重金屬鎘在番茄及其害蟲西花薊馬中的積累與傳遞

劉俊秀,朱正陽,王 甦,王利利,毛雪飛,臧連生,邸 寧*

(1. 北京市農(nóng)林科學院植物保護研究所,北京 100097;2. 吉林農(nóng)業(yè)大學生物防治研究所/天敵昆蟲應用技術(shù)工程研究中心,長春 130118;3. 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標準與檢測技術(shù)研究所,北京 100098)

土壤重金屬污染是世界各國面臨的重要環(huán)境問題之一,在我國形勢也十分嚴峻。重金屬能夠通過工業(yè)廢水排放(Dietal.,2016)、污水灌溉和農(nóng)膜、含重金屬的化學投入品使用等途徑進入農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)(Naccaratoetal.,2020;Zhaoetal.,2021),進而被植物吸收并在植物-昆蟲食物鏈中傳遞積累,對我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和糧食安全造成了嚴重影響(宋偉等,2013;環(huán)境保護部和國土資源部,2014)。其中,鎘(Cd)可在土壤中長期存在,具有強生物毒性和快速遷移的特點,是對農(nóng)作物和生態(tài)環(huán)境危害極大的重金屬(Naikooetal.,2019b;Hussainetal.,2021)。據(jù)統(tǒng)計,我國有2.786×109m2的農(nóng)業(yè)土壤存在Cd污染(Xueetal.,2017),而種植于Cd污染土壤中的谷物和蔬菜,其Cd含量分別達到0.008～0.062 mg/kg和0.007～0.021 mg/kg(Songetal.,2017)。Cd沿食物鏈的生物傳遞可能會對植物(Godinhoetal.,2018;彭鷗等,2019)、節(jié)肢動物(吳國星等,2010)、哺乳動物(Zhuetal.,2020)甚至人類(宋雯等,2016)造成非常不利的影響。

土壤中的Cd被植物根系吸收后,通過激活活性氧(ROS)、改變Na+/K+濃度及ATP酶活性、影響植物細胞壁合成等方式抑制植物生長,甚至導致植物死亡(Howladar,2014;Giusto and Ferrari,2014;Leietal.,2019;Dietal.,2020)。如Cd脅迫使水稻內(nèi)自由基累積,形成脂質(zhì)過氧化物丙二醛(MDA),導致新陳代謝紊亂(史靜等,2013),顯著降低水稻的產(chǎn)量和每株穗數(shù)、每穗總粒數(shù)、結(jié)實率、粒重等經(jīng)濟性狀以及不同生育期的地上部干物質(zhì)重量(程旺大等,2005)。目前,關(guān)于重金屬污染對植物影響的研究主要集中于大田糧食作物(如水稻、玉米等)(張珂等,2019;Hussainetal.,2021),而有關(guān)重金屬對果蔬的生長及品質(zhì)的影響研究較少,且主要集中于健康風險評價(吳雪等,2020;董俊文等,2022)。因此,研究不同Cd污染環(huán)境下的果蔬作物各器官對Cd的富集、轉(zhuǎn)運特征可為農(nóng)田環(huán)境重金屬的治理提供更為全面的理論基礎(chǔ)。

作為生物多樣性的重要組成部分,植食性昆蟲是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中食物鏈和食物網(wǎng)的重要環(huán)節(jié),并在重金屬的傳遞與累積過程中起到重要的媒介作用(丁平等,2012;陳瑾等,2020;黃江南等,2021)。植食性昆蟲取食富含Cd的植物,會對其體重、存活率(Jiangetal.,2017)、繁殖力、卵孵化率(Chenetal.,2022)、發(fā)育歷期(Winteretal.,2012)等產(chǎn)生不利影響。長期重金屬脅迫會提高害蟲對其他逆境(如殺蟲劑等)的耐受性(陳瑾,2018;王瑩,2018),導致害蟲種群暴發(fā)的可能性增大。此外,植食性昆蟲對植物中的Cd具有生物放大作用(Naikooetal.,2021a;2021b),可能會破壞農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的營養(yǎng)級關(guān)系、生態(tài)相互作用及功能(Daretal.,2015;2017)。

番茄Solanumlycopersicum是我國種植面積最大的蔬果作物之一(辛竹琳等,2022),Cd在土壤或種植基質(zhì)中的積累,對其生產(chǎn)造成嚴重威脅(索琳娜等,2016;吳雪等,2020;楊佳敏等,2021)。已有研究表明,Cd可抑制番茄種子的發(fā)芽勢、根的伸長、幼苗株高和干物質(zhì)積累(丁海東等,2006),而番茄葉片對Cd的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1,表現(xiàn)出較強的富集能力(賴秋羽等,2019)。植物內(nèi)的重金屬富集可能會對其上的植食性昆蟲、甚至更高營養(yǎng)級的天敵昆蟲產(chǎn)生負面作用(Naikooetal.,2021ab)。西花薊馬Frankliniellaoccidentalis是番茄的主要害蟲之一,不僅取食葉片、果實,還會傳播多種植物病毒,對番茄生產(chǎn)造成不可估計的損失(楊帆等,2011)。然而,由于西花薊馬體型小,研究者往往忽略重金屬在其體內(nèi)的積累效應。生產(chǎn)中常釋放小花蝽屬天敵防控番茄上的西花薊馬(張帆等,2015),而重金屬可以在食物鏈中逐級傳遞并積累在天敵體內(nèi),進而可能影響其防治效果(Naikooetal.,2021ab)。

因此,為明確重金屬在植物及植食性害蟲體內(nèi)的富集水平和傳遞規(guī)律,本研究以番茄-西花薊馬為研究系統(tǒng),通過水培番茄的方式,探究了不同濃度的Cd處理對番茄不同組織、西花薊馬體內(nèi)的積累效應和食物鏈間的轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響,明確了Cd沿食物鏈傳遞對害蟲西花薊馬存活的影響,以期為Cd的生物傳遞和富集提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為建立害蟲防控策略提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試植物及水培和處理

將番茄(千禧,農(nóng)友種苗中國有限公司)種子于26℃下浸泡催芽48 h,待種子長出根后挑取長勢一致的幼苗,放入定植籃(上直徑3.5 cm,下直徑2.1 cm,高3.5 cm)內(nèi)后移載在水培苗盤(61.0 cm×42.0 cm×15.0 cm)中。水培方法參考邸寧等(2014),具體為水培營養(yǎng)液為霍格蘭營養(yǎng)液(采菊東籬農(nóng)業(yè)科技)。將番茄植株置于無蟲溫室中進行生長,環(huán)境條件為光周期16 L∶8 D,溫度白天26±1℃,夜晚18±1℃,相對濕度50%±5%。

移栽兩周后,挑取長勢一致的番茄植株,放入Cd濃度分別為0(CK)、2.5(T1)、5(T2)、10(T3)和20(T4)mg/L的培養(yǎng)液中培養(yǎng)至4～5葉期備用。所用重金屬Cd為CdSO4(純度> 99%,上海麥克林生化科技有限公司)。

1.2 供試昆蟲

西花薊馬:來自北京市農(nóng)林科學院植物保護研究所應用昆蟲研究實驗室長期飼養(yǎng)種群。使用扁豆Lablabpurpureus作為食物來源進行飼養(yǎng),并置于塑料長方體飼養(yǎng)盒(24.8 cm×18.0 cm×9.0 cm)中,飼養(yǎng)盒上方具有120目紗網(wǎng)制作的通風孔(18.0 cm×9.0 cm)。西花薊馬于培養(yǎng)箱(三洋MLR-351H,日本三洋電器有限公司),溫度為26±1℃、相對濕度為65%±5%、光周期為16 L∶8 D內(nèi)飼養(yǎng)。

實驗前,參照Zhang等(2014)的方法獲得齡期一致的西花薊馬成蟲。將新鮮扁豆放入成蟲飼養(yǎng)箱中6 h后取出,置于新的養(yǎng)蟲盒中飼養(yǎng)。觀察到成蟲羽化后,取羽化72 h的雌成蟲備用。

1.3 重金屬Cd對番茄不同組織干重、鮮重和含水量的影響

按照1.1中的方法準備Cd處理的番茄植株,并分別剪取番茄根、莖、葉組織,稱取鮮重后在105℃烘箱(WGL-125B,天津市泰斯特儀器有限公司)中殺青后于70℃烘至恒重,稱取干重。每個處理3個重復。按照以下公式計算各處理含水量:

含水量(%)=(鮮重-干重)/鮮重×100

1.4 重金屬Cd在番茄不同組織的積累量

按照1.1中的方法準備Cd處理的番茄植株,并分別剪取番茄根、莖、葉組織。利用消解法,參照邸寧(2017)使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(Agilent 7900 ICP-MS,安捷倫科技中國有限責任公司)測量Cd的含量。每個處理3個重復。

1.5 西花薊馬中Cd的積累量

用頂部有通風孔(長12 cm,寬8 cm)且底部有直徑2.5 cm圓孔的塑料盒(外徑:長16.7 cm×寬12.3 cm×高12 cm,底部:長14 cm×寬9.5 cm)罩住番茄植株,將200頭西花薊馬雌成蟲接至不同處理的番茄植株上,使其取食10 d后,隨機挑取50頭雌成蟲放入1.5 mL離心管,每個離心管中放入2顆瑪瑙珠(直徑2 mm),于25℃環(huán)境下在50 Hz的多樣品組織研磨儀(Tissuelyser-192L,上海凈信實業(yè)發(fā)展有限公司)研磨成粉,隨后每個離心管內(nèi)加入100 μL DEPC水,搖勻后取出瑪瑙珠用于Cd含量檢測。

西花薊馬中Cd含量的測試采用直接進樣汞Cd測試儀(AA2288,長沙開元儀器有限公司),儀器條件(A道、B道總電流40 mA,A道輔陰極電流20 mA,B道輔陰極電流0 mA,負高壓210/270 V,空氣流量300 mL/min,氬氫氣流量700 mL/min)。標準曲線相關(guān)性系數(shù)為0.9965。每個處理3個生物學重復,每個樣品3個機械重復,測試時吸取20 uL混合均勻的研磨液。

1.6 西花薊馬的存活率

按照1.1中的方法準備好番茄植株,在第四片葉子上固定側(cè)面帶有直徑0.5 cm圓孔的小葉籠(上直徑6.2 cm,下直徑5.2 cm,高2.3 cm,圓孔用180目紗網(wǎng)封住),每個小葉籠內(nèi)接入20頭同時羽化的西花薊馬雌成蟲,48 h后記錄其存活數(shù)量。每個處理10個重復。

1.7 重金屬Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)

按照以下公式計算Cd在番茄各部位間和番茄-害蟲間的轉(zhuǎn)移系數(shù)(Daretal.,2017):

轉(zhuǎn)移系數(shù)=后一營養(yǎng)級(組織)干重中的Cd濃度/前一營養(yǎng)級(組織)干重中的Cd濃度。

按照以下公式計算重金屬在番茄各組織間和害蟲中的富集系數(shù)(Arontetal.,2006):

富集系數(shù)=各個組織中Cd濃度/營養(yǎng)液中Cd濃度。

1.8 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 23.0對Cd處理后番茄植株根、莖、葉的干鮮重、Cd含量以及西花薊馬的Cd含量進行單因素方差分析(one way ANOVA,P<0.05),并進行多重比較(Duncan’s新復極差法,P<0.05)。其中番茄含水量和西花薊馬的存活率數(shù)據(jù)進行了反正弦轉(zhuǎn)換。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同Cd濃度處理對番茄根莖葉鮮重和干重的影響

2.1.1不同Cd濃度處理下番茄根莖葉的鮮重

與對照相比,隨著Cd濃度的升高,番茄根、莖、葉的鮮重均呈顯著下降趨勢(圖1-a,根F=106.924,df=4, 14,P<0.001;莖F=197.585,df=4, 14,P<0.001;葉F=381.754,df=4, 14,P<0.001),Cd處理濃度越高鮮重越低。對照組番茄根、莖、葉的鮮重為T4處理組的2倍以上(圖1-a)。

圖1 不同Cd濃度對番茄各組織干、鮮重的影響Fig.1 Effects of different Cd concentrations on the fresh weight and dry weight of different tomato tissues注:a,鮮重;b,干重。CK,0 mg/L Cd2+;T1,2.5 mg/L Cd2+;T2,5 mg/L Cd2+;T3,10 mg/L Cd2+;T4,20 mg/L Cd2+。圖中數(shù)據(jù)為平均值±標準誤。不同字母表示各個處理間差異顯著(P<0.05)。下圖同。Note: a, Fresh weight; b, Dry weight. Data in the figure were means±SE. Different letters indicated significant differences among treatments (P<0.05).Same below.

2.1.2不同Cd濃度處理下番茄根莖葉的干重

與對照相比,隨著處理組Cd濃度的升高,番茄根、莖、葉的干重均呈下降趨勢(圖1-b,根F=17.561,df=4, 14,P<0.001;莖F=13.304,df=4, 14,P=0.001;葉F=45.710,df=4, 14,P<0.001)。對照組番茄各組織干重顯著高于Cd處理組,均達T4處理組番茄根、莖、葉干重的2倍以上(圖1-b)。

2.2 不同Cd濃度處理下番茄根莖葉的含水量

各處理組番茄根的含水量差異顯著(圖2,F=4.412,df=4, 14,P=0.026),T1最高,T4最低,其余處理組間無顯著差異。各處理組莖的含水量均無顯著差異(圖2,F=0.544,df=4, 14,P=0.708)。隨Cd處理濃度增加,葉片含水量呈降低趨勢(F=57.088,df=4, 14,P<0.001),由高至低依次為CK、T1、T2、T3、T4(圖2)。

圖2 不同Cd濃度對番茄各組織含水量的影響Fig.2 Effects of different Cd concentrations on the water content of different tomato tissues

2.3 不同Cd濃度處理下番茄根莖葉的Cd含量

番茄根中Cd積累量差異顯著(圖3-a,F=155.577,df=4, 14,P<0.001)。對照組根的累積量基本為0,而T4處理組番茄根中的積累量達19 333±233.38 mg/kg。隨著Cd濃度的升高,番茄莖、葉中Cd積累量從低到高低依次為CK、T1、T2、T3、T4。莖中的積累量在T2與T3之間無顯著差異,其余均存在顯著差異(圖3-b,F=106.521,df=4, 14,P<0.001)。葉中的Cd積累量T1與T2無顯著差異,其余均存在顯著差異(圖3-c,F=184.717,df=4, 14,P<0.001)。隨Cd濃度升高,番茄根、莖、葉內(nèi)的Cd積累量也逐漸增加,Cd在番茄各組織間的積累量排序為根>葉>莖,在根內(nèi)積累量最大,遠遠大于莖葉,最大累積量可達到莖葉的130倍以上。

圖3 不同Cd濃度對番茄根、莖、葉Cd積累的影響Fig.3 Effects of different Cd concentrations on Cd accumulation in tomato roots, stem and leaves注:a,根鎘含量;b,莖鎘含量;c,葉鎘含量。Note:a, Cd accumulation of roots; b, Cd accumulation of stem; c, Cd accumulation of leaves.

2.4 不同Cd濃度處理下西花薊馬成蟲的Cd含量

隨著各處理Cd濃度的升高,西花薊馬體內(nèi)的Cd積累量也逐漸增加,薊馬體內(nèi)的Cd積累量從低到高低依次為CK、T1、T2、T3、T4,且對照組西花薊馬體內(nèi)的Cd積累量顯著低于其他4個Cd處理組(圖4-a,F=9.916,df=4, 14,P=0.002)。

圖4 不同Cd濃度對西花薊馬Cd積累量和存活率的影響Fig.4 Effects of different Cd concentrations on Cd accumulation and survival rate of Frankliniella occidentalis注:a,鎘積累量;b,存活率。Note:a, Cd accumulation; b, Survival rate.

2.5 不同Cd濃度處理下西花薊馬成蟲的存活率

隨著各處理Cd濃度的升高,西花薊馬成蟲的存活率逐漸降低,除T1外,其他處理的西花薊馬成蟲的存活率均顯著低于對照組(圖4-b,F=18.288,df=4, 49,P<0.001)。

2.6 不同Cd濃度處理下番茄根-莖-葉-西花薊馬的轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)

不同Cd濃度處理下,隨著Cd濃度的升高,根-莖、莖-葉的轉(zhuǎn)移系數(shù)均逐漸降低(表1)。根-莖的轉(zhuǎn)移系數(shù)較低,轉(zhuǎn)移系數(shù)低于0.94。而由莖-葉的轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1,表明Cd從莖到葉片中的傳遞效率較高。薊馬取食葉片,而由葉片到薊馬的轉(zhuǎn)移系數(shù)為0.01左右,低于1。隨Cd濃度升高,Cd在根、莖、葉、薊馬的富集系數(shù)系數(shù)均逐漸降低(表2)。在根中的富集系數(shù)最高可達上千倍,在莖中最高達25倍,葉中最高達40倍,而薊馬中的富集系數(shù)最大為0.49倍。

表1 重金屬Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)Table 1 Transfer coefficients of Cd

表2 重金屬Cd的富集系數(shù)Table2 Bio-accumulation factor of Cd

3 結(jié)論與討論

本研究圍繞重金屬Cd在植物與害蟲之間的傳遞,研究了不同濃度的Cd處理對番茄植株生理指標的影響,并明確了Cd在番茄不同組織的傳遞和積累,以及在害蟲西花薊馬中的富集效應及對西花薊馬存活的影響。結(jié)果表明,隨著Cd處理濃度的增加,番茄根、莖、葉的干鮮重和含水量均逐漸降低,而Cd積累量顯著升高,可能是由于Cd抑制了植物的生長發(fā)育與營養(yǎng)物質(zhì)的積累(Daretal.,2017)。前人研究表明,在Cd脅迫下,擬南芥根長變短、葉片變小(張衛(wèi)娜等,2016);花生營養(yǎng)生長被抑制,葉綠素含量、凈光合速率降低,進而產(chǎn)量下降(高芳等,2011)。本研究也表明相同時期種植的番茄,Cd處理濃度越高長勢越差,可能是由于生長受抑制,進而影響了營養(yǎng)物質(zhì)的積累。

植物的根系作為植物吸收土壤營養(yǎng)的主要器官,同時也是植物吸收并積累Cd的主要器官,因而植物根系的Cd吸收能力直接影響到地上部的遷移能力(肖美秀等,2006;周靜等,2018;Naikooetal.,2021a)。本研究表明,番茄根中Cd的積累量顯著高于莖和葉片,且Cd從營養(yǎng)液到根系的轉(zhuǎn)移系數(shù)在整個研究體系中最大,該趨勢與Probst等(2009)、Naikoo等(2019a)和Dar等(2017)的報道相一致。雖然番茄的地上部分Cd的含量較低,但是Cd的毒性作用并未被削弱,因為番茄莖和葉片的物質(zhì)積累被顯著抑制。尤其當Cd由莖向葉片轉(zhuǎn)移時,其轉(zhuǎn)移系數(shù)遠大于1,表明葉片能夠顯著富集Cd。而葉片是植物最重要的器官之一,Cd的顯著積累直接影響了植物的光合作用,進而降低了其干重和鮮重。

一般來說,植食性昆蟲偏好含水量低的植物(Dietal.,2018)。隨Cd處理濃度的升高,葉片含水量顯著降低,而由于昆蟲對Cd污染植物的盲目選擇性(Hladunetal.,2015;邸寧,2017),會增加昆蟲取食Cd積累葉片的幾率。本研究發(fā)現(xiàn),Cd從番茄葉片轉(zhuǎn)移到西花薊馬的體內(nèi)時,轉(zhuǎn)移系數(shù)小于1,表明西花薊馬取食Cd積累的番茄葉片后,該重金屬并未在其體內(nèi)產(chǎn)生生物放大作用。然而,隨Cd處理濃度的增高,西花薊馬體內(nèi)顯著積累Cd,增加了種群受到Cd毒性作用的風險。生物對重金屬Cd的富集也與暴露時間有關(guān)。本研究使西花薊馬取食含Cd的番茄葉片的時間為 10 d,且該害蟲只能接觸到莖和葉片,這也可能是本研究所得轉(zhuǎn)移系數(shù)較低的原因。不同的是,Naikoo等(2021a)將黑豆蚜Aphisfabae放入Cd污染的蠶豆植株上取食21 d后,發(fā)現(xiàn)Cd由蠶豆到黑豆蚜的轉(zhuǎn)移系數(shù)高于1,表明黑豆蚜顯著富集Cd。有大量報道表明昆蟲取食含Cd植物后,Cd在昆蟲中表現(xiàn)為生物放大作用(Greenetal.,2010;Wangetal.,2017;Daretal.,2017)。由此可見,植食性害蟲取食被Cd污染的植物葉片后,其積累和富集該重金屬的水平受不同暴露時間和不同的昆蟲種類的影響。本研究結(jié)果驗證了西花薊馬會通過取食Cd污染的番茄被動的積累Cd的假設。生產(chǎn)中,西花薊馬不僅在番茄苗期為害,在開花期和坐果期爆發(fā)的幾率更大,若該害蟲長期于Cd污染的番茄上取食,其富集量可能會顯著增加。當釋放天敵進行西花薊馬的防控時,天敵體內(nèi)被動積累重金屬Cd的幾率加大,將不利于天敵的持續(xù)控害(Daretal.,2017)。

本研究明確了Cd由營養(yǎng)液到番茄根,根到莖,莖到葉片,葉片到害蟲西花薊馬體內(nèi)的轉(zhuǎn)移和富集情況,發(fā)現(xiàn)隨Cd處理濃度的增加,植物的干、鮮物質(zhì)積累以及西花薊馬存活量顯著降低,且植物各組織和害蟲體內(nèi)的Cd積累量顯著增加。該結(jié)果為Cd的生物傳遞和富集提供了研究基礎(chǔ),為番茄生產(chǎn)中需注意重金屬的危害和害蟲及天敵的潛在影響提供了理論支撐。為進一步揭示Cd對番茄物質(zhì)積累影響的原因,還需對其光合作用效率等生理生化指標進行測定。同時,也需對Cd經(jīng)由番茄-西花薊馬-天敵食物鏈對天敵的毒性效應進行更為系統(tǒng)的研究。