紫薇（Lagerstroemia indica）品种间镉（Cd）耐受性与修复潜力比较研究：揭示根构型可塑性与镉分配策略的种内变异

《Scientific Reports》：Comparative tolerance and phytoremediation potential of four Lagerstroemia indica cultivars under cadmium stress

为解决木本观赏植物在镉（Cd）污染土壤修复中品种筛选依据不足的问题，研究人员开展了四种紫薇（Lagerstroemia indica）品种在镉胁迫下的比较研究。结果表明，品种间存在显著的种内变异，其中‘Black Diamond’和‘Red Rocket’表现出稳定的根际固定（Phytostabilization）策略，而‘Dynamite’在低浓度下表现出刺激生长效应（Hormesis）但在高浓度下死亡。该研究为利用紫薇进行土壤镉污染植物修复提供了关键的种质资源。

　　

随着工业化和农业活动的加剧，土壤重金属污染已成为全球性的环境问题。其中，镉（Cd）因其高毒性、强迁移性和生物富集性，对生态系统和人类健康构成严重威胁。植物修复技术作为一种绿色、可持续的治理方法，利用植物吸收、转运和富集重金属，从而净化土壤。然而，目前已知的镉超富集植物多为草本植物，存在生物量小、根系浅等局限性，限制了其实际应用效果。因此，寻找生物量大、根系发达且具有观赏价值的木本植物，成为提升植物修复效率的关键。

紫薇（Lagerstroemia indica）作为一种广泛栽培的木本观赏植物，不仅具有生长快、适应性强、生物量大的特点，还能美化环境，是理想的植物修复候选者。然而，紫薇不同品种对镉的耐受性和积累能力是否存在差异，以及其背后的生理机制尚不明确。为了回答这些问题，河南理工大学的Jing Li、Yilong Li、Doudou Zi、Feifei Zhai、Shurong Deng和Yunxing Zhang*（通讯作者）团队在《Scientific Reports》上发表了题为“Comparative tolerance and phytoremediation potential of four Lagerstroemia indica cultivars under cadmium stress”的研究论文。该研究通过盆栽实验，系统比较了四个紫薇品种在镉胁迫下的生长响应、镉积累特征及根构型变化，揭示了品种间差异化的镉耐受与修复策略。

为了系统评估紫薇品种的镉耐受性，研究人员选取了‘Red Rocket’、‘Pink Velour’、‘Dynamite’和‘Black Diamond’四个品种。研究采用盆栽实验，将土壤分别添加氯化镉（CdCl₂·2.5H₂O）至0、10、50和100 mg·kg^-1四个浓度梯度，进行为期80天的胁迫处理。实验期间，研究人员定期测量了株高、叶长、叶宽等生长指标。收获后，利用根系扫描系统（GXY-A Root Analysis System）分析了总根长、根表面积、根体积和根尖数等根构型参数。植物和土壤样品经硝酸-高氯酸（HNO₃-HClO₄）消解后，使用原子吸收分光光度计（AAS-300）测定镉含量。基于这些数据，计算了耐受指数（TI）、生物富集系数（BCF）和转运系数（TF）等关键指标，以评估植物的镉耐受性和积累能力。

Cultivar-Specific Growth Responses under Cd Stress

研究首先发现，四个紫薇品种对镉胁迫的生长响应存在显著差异。在低浓度镉胁迫（10 mg·kg^-1）下，‘Dynamite’表现出典型的刺激生长效应（Hormesis），其株高、叶长、叶宽和生物量均显著增加，耐受指数（TI）均大于1.0。相比之下，‘Red Rocket’、‘Pink Velour’和‘Black Diamond’的生长则保持稳定。随着镉浓度升高至50 mg·kg^-1，所有品种均表现出较强的耐受性，其中‘Red Rocket’和‘Dynamite’的株高和生物量甚至进一步增加。然而，在最高浓度（100 mg·kg^-1）胁迫下，品种间的差异变得极为显著：‘Dynamite’完全死亡，而‘Pink Velour’和‘Black Diamond’不仅存活，其株高、叶面积和生物量均显著高于对照，表现出极强的镉耐受性。

Tolerance Index

耐受指数（TI）的分析进一步证实了上述生长响应的差异。在100 mg·kg^-1镉胁迫下，‘Pink Velour’和‘Black Diamond’的地上部与地下部TI均显著大于1.0，表明其生长未受抑制。而‘Red Rocket’的TI则低于1.0，表明其生长受到抑制。‘Dynamite’因死亡而无法计算TI。这些结果表明，‘Pink Velour’和‘Black Diamond’是四个品种中镉耐受性最强的。

Root Morphological Characteristics

为了探究地上部生长差异的根源，研究人员分析了根构型的变化。在低浓度镉胁迫下，‘Dynamite’的根构型表现出显著的刺激效应，其总根长、根表面积、根体积和根尖数均显著增加。而其他三个品种的根构型则与对照无显著差异。在50 mg·kg^-1镉胁迫下，‘Dynamite’和‘Red Rocket’的根表面积和根体积显著增加，表现出积极的适应策略。在100 mg·kg^-1高浓度胁迫下，‘Pink Velour’和‘Black Diamond’的根构型表现出显著的可塑性，其总根长、根表面积和根体积均显著增加，这为其在极端胁迫下维持生长提供了基础。

Cd Content in Plant Tissues

植物组织镉含量分析显示，随着土壤镉浓度的增加，所有品种的地上部和根部镉含量均呈上升趋势。在100 mg·kg^-1镉胁迫下，‘Red Rocket’的地上部镉含量最高，而‘Pink Velour’的根部镉含量最高。值得注意的是，‘Dynamite’在50 mg·kg^-1胁迫下，其地上部镉含量显著高于根部，表现出向地上部转运镉的倾向。

Cd Accumulation and Translocation

生物富集系数（BCF）和转运系数（TF）的分析揭示了不同品种的镉积累策略。随着土壤镉浓度的升高，所有品种的地上部和根部BCF值均呈下降趋势。在10 mg·kg^-1胁迫下，所有品种的TF均小于1.0，表明镉主要富集在根部。在50 mg·kg^-1胁迫下，‘Pink Velour’和‘Dynamite’的TF大于1.0，表明镉更多地向上转运。而在100 mg·kg^-1胁迫下，‘Pink Velour’的TF降至0.52，表明其在高胁迫下转向根部固定策略。相比之下，‘Red Rocket’和‘Black Diamond’在所有浓度下均保持TF小于1.0，表现出稳定的根部固定策略。

该研究通过系统比较四个紫薇品种对镉胁迫的响应，揭示了显著的种内变异。研究结果表明，紫薇品种对镉的耐受性与其根构型可塑性和镉分配策略密切相关。‘Dynamite’在低浓度镉胁迫下表现出刺激生长效应，但在高浓度下因无法耐受而死亡，其修复潜力有限。‘Red Rocket’和‘Black Diamond’则表现出稳定的根际固定（Phytostabilization）策略，通过将镉有效固定在根部，限制其向地上部转运，从而维持地上部的正常生长，是理想的镉污染土壤稳定修复材料。‘Pink Velour’则表现出一种可塑性策略，在中等胁迫下倾向于将镉转运至地上部，而在高胁迫下则转向根部固定，其耐受性介于两者之间。

这项研究不仅为紫薇在植物修复中的应用提供了重要的理论依据，也为筛选和培育具有特定修复功能的木本观赏植物品种指明了方向。通过选择具有强根际固定能力的品种，可以实现对镉污染土壤的安全、高效和美观的治理。