CN116910438A - 一种甜高粱耐镉性评价方法以及一种甜高粱镉污染修复能力综合评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种甜高粱耐镉性评价方法以及一种甜高粱镉污染修复能力综合评价方法，属于植物修复技术领域。本发明提供的方法能够提升甜高粱Cd修复能力评价的准确性、避免单一因素带来的片面影响，评价结果更为客观准确。本发明采用主成分分析将甜高粱品种的各个单项指标转化成3个相互独立的综合指标，利用隶属函数法分析，得到不同品种苗期耐Cd性综合评价值；本发明筛选出根干重、叶绿素含量、SOD活性和MDA含量的耐Cd指数能有效反映甜高粱耐Cd能力。本发明还采用欧氏距离法对D值、富集系数和转移系数进行聚类分析，能够成功得到Cd耐性强且富集转移性强的甜高粱品种，适用于修复土壤Cd污染。
Description
技术领域
本发明涉及植物修复技术领域，尤其涉及一种甜高粱耐镉性评价方法以及一种甜高粱镉污染修复能力综合评价方法。
背景技术
近年来，土壤重金属污染日益严重，镉(Cd)毒性高、移动性强、不易降解，成为重金属污染物之首。Cd在土壤中分布广泛，易被植物吸收并积累，不仅影响作物的产量和品质，并能通过食物链富集在人体，严重威胁人类健康。因此，Cd污染土壤的修复与安全利用已迫在眉睫。
植物修复是修复重金属污染土壤最经济、绿色的途径。甜高粱(Sorghum bicolorL.)具有抗逆性强、生长快、生物量高、光合效率高、生产成本低等优势，在全球广泛种植，是公认的生物能源作物。研究发现，甜高粱能够通过根系吸收土壤中残留的重金属，再利用其对重金属的富集能力和转移能力，从而达到修复土壤的目的。另外，修复后的甜高粱可以用于生产生物乙醇，作为能源不进入食物链，因此，甜高粱是Cd污染土壤植物修复十分具有前景的作物，筛选Cd修复性能强的品种是利用甜高粱修复Cd污染土壤的关键。
现有研究对甜高粱Cd修复能力的评价仅从耐Cd性或Cd富集能力一个方面进行，二者缺乏有机结合，综合评价体系尚不健全，目前缺少更有效的对甜高粱Cd修复能力的评价方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种甜高粱耐镉性评价方法以及一种甜高粱镉污染修复能力综合评价方法，提升甜高粱Cd修复能力评价的准确性。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种甜高粱耐镉性评价方法，包括以下步骤：
S1、将不同甜高粱品种培养至苗期，分别进行Cd胁迫处理和对照处理，继续培养18～25d后取样，测定样品的生长指标、生化指标和Cd含量，并计算各指标的耐Cd指数，所述耐Cd指数为某一指标Cd胁迫处理组与对照组的比值；
S2、对各个单项指标的耐Cd指数进行主成分分析，从中选取能够代替原有指标的主成分，然后计算出各甜高粱品种在各主成分下的综合指标值；
S3、进行各个甜高粱品种各综合指标隶属函数值的计算；
S4、根据各综合指标的权重计算得到耐Cd性综合评价值D值：所述D值越大，说明甜高粱品种的耐Cd性越强，所述D值越小，说明甜高粱品种的耐Cd性越弱。
优选的，所述Cd胁迫处理指的是施用4～6mg·kg-1的Cd2+。
优选的，所述生长指标包括根干重。
优选的，所述生长指标还包括株高、根长、根鲜重、茎叶鲜重和茎叶干重。
优选的，所述生化指标包括叶绿素含量、SOD活性和MDA含量。
优选的，所述生化指标还包括POD活性。
本发明还提供了所述的甜高粱耐镉性评价方法得到的耐镉甜高粱品种在修复镉污染中的应用。
本发明还提供了一种甜高粱镉污染修复能力综合评价方法，包括以下步骤：
按照所述的方法对甜高粱的耐镉性进行评价，得到各个甜高粱品种的耐Cd性综合评价值D值；
计算各个甜高粱品种的根部富集系数、茎叶富集系数和转移系数；
以各个甜高粱品种的D值、茎叶富集系数和转移系数为变量，采用平方欧氏距离法进行聚类分析，将甜高粱品种划分为4类：耐性强且富集转移强型品种、耐性较强但富集转移较弱型品种、耐性较弱但富集转移较强型品种和耐性弱且富集转移弱型品种；
所述耐性强且富集转移强型品种适合用于修复土壤Cd污染。
本发明的技术效果和优点：
本发明提供的甜高粱耐镉性评价方法能够避免单一因素带来的片面影响，评价结果更为客观准确。本发明采用主成分分析将甜高粱品种的各个单项指标转化成3个相互独立的综合指标，利用隶属函数法分析，得到不同品种苗期耐Cd性综合评价值(D值)；运用逐步回归分析建立甜高粱耐Cd性最优回归方程，筛选出根干重、叶绿素含量、SOD活性和MDA含量的耐Cd指数能有效反映甜高粱耐Cd能力。本发明还采用欧氏距离法对D值、富集系数和转移系数进行聚类分析，能够成功得到Cd耐性强且富集转移性强的甜高粱品种，适用于修复土壤Cd污染。
附图说明
图1为26个甜高粱品种的聚类分析结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
试验选用来源不同的26个甜高粱品种，品种名称及来源见表1：
表1供试高粱品种及来源
实施例1待评价品种的Cd处理
挑选健康饱满、大小均匀的甜高粱种子，经自来水反复冲洗后，用75％酒精消毒5min，去离子水冲洗3次，并浸泡4h，而后放入铺有两层滤纸的培养皿中，置于28℃恒温培养箱内催芽。将露白后的种子均匀播种于装有等量1.5kg(以干重计)细砂的塑料花盆(上口径15cm，底部直径10cm，高14cm)中，每盆播10粒种子。每天浇水1次，以浇透为准，出苗后每隔1d浇施1/2Hoagland营养液100mL。待幼苗长至3叶1心时，每盆定苗5株。然后开始Cd胁迫处理，设置2个Cd处理水平，即细砂中Cd2+含量分别为0(CK)和5mg·kg-1，用CdCl2·2.5H2O(以纯Cd计)与1/2Hoagland营养液配置，每个处理6次重复。将配制好的溶液加入相应的试验盆中，每盆浇100mL，CK浇灌等量的1/2Hoagland营养液，处理21d后取样并测定相关指标。
实施例2指标测定
2.1生长指标的测量
每个处理取3盆，每盆选择3株具有代表性的植株，小心取出植株，先用自来水冲洗，根系洗净后用20mmol·L-1的Na2EDTA溶液浸泡15min，再用去离子水冲洗3次，滤纸吸干，将植物分为地上部和根部，测定株高、根长及各部位鲜重，然后置烘箱105℃杀青30min，65℃下烘干48h以上至恒重，各部位称重后用不锈钢粉样机分别粉碎备测。
2.2生化指标的测定
每个处理取3盆，每盆选择3株具有代表性的植株，取倒数第1片完全展开叶进行各项生理指标测定。叶绿素含量的测定利用SPAD-502Plus测定仪测定。超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)活性和丙二醛(MDA)含量采用试剂盒测定(苏州科铭生物技术有限公司，货号为SOD-1-Y、POD-1-Y和MDA-1-Y)。
2.3Cd含量的测定
取2.1中的烘干样品，准确称取0.1g，置于聚四氟乙烯消煮管中，将样品在HNO3∶H2O2＝5∶1(体积比，v/v)中消化直至完全澄清。去离子水稀释后，用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS，Plasma德国)测定Cd浓度。
2.4重金属富集系数和转移系数的计算：
计算公式为：富集系数＝器官中重金属浓度/土壤中重金属浓度；
转运系数＝地上部重金属浓度/根部重金属浓度。
实施例3数据分析
为了消除不同品种间固有的差异对测量结果的影响，各生长和生化指标均采用耐Cd指数来反映不同甜高粱品种的耐Cd性，耐Cd指数为某一指标Cd胁迫处理组与对照组的比值，即Cd胁迫下某一指标测量值与正常情况下该指标测量值的比值。
在耐Cd性综合评价过程中，首先对各个单项指标的耐Cd指数进行主成分分析，从中选取能够代替原有指标的主成分，然后计算出各品种在各主成分下的综合指标值，在此基础上再计算出各品种各综合指标的隶属函数值，最后根据各综合指标权重计算出耐Cd性综合评价值D值，以此确定各品种耐Cd性的强弱。相关计算公式如下：
Uij＝(Cij－Cjmin)/(Cjmax－Cjmin) (2)
式(1)中，Cij表示第i品种的第j个综合指标值，Zij为各单项指标的特征值所对应的特征向量，Xij为各单项指标的耐Cd指数。
式(2)中，Uij表示甜高粱第i品种的第j个综合指标的隶属函数值；Cjmin和Cjmax分别为所有参试材料第j个综合指标的最小值和最大值。
式(3)中，Wj为第j个综合指标在所有综合指标中的权重；Vj为各品种第j个综合指标的贡献率。
式(4)中，D值为由生长和生化指标确定的耐Cd能力综合评价值，该值越大表明品种耐Cd性越强，反之耐Cd性越弱。
采用Microsoft Excel 2010整理数据，SPSS 20.0软件进行统计分析、主成分分析、隶属函数分析、相关性分析、逐步回归分析和聚类分析。Duncan’s法多重比较。
实施例4不同甜高粱品种耐Cd性评价
不同Cd胁迫相关指标的耐性指数结果如表2所示：
表2不同Cd胁迫相关指标的耐性指数
注：X1：根长；X2：株高；X3：根鲜重；X4：根干重；X5：茎叶鲜重；X6：茎叶干重；X7：叶绿素含量；X8：POD活性；X9：SOD活性；X10：MDA含量。同一列不同小写字母表示经Duncan’s法检验在P<0.05差异显著。*和**分别表示P<0.05和P<0.01。
结果显示，Cd胁迫21d后，不同甜高粱品种的单项耐Cd指数差异明显，除根鲜重外，其余指标在品种间均有极显著差异(P<0.01)。由表2可知，根长、株高、根鲜重、根干重、茎叶鲜重、茎叶干重、叶绿素含量、POD活性、SOD活性、MDA含量的耐Cd指数变化范围分别为0.738～0.945、0.678～1.037、0.655～0.945、0.532～0.950、0.603～1.053、0.681～1.040、0.607～1.055、1.117～1.946、0.901～2.272、1.627～2.697。变异系数介于6.268％～27.044％之间，其中根鲜重、叶绿素含量、POD活性、SOD活性和MDA含量5项指标的耐Cd指数变异系数较大(CV>15％)。SOD活性的耐Cd指数变异系数最大，为27.044％，根长最小，为6.278％。Cd胁迫后，各甜高粱品种的根长、根鲜重、根干重与对照相比均下降，POD活性和MDA含量均有所增加，其他指标因品种不同表现不一。
对26份甜高粱的根长、株高、根鲜重、根干重、茎叶鲜重、茎叶干重、叶绿素含量、POD活性、SOD活性和MDA含量10项指标的耐Cd指数进行主成分分析，结果如表3所示：
表3各综合指标的系数、特征值、贡献率
结果显示，前3个主成分的贡献率分别为60.162％、16.334％、10.745％，累积贡献率达87.242％，因此提取3个主成分对耐Cd性进行分析，可代表10项原始指标的大部分数据信息。第1主成分的特征值为6.016，对应较高的特征向量为株高、根干重、叶绿素含量和MDA含量的耐Cd指数；第2主成分特征值为1.633，对应较高的特征向量为根鲜重、POD和SOD活性的耐Cd指数；第3主成分特征值为1.075，对应较高的特征向量为根长、茎叶鲜重和干重的耐Cd指数。
由主成分分析结果，根据公式(1)计算出甜高粱各品种的3个综合指标得分值，然后再根据公式(2)计算出不同品种各综合指标的隶属函数值Uij，如表4所示。
表4各品种综合指标值、隶属函数值、权重、D值、排序及综合评价
由表4可知，在主成分1下，F10(S8)的隶属函数值最大，U1值为1.000，表明F10(S8)在第1主成分上耐Cd能力最强；而晋草12(S13)的隶属函数值最小，U1值为0，表明晋草12(S13)在第1主成分上耐Cd能力最差。根据公式(3)计算各综合指标权重Wj，得到3个主成分的权重分别为0.690、0.187、0.123。带入公式(4)计算各甜高粱品种耐Cd能力综合评价值D值，并对其耐Cd能力强弱进行排序。其中辽甜6号(S3)的D值最大，为0.952，表明其耐Cd能力最强，其次为F10(S8)和10132(S26)，D值分别为0.881和0.872；晋草12(S13)的D值最小，仅有0.116，说明其耐Cd能力最差。
各单项指标的耐Cd指数和D值相关分析如表5所示：
表5各单项指标的耐Cd指数与D值的相关性
| 指标Index | 相关系数Correlationcoefficient | P值Pvalue |
| X1 | 0.155 | 0.448 |
| X2 | 0.820** | 0.000 |
| X3 | 0.696** | 0.000 |
| X4 | 0.855** | 0.000 |
| X5 | 0.646** | 0.000 |
| X6 | 0.612** | 0.001 |
| X7 | 0.960** | 0.000 |
| X8 | -0.660** | 0.000 |
| X9 | 0.851** | 0.000 |
| X10 | -0.811** | 0.000 |
结果表明，除根长外，其余指标的耐Cd指数与D值均极显著相关(P<0.01)。其中，叶绿素含量、根干重、SOD活性、株高和MDA含量的耐Cd指数与D值的相关性较高，相关系数分别为0.960、0.855、0.851、0.820和-0.811。
为分析甜高粱耐Cd性鉴定指标与耐Cd能力之间的关系，筛选出有效的耐Cd能力鉴定指标，建立耐Cd能力评价的数学模型，因此将26个甜高粱品种的10项鉴定指标进行了逐步回归分析，以耐Cd能力综合评价值(D值)作因变量，各单项指标耐Cd指数作自变量，进行逐步回归分析，建立最优回归方程，得到甜高粱Cd胁迫的回归方程：D＝0.125+0.302X4+0.489X7+0.216X9-0.250X10，方程决定系数R2＝0.989，F＝560.453，方程极显著，方程中X4、X7、X9和X10分别代表根干重、叶绿素含量、SOD活性和MDA含量的耐Cd指数，各指标系数分别表示其对D值影响的重要程度。
各生长指标、生化指标的耐Cd指数与D值的相关分析与回归分析结果表明，根干重、叶绿素含量、SOD活性和MDA含量的耐Cd指数是反映甜高粱Cd耐性较显著的指标，可作为甜高粱耐Cd能力的鉴定指标。
实施例5不同甜高粱品种的富集能力评价
甜高粱根和茎叶Cd含量的差异、甜高粱对Cd的富集和转移能力差异检测结果如表6所示：
表6各甜高粱幼苗中Cd含量、生物富集系数及转移系数
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由表6可知，26个甜高粱品种的根和茎叶的Cd含量差异达极显著(P<0.01)。根部Cd含量的范围、平均值和变异系数分别为0.895～3.426μg·g-1、1.555μg·g-1和44.095％；茎叶为0.415～3.53μg·g-1、1.162μg·g-1和60.736％。26个甜高粱品种根部Cd含量高的为F10(S8)、辽甜6号(S3)、陇草2号(S10)和辽甜1号(S1)，均高于1μg·g-1，而Cd含量最低的大力士(S7)只有0.401μg·g-1；茎叶Cd含量高的为辽甜6号(S3)、F10(S8)、陇草2号(S10)，均显著高于其他品种，而Cd含量最低的晋草12(S13)只有0.186μg·g-1。所有品种中，除10130(S25)外，其余品种的Cd含量均表现为根部>茎叶，平均根部Cd含量是茎叶的1.3倍，说明甜高粱吸收的Cd大部分在根部累积。
由表6可知，不同甜高粱品种对Cd的根部富集系数、茎叶富集系数和转移系数差异极显著(P<0.01)，三者的范围分别为0.179～0.685、0.083～0.671和0.338～1.137；平均值分别为0.311、0.233和0.734；变异系数分别为44.095％、60.736％和24.275％。供试26个甜高粱品种中，3个品种的根部富集系数>0.5，分别是F10(S8)、辽甜6号(S3)和陇草2号(S10)，其分别是根部富集系数最小大力士(S7)的3.8、3.3和2.9倍；2个品种的茎叶富集系数>0.5，分别为辽甜6号(S3)和F10(S8)，是茎叶富集系数最小晋草12(S13)的8.1和7.1倍。2个品种10130(S25)和辽甜6号(S3)的转移系数>1，分别为1.137和1.126，分别是转移系数最小陇甜高2号(S12)的3.4和3.3倍。
实施例6强Cd耐性、高富集转移能力甜高粱品种筛选
为筛选出对Cd耐性强、富集转移能力高的甜高粱品种，以甜高粱的耐Cd能力的综合评价值D值、茎叶富集系数和转移系数为变量，采用平方欧氏距离法进行聚类分析，可将26种甜高粱品种划分为4类，如图1所示：第I类2个品种，包括辽甜6号(S3)和F10(S8)，占供试材料的7.692％，属于耐性强且富集转移强型品种；第II类4个品种，包括10132(S26)、陇草2号(S10)、陇草1号(S9)和辽甜1号(S1)，占供试材料的15.385％，属于耐性较强但富集转移较弱型品种；第III类数量最多共18个品种，包括10130(S25)、陇甜高2号(S12)、辽甜7号(S4)、皖甜1号(S20)、超级糖王(S19)、青贮大师(S18)、晋牧1号(S16)、辽甜3号(S2)、L407A×Ma-5-2(S15)、BJ0603(S5)、皖草3号(S21)、大奖1180(S6)、10125(S24)、大力士(S7)、陇甜高2号(S12)、10099(S22)、bmv6A×20152128(S17)和陇甜高1号(S11)，占供试材料的69.231％，属于耐性较弱但富集转移较强型品种；第IV类2个品种，包括10112(S23)和晋草12(S13)，占供试材料的7.692％，属于耐性弱且富集转移弱型品种。
由以上实施例可知，本发明以甜高粱的耐Cd能力的综合评价值D值、茎叶富集系数和转移系数为变量，进行聚类分析，筛选出2个Cd耐性强且富集转移强的甜高粱品种，即辽甜6号(S3)和F10(S8)，适合用于修复土壤Cd污染。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种甜高粱耐镉性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将不同甜高粱品种培养至苗期，分别进行Cd胁迫处理和对照处理，继续培养18～25d后取样，测定样品的生长指标、生化指标和Cd含量，并计算各指标的耐Cd指数，所述耐Cd指数为某一指标Cd胁迫处理组与对照组的比值；
S2、对各个单项指标的耐Cd指数进行主成分分析，从中选取能够代替原有指标的主成分，然后计算出各个甜高粱品种在各主成分下的综合指标值；
S3、进行各个甜高粱品种各综合指标隶属函数值的计算；
S4、根据各综合指标的权重计算得到耐Cd性综合评价值D值：所述D值越大，说明甜高粱品种的耐Cd性越强，所述D值越小，说明甜高粱品种的耐Cd性越弱。
2.根据权利要求1所述的甜高粱耐镉性评价方法，其特征在于，所述Cd胁迫处理指的是施用4～6mg·kg-1的Cd2+。
3.根据权利要求1所述的甜高粱耐镉性评价方法，其特征在于，所述生长指标包括根干重。
4.根据权利要求3所述的甜高粱耐镉性评价方法，其特征在于，所述生长指标还包括株高、根长、根鲜重、茎叶鲜重和茎叶干重。
5.根据权利要求1所述的甜高粱耐镉性评价方法，其特征在于，所述生化指标包括叶绿素含量、SOD活性和MDA含量。
6.根据权利要求5所述的甜高粱耐镉性评价方法，其特征在于，所述生化指标还包括POD活性。
7.权利要求1～6任意一项所述的甜高粱耐镉性评价方法得到的耐镉甜高粱品种在修复镉污染中的应用。
8.一种甜高粱镉污染修复能力综合评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
按照权利要求1所述的方法对甜高粱的耐镉性进行评价，得到各个甜高粱品种的耐Cd性综合评价值D值；
计算各个甜高粱品种的根部富集系数、茎叶富集系数和转移系数；
以各个甜高粱品种的D值、茎叶富集系数和转移系数为变量，采用平方欧氏距离法进行聚类分析，将甜高粱品种划分为4类：耐性强且富集转移强型品种、耐性较强但富集转移较弱型品种、耐性较弱但富集转移较强型品种和耐性弱且富集转移弱型品种；
所述耐性强且富集转移强型品种适合用于修复土壤Cd污染。
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| CN202310527658.7A CN116910438A (zh) | 2023-05-11 | 2023-05-11 | 一种甜高粱耐镉性评价方法以及一种甜高粱镉污染修复能力综合评价方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117709600A (zh) * | 2024-01-05 | 2024-03-15 | 暨南大学 | 一种基于定量评价新污染物修复功能的湿地植物优选方法 |
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2023
- 2023-05-11 CN CN202310527658.7A patent/CN116910438A/zh active Pending
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