判断品种Cd耐性能力，所以利用多项指标综合评价植物对Cd的耐性较为可靠[16]。针对10 个生菜品种的6 项生长性状镉耐性系数进行主成分分析以及相关性统计，将Cd 胁迫处理下的6 个单项指标转换为3 个相互独立的综合指标，并获得各生菜品种苗期的Cd耐性综合评价值(D)。利用D值进行聚类分析，将10 个生菜品种划分为高度耐Cd 性、耐Cd、中等耐Cd 性和Cd 敏感4 种类型。通过逐步回归法获得生菜幼苗耐Cd 性评价模型D=–0.885+1.875×地上部干质量镉耐性系数+0.853×根干质量镉耐性系数，P=0.00，R2=0.957，平均估计精度为92.35%。筛选出叶宽和株高对生菜幼苗耐Cd 能力有显著影响。同时Cd 含量测定发现‘意大利’‘耐热’属于耐Cd 且地上部低Cd 积累生菜品种。

研究表明，Cd 能通过减少叶绿素的含量、破坏叶绿体的超微结构[17]、降低与光合作用有关的酶活性[18]。在Cd 胁迫条件下，叶片的气孔导度、净光合速率显著下降，在小白菜[19]中已有报道。本试验中，不同Cd 耐性生菜品种与荧光、光合参数的相关性分析表明，它们之间均无显著相关。可能与生菜生长环境一致有关。在相同的光照条件下，不同品种的光合作用生理指标受Cd胁迫差异不明显。慈敦伟[20]就Cd 胁迫对不同基因型小麦幼苗生长、光合特性及Cd 积累的影响的研究显示，镉喷施的浓度越大，叶绿素含量，叶绿素荧光等参数下降幅度越大。本试验研究结果出现的现象，可能与Cd的浓度存在一定关联。

利用逐步回归法建立生菜Cd 耐性评价数学模型，并筛选出叶宽和株高为生菜Cd 耐性鉴定指标。Cd 含量测定发现，‘意大利’‘耐热’生菜属于Cd 耐性强且食用组织为低Cd 富集品种。培育对重金属低富集的蔬菜品种已成为保证食品安全生产的一种重要技术措施，但目前没有统一明确的标准来促进低富集Cd 作物品种的筛选。刘峰等[21]研究表明，辣椒果实中Cd 含量随果实发育程度递进而增高，表明作物对重金属的吸收富集在时间上存在着明显差异，因此，在后续生菜品种筛选中应着重培育生长周期短、生长速度快、优质高产的品种，以实现生菜的安全生产。