镉(Cd)是自然界中毒性很强的重金属元素, 镉胁迫会诱导细胞产生大量活性氧, 并通过活性氧破坏细胞膜、蛋白和核酸等, 严重时会导致细胞死亡(Romero-Puertas et al., 2004；Lin et al., 2007)；镉胁迫还会抑制植物体内多种酶的活性, 干扰正常代谢, 损伤光合系统, 降低植物光合作用和蒸腾作用, 抑制植物生长, 降低农产品产量和质量, 甚至引起植物死亡等(Lakshamn et al., 1992；Perfus-Barbeoch et al., 2002；张军等, 2006)。随着工业和采矿业的发展, 土壤重金属污染越来越严重, 由于农药、化肥的长期使用以及不当的农业生产方式, 一些农田和果园正不同程度地面临镉等重金属污染的威胁(杨洪强, 2003)。据报道, 山东和陕西苹果(Malus domestica)主产区果园土壤镉检出率均为100%, 并且镉(Cd)在所检测重金属中超标率最高(冯建国等, 2000；张林森等, 2004)。此外, 一些矿物肥料和来自工厂化畜牧场的有机肥普遍含镉(Loganathan et al., 2008), 这样的肥料中镉含量很少, 但长期使用也会提高土壤镉浓度。土壤镉污染首先会损伤植物根系, 例如, 生长在含Cd²⁺的培养液中的小白菜(Brassica chinensis), 其根系对锰、锌和硝酸盐的吸收能力明显下降(秦天才等, 1998)；苏格兰松(Pinus sylvestris)幼苗根系经Cd²⁺处理后, 根的伸长明显受到抑制(Schutzendubel et al., 2002)。根系是农业生产措施的主要作用对象, 最先受到土壤有害物的影响, 但镉等重金属对植物根系影响的研究十分有限, 尤其是苹果和海棠(Malus sp.)等经济林木(杨洪强等, 2007), 目前它们的根系对镉胁迫的反应机制还不清楚。

平邑甜茶(Malus hupehensis var.pingyiensis)是湖北海棠(M.hupehensis)的1个变种, 为我国特有的木本植物资源, 除观赏外, 常被用做苹果和观赏海棠的砧木, 还用来制作茶饮料(Yang et al., 2008)；同时, 平邑甜茶具有高度无融合生殖能力, 实生苗个体的一致性非常好, 易于反映处理间的差异, 是理想的试验材料(杨洪强等, 1997)。本研究以平邑甜茶幼苗为试材, 利用专业版WinRHIZO 2007根系分析软件, 通过氯化镉处理, 探讨根系分形维数、根系长度、直径等根系形态和构型参数以及根系丙二醛(MDA)含量的变化, 以期为进一步研究果品安全生产和经济林木的根系管理技术提供依据。

1 材料与方法 1.1 试验材料与处理

试验于2008年1—3月在山东农业大学果树生物学重点实验室和玻璃温室内进行。试验材料为平邑甜茶, 种子在冰箱中层积40天催芽后, 选择均匀一致的种子播种, 当长出主根并且下胚轴长约3cm时, 选择生长一致的幼苗转移到Hongland营养液中预处理5天, 之后再选取生长一致的幼苗, 转移到用Hongland营养液配制的2.5, 5, 10和20 mg·L^-1氯化镉溶液中进行试验处理, 以HongLand营养液为对照, 每5株为1小区, 重复3次, 每2天更换1次营养液, 处理第5和15天时取样分析。

1.2 根型参数测定

参照乔海涛等(2009)方法, 取出幼苗, 在水中将根系展开(保证细根间无重叠), 用专业版WinRHIZO(2007年版)根系分析系统软件获取扫描图像, 并用该软件测定根系分形维数、根系总长度、主根长度、侧根长度、根系表面积、根系体积、根系直径等参数。分形维数用盒维数表示。

1.3 丙二醛含量测定

采用赵世杰等(1991)的方法。

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 2003和DPS软件进行数据分析, 采用新复极差法进行差异显著性检验。

2 结果与分析 2.1 氯化镉对平邑甜茶幼苗根系分形维数的影响

分形维数是描述根构型的重要参数。氯化镉处理下, 平邑甜茶幼苗根系分形维数随镉浓度的增加逐渐下降。在处理第5天时, 小于5 mg·L^-1氯化镉对根系分形维数影响不大, 10~20 mg·L^-1使分形维数明显降低；当处理到第15天时, 在0~20 mg·L^-1范围内, 随着氯化镉浓度的增加, 根系分形维数逐渐下降(图 1)。分形维数与根系结构和分枝情况密切相关, 分枝数量多, 结构越复杂, 根系的分形维数就越大, 反之就越小(王义琴等, 1999；乔海涛等, 2009)。氯化镉胁迫下分形维数降低, 说明氯化镉导致了幼苗根系的分枝数减少、结构趋于简单化。

2.2 氯化镉对幼苗根系总长度、主根和侧根生长的影响

由图 2可知：氯化镉处理第5天时, 根系总长度变化不大；当处理到第15天时, 2.5, 5, 10和20 mg·L^-1氯化镉分别使根系总长度降低17.4%, 24.1%, 42.7%和57.9%, 氯化镉极显著地抑制了根系生长(P﹤0.01)。

在2.5~20 mg·L^-1氯化镉处理下, 幼苗主根长度随着浓度的增加而逐渐下降。在处理第5天时, 大于5 mg·L^-1的氯化镉显著抑制主根伸长(P﹤0.05)；在处理第15天时, 2.5, 5, 10和20 mg·L^-1的氯化镉分别使主根长度下降11.7%, 18.5%, 19.2%和25.0%(图 3), 下降均达显著水平(P﹤0.05)。

在氯化镉处理第5天时, 侧根长度并没有像主根那样发生明显变化, 但当氯化镉处理到第15天时, 侧根长度随着氯化镉浓度的增加而逐渐减少, 2.5, 5, 10和20 mg·L^-1的氯化镉分别使侧根长度减少19.5%, 26.3%, 51.3%和70.3%(图 4), 侧根长度的下降均达到极显著水平(P﹤0.01)。

比较处理15天后根系总长度、主根和侧根长度的下降幅度(图 2, 3, 4), 可知同样氯化镉浓度下, 侧根长度下降幅度最大, 主根长度下降幅度最小, 这表明侧根生长比主根生长更易受到氯化镉的抑制。

2.3 氯化镉处理对平邑甜茶幼苗根系直径、表面积和体积的影响

由图 5可知：在2.5~20 mg·L^-1范围内, 根系直径随着氯化镉浓度的增大而逐渐减小；不论处理第5天还是第15天时, 10~20 mg·L^-1的氯化镉均使根系直径下降达到极显著水平(P﹤0.01)。

根系表面积在氯化镉处理第5天时没有显著变化, 但当处理到第15天时, 幼苗根系表面积随着氯化镉浓度的增加而明显减少, 2.5, 5, 10和20 mg·L^-1的氯化镉使根系表面积分别下降18.8%, 23.3%, 31.2%和44.8%(图 6), 下降均达到极显著水平(P﹤0.01)。

根系体积与根系表面积变化相一致, 在氯化镉处理第5天时, 根系体积没有显著变化；当氯化镉处理到第15天时, 根系体积随着氯化镉浓度的增加而显著减少(P﹤0.05), 2.5, 5, 10和20 mg·L^-1的氯化镉分别使根系体积下降13.2%, 26.8%, 34.1%和48.3%(图 7)。

2.4 氯化镉处理对平邑甜茶幼苗根系组成的影响

根据根系直径大小, 对幼苗根系组成进行分析(表 1)。结果显示:2.5, 5, 10和20 mg·L^-1的CdCl₂处理5天时, 0＜D≤0.5 mm(D为直径)细根的长度及其所占比例均下降, 而0.5 mm＜D≤1.5 mm中等粗度的根系长度及其所占比例均增加。CdCl₂处理到第15天时, 0＜D≤0.5 mm根系的长度及其所占比例均随镉浓度的增加而极显著(P﹤0.01)下降, 而0.5 mm＜D≤1.5 mm较粗的根所占比例提高。比较CdCl₂处理5和15天的结果可以看出:随着处理时间延长, D≤0.5mm细根所占比例下降, 0.5 mm＜D≤1.5 mm较粗的根所占比例提高。这说明CdCl₂主要抑制细根, 降低了幼苗细根比例, 改变了根系组成。

2.5 氯化镉处理对平邑甜茶幼苗根系MDA含量的影响

细胞遭受伤害时, 细胞膜脂肪酸往往发生过氧化作用, 丙二醛是膜脂肪酸过氧化的重要产物。由图 8可知:处理第15天时, 幼苗根系MDA含量随着氯化镉浓度的增加而极显著(P﹤0.01)增加, 其中2.5, 5, 10和20 mg·L^-1的氯化镉分别使MDA增加了31.3%, 66.8%, 75.1%和82.0%。这说明2.5 mg·L^-1的氯化镉足以引起根系细胞膜的伤害, 伤害程度与镉浓度呈正相关。

3 讨论

分形几何适于描述不规则形体, 分形维数是分形几何的基本参数；而根系是1个形状、结构等十分复杂的不规则几何体, 分形维数可从整体上反映出根系的空间结构。分维数越小, 根系空间结构以及根系分枝越简单, 反之越复杂(王义琴等, 1999；陈吉虎等, 2006)。本研究发现氯化镉处理可使根系分形维数显著变小, 并有明显剂量效应, 这说明镉胁迫使根系空间结构及其分枝趋向简单化, 浓度越高、处理时间越长, 根系空间结构及其分枝越简单。

侧根与细根的长度和数量对根系空间结构及根系分枝特性有重要影响, 侧根与细根数量及其所占比例越高, 根系结构越复杂, 反之越简单。镉胁迫下, 侧根长度及细根比例均显著减小, 这进一步表明镉胁迫使根系空间结构及其分枝趋向简单化。根长与分形维数呈指数关系, 分形维数的微小变化实际是根长急剧变化的反映(陈吉虎等, 2006)；不论主根与侧根长度, 还是根系总长度, 在高浓度镉处理15天时均大幅度下降(图 2, 3, 4), 必然会导致分形维数的改变(图 1)。根长减小, 根系体积会下降, 根系空间结构也会变得简单化。

细胞膜蛋白中含有大量巯基, 而Cd²⁺易与巯基结合, Cd²⁺与膜蛋白巯基的结合必然会改变或破坏细胞膜结构(张军等, 2006)；MDA是细胞膜脂肪酸发生氧化损伤的产物之一, 其含量是表征膜质过氧化和细胞损伤程度的指标(赵世杰等, 1992), 随着镉浓度的提高和处理时间的延长, 根系丙二醛含量逐渐增加(图 8), 这表明高于2.5 mg·L^-1的氯化镉使细胞膜脂发生过氧化。而不论膜结构改变还是细胞膜脂肪酸过氧化, 都会使幼苗根系细胞受到伤害；根系细胞受到损伤, 将会使根系的生长和发生受到抑制, 进而导致根系数量减小、根系变细变短, 根系体积和表面积等下降(图 2~7)。这都会使根系组成发生变化(表 1), 使根系的空间构型趋向简单, 而这些变化已经通过根系分形维数的下降综合反映出来(图 1)。

在2.5~20 mg·L^-1氯化镉处理第15天时, 根系MDA含量增加幅度由31.3%到82.0%(图 8), 而根系形态和构型参数中变化最大的是侧根长度, 其减少幅度由19.5%到70.3%(图 4)。比较根系MDA含量和根系其他参数的变化可知:同样氯化镉浓度下, MDA含量变化幅度大于根系形态构型的变化幅度。MDA含量反映了细胞损伤的程度(赵世杰等, 1992), 同样浓度、同样处理时间内MDA含量变化幅度高于其他参数, 说明氯化镉处理下, 细胞损伤比根系形态构型的变化更易发生；而细胞受损必然会破坏根系正常的生长发育, 并进而改变根系形态和组成, 因此, 氯化镉导致的细胞损伤是其改变根系组成和形态构型的重要原因。