混種兩種生態(tài)型少花龍葵及其雜交后代對生菜生長和鎘積累的影響

王力明，歐陽麗瑩，陸春艷，盧麒宇，林立金，廖繼超，李煥秀，唐懿

(1.四川農(nóng)業(yè)大學園藝學院，四川 成都 611130；2.成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)分院，四川 成都 611130；3.崇州職業(yè)教育培訓中心，四川 成都 611230；4.四川農(nóng)業(yè)大學果蔬研究所，四川 成都 611130)

蔬菜是人們?nèi)粘Ｉ钪兴匦璧囊徊糠?，?jù)中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)統(tǒng)計，至2017年，我國蔬菜的種植面積達到2 166.9萬hm2，在國民經(jīng)濟中占有重要地位.由于社會經(jīng)濟的發(fā)展，工業(yè)化進程不斷推進，土壤重金屬污染越來越嚴重[1]，許多菜地也受到不同程度的污染，特別是重金屬鎘[2].相對一些禾本科作物，蔬菜對鎘更敏感[3]，同時也是人體鎘的主要來源之一[4].因此，生產(chǎn)綠色、無公害蔬菜，重金屬污染治理就顯得尤為重要.植物修復技術(shù)由于其成本低廉，適用范圍廣等優(yōu)點在重金屬污染治理方面較為常用[5].混種在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中歷史悠久，它可以提高植物產(chǎn)量、減少病蟲害的發(fā)生、改善土壤環(huán)境，提高土壤酶活性和促進作物對養(yǎng)分元素的吸收等[6-7].在重金屬污染土壤上，合理的間套作技術(shù)與植物修復技術(shù)高效結(jié)合，不僅可以提高一種植物對重金屬的吸收，而且可以降低另一種植物對重金屬的吸收，從而促進了植物對土壤重金屬污染的修復，同時農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還能正常進行.蔣成愛等[8]發(fā)現(xiàn)東南景天與玉米混作促進東南景天對鋅和鎘的吸收，同時降低玉米籽粒的鋅和鎘含量.秦麗等[9]的研究表明，續(xù)斷菊和玉米間作促進了續(xù)斷菊對土壤鎘的吸收了積累，降低了玉米對鎘的吸收.李素霞等[10]在莧菜-小白菜混作中發(fā)現(xiàn)，與莧菜混種，降低了小白菜的鎘含量，提高了其產(chǎn)量.

有研究表明，葉菜類蔬菜對重金屬的吸收較其他蔬菜更高[11].生菜(Lactucasativa)是葉用萵苣的俗稱[12]，作為葉菜類蔬菜的常見代表，已有研究證實在重金屬污染的土壤上生長的生菜對鎘具有較高的積累量[13].少花龍葵(Solanumphoteinocarpum)是一種潛在的鎘超富集植物[14]，為茄科一年生或多年生草本植物.不同生態(tài)型植物對重金屬的吸收和耐性方面均存在一定差異，礦山生態(tài)型具有植株矮小，莖稈粗壯，但鎘含量高的特點，而農(nóng)田生態(tài)型與之正好相反[15].育種實踐證明，通過雜交育種，可以得到一些性狀超親本的優(yōu)良單株[16]，利用不同生態(tài)型的超富集植物進行雜交育種，對其后代進行篩選，可能得到一種集不同生態(tài)型超富集植物優(yōu)勢性狀于一體的改良品種，為重金屬污染的修復治理開辟一條新的路徑.鑒于此，本試驗將2種生態(tài)型(礦山和農(nóng)田)少花龍葵及其雜交后代與生菜混種，研究了混種2種生態(tài)型少花龍葵及其雜交后代對生菜的生長與鎘積累的影響，以期篩選出適宜與鎘脅迫生菜混種的少花龍葵雜交后代，為鎘污染條件下葉菜類蔬菜安全生產(chǎn)提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 植物材料 礦山生態(tài)型少花龍葵種子(同一株)于四川省漢源縣唐家鄉(xiāng)鉛鋅礦區(qū)收集，農(nóng)田生態(tài)型少花龍葵種子(同一株)于四川農(nóng)業(yè)大學雅安校區(qū)農(nóng)場農(nóng)田收集.

1.1.2 試驗土壤 試驗用土壤為紫色土，取自四川農(nóng)業(yè)大學雅安校區(qū)農(nóng)場農(nóng)田(E 103°48′，N 30°23′)其基本理化性質(zhì)詳見文獻[17].

1.1.3 植物材料培育 將收集的少花龍葵種子直接播種21 cm×20 cm(直徑×高)的塑料盆.盛花期開始雜交，處理方式如下：

1) 礦山生態(tài)型少花龍葵為父本雜交：在開花前一天下午，將農(nóng)田生態(tài)型少花龍葵花苞中雄蕊除去，并套袋隔離.于第2天中午將礦山生態(tài)型少花龍葵花粉涂抹于農(nóng)田生態(tài)型少花龍葵去雄花的雌蕊上，并套袋隔離.

2) 農(nóng)田生態(tài)型少花龍葵為父本雜交：在開花前一天下午，將礦山生態(tài)型少花龍葵花苞中雄蕊除去，并套袋隔離.于第2天中午將農(nóng)田生態(tài)型少花龍葵花粉涂抹于礦山生態(tài)型少花龍葵去雄雌蕊上，并套袋隔離.

待植株成熟收集種子留用，即為2種生態(tài)型少花龍葵雜交后代，分別標記為父礦少花龍葵與父農(nóng)少花龍葵.

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2014年4月至6月在四川農(nóng)業(yè)大學雅安校區(qū)農(nóng)場內(nèi)進行.2014年4月將風干的土壤壓碎、過篩(5 mm)，裝入21 cm× 20 cm(直徑×高)的塑料盆內(nèi)，每盆3 kg，加入形式為分析純的CdCl2·5/2H2O，使其鎘濃度為10 mg/kg，與土壤充分混勻，自然放置平衡4周后再次混合備用.2014年4月，將收集的2種生態(tài)型少花龍葵雜交后代種子置于雙層濾紙的培養(yǎng)皿中，放進種子發(fā)芽箱，每天澆水保持濕度.5月將長勢一致，4片真葉展開的2種生態(tài)型少花龍葵雜交后代幼苗分別與生菜幼苗移栽于盆中.2種生態(tài)型少花龍葵后代與生菜混種比例為1∶3，試驗設(shè)置5個處理：生菜單種、生菜混農(nóng)田型少花龍葵、生菜混礦山型少花龍葵、生菜混父農(nóng)少花龍葵與生菜混父礦少花龍葵，每個處理重復6次.盆與盆之間的距離為15 cm，完全隨機擺放.土壤表面覆蓋等量黑麥草秸稈以減少土壤水分蒸發(fā).根據(jù)土壤水分實際情況不定期澆水確保土壤水分保持在田間持水量的 80%左右，并及時去除雜草，防治病蟲害.

1.3 生理指標測定

移栽35 d后分別取生菜葉子測定葉綠素(葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量)含量和抗氧化酶(SOD、POD和CAT)活性[18].之后，收獲生菜和少花龍葵植株，將根系和地上部分的土壤用自來水清洗干凈，再用去離子水沖洗3次.將生菜以及少花龍葵根系和地上部分于110 ℃殺青15 min，75 ℃烘干至衡重，分別稱其干質(zhì)量，然后粉碎，過100目篩.稱取1.0 g樣品，加入硝酸-高氯酸(體積比為4∶1)放置12 h后消化至溶液透明，過濾，定容至50 mL，用iCAP 6300型ICP光譜儀測定(Thermo Scientific，USA)鎘含量[19]，同時計算少花龍葵鎘積累量.

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)記錄與整理，采用SPSS 20.0系統(tǒng)進行Duncan差異顯著性分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 混種對生菜生物量的影響

由表1可知，與單種相比，混種礦山、混種農(nóng)田、混種父礦、混種父農(nóng)的生菜根系生物量分別增加了20.42%、41.88%、67.02%、96.34%，地上部分生物量分別增加了62.01%、79.19%、102.79%、118.19%，而根冠比均明顯下降.以上結(jié)果說明，混種2種生態(tài)型少花龍葵及其雜交后代均能夠促進生菜地下和地上生物量的積累，且以混種少花龍葵雜交后代效果較為顯著.

2.2 混種對生菜葉綠素含量的影響

從表2中可以看出，與生菜單種相比，混種礦山、混種農(nóng)田、混種父礦、混種父農(nóng)的葉綠素a含量分別增加了2.01%、0.86%、13.54%、8.79%，葉綠素b含量分別增加了7.14%、3.33%、17.14%、10.00%，葉綠素總量分別增加了3.32%、1.44%、14.40%、9.19%，而葉綠素a/b均降低.以上結(jié)果說明，混種雜交后代的生菜葉綠素含量比混種親本的增加幅度更大，且以生菜(混父礦)葉綠素a、葉綠素b以及葉綠素總量增加最多，有利于生菜進行光合作用.

2.3 混種對生菜抗氧化酶活性的影響

從表3中可以看出，混種2種生態(tài)型少花龍葵及其雜交后代后，除混種農(nóng)田CAT與對照相比不顯著外，生菜中的SOD、POD與CAT的活性顯著增高，其中以混種父礦SOD、POD和CAT增加最顯著，與生菜單種相比，分別增加了73.30%、280.95%以及114.05%，以上結(jié)果說明，混種2種生態(tài)型少花龍葵及其雜交后代均能提高生菜的抗性，且雜交后代較親本更有利于生菜在鎘脅迫的條件下生長.

表1 混種對生菜生物量的影響

數(shù)據(jù)后的小寫字母表示5%水平差異.混礦山：混種礦山生態(tài)型少花龍葵；混農(nóng)田：混種農(nóng)田生態(tài)型少花龍葵；混父礦：混種父本為礦山生態(tài)型的少花龍葵；混父農(nóng)：混種父本為農(nóng)田生態(tài)型的少花龍葵.

The lowercase following date indicates difference at 5% level.The same as follow.“Inter.” means intercropping;“M” means S.photeinocarpum of mine ecotype；“F” meansS.photeinocarpumof farmland ecotype;“FM” meansS.photeinocarpumwhose father was mine ecotype；“FF” meansS.photeinocarpumwhose father was farmland ecotype.The same as follow.

表2 混種對生菜葉片葉綠素含量的影響

數(shù)據(jù)后的小寫字母表示5%水平差異.混礦山：混種礦山生態(tài)型少花龍葵；混農(nóng)田：混種農(nóng)田生態(tài)型少花龍葵；混父礦：混種父本為礦山生態(tài)型的少花龍葵；混父農(nóng)：混種父本為農(nóng)田生態(tài)型的少花龍葵.

The lowercase following date indicates difference at 5% level.The same as follow.“Inter.” means intercropping;“M” means S.photeinocarpsum of mine ecotype；“F” meansS.photeinocarpumof farmland ecotype;“FM” meansS.photeinocarpumwhose father was mine ecotype；“FF” meansS.photeinocarpumwhose father was farmland ecotype.The same as follow.

表3 混種對生菜抗氧化酶活性的影響

數(shù)據(jù)后的小寫字母表示5%水平差異.混礦山：混種礦山生態(tài)型少花龍葵；混農(nóng)田：混種農(nóng)田生態(tài)型少花龍葵；混父礦：混種父本為礦山生態(tài)型的少花龍葵；混父農(nóng)：混種父本為農(nóng)田生態(tài)型的少花龍葵.

The lowercase following date indicates difference at 5% level.The same as follow.“Inter.” means intercropping;“M” means S.photeinocarpum of mine ecotype；“F” meansS.photeinocarpumof farmland ecotype;“FM” meansS.photeinocarpumwhose father was mine ecotype；“FF” meansS.photeinocarpumwhose father was farmland ecotype.The same as follow.

2.4 混種對生菜鎘含量的影響

從圖1可看出，與單種相比，混種礦山、混種農(nóng)田、混種父礦、混種父農(nóng)的生菜根系的鎘含量分別下降了14.40%、17.69%、24.09%、31.64%，上部分鎘含量分別下降了9.45%、13.82%、26.07%、29.13%，以上結(jié)果說明，混種2種生態(tài)型少花龍葵及其雜交后代均能降低生菜根系和地上部分鎘含量，且以混種父農(nóng)效果最為顯著.

圖1 混種對生菜鎘含量的影響Figure 1 Effects of intercropping on cadmium content of lettuce

2.5 混種對不同生態(tài)型少花龍葵雜交后代生物量的影響

由表4可以看出，混種生菜后，少花龍葵及其雜交后代根系和地上部分生物量均顯著高于親本，與礦山(混生菜)相比，父礦(混生菜)根系和地上部分生物量分別增加了150%和128.73%，與農(nóng)田(混生菜)相比，父農(nóng)(混生菜)根系和地上部分生物量分別增加了84.29%和100%，父礦(混生菜)根冠比較其親本增加，父農(nóng)(混生菜)根冠比較其親本降低.以上結(jié)果表明，與少花龍葵親本相比，混種生菜均提高了少花龍葵雜交后代生物量，根系生物量以父礦(混生菜)增加最多，地上部分生物量以父農(nóng)(混生菜)增加最多.

圖2 混種對少花龍葵及其雜交后代鎘積累量的影響Figure 2 Effect of intercropping on cadmium accumulation inS.photeinocarpumand their hybrid generation

2.6 混種生菜對少花龍葵鎘積累量的影響

由圖2可知，2種生態(tài)型少花龍葵雜交后代與生菜混種后，父礦(混生菜)根系中的鎘積累量最高，與農(nóng)田(混生菜)、礦山(混生菜)以及父農(nóng)(混生菜)相比，分別提高了84.91%(P<0.05)、72.56%(P<0.05)以及21.70%(P<0.05)，而地上部分鎘積累量以父農(nóng)(混生菜)最高，較礦山(混生菜)、農(nóng)田(混生菜)以及父礦(混生菜)分別提高了231.62%(P<0.05)、149.75%(P<0.05)以及26.33%(P<0.05).以上結(jié)果表明，2種生態(tài)型少花龍葵雜交后代比親本富集能力更好，從而減少了生菜對鎘的吸收，促進了生菜生長.

表4 混種對不同生態(tài)型少花龍葵雜交后代生物量的影響

數(shù)據(jù)后的小寫字母表示5%水平差異.混礦山：混種礦山生態(tài)型少花龍葵；混農(nóng)田：混種農(nóng)田生態(tài)型少花龍葵；混父礦：混種父本為礦山生態(tài)型的少花龍葵；混父農(nóng)：混種父本為農(nóng)田生態(tài)型的少花龍葵.

The lowercase following date indicates difference at 5% level.The same as follow.“Inter.” means intercropping;“M” means S.photeinocarpum of mine ecotype；“F” meansS.photeinocarpumof farmland ecotype;“FM” meansS.photeinocarpumwhose father was mine ecotype；“FF” meansS.photeinocarpumwhose father was farmland ecotype.The same as follow.

3 討論

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，合理搭配作物進行混(間)作可以促進其生長，在玉米間作大豆上表現(xiàn)最為明顯[20].林立金等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在鎘脅迫下，混種豬殃殃提高了牛膝菊生物量，混種薺菜和碎米薺降低了牛膝菊生物量.Lin等[22]研究發(fā)現(xiàn)，混種鬼針草、萬壽菊后提高了鎘脅迫下樹番茄幼苗的生物量和光合色素含量，而混種少花龍葵、牛膝菊則降低了鎘脅迫下樹番茄幼苗的生物量、光合色素含量.本試驗結(jié)果表明，混種2種生態(tài)型少花龍葵及其雜交后代生菜根系和地上部分生物量以及光合色素含量均較單種增加，且混種少花龍葵雜交后代生物量、光合色素含量高于其親本，與湯福義等[23]研究結(jié)果一致，而混種生菜提高了兩種生態(tài)型少花龍葵及其雜交后代的生物量，這與蔣成愛等[8]研究結(jié)果一致.可能是因為超富集植物少花龍葵和生菜根系相互靠近或接觸時，二者間產(chǎn)生了“根系效應”，活化了根系周圍的土壤養(yǎng)分，提高了植物對營養(yǎng)元素的吸收[24]，而營養(yǎng)元素中氮是葉綠素合成的必須成分[25]，有利于葉片中葉綠素的合成，提高了生菜的光合作用，促進光合產(chǎn)物的形成，從而促進了生菜的生長.

SOD、POD、CAT是植物適應多種逆境脅迫的重要酶類，被稱為植物保護酶系統(tǒng)[26].植物在環(huán)境脅迫下體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生增加，打破了活性氧的平衡，必須依靠抗氧化酶系統(tǒng)對抗其有害作用[27].王曉維等[28]的研究表明，Cu2+脅迫條件下玉米和豌豆間作，玉米葉和根中的SOD、POD、CAT活性和MDA含量均隨著 Cu2+濃度的增加而提高.徐佳佳等[29]在續(xù)斷菊和玉米的間作中發(fā)現(xiàn)，間作能夠提高鎘脅迫下兩者SOD、POD、CAT和 T-AOC活性，且隨著鎘濃度的增加而增加.本試驗結(jié)果表明，混種2種生態(tài)型少花龍葵及其雜交后代提高了SOD、POD和CAT活性，其中混種雜交后代均顯著高于其親本，這與Tang等[30]的研究結(jié)果一致，一方面，可能是在鎘脅迫下，導致生菜體內(nèi)的H2O2積累[31]，從而增強了SOD、POD和CAT活性，保護植物免受OH毒害；另一方面，可能是因為生菜合成包括有機酸在內(nèi)的特殊物質(zhì)，這些物質(zhì)的存在有助于穩(wěn)定POD和CAT酶基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物或者促進了酶活力提高[32].表明了在鎘脅迫下，通過混種雜交后代，生菜的抗氧化酶活性大大提高，增強了生菜抗脅迫能力，從而促進了生菜的生長.

不同植物對重金屬元素的吸收主要集中在根際環(huán)境中，植物可通過信號反饋分泌有機酸絡合重金屬[33-34]，降低重金屬的生物有效性，減少普通植物對重金屬的吸收.Li等[35]研究表明，大多數(shù)豆科植物與玉米混種，能夠顯著增加玉米對鎘的吸收，提高了玉米鎘含量.楊代宇等[36]研究結(jié)果表明，與單種相比，混種農(nóng)田生態(tài)型和礦山生態(tài)型少花龍葵樹番茄幼苗根系和地上部分的鎘含量均無顯著差異，而混種少花龍葵正反雜交F1代樹番茄幼苗各部位的鎘含量均降低.本試驗結(jié)果表明，混種2種生態(tài)型少花龍葵及其雜交后代均降低了生菜根系和地上部分鎘含量，其中混種雜交后代少花龍葵其鎘含量均低于混種親本的鎘含量，同時混種生菜，兩種生態(tài)型少花龍葵及其雜交后代之間鎘積累量差異均顯著，雜交后代根系和地上部分鎘積累量均高于其親本，這與Lin[37]試驗結(jié)果基本一致，均提高了超富集植物體內(nèi)鎘含量，降低了普通植物體內(nèi)的鎘含量，可能是因為超富集植物根系分泌了某些有機酸(如檸檬酸)，酸化了土壤環(huán)境，提高了土壤中鎘的有效性[38]，同時，少花龍葵和生菜混種，根系產(chǎn)生了“根際對話”，并對土壤鎘形成了不同的競爭吸收機制[21]，從而促進了少花龍葵對鎘的吸收，抑制了生菜對鎘的吸收.

4 結(jié)論

綜上所述，混種2種生態(tài)型少花龍葵及其雜交后代均提高了生菜生物量，葉綠素含量以及抗氧化酶活性，降低了其鎘含量，同時，混種生菜提高了2種生態(tài)型少花龍葵及其雜交后代生物量和鎘積累量，說明混種2種生態(tài)型少花龍葵及其雜交后代均有助于提高鎘污染下生菜的生長，對土壤鎘污染具有一定的修復作用，其中雜交后代少花龍葵比其親本更具優(yōu)勢，能更好的促進生菜的生長.