镉暴露条件下玉米生长及根系构型分级特征研究

doi:10.11686/cyxb2021294

草业学报 ›› 2022, Vol. 31 ›› Issue (3): 101-113.DOI: 10.11686/cyxb2021294

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镉暴露条件下玉米生长及根系构型分级特征研究

魏畅¹(), 焦秋娟¹, 柳海涛¹(), 张静静¹, 申凤敏¹, 姜瑛¹(), 张雪海², 孙娈姿³, 杨芳⁴, 刘振⁵

^1.河南农业大学资源与环境学院，河南郑州 450002
^2.河南农业大学农学院，省部共建小麦玉米作物学国家重点实验室，河南郑州 450002
^3.西北农林科技大学草业与草原学院，陕西咸阳 712100
^4.吉林农业大学资源与环境学院，吉林长春 130118
^5.山东省黄河三角洲生态环境重点实验室，滨州学院，山东滨州 256603

收稿日期:2021-07-27 修回日期:2021-10-08 出版日期:2022-03-20 发布日期:2022-01-15
通讯作者: 柳海涛,姜瑛
作者简介:Corresponding author. E-mail： liuhaitaoky@henau.edu.cn， jy27486@163.com
魏畅（1997-），女，河南驻马店人，在读硕士。E-mail： wyjyl1009@163.com
基金资助:
国家自然科学基金青年基金(31901090);国家重点研发计划(2018YFD0800304);河南农业大学青年英才专项基金项目(30500671);山东农业大学作物生物学国家重点实验室开放课题项目基金(2018KF05);河南省留学人员科研择优资助项目(30602340)

Physiological effects of different Cd concentrations on maize root architecture and classification

Chang WEI¹(), Qiu-juan JIAO¹, Hai-tao LIU¹(), Jing-jing ZHANG¹, Feng-min SHEN¹, Ying JIANG¹(), Xue-hai ZHANG², Luan-zi SUN³, Fang YANG⁴, Zhen LIU⁵

^1.College of Resources and Environment，Henan Agricultural University，Zhengzhou 450002，China
^2.College of Agronomy，Henan Agricultural University，Key Laboratory of Wheat and Maize Crops Science，Zhengzhou 450002，China
^3.College of Grassland Agriculture，Northwest A&F University，Xianyang 712100，China
^4.College of Resources and Environment，Jilin Agricultural University，Changchun 130118，China
^5.Shandong Provincial Key Laboratory of Eco-Environmental Science for Yellow River Delta，Binzhou University，Binzhou 256603，China

Received:2021-07-27 Revised:2021-10-08 Online:2022-03-20 Published:2022-01-15
Contact: Hai-tao LIU,Ying JIANG

摘要/Abstract

摘要：

为探究不同镉（Cd）浓度对玉米幼苗生长、Cd吸收动力学特征、根系构型及分级变化特征的影响，采用水培模拟方法，待玉米生长至两叶一心，施加不同浓度CdCl₂·2.5H₂O （0， 5， 10， 25， 50， 100， 200 μmol·L^-1），胁迫5 d后采样并测定株高、主根长、地上地下部生物量、Cd含量和光合以及根系相关指标。结果表明，随着Cd胁迫程度的升高，玉米的株高、主根长、生物量、耐受指数、总根长、根表面积、根体积、分枝数和根尖数均显著下降，根平均直径和根冠比显著升高（P<0.05）；Ⅰ~Ⅲ级（0~1.5 mm）根系分级下的根系参数（根长、根表面积和根体积）呈下降趋势，且与地下部Cd浓度呈显著负相关（P<0.05），处于0~0.5 mm径级区间的根长、根表面积和根体积所占的比例在Cd胁迫下有所降低。玉米幼苗地上地下部的Cd浓度及含量在Cd胁迫下显著提高，叶绿素含量降低，光合作用受到抑制。研究表明，Cd主要通过抑制细根的生长从而影响根系的形态发育，并抑制了光合作用的进行以及玉米地上和地下部的伸长和生物量的积累。

关键词: 玉米, 镉暴露, 根系构型, 根系分级

Abstract:

In this research， a hydroponics experiment was conducted to apply different concentrations of cadmium （Cd）（0， 5， 10， 25， 50， 100， 200 μmol·L^-1） to maize seedlings with two leaves and one new leaf， in order to explore the effects of the different Cd concentrations on the maize seedling growth， Cd absorption kinetics and root morphology and classification. After 5 days of Cd stress， the maize seedings were sampled， the plant height， main root length， aboveground and underground biomass， root architecture， Cd content and photosynthesis and related parameters were measured. It was found that with increasing Cd stress， the plant height， main root length， biomass and tolerance index of shoots and roots， total root length， root surface area， root volume， root forks and root tips all decreased significantly； Root average diameter and root∶shoot increased significantly （P<0.05）. Meanwhile root parameters （root length， root surface area and root volume） of root diameter classes designated Ⅰ-Ⅲ （0-1.5 mm） showed a decreasing trend， which had a significant （P<0.05） negative correlation with root Cd concentration. The proportion of root length， root surface area and root volume with diameter between 0-0.5 mm showed a downward trend under Cd stress. Under Cd stress， Cd concentration and accumulation in underground and aboveground parts of maize seedlings increased significantly， chlorophyll content decreased， and photosynthesis was inhibited. This study has shown that Cd affected root development mainly by inhibiting the growth and morphology of fine roots， and inhibited photosynthesis， elongation and biomass accumulation of the aboveground and underground parts of the maize seedings.

Key words: maize, Cd exposure, root architecture, root classification

魏畅, 焦秋娟, 柳海涛, 张静静, 申凤敏, 姜瑛, 张雪海, 孙娈姿, 杨芳, 刘振. 镉暴露条件下玉米生长及根系构型分级特征研究[J]. 草业学报, 2022, 31(3): 101-113.

Chang WEI, Qiu-juan JIAO, Hai-tao LIU, Jing-jing ZHANG, Feng-min SHEN, Ying JIANG, Xue-hai ZHANG, Luan-zi SUN, Fang YANG, Zhen LIU. Physiological effects of different Cd concentrations on maize root architecture and classification[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2022, 31(3): 101-113.

图/表 10

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生长指标Growth index	Cd₀	Cd₅	Cd₁₀	Cd₂₅	Cd₅₀	Cd₁₀₀	Cd₂₀₀
株高Plant height （cm）	35.73±1.72a	33.73±1.76b	30.33±0.80c	28.07±0.58d	25.17±0.40e	20.10±1.14f	16.87±0.80g
地上部鲜重Shoot fresh weight （g·plant^-1）	2.52±0.12a	1.94±0.30b	1.62±0.17c	1.42±0.08cd	1.30±0.05d	0.80±0.13e	0.48±0.10f
地上部干重Shoot dry weight （g·plant^-1）	0.19±0.01a	0.16±0.02b	0.13±0.01c	0.11±0.00cd	0.11±0.00d	0.08±0.02e	0.06±0.01e
主根长Main root length （cm）	29.10±0.61a	24.87±1.01ab	21.33±1.76bc	21.47±2.23bc	22.30±4.23b	17.63±2.86cd	16.60±2.43d
地下部鲜重Root fresh weight （g·plant^-1）	1.25±0.22a	1.07±0.15ab	0.97±0.11b	0.88±0.07bc	0.82±0.11bcd	0.62±0.22cd	0.60±0.07d
地下部干重Root dry weight （g·plant^-1）	0.07±0.01a	0.06±0.00ab	0.05±0.01bc	0.05±0.00bcd	0.05±0.01cde	0.04±0.01e	0.04±0.01de
根冠比Root/shoot	0.37±0.04d	0.39±0.03cd	0.41±0.04bcd	0.44±0.03bc	0.43±0.05bcd	0.48±0.04b	0.68±0.03a
茎耐受指数Shoot tolerance index （%）	-	80.78±9.42a	67.96±6.50b	59.01±2.29b	56.79±1.30b	39.29±8.73c	30.17±4.56c
根耐受指数Root tolerance index （%）	-	84.70±5.12a	76.38±7.96ab	70.19±2.58abc	66.09±8.02bcd	51.73±14.86d	56.17±9.25cd

生长指标Growth index	Cd₀	Cd₅	Cd₁₀	Cd₂₅	Cd₅₀	Cd₁₀₀	Cd₂₀₀
株高Plant height （cm）	35.73±1.72a	33.73±1.76b	30.33±0.80c	28.07±0.58d	25.17±0.40e	20.10±1.14f	16.87±0.80g
地上部鲜重Shoot fresh weight （g·plant^-1）	2.52±0.12a	1.94±0.30b	1.62±0.17c	1.42±0.08cd	1.30±0.05d	0.80±0.13e	0.48±0.10f
地上部干重Shoot dry weight （g·plant^-1）	0.19±0.01a	0.16±0.02b	0.13±0.01c	0.11±0.00cd	0.11±0.00d	0.08±0.02e	0.06±0.01e
主根长Main root length （cm）	29.10±0.61a	24.87±1.01ab	21.33±1.76bc	21.47±2.23bc	22.30±4.23b	17.63±2.86cd	16.60±2.43d
地下部鲜重Root fresh weight （g·plant^-1）	1.25±0.22a	1.07±0.15ab	0.97±0.11b	0.88±0.07bc	0.82±0.11bcd	0.62±0.22cd	0.60±0.07d
地下部干重Root dry weight （g·plant^-1）	0.07±0.01a	0.06±0.00ab	0.05±0.01bc	0.05±0.00bcd	0.05±0.01cde	0.04±0.01e	0.04±0.01de
根冠比Root/shoot	0.37±0.04d	0.39±0.03cd	0.41±0.04bcd	0.44±0.03bc	0.43±0.05bcd	0.48±0.04b	0.68±0.03a
茎耐受指数Shoot tolerance index （%）	-	80.78±9.42a	67.96±6.50b	59.01±2.29b	56.79±1.30b	39.29±8.73c	30.17±4.56c
根耐受指数Root tolerance index （%）	-	84.70±5.12a	76.38±7.96ab	70.19±2.58abc	66.09±8.02bcd	51.73±14.86d	56.17±9.25cd

级别Class	Cd₀	Cd₅	Cd₁₀	Cd₂₅	Cd₅₀	Cd₁₀₀	Cd₂₀₀
RL （cm）	791.90±85.86a	481.32±84.38b	399.81±88.06bc	371.08±59.95bc	308.53±51.62c	146.42±50.80d	176.85±42.44d
Ⅰ	633.01±99.29a	352.56±72.79b	292.99±81.91b	272.78±52.61b	239.58±38.64b	92.28±43.64c	123.07±46.92c
Ⅱ	136.22±9.90a	113.27±13.51b	88.40±5.58c	86.84±6.27c	51.87±10.50d	44.24±5.65d	40.78±8.14d
Ⅲ	14.38±2.20a	9.69±1.41bc	12.01±0.07ab	7.48±1.49cd	9.48±2.13bc	5.90±3.15d	7.88±0.59cd
Ⅳ	4.63±3.36a	3.42±2.12a	3.47±0.91a	1.98±0.81a	4.72±1.71a	1.77±1.07a	2.71±0.49a
Ⅴ	1.01±1.23a	0.50±0.28a	0.85±0.28a	0.75±0.59a	0.85±0.35a	0.21±0.28a	0.70±0.23a
Ⅵ	0.85±1.27a	0.46±0.40a	0.58±0.46a	0.26±0.20a	0.65±0.30a	0.43±0.38a	0.46±0.24a
Ⅶ	0.65±0.80a	0.63±0.28a	0.27±0.23a	0.07±0.07a	0.54±0.66a	0.26±0.46a	0.37±0.07a
Ⅷ	0.20±0.22a	0.30±0.29a	0.12±0.02a	0.18±0.10a	0.09±0.13a	0.35±0.12a	0.27±0.01a
Ⅸ	0.39±0.29a	0.09±0.15a	0.22±0.19a	0.08±0.14a	0.19±0.16a	0.29±0.21a	0.13±0.22a
Ⅹ	0.47±0.34a	0.38±0.29a	0.81±0.32a	0.61±0.45a	0.49±0.31a	0.69±0.54a	0.46±0.15a
SA （cm²）	84.37±4.36a	58.98±7.26b	50.69±9.18bc	44.19±5.84c	40.72±8.42c	24.91±8.48d	27.37±4.08d
Ⅰ	34.65±5.71a	20.61±4.07b	16.15±5.57bc	15.86±3.95bc	15.69±3.13bc	7.30±3.59d	8.77±4.49cd
Ⅱ	29.31±2.06a	24.88±3.34b	20.11±1.79c	17.86±0.81c	12.02±2.69d	9.57±1.35d	8.90±1.10d
Ⅲ	5.38±0.80a	3.67±0.56bc	4.50±0.05ab	2.82±0.56cd	3.54±0.81bcd	2.27±1.20d	3.00±0.26cd
Ⅳ	2.48±1.84a	1.84±1.18a	1.86±0.52a	1.07±0.42a	2.54±0.89a	0.94±0.58a	1.44±0.26a
Ⅴ	0.71±0.87a	0.34±0.19a	0.59±0.20a	0.53±0.41a	0.59±0.25a	0.15±0.20a	0.50±0.16a
Ⅵ	0.73±1.09a	0.39±0.34a	0.48±0.38a	0.23±0.17a	0.56±0.28a	0.37±0.33a	0.39±0.20a
Ⅶ	0.67±0.83a	0.67±0.28a	0.26±0.23a	0.07±0.07a	0.53±0.66a	0.27±0.47a	0.38±0.08a
Ⅷ	0.23±0.25a	0.34±0.34a	0.15±0.02a	0.25±0.08a	0.11±0.15a	0.43±0.13a	0.32±0.01a
Ⅸ	0.53±0.41a	0.11±0.19a	0.29±0.26a	0.11±0.18a	0.25±0.22a	0.37±0.29a	0.17±0.29a
Ⅹ	0.83±0.56a	0.71±0.53a	1.42±0.66a	1.15±0.88a	0.79±0.44a	1.16±0.99a	0.84±0.23a
RV （cm³）	0.72±0.08a	0.58±0.04b	0.51±0.07bc	0.42±0.05cd	0.43±0.11cd	0.34±0.11d	0.34±0.04d
Ⅰ	0.19±0.04a	0.12±0.02b	0.09±0.03bc	0.09±0.03bc	0.10±0.02bc	0.06±0.03c	0.06±0.04c
Ⅱ	0.52±0.04a	0.45±0.07a	0.37±0.04b	0.30±0.01c	0.23±0.05cd	0.17±0.03d	0.16±0.01d
Ⅲ	0.16±0.02a	0.11±0.02bc	0.14±0.00ab	0.09±0.02cd	0.11±0.02bcd	0.07±0.04d	0.09±0.01cd
Ⅳ	0.11±0.08a	0.08±0.05a	0.08±0.02a	0.05±0.02a	0.11±0.04a	0.04±0.03a	0.06±0.01a
Ⅴ	0.04±0.05a	0.02±0.01a	0.03±0.01a	0.03±0.02a	0.03±0.01a	0.01±0.01a	0.03±0.01a
Ⅵ	0.05±0.07a	0.03±0.02a	0.03±0.02a	0.02±0.01a	0.04±0.02a	0.03±0.02a	0.03±0.01a
Ⅶ	0.06±0.07a	0.06±0.02a	0.02±0.02a	0.01±0.01a	0.04±0.05a	0.02±0.04a	0.03±0.01a
Ⅷ	0.02±0.02a	0.03±0.03a	0.01±0.00a	0.02±0.01a	0.01±0.01a	0.04±0.01a	0.03±0.00a
Ⅸ	0.06±0.05a	0.01±0.02a	0.03±0.03a	0.01±0.02a	0.03±0.02a	0.04±0.03a	0.02±0.03a
Ⅹ	0.12±0.08a	0.10±0.08a	0.18±0.10a	0.18±0.15a	0.10±0.05a	0.16±0.14a	0.12±0.03a
RD （mm）	0.34±0.03c	0.39±0.02bc	0.41±0.02b	0.38±0.02bc	0.42±0.03b	0.54±0.01a	0.50±0.06a
RF	2761.00±223.55a	1328.67±117.73b	1259.00±385.32b	999.67±208.20b	1108.33±220.65b	424.67±204.81c	571.00±217.42c
RT	1511.00±146.73a	808.33±161.33b	683.33±36.83b	693.33±79.22b	362.33±73.66c	278.00±98.66c	287.00±16.64c

级别Class	Cd₀	Cd₅	Cd₁₀	Cd₂₅	Cd₅₀	Cd₁₀₀	Cd₂₀₀
RL （cm）	791.90±85.86a	481.32±84.38b	399.81±88.06bc	371.08±59.95bc	308.53±51.62c	146.42±50.80d	176.85±42.44d
Ⅰ	633.01±99.29a	352.56±72.79b	292.99±81.91b	272.78±52.61b	239.58±38.64b	92.28±43.64c	123.07±46.92c
Ⅱ	136.22±9.90a	113.27±13.51b	88.40±5.58c	86.84±6.27c	51.87±10.50d	44.24±5.65d	40.78±8.14d
Ⅲ	14.38±2.20a	9.69±1.41bc	12.01±0.07ab	7.48±1.49cd	9.48±2.13bc	5.90±3.15d	7.88±0.59cd
Ⅳ	4.63±3.36a	3.42±2.12a	3.47±0.91a	1.98±0.81a	4.72±1.71a	1.77±1.07a	2.71±0.49a
Ⅴ	1.01±1.23a	0.50±0.28a	0.85±0.28a	0.75±0.59a	0.85±0.35a	0.21±0.28a	0.70±0.23a
Ⅵ	0.85±1.27a	0.46±0.40a	0.58±0.46a	0.26±0.20a	0.65±0.30a	0.43±0.38a	0.46±0.24a
Ⅶ	0.65±0.80a	0.63±0.28a	0.27±0.23a	0.07±0.07a	0.54±0.66a	0.26±0.46a	0.37±0.07a
Ⅷ	0.20±0.22a	0.30±0.29a	0.12±0.02a	0.18±0.10a	0.09±0.13a	0.35±0.12a	0.27±0.01a
Ⅸ	0.39±0.29a	0.09±0.15a	0.22±0.19a	0.08±0.14a	0.19±0.16a	0.29±0.21a	0.13±0.22a
Ⅹ	0.47±0.34a	0.38±0.29a	0.81±0.32a	0.61±0.45a	0.49±0.31a	0.69±0.54a	0.46±0.15a
SA （cm²）	84.37±4.36a	58.98±7.26b	50.69±9.18bc	44.19±5.84c	40.72±8.42c	24.91±8.48d	27.37±4.08d
Ⅰ	34.65±5.71a	20.61±4.07b	16.15±5.57bc	15.86±3.95bc	15.69±3.13bc	7.30±3.59d	8.77±4.49cd
Ⅱ	29.31±2.06a	24.88±3.34b	20.11±1.79c	17.86±0.81c	12.02±2.69d	9.57±1.35d	8.90±1.10d
Ⅲ	5.38±0.80a	3.67±0.56bc	4.50±0.05ab	2.82±0.56cd	3.54±0.81bcd	2.27±1.20d	3.00±0.26cd
Ⅳ	2.48±1.84a	1.84±1.18a	1.86±0.52a	1.07±0.42a	2.54±0.89a	0.94±0.58a	1.44±0.26a
Ⅴ	0.71±0.87a	0.34±0.19a	0.59±0.20a	0.53±0.41a	0.59±0.25a	0.15±0.20a	0.50±0.16a
Ⅵ	0.73±1.09a	0.39±0.34a	0.48±0.38a	0.23±0.17a	0.56±0.28a	0.37±0.33a	0.39±0.20a
Ⅶ	0.67±0.83a	0.67±0.28a	0.26±0.23a	0.07±0.07a	0.53±0.66a	0.27±0.47a	0.38±0.08a
Ⅷ	0.23±0.25a	0.34±0.34a	0.15±0.02a	0.25±0.08a	0.11±0.15a	0.43±0.13a	0.32±0.01a
Ⅸ	0.53±0.41a	0.11±0.19a	0.29±0.26a	0.11±0.18a	0.25±0.22a	0.37±0.29a	0.17±0.29a
Ⅹ	0.83±0.56a	0.71±0.53a	1.42±0.66a	1.15±0.88a	0.79±0.44a	1.16±0.99a	0.84±0.23a
RV （cm³）	0.72±0.08a	0.58±0.04b	0.51±0.07bc	0.42±0.05cd	0.43±0.11cd	0.34±0.11d	0.34±0.04d
Ⅰ	0.19±0.04a	0.12±0.02b	0.09±0.03bc	0.09±0.03bc	0.10±0.02bc	0.06±0.03c	0.06±0.04c
Ⅱ	0.52±0.04a	0.45±0.07a	0.37±0.04b	0.30±0.01c	0.23±0.05cd	0.17±0.03d	0.16±0.01d
Ⅲ	0.16±0.02a	0.11±0.02bc	0.14±0.00ab	0.09±0.02cd	0.11±0.02bcd	0.07±0.04d	0.09±0.01cd
Ⅳ	0.11±0.08a	0.08±0.05a	0.08±0.02a	0.05±0.02a	0.11±0.04a	0.04±0.03a	0.06±0.01a
Ⅴ	0.04±0.05a	0.02±0.01a	0.03±0.01a	0.03±0.02a	0.03±0.01a	0.01±0.01a	0.03±0.01a
Ⅵ	0.05±0.07a	0.03±0.02a	0.03±0.02a	0.02±0.01a	0.04±0.02a	0.03±0.02a	0.03±0.01a
Ⅶ	0.06±0.07a	0.06±0.02a	0.02±0.02a	0.01±0.01a	0.04±0.05a	0.02±0.04a	0.03±0.01a
Ⅷ	0.02±0.02a	0.03±0.03a	0.01±0.00a	0.02±0.01a	0.01±0.01a	0.04±0.01a	0.03±0.00a
Ⅸ	0.06±0.05a	0.01±0.02a	0.03±0.03a	0.01±0.02a	0.03±0.02a	0.04±0.03a	0.02±0.03a
Ⅹ	0.12±0.08a	0.10±0.08a	0.18±0.10a	0.18±0.15a	0.10±0.05a	0.16±0.14a	0.12±0.03a
RD （mm）	0.34±0.03c	0.39±0.02bc	0.41±0.02b	0.38±0.02bc	0.42±0.03b	0.54±0.01a	0.50±0.06a
RF	2761.00±223.55a	1328.67±117.73b	1259.00±385.32b	999.67±208.20b	1108.33±220.65b	424.67±204.81c	571.00±217.42c
RT	1511.00±146.73a	808.33±161.33b	683.33±36.83b	693.33±79.22b	362.33±73.66c	278.00±98.66c	287.00±16.64c

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镉暴露条件下玉米生长及根系构型分级特征研究

Physiological effects of different Cd concentrations on maize root architecture and classification

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图/表 10

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