京津冀地區(qū)主要大白菜品種累積鎘能力的差異性比較

劉 璨 張怡航 崔世豪 李龍城 王 巖 范貝貝 陳 清*

（1 中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，農(nóng)田土壤污染防治與修復北京市重點實驗室，北京 100193；2 赤峰市農(nóng)牧科學研究所，內蒙古赤峰 024000）

2014 年發(fā)布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示（https://www.mee.gov.cn/gkml/sthjbgw/qt/201404/t20140417_270670.htm），我國農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染的點位超標率達19.4%，其中鎘（cadmium，Cd）居第1 位（7.0%），占土壤重金屬污染超標點位的43.0%。土壤中的Cd 易被作物根系吸收并轉移到地上部分，進而通過食物鏈積累威脅人類健康（張靜 等，2015；張輝 等，2022），因此對農(nóng)田土壤Cd 污染的控制十分重要。

常用的Cd 污染農(nóng)田土壤安全利用技術措施包括原位鈍化、農(nóng)藝調控、水肥管理和低Cd 積累品種替代種植等（黃道友 等，2018；高寶林 等，2021）。近年來，許多學者根據(jù)農(nóng)作物對Cd 的耐受性和積累特征，因地制宜篩選出油菜（張洋 等，2017）、小麥（李樂樂 等，2019）、玉米和水稻（董欣欣 等，2021）等適合在中、低Cd 污染程度農(nóng)田種植的低Cd 累積農(nóng)作物品種，可最大程度降低污染土壤修復成本并保證農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)（黃志亮，2012；黃道友 等，2018）。部分學者在京津冀地區(qū)也開展了低Cd 積累葉菜類蔬菜的篩選工作。任艷軍等（2019）對比了冀東地區(qū)14 種葉菜類蔬菜對土壤中Cd 吸收和累積能力的差異，篩選出了茴香、普通白菜、茼蒿、韭菜低Cd 積累品種。不同種類、不同品種的葉菜類蔬菜對Cd 脅迫的反應存在明顯差異（Rizwan et al.，2017）。何飛飛和楊君（2011）研究表明，當土壤Cd 含量達到0.516 mg·kg-1時，供試普通白菜（小白菜）品種Cd 超標率達11.1%，且部分品種產(chǎn)量降低。此外，不同大白菜品種對Cd 脅迫的反應亦有較大差異。陳辰等（2020）研究發(fā)現(xiàn)，20 個大白菜品種對于Cd 的耐受性有明顯差異；當土壤Cd 含量為1.20 mg ·kg-1時，超過95%的供試大白菜品種生物量降低50%，僅金峰保持較高生物量，且其葉片中Cd 累積量最低，說明金峰對Cd 的耐受性明顯強于其他品種。鄭愛珍和徐心誠（2007）比較了12 個大白菜品種在Cd 脅迫下的地上部生物量，結果表明先鋒夏王、夏抗50 具有較高的Cd 耐性。因此，系統(tǒng)性地比較不同葉菜類蔬菜品種對Cd 的累積能力，對于今后在京津冀地區(qū)開展安全種植具有重要意義。

本試驗通過盆栽方式比較了京津冀市場上15個大白菜品種對Cd 富集能力的差異，明確不同大白菜品種對Cd 的累積風險差異；基于地上部Cd積累量篩選Cd 低積累大白菜品種，合理調整大白菜生產(chǎn)布局，以期為京津冀地區(qū)大白菜的合理、安全種植提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

參試大白菜品種為京津冀市場上常見的15 個品種：11S-2 白菜、14CR-2 白菜、15-13 白菜、16-7 白菜、17-23、18-20、19-2、5-126 白菜、CR京秋新3 號、北京桔紅心、改良京春白、京春娃3號、京翠60、京夏56 號、小雜60 號，均購自京研益農(nóng)（北京）種業(yè)科技有限公司。

試驗土壤采集自河北省滄州市Cd 污染地塊。取0～20 cm 表層土，混合均勻后按四分法取足夠土壤，帶回農(nóng)田土壤污染防治與修復北京市重點實驗室自然風干，挑出石塊、植物根系等雜物，使用研缽研磨后過2 mm 尼龍篩備用；另取其中部分土壤過0.15 mm 尼龍篩，參照鮑士旦（2000）的方法測定土壤基礎理化性質和總Cd 含量，土壤DTPA 提取態(tài)Cd 含量測定方法：在100 mL 離心管中加入5.00 g 土樣和25 mL DTPA 浸提液（pH 值7.30），25 ℃、180 r·min-1條件下振蕩2 h，然后離心過濾，利用火焰原子吸收分光光度計測定濾液中的Cd 濃度。本試驗采集土壤的總Cd 含量1.45 mg·kg-1，DTPA 提取態(tài)Cd 含量0.750 mg·kg-1，有機質含量18.3 g·kg-1，全氮含量3.0 g·kg-1，速效磷含量171.0 mg·kg-1，速效鉀含量388.0 mg ·kg-1，EC 值538.0 μS·cm-1，pH 值7.33。

1.2 試驗方法

采用室內盆栽方式，于2021 年6 月20 日至7月15 日在中國農(nóng)業(yè)大學西校區(qū)的溫室開展。共設置16 個處理，即15 個大白菜品種和1 個空白處理，每處理3 次重復，每重復4～6 株，完全隨機擺放。

將1 000 g 風干、過2 mm 篩的Cd 污染土壤裝入內徑14.5 cm、高14 cm 的塑料盆中，每盆播種20 粒。供試土壤的肥力水平能夠滿足大白菜短期生長的養(yǎng)分需求，因此沒有施用基肥；田間持水量保持在65%。幼苗長出第3 片真葉后間苗，每盆保留生長勢一致的幼苗4～6 株。播種后20～25 d，植株生長趨于緩慢，雖然還未結球，但已達到可食用階段，因此在播種后25 d 采收，參照高鑫等（2020）的方法測定地上部鮮、干質量及Cd 含量（FW）。大白菜采收后，收集土樣并風干后過2 mm 篩，參照鮑士旦（2000）的方法測定土壤總Cd 含量，并計算大白菜Cd 生物富集系數(shù)（BCF）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2013、SPSS Statistics 軟件進行統(tǒng)計、作圖及方差分析，運用最小顯著性差異法（LSD）進行多重比較（P＜0.05）；采用系統(tǒng)聚類法進行聚類分析。

2 結果與分析

2.1 鎘脅迫下不同大白菜品種地上部生物量差異分析

從表1 可以看出，播種后25 d 京翠60 的地上部鮮質量最高，為14.17 g·株-1；其次是CR 京秋新3 號和京夏56 號，分別為12.84 g·株-1和12.18 g·株-1；鮮質量最低的是15-13 白菜，只有9.17 g ·株-1；參試15 個大白菜品種中，京翠60 地上部鮮質量顯著高于小雜60 號、京春娃3 號、北京桔紅心、14CR-2 白菜、11S-2 白菜、15-13 白菜、19-2、16-7 白菜等品種。

表1 鎘脅迫下不同大白菜品種的地上部生物量

從表1 還可以看出，京翠60 和17-23 屬于高生物量大白菜品種，京翠60 地上部干質量顯著高于除17-23 外的其余13 個品種，是地上部干質量最低的16-7 白菜的1.56 倍；CR 京秋新3 號、小雜60 號、京夏56 號、18-20、京春娃3 號、北京桔紅心、14CR-2 白菜、5-126 白菜、改良京春白、11S-2 白菜屬于中等生物量大白菜品種，地上部干質量在0.53～0.61 g·株-1之間，品種間無顯著差異；15-13 白菜、19-2 和16-7 白菜屬于低生物量大白菜品種，地上部干質量分別為0.52、0.51、0.48 g·株-1，顯著低于京翠60 和17-23。

以上結果表明，參試15 個大白菜品種的地上部生物量存在顯著差異。除了不同品種本身的差異外，對Cd 脅迫的響應差異可能也是導致生物量差異的原因之一（柴冠群 等，2022）。

2.2 鎘脅迫下不同大白菜品種地上部Cd 累積能力差異分析

從表2 可以看出，不同大白菜品種的Cd 累積能力存在顯著差異，京翠60、京夏56 號地上部Cd含量較高，分別為0.169、0.163 mg·kg-1（FW），顯著高于其他品種；14CR-2 白菜、16-7 白菜地上部Cd 含量較低，分別為0.004、0.011 mg·kg-1（FW），京翠60 地上部Cd 含量是14CR-2 白菜的42.25 倍。參試15 個大白菜品種的地上部Cd 含量范圍為0.004～0.169 mg·kg-1（FW），均低于GB2762—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》規(guī)定的0.20 mg·kg-1（FW）。

表2 鎘脅迫下不同大白菜品種的地上部Cd 富集能力

生物富集系數(shù)（BCF）是評價植物從土壤中累積重金屬能力的重要指標之一。從表2 可以看出，不同大白菜品種的Cd 富集能力差異顯著，15 個大白菜品種的BCF 范圍為0.003～0.117，波動較大，其中京翠60 和京夏56 號Cd 富集能力較強，BCF 分別為0.117 和0.113，顯著高于其他品種；14CR-2 白菜、16-7 白菜的BCF 較小，分別為0.003、0.008。

綜上，14CR-2 白菜可作為低Cd 累積大白菜品種在輕中度Cd 污染土壤上推廣種植。

2.3 聚類分析

對15 個大白菜品種的Cd 富集能力進行聚類分析（圖1），結果分為2 個類群：第1 類群包括11S-2 白菜、改良京春白、17-23、北京桔紅心、CR京 秋 新3 號、14CR-2 白 菜、16-7 白 菜、18-20、19-2、5-126 白菜和京春娃3 號，為Cd 中低累積類群；第2 類群包括京翠60、京夏56 號、15-13白菜、小雜60 號，為Cd 高累積類群。

圖1 15 個大白菜品種Cd 生物富集系數(shù)聚類分析結果

3 討論與結論

Cd 在環(huán)境中有較強的移動性，易被植物吸收并積累到不同部位，且在植物中的積累及分布因品種而異，故不同品種對Cd 的富集能力存在顯著差異（杜志鵬 等，2018；郭雄昌 等，2022），進而對作物生長以及人體健康產(chǎn)生不同程度的危害，所以在進行品種選育、推廣種植時應充分考慮不同品種對于Cd 累積能力的差異性（劉峰 等，2017；鄭龍，2021）。在實際生產(chǎn)中，選擇低Cd 累積能力的大白菜品種可保障食品安全，降低Cd 通過食物鏈進入人體的風險。對于輕中度Cd 污染土壤，通過篩選低Cd 積累品種進行替代種植，實現(xiàn)安全生產(chǎn)。

本試驗結果表明，參試15 個大白菜品種的地上部Cd 含量均在安全范圍內，但是品種間存在顯著差異，表明大白菜是對Cd 較為敏感的作物。聚類分析結果表明，京翠60、京夏56 號、15-13 白菜、小雜60 號為Cd 高累積類群，其地上部Cd 含量范圍為0.115～0.169 mg·kg-1（FW），相比于Cd中低累積類群（地上部Cd 含量范圍為0.004～0.092 mg·kg-1，F(xiàn)W）存在較高的安全風險；14CR-2白菜地上部Cd 含量以及BCF 最低，其對土壤中的Cd 積累能力明顯低于其他品種，建議推廣種植。

研究表明，不同品種Cd 含量差異可能是由于各類抗氧化酶的活性存在差異。例如，閆雷等（2021）研究表明低Cd 積累大白菜品種葉片的過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）、谷胱甘肽還原酶（GR）、脫氫抗壞血酸還原酶（DHAR）等抗氧化酶的活性顯著高于高Cd 積累品種。另一方面，Cd 轉運蛋白基因的表達差異可能也是導致Cd 積累能力差異的重要原因。研究表明，Nramp 蛋白家族主要參與二價金屬陽離子轉運的過程（Bozzi &Rachelle，2021），HMA 蛋白家族主要通過ATP 酶水解釋放的能量對金屬離子進行吸收轉運（Cellier et al.，1994）。閆雷等（2021）證實高Cd 積累品種中與自然抗性相關的巨噬細胞蛋白（Nramp2.1、Nramp4.2）、重 金 屬ATP 酶（HMA2、HMA4）等Cd 轉運蛋白的基因相對表達量高于低Cd 積累品種。陳可欣（2019）驗證了黃瓜在Cd 脅迫環(huán)境下CsNramp4和CsHMA2的表達與地上部和根部Cd 含量相關，其中CsNramp4可能與根部吸收積累Cd 的過程相關，CsHMA2可能在Cd 從根部向地上部運輸?shù)倪^程中發(fā)揮至關重要的作用。因此，抗氧化酶活性差異以及Cd 轉運蛋白基因表達差異可能是造成大白菜不同品種Cd 積累能力不同的主要原因，后續(xù)將對大白菜植株內各金屬轉運蛋白進行研究，深入了解大白菜富集Cd 在分子層面的差異，對篩選低Cd 積累大白菜品種提供指導方向。