不同芹菜品種鎘吸收和運轉(zhuǎn)差異研究

徐瑞深，乜蘭春，王珊珊，李 潘，王 政，王若男

（河北農(nóng)業(yè)大學園藝學院/河北省蔬菜種質(zhì)創(chuàng)新與利用重點實驗室/河北省蔬菜產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，河北保定 071001）

土壤重金屬污染已經(jīng)成為影響蔬菜產(chǎn)品品質(zhì)安全的重要因素之一。據(jù)統(tǒng)計，我國受重金屬污染的耕地面積已超過2000 萬hm2，約占耕地總面積的1/5，鎘 (Cd) 是環(huán)境中毒性最強、對菜地污染最為嚴重的重金屬之一[1–2]，可通過有機肥、灌溉水、大氣沉降、農(nóng)業(yè)和動物廢物以及農(nóng)藥等多種途徑進入到土壤中[3]。Cd具有化學活性強、移動性大、生物毒性強且持久的特性，易被植物吸收，能在植物體內(nèi)殘留，對植物產(chǎn)生毒害，并通過食物鏈的富集危及人類健康[2,4–6]。

由于植物的遺傳特異性，不同種類以及同一種類不同品種蔬菜之間對于重金屬Cd的吸收和積累存在顯著差異，葉菜類蔬菜較其他種類蔬菜更易富集Cd[7]。芹菜是深受人們喜愛的一種葉菜類蔬菜，在我國廣泛種植。此前已有研究報道，芹菜對重金屬Cd具有相對較強的富集能力[6–7]。但關于芹菜Cd積累的品種差異研究報道并不多。開展鎘積累品種差異及機理研究是篩選耐鎘且食用器官低積累型品種、開展相關育種及生產(chǎn)調(diào)控、減少鎘吸收與積累、保證產(chǎn)品質(zhì)量安全的基礎。Cd進入植物體首先通過根系，根部離子流速與植物體內(nèi)的離子積累量之間存在著必然的聯(lián)系[8]。非損傷微測技術 (noninvasive micro-test technology，NMT) 能夠在正常生理狀態(tài)下快速準確地檢測離子流速的變化，直觀地反映植物對離子的吸收情況。本文在研究Cd脅迫下不同品種芹菜生長、Cd積累及轉(zhuǎn)運差異的基礎上，利用非損傷微測技術分別對高、低Cd積累型的兩個品種芹菜根部Cd2+流速進行實時檢測。以期為篩選低積累型芹菜品種和揭示芹菜Cd積累品種差異的內(nèi)在生理機制奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

Cd脅迫下芹菜生長及Cd積累的品種差異研究采用盆栽試驗，于2016年3—6月在河北農(nóng)業(yè)大學日光溫室內(nèi)進行，供試的10個芹菜品種情況及種子來源見表1。播種前，將各品種種子用清水浸種12 h，再于20℃恒溫培養(yǎng)箱中催芽7 d，播于穴盤。育苗14 d后，挑選長勢一致的芹菜幼苗移栽至裝有蛭石的花盆 (直徑25 cm × 高20 cm，實際裝入蛭石體積為6.5 L) 中，每盆10株，每品種6盆，其中3盆澆灌含15 mg/L氯化鎘 (CdCl2) 的1/2華南農(nóng)業(yè)大學葉菜類營養(yǎng)液，配方為：Ca(NO3)2·4H2O 472 mg/L、KNO3202 mg/L、NH4NO380 mg/L、KH2PO4100 mg/L、K2SO4174 mg/L、MgSO4·7H2O 246mg/L、EDTA-NaFe 36.6 mg/L、H3BO42.86 mg/L、MnSO4·4H2O 2.13 mg/L、ZnSO4·7H2O 0.22 mg/L、CuSO4·5H2O 0.08 mg/L、(NH4)6Mo7O24·4H2O 0.02 mg/L)，進行Cd脅迫處理；另3盆澆灌等量1/2華南農(nóng)業(yè)大學葉菜類營養(yǎng)液作對照，每3 d澆灌一次，每次澆灌0.2 L，累計澆灌15次，每盆Cd施用量為45 mg，按盆內(nèi)裝與蛭石等量的菜園土計算，土壤Cd含量2.7 mg/kg，模擬超過《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》(GB15618-1995) 三級標準，達到重污染水平的土壤。移栽至花盆45 d后，將芹菜植株從基質(zhì)中取出，自來水沖洗干凈后，再用超純水浸泡三次，每次10 min，吸水紙吸干水分，分別測定基部短縮莖莖粗和單株葉柄數(shù)、葉柄基部粗度和單株復葉數(shù)。之后，將根、葉柄和葉片分別裝入信封中，在105℃殺青30 min，65℃下烘干至恒重，稱重，用于測定Cd含量。計算相對生長量 (relative growth yield，RGY)和轉(zhuǎn)運系數(shù) (translocation factor，TF)[9]。

相對生長量 (RGY) = 處理生長指標/對照生長指標

轉(zhuǎn)運系數(shù) (TF) = Cd脅迫處理下植株地上部Cd含量/脅迫處理植株根系Cd含量

根部Cd2+離子流品種差異研究分別以篩選出的Cd積累量較低的‘速生香芹’和Cd積累量較高的‘種都金黃芹菜’為試材，種子處理同上，穴盤基育苗14 d后，選用長勢一致的幼苗移栽至水培盆中。采用華南農(nóng)業(yè)大學葉菜類營養(yǎng)液配方進行營養(yǎng)液栽培，21 d后分別測定根系分生區(qū)、伸長區(qū)和根毛區(qū)Cd2+離子流速。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 Cd含量測定 取烘干的芹菜葉片、葉柄和根系樣品1.0 g進行微波消解，消化劑為25 mL HNO3：HClO4(5∶1)，逐步升溫，依次為：110℃，5 min；130℃，5 min；150℃，5 min；280℃，約20 min。280℃消煮液體顏色需顯示無色透亮，冷卻后過濾，超純水定容至50 mL容量瓶。將上述植物消煮液采用植物全量–等離子體原子發(fā)射光譜 (ICP-OES) 法測定Cd含量，重復3次。

1.2.2 根系Cd2+離子流速測定 Cd2+離子流速采用非損傷微測系統(tǒng)[non-invasive micro-test system (Younger USA LLC, Amherst, MA 01002, USA)]測定。采用Cd2+選擇性微傳感器獲取進出芹菜根系測定點的Cd2+離子濃度 (mmol/L級)、流速和流向信息。測試前將測試樣品放置于測試液中平衡10 min，測試液配方為 0.1 mmol/L CaCl2、0.1 mmol/L KCl、0.05 mmol/L CdCl2、0.3 mmol/L MES、pH 5.8。測試點如圖1所示：分生區(qū)為靜止中心向下100 μm，伸長區(qū)為靜止中心向下450 μm，成熟區(qū)為第一根根毛下移400 μm的主根處。每個處理重復6次，每次測定10 min。

表1 試驗材料Table 1 Experimental materials

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計整理，采用DPS 7.05 軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析和顯著性測驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd脅迫對不同品種芹菜生長的影響

Cd脅迫下，芹菜生長受到抑制，普遍表現(xiàn)為植株細弱、變矮、葉片發(fā)黃等。由表2可以看出，在Cd脅迫下，‘紅芹’ 、‘鮑芹’和‘種都金黃芹菜’地下部干重與對照差異不顯著；其余品種地下部干重均顯著低于對照，相對生長量RGY在0.33～0.78，其中‘速生四季西芹王’ 、‘文圖拉西芹’和‘四季小香芹’最低，分別只有0.33、0.36和0.37。

從地上部生長指標來看，Cd脅迫下，‘四季小香芹’株高高于對照，‘速生四季西芹王’和‘雪白芹菜’與對照差異不顯著，其余品種均顯著低于對照，RGY在0.76～0.93，‘種都金黃芹菜’最低?！募拘∠闱邸炭s莖粗顯著高于對照，其它品種顯著低于對照，RGY在0.45～0.93，以‘種都金黃芹菜’最低，其次為‘雪白芹菜’和‘鮑芹’ 。所有品種的平均葉柄粗均顯著低于對照，RGY在0.44～0.85，也以‘種都金黃芹菜’最低?！募拘∠闱邸汀膱D拉芹菜’葉柄數(shù)多于對照，‘種都金黃芹菜’少于對照，其余品種與對照差異不顯著。復葉數(shù)除‘馬家溝空芹’的少于對照外，其余品種與對照差異均未達顯著水平?？梢?，Cd對芹菜地上部生長的抑制作用主要表現(xiàn)在使短縮莖及葉柄變細、株高變矮，對葉柄數(shù)和葉片數(shù)影響較小。

從地上部干重來看，Cd脅迫下‘四季小香芹’地上部干重顯著高于對照，RGY達1.87，‘速生四季西芹王’ 、‘文圖拉芹菜’ 、‘實心香芹’和‘雪白芹菜’與對照差異不顯著。而‘種都金黃芹菜’ 、‘紅芹’ 、‘鮑芹’ 、‘馬家溝芹菜’和‘速生香芹’均顯著低于對照，RGY在0.57～0.81，其中‘種都金黃芹菜’最低?？梢姡煌贩N芹菜地上部和地下部對Cd脅迫響應存在顯著差異。

綜合以上結(jié)果，在本試驗條件下，鎘脅迫使‘速生四季西芹王’、 ‘文圖拉芹菜’和‘四季小香芹’地下部受到顯著抑制，而地上部生長不受影響，甚至對‘四季小香芹’地上部還有促進作用；而‘種都金黃芹菜’ 、‘紅芹’ 、‘鮑芹’地上部生長受到顯著抑制，地下部則無顯著影響；‘馬家溝芹菜’和‘速生香芹’地上部和地下部生長均受到抑制。考慮芹菜產(chǎn)量由地上部構(gòu)成，‘四季小香芹’ 、‘速生四季西芹王’ 、‘文圖拉芹菜’ 、‘實心香芹’和‘雪白芹菜’為耐鎘型；而‘種都金黃芹菜’ 、‘紅芹’ 、‘鮑芹’ 、‘馬家溝空芹’和‘速生香芹’為鎘敏感型。

2.2 Cd脅迫下不同品種芹菜Cd積累的差異

從表3可以看出，10個品種的對照葉片、葉柄和根中Cd含量很低，在1.0～2.0 mg/kg之間。而在Cd脅迫下，各品種葉片、葉柄和根系中Cd含量增加10倍左右，且不同品種間差異顯著。葉片Cd含量以本芹‘種都金黃芹菜’和‘雪白芹菜’最高；而香芹中的‘實心香芹’和‘速生香芹’葉片Cd含量最低，分別比‘種都金黃芹菜’低32.31%、31.05%。葉柄Cd含量也以‘種都金黃芹菜’最高，其次為‘雪白芹菜’ ；‘速生香芹’葉柄Cd含量最低，比‘種都金黃芹菜’低54.66%。根系Cd含量以‘四季小香芹’和‘紅芹’最高，‘鮑芹’和‘雪白芹菜’最低，分別比‘四季小香芹’低51.96%、49.96%。芹菜以葉柄為食用器官，無論從單位干重葉柄Cd含量看，還是從單株葉柄及全株Cd積累量 (表4) 看，‘雪白芹菜’和‘種都金黃芹菜’為高Cd積累型；‘速生香芹’和‘實心香芹’為低Cd積累型。

表2 Cd 處理對 不同 品種 芹菜生 長的 影響Table 2 Effects of the Cd treatments on the growth of different cultivars of celery

表3 芹菜不同部位重金屬Cd含量Table 3 Cd concentrations in different parts of celery

2.3 Cd脅迫下不同品種芹菜Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)的差異

從圖2可以看出，Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)以‘雪白芹菜’最高，達1.39，顯著高于其他品種，其次為‘種都金黃芹菜’和‘鮑芹’ ，分別為0.96和0.94?！偕闱邸D(zhuǎn)運系數(shù)最低，僅為0.48，比‘雪白芹菜’低65.47%，‘四季小香芹’ 、‘紅芹’ 、‘文圖拉芹菜’轉(zhuǎn)運系數(shù)也較低?？梢姡鄄瞬煌贩N，由根系向地上部的Cd轉(zhuǎn)運能力存在顯著差異。地上部Cd含量高的‘種都金黃芹菜’和‘雪白芹菜’對Cd轉(zhuǎn)運能力也最高；而地上部Cd含量低的‘速生香芹’對Cd轉(zhuǎn)運能力也最低。

2.4 Cd脅迫下高、低積累型芹菜根部Cd2+ 離子流的差異

Cd2+流速為負值表示為內(nèi)流即吸收。由圖3可以看出，‘速生香芹’根部Cd2+離子流速分生區(qū) ＞伸長區(qū) ＞ 成熟區(qū)，其中分生區(qū)和伸長區(qū)隨著時間延長有逐漸減小的趨勢。而成熟區(qū)的Cd2+離子流速相對穩(wěn)定，在15～30 pmol/(cm2·s) 的范圍內(nèi)?！N都金黃芹菜’根部分生區(qū)和伸長區(qū)的Cd2+離子流速也隨測試時間逐漸減小，而成熟區(qū)的Cd2+離子流速則有緩慢增加的趨勢，最高達到60.26 pmol/(cm2·s)。成熟區(qū)是根系吸收水分和礦質(zhì)元素的主要部位，‘種都金黃芹菜’根部成熟區(qū)Cd2+離子流速高，說明‘種都金黃芹菜’根部具有較強的Cd吸收能力，這與其地上部Cd含量及積累量高密切相關。

3 討論與結(jié)論

大量研究表明，不同品種作物在重金屬Cd脅迫下會產(chǎn)生不同的響應[10-12]。蔬菜上，小白菜[13,14]、空心菜[15]、大蔥[16]、番茄[17-18]和莧菜[19-20]等均有相關報道。Yang等[21]和肖旭峰等[22]研究表明，隨著Cd處理濃度增加，Cd對芹菜生長產(chǎn)生的抑制作用會增強。Zhang等[23]報道，Cd脅迫下不同品種芹菜地上部生長和Cd積累量產(chǎn)生不同的響應，27個品種中有20個品種地上部生物量受到抑制，另外7個品種與對照無顯著差異甚至有促進作用。本研究也表明，芹菜耐Cd性存在品種差異，Cd脅迫下，‘四季小香芹’地上部生長量顯著高于對照，‘速生四季西芹王’ 、 ‘文圖拉芹菜’ 、 ‘實心香芹’和‘雪白芹菜’地上部生長量與對照差異不顯著，這5個品種為耐鎘型；而‘種都金黃芹菜’ 、 ‘紅芹’ 、 ‘鮑芹’ 、‘馬家溝芹菜’和‘速生香芹’地上部生長量受到顯著抑制，為鎘敏感型。本研究還發(fā)現(xiàn)，同一品種的地上部和地下部對Cd脅迫的響應也存在顯著差異。鎘脅迫下，‘速生四季西芹王’ 、‘文圖拉芹菜’和‘四季小香芹’地下部受到顯著抑制，而地上部生長不受影響，甚至對‘四季小香芹’地上部還有促進作用；而‘種都金黃芹菜’ 、‘紅芹’ 、‘鮑芹’地上部受到顯著抑制，對地下部則無顯著影響。這可能與Cd轉(zhuǎn)運及不同器官耐Cd性不同有關，Cd由地下部向地上部轉(zhuǎn)運得多，地上部就有可能受影響；反之，向地上部轉(zhuǎn)運少，Cd主要集中在根部，根系發(fā)育就有可能受到影響，而地上部生長受影響小。不同器官耐鎘性也可能存在差異。植物器官耐重金屬機理包括螯合重金屬[24]、促進重金屬的排出[25]、區(qū)室化重金屬[26]、誘導相關酶活性[27]及基因表達等，關于芹菜不同品種及不同器官耐鎘機理有待進一步研究。

表4 芹菜不同部位重金屬Cd積累量Table 4 Cd accumulation amounts in different parts of celery

圖2 不同品種芹菜Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)Fig. 2 Translocation factors of different cultivars of celery

圖3 Cd脅迫下‘速生香芹’和‘種都金黃芹菜’根系不同部位Cd2+ 流速變化Fig. 3 Cd2+ flux kinetics in different regions of roots of ‘Susheng xiangqin’ and ‘Zhongdujinhuang qincai’

不同品種甘薯可食用部位Cd積累差異可高達87倍[28]。而蘿卜不同品種間可食用部位Cd積累差異很小[29]。陳瑛等[14]從60個小白菜品種中篩選出12個植株體內(nèi)Cd含量低、生物量受Cd影響小的小白菜品種。本研究表明，芹菜食用器官葉柄中Cd含量以‘種都金黃芹菜’和‘雪白芹菜’最高，‘速生香芹’和‘實心香芹’最低。結(jié)合不同品種對Cd脅迫的生長響應可以看出，‘雪白芹菜’表現(xiàn)為高Cd含量和高生長量，‘種都金黃芹菜’表現(xiàn)為高Cd含量和低生長量，‘速生香芹’表現(xiàn)為低Cd含量和低生長量，‘實心香芹’表現(xiàn)為低Cd含量和高生長量。這種生長響應與Cd含量關系的品種差異可能與不同品種芹菜耐Cd和解除Cd毒害的能力不同有關，但其分子機理還有待進一步研究。本試驗中‘實心香芹’作為耐鎘且食用器官低積累型品種在生產(chǎn)和耐鎘芹菜種質(zhì)創(chuàng)新中具有較高的應用價值。

植物體內(nèi)Cd含量取決于根系吸收能力和體內(nèi)轉(zhuǎn)運能力[30-32]。根系Cd吸收能力與木質(zhì)部的轉(zhuǎn)運能力共同對莧菜的Cd積累產(chǎn)生影響[20]；Wang等[33]研究表明，相對于Zn和Ni，Cd在芹菜根系具有更強的轉(zhuǎn)運能力。Zhang等[23]研究表明，不同品種芹菜具有不同的轉(zhuǎn)運能力，可食用部位Cd含量較高的芹菜品種具有更強的Cd轉(zhuǎn)運能力。本研究也證實，地上部Cd含量高的‘種都金黃芹菜’和‘雪白芹菜’根對Cd轉(zhuǎn)運能力也最高；而地上部Cd含量低的‘速生香芹’對Cd轉(zhuǎn)運能力也最低。Cd進入植物體首先通過根系，根部離子流速與植物體內(nèi)的離子積累量之間存在著必然的聯(lián)系[8]，但目前關于芹菜根系對Cd2+離子吸收能力的品種差異還未見報道。本研究利用非損傷微測技術 (NMT) 分別對高、低Cd積累型的兩個品種芹菜根部Cd2+流速進行實時檢測，結(jié)果表明，高Cd積累型的芹菜根系成熟區(qū) (根毛區(qū)) Cd2+離子流速高于低Cd積累型的芹菜，說明高積累型芹菜品種根部具有更強的Cd吸收能力。Cd積累的品種差異是篩選低積累品種的主要依據(jù)。傳統(tǒng)的研究方法是對植株進行Cd脅迫，再分析Cd積累量的差異，由于試驗周期長，易受不可控因素的干擾，降低了低積累品種的選育效率，Cd2+流速直接反映了植物的主動吸收能力，可以考慮以Cd2+流速為依據(jù)，從Cd2+流速慢的品種中更容易篩選出地上部Cd含量低的品種或材料，從而提高篩選效率。