耐鎘辣椒種質資源的篩選及其鎘積累特性

廖芳芳，邢 丹*，姜敬偉，胡明文，詹永發(fā)，楊 紅

(1.貴州省農業(yè)科學院 辣椒研究所，貴州 貴陽 550006； 2.貴州省農業(yè)科學院，貴州 貴陽 550006)

耕地鎘污染是農業(yè)生態(tài)環(huán)境中最為廣泛關注的問題，其對農產品質量構成嚴重威脅。鎘通過食物鏈進入人體，損傷腎小管，使骨骼代謝受阻，造成骨質疏松、萎縮變形，嚴重危害人體健康[1-4]。辣椒種質資源是開展辣椒育種的前提和基礎，要做到對原始資源的合理、正確利用，就必須對所搜集的資源進行鑒定和評價。為進一步利用、開發(fā)這些種質資源，提高辣椒安全生產，降低人類食用辣椒的潛在重金屬鎘風險，因而需要深入發(fā)掘耐鎘(或鎘低積累)的辣椒優(yōu)異種質資源。目前，對植物耐鎘材料的研究主要集中在水稻[5]、玉米[6]等重要的糧食作物和番茄[7]、白菜[8]等經濟作物方面,關于耐鎘低鎘辣椒優(yōu)異種質資源研究還鮮見報道。鑒于此，開展鎘脅迫條件下的辣椒發(fā)芽試驗和盆栽試驗，篩選耐鎘的辣椒優(yōu)異種質資源，為鎘低積累辣椒品種培育提供基礎材料。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 辣椒種質資源 34個供試辣椒種質材料均由貴州省辣椒研究所提供，編號為P1～P34。其中，P1～P15屬線椒，共15份；P16～P26屬散生朝天椒，共11份；P16～P29屬簇生朝天椒，共3份；P30～P32屬羊角椒，共3份；P33～P34屬牛角椒，共2份。

1.1.2 供試土壤 盆栽試驗土壤(黃壤)采自貴州省農業(yè)科學院茶園，理化性質為全氮1.063 g/kg,全磷2.061 g/kg,全鉀14.348 g/kg,有機質15.428 g/kg,堿解氮210.329 mg/kg,有效磷59.473 mg/kg,有效鉀764.163 mg/kg,全鎘0.003 2 mg/kg。為避免引起土壤二次污染，用不銹鋼鏟隨機采集表層1～20 cm的混合土樣裝入干凈的編織袋，自然風干后過5 mm不銹鋼篩去除雜物，攪拌混勻備用。

1.2 方法

1.2.1 發(fā)芽試驗 試驗于2016年12月在貴州省農業(yè)科學院辣椒研究所實驗室進行。以34個辣椒種質材料為試驗對象，以鎘離子濃度為試驗因子進行種子發(fā)芽試驗。根據前期預試驗結果，以及中國蔬菜用地鎘輕度污染濃度(0.30～0.60 mg/kg)標準[9-10]，設置鎘離子濃度為0.5 mg/L，同時設置清水對照。溶液采用分析純CdCl2·2.5H2O 與去離子水配制成處理質量濃度。

每個辣椒種質材料分別挑選飽滿度一致的種子150粒，放入55℃溫水浸泡10 min撈出，清水沖洗干凈后用去離子水反復沖洗待用。按國標GB/T 3543.4進行發(fā)芽試驗，將消毒好的種子置于直徑為9 cm、內鋪雙層濾紙的培養(yǎng)皿，培養(yǎng)皿內分別移取等量不同處理的鎘離子溶液，以浸濕濾紙為宜，每個處理3次重復，每個重復種子50粒，加蓋以防止水分蒸發(fā)。將培養(yǎng)皿置于人工氣候培養(yǎng)箱中，(28±1)℃條件下恒溫箱培養(yǎng)14 d，每天調查種子發(fā)芽數(以胚根長達種子長1/2作為萌芽標志)，并補充等量去離子水和鎘離子水溶液保持濾紙濕潤。以第7天和第14天發(fā)芽數分別計算發(fā)芽率和發(fā)芽勢，測量發(fā)芽至第14天時的根長和芽長。以鎘脅迫下各辣椒種質材料的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、胚芽長、胚根長作為聚類指標，采用歐式距離法對供試辣椒材料進行聚類分析。

發(fā)芽率=(發(fā)芽種子數/供試種子總數)×100%

發(fā)芽勢=(7 d內發(fā)芽種子總數/供試種子總數)×100%

脅迫指數(I)=1-(處理值/對照值)

1.2.2 盆栽試驗 試驗于2017年4月在貴州省農業(yè)科學院辣椒研究所基地塑料大棚內進行。以34個供試辣椒種質材料為試驗對象，以土壤添加重金屬鎘濃度為試驗因子進行盆栽試驗。采用人工添加CdCl2·2.5H2O的方法處理土壤，根據中國蔬菜用地鎘輕度污染濃度(0.30～0.60 mg/kg)標準[9-10]，設置鎘離子濃度為0.5 mg/kg，以不添加CdCl2·2.5 H2O的土壤為對照。將剔除雜質的黃壤按每盆4.0 kg裝入塑料盆(盆上直徑25 cm，下直徑20 cm，高24 cm)內，加等量自來水充分攪拌。每個處理3次重復，共204盆。

2017年4月18日將配制好的鎘溶液均勻噴于土樣中，充分攪拌后將土樣裝入經稀酸浸泡并沖洗干凈的托盤，對照加入等量清潔自來水，靜置30 d。辣椒種質材料于4月7日播種，5月19日移栽，每盆栽1株，常規(guī)管理。辣椒生長期間用自來水澆灌，成熟后測定根、莖葉、果實和土壤中鎘含量。辣椒根、莖葉、果實中鎘含量的測定按照GB/T 5009.15-2014消解，土樣鎘含量按照GB/T 17141-1997方法消解，消解液用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)進行檢測。根據測量結果計算鎘的富集系數和轉運(遷移)系數。

富集系數(BCF)=辣椒果實中鎘含量/土壤中鎘含量

遷移系數(TF)=辣椒果實中鎘含量/根中鎘含量

1.3 數據處理

所有數據均采用Microsoft Excel 2007和SPSS20.0進行統計與分析。

2 結果分析

2.1 鎘脅迫條件下辣椒種子的萌發(fā)情況

2.1.1 發(fā)芽率與發(fā)芽勢 發(fā)芽勢反映種子的活力高低，發(fā)芽勢高的種子的活力高、出苗齊。發(fā)芽率反映出苗率，發(fā)芽率高的種子出苗率高[5]。從表1看出，在0.5 mg/kg鎘脅迫條件下，34個辣椒種質材料的平均發(fā)芽率、發(fā)芽勢分別為53.07%和33.05%，與對照相比分別增加0.84和2.01百分點，說明0.5 mg/kg濃度鎘處理對大部分辣椒種子萌發(fā)有促進作用。鎘脅迫對P7、P15、P20、P23種質材料的發(fā)芽率無顯著影響，脅迫指數為0或接近0，但P7、P15、P23的發(fā)芽率均大于等于90%；而對P10和P3的發(fā)芽率的抑制作用最明顯，脅迫指數均大于0.6。

2.1.2 胚根與胚芽 鎘脅迫對辣椒種子胚芽長及胚根生長均有不同程度的抑制效應。鎘處理下34個辣椒種質材料胚芽長平均為30.23 mm，比對照短14.24%；種質材料間芽長脅迫指數在-0.07～0.42，平均為0.14，不同種質材料受鎘抑制程度不同，其中鎘脅迫對P6、P10、P20、P26的芽長抑制作用較小，其脅迫指數均在0或0以下； P2、P15、P19、P22受鎘抑制較明顯，芽長脅迫指數均在0.30以上。

鎘處理下辣椒種子胚根長平均為36.79 mm，比對照短27.64%；胚根長脅迫指數在-0.10～0.80，平均為0.25。鎘脅迫對P11、P12、P25、P28的胚根長抑制作用較小，脅迫指數均在0以下；鎘脅迫對P2、P3、P7、P15的根長抑制效應較明顯，脅迫指數均大于等于0.65。

鎘對辣椒種子胚芽生長的抑制作用小于對胚根的抑制，這可能是由于重金屬鎘最先被種子根部吸收累積，然后逐步向芽傳導產生抑制效應的結果[6]。

表1 不同處理辣椒種子的萌發(fā)情況

2.2 不同辣椒種質材料耐鎘特性聚類

通過聚類分析(圖1)發(fā)現，不同辣椒種質材料之間耐鎘特性存在差異，34個辣椒種質材料耐鎘特性可劃分為三大類型：第1類為P15、P7、P23及P13，種子發(fā)芽期間受鎘的綜合抑制相對較弱，屬鎘耐受型材料；第2類為P8、P34、P16、P28、P31、P27、P30、P17、P20、P9、P5、P11、P22及P1，耐鎘性中等，屬中間型材料；第3類為P2、P33、P10、P25、P26、P29、P21、P24、P32、P18、P19、P4、P6、P14、P12及P3，耐鎘性較差，屬鎘敏感型材料。

2.3 不同辣椒種質材料鎘吸收積累的差異

由表2看出，不同種質材料辣椒對鎘的累積差異較為明顯，相同辣椒種質材料各部位鎘含量表現為根>莖葉>果實，表明，鎘主要積累在辣椒植株根部，其次是莖葉，果實積累量最低。

在濃度0.5 mg/kg 鎘脅迫下，辣椒果實鎘含量為0.032～0.405 mg/kg，34個辣椒種質材料中有94.12%超出國家食品安全標準(GB2762-2012，鎘含量<0.05 mg/kg)。其中，P24果實鎘含量最高，為0.405 mg/kg；P23果實鎘含量最低，為0.032 mg/kg，其最高值是最低值的13倍左右?？傮w看，鎘高積累性狀的辣椒種質材料有P24、P32、P30、P6及P18，鎘低積累的有P15和P23。

圖1 Cd脅迫對34個辣椒品種(系)綜合抑制效應的聚類

Fig.1 Cluster of comprehensive inhibition effect of Cd stress on 34 pepper varieties (lines)

富集系數反映植物吸收積累重金屬能力，通常系數越大，說明該植物富集效率越高。研究表明，P23的富集系數最低；P17、P18、P19、P20、P24、P32和P34的富集系數均大于1，說明該7個辣椒種質材料具有鎘超富集特性。

表2 0.5 mg/kg Cd脅迫下辣椒種質資源不同部位的鎘積累能力

轉運系數反映植物根部向地上部運輸重金屬的能力，一般系數越大說明該植物轉運重金屬能力越強。辣椒根-果實間的Cd遷移系數在0.015～0.229，其中P23及P33的遷移能力最弱，其遷移系數小于0.03；P11、P24及P32的遷移能力最強，其遷移系數大于0.2。

3 結論與討論

以34個辣椒種質材料為材料，研究辣椒萌發(fā)期鎘耐受性及大田生長期間辣椒植株鎘積累性。結果表明：不同辣椒種質資源的發(fā)芽勢、發(fā)芽率及胚根、胚芽長度均受鎘脅迫不同程度的抑制，其中根長度受到的抑制作用最強。已有研究表明，根系是最直接、最嚴重的受害器官之一，用Cd處理水稻、青菜、白菜等種子，可顯著抑制根系的伸長生長，且隨Cd處理濃度的增加影響加劇[8-10]，這可能是由于重金屬Cd最先被種子根部吸收累積，然后逐步向芽傳導產生抑制效應的結果[6]。0.5 mg/L 濃度的Cd脅迫對多數辣椒種質材料的種子萌發(fā)有促進效應，說明供試的辣椒資源在0.5 mg/L鎘濃度時耐受能力較強。利用聚類分析將34個辣椒種質材料耐鎘差異劃分為三大類型，不同辣椒種質材料的耐鎘性存在一定差異，其中P15、P7、P23及P13辣椒種子萌發(fā)期對鎘的耐受能力較強。

植物對鎘的吸收和積累存在明顯的種類間和品種間差異[11]，這主要是由植物自身的遺傳因素所控制，同時也受土壤Cd濃度及有效性、土壤pH和施肥等因素的影響[12-14]。研究表明，在0.5 mg/kg濃度Cd脅迫處理下，34份辣椒種質材料各器官鎘含量在材料間表現出極顯著差異，其中果實鎘含量最大值是最小值的13倍左右，相似研究結果在小麥、玉米等作物中也有報道[15-16]。

Cd積累能力差異為辣椒鎘低積累材料的聚類篩選提供了前提條件。Cd低積累植物至少需要滿足2個條件[11，17]：一是對Cd具有較強的耐性，以保證其正常生長和經濟產量的獲得；二是可食部分Cd積累能力較低或低于相應的標準。在Cd低積累植物的篩選過程中，不同的培養(yǎng)環(huán)境和土壤Cd污染濃度均會不同程度影響作物的Cd積累[18]。研究在前期發(fā)芽試驗結果的基礎上，開展盆栽試驗，進一步探究不同辣椒材料鎘Cd積累差異，篩選獲得2份耐鎘/低鎘辣椒種質資源，分別為P15和P23，均表現出穩(wěn)定的低Cd積累特性，且可食部分的Cd含量低于國家食品安全標準。