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

doi:10.11686/cyxb2021294

Abstract

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

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.

Figures/Tables 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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