镉砷低积累菜心品种的筛选

吕梦婷，陈 雪，易忠惠，何 冰，王学礼，顾明华，韦燕燕

(广西壮族自治区农业环境与农产品质量安全重点实验室(培育)，广西大学农学院，广西 南宁 530004)

【研究意义】随着工业化的发展，大量工业“三废”的超标排放及农药、化肥的大量施用导致重土壤和水体重金属污染问题日趋严重[1]，其中，重金属Cd和As污染极为普遍。据相关研究报道，我国受Cd、Cr、As等重金属元素污染的农业耕地面积约133.33 万hm2[1]，Cd和As的污染对人体健康产生严重威胁。因此，选育低Cd和As积累作物品种降低作物对Cd和As的吸收和积累，对保障食品质量安全及人体健康具有重要意义。【前人研究进展】我国土壤重金属污染多表现为复合污染，尤其以As、Cd复合超标问题突出[2]。由于蔬菜对重金属的富集系数远远高于其他农作物，因此蔬菜的重金属污染问题更加突出。师荣光等[3]对天津市郊的21 个蔬菜品种进行研究，结果显示各类蔬菜主要受Cd和As污染，并且这两种重金属元素的变异系数相对于其他重金属元素较大。李明德等[4]对长沙市部分蔬菜进行调查，结果发现受重金属污染的均为叶菜类蔬菜，半数叶菜类蔬菜样品Cd超标，这些蔬菜地近2/3的土壤受到Cd污染。胡小玲等[5]对珠海市61份叶菜样品的检测结果显示，Cd和Pb的超标率分别达到24.6 %和8.2 %。【本研究切入点】目前，国内外针对植物对单一重金属元素低积累品种筛选的研究较多，但是关于在复合污染土壤上进行Cd、As低积累植物品种筛选的研究较少。【拟解决的关键问题】开展不同品种菜心在Cd和As复合污染土壤中的生长能力及重金属积累能力试验，筛选出在不同Cd和As污染浓度土壤上表现稳定的低积累Cd和As的菜心品种，为低毒菜心品种的合理选育及保障食品安全提供科学参考。

表1 供试土壤的理化性质

1 材料与方法

1.1 供试材料

采集广西某Cd、As复合污染地区3 个不同污染浓度的表层土壤(深度0～20 cm)，经风干、磨碎、混匀后，过2 mm筛备用。土壤基本理化性质见表1，L、M和H分别代表低、中、高As、Cd复合污染土壤；供试的10个菜心品种为，1：东莞50天柳叶油翠甜菜心王；2：青丰-四九菜心；3：香港菜场2号油青菜心；4：喜粮-澳洲特靓31号多芽油青甜菜心；5：喜粮-深圳四季尖叶油青甜菜心(改良368)；6：美甜3号菜心；7：冯子龙-新西兰701多芽柳叶菜心王；8：矮脚45菜心；9：广州-珍芯油青尖叶甜菜心；10：青丰红菜苔。

1.2 试验设计

采用土培试验，盆栽采用高30 cm、直径25 cm的塑料桶，每桶装土8 kg，每品种重复3 次。

菜心种子用2 % NaClO消毒10 min，洗净后用水浸泡过夜，然后放在湿润纱布上避光催芽3 天，挑选发芽的种子撒到土壤中，生长至三叶一心期时对其进行间苗，每盆留5 株，每天进行水分管理，土壤相对含水量保持在70.00 %～80.00 %，生长2 个月后收获。

1.3 样品采集与分析测定

成熟后收集菜心植株的可食用部分，先用自来水冲洗净，然后用0.1 % HCl溶液浸洗10 min，再用去离子水洗净，吸水纸吸干，称鲜重。

土壤的理化性质测定：参照常规分析法[6]，土壤全Cd和As的含量采用王水 (HNO3∶HCl=1∶3) 微波消解法，消解液中Cd和As含量采用ICP-MS (Agilient 7500a，USA) 测定。

菜心样品Cd和As含量的测定：称取约2.00 g的样品，加入4 mL HNO3和1 mL H2O2，置于微波消解仪 (CEM Mars6) 中消解，消解液中Cd和As含量采用ICP-MS (Agilient 7500a, USA) 测定。

富集系数( Bioconcentration Factor, BCF) = 地上部重金属质量浓度/土壤重金属平均质量浓度[7]

1.4 数据分析方法

采用Excel 2003进行数据的统计分析和绘图，SPSS 17.0进行方差分析，采用Duncan检验法进行多重比较检验处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同污染浓度土壤上不同菜心品种的生物量

供试的10 个菜心品种在L、M和H 3个土壤处理下地上部分生物量的平均值分别为57.82、53.47和50.47 g/pot，其随着土壤Cd和As含量的增加而下降(表2)。3 个土壤处理下品种效应和土壤处理效应均极显著相关(P<0.01，表3)。与处理L相比，处理M和H使大部分菜心品种的生物量明显降低，平均值表现为处理L显著高于处理H(P<0.05)。10 个菜心品种中生物量最高的是品种10，平均值为84.26 g/pot，最低的是品种1，平均值为20.87 g/pot。

聚类分析(图1)表明，10 个菜心品种可分为高、中和低产3 种类型，其中在3 种不同污染浓度的土中表现稳定高产的为品种8、品种10和品种9，表现稳定低产的品种为品种2、品种1和品种3。

表2 不同污染浓度土壤上10 种不同菜心品种的生物量

注：同一列中不同小写字母表示不同品种间差异显著(P<0.05)。

Note： Different lowercase letters in the same column indicated that there were significant differences between different varieties(P<0.05).

表3品种、土壤处理、品种×处理的交互效应对供试菜心品种生物量影响的双因素方差分析结果

Table 3 Effects of cultivar, soil treatment and cultivar × treatment on the testedChinesefloweringcabbagecultivars biomass of two-way ANOVA results

变异来源Sourceofvariance地上部生物量(鲜样)(g/pot)Shootbiomass(freshsample)方差SS均方MSF值Fvalue品种Cultivar49411 495490 17629 92∗∗处理Treatment779 95389 9744 74∗∗品种×处理Cultivar×Treatment206 9311 501 32∗∗误差Error522 948 72总变异Total312073 38

注：**表示在P<0.01水平具有显著意义。

Note：**indicates significance atP<0.01 level.

2.2 不同污染浓度土壤上不同菜心品种对Cd积累能力

方差分析结果见表4。在3 个不同土壤处理下，茎叶中Cd含量的品种效应差异极显著(P<0.01)。10个品种在L、M和H 3个土壤处理水平下的Cd含量范围分别为0.07～0.34 mg/kg FW(平均值为0.18 mg/kg FW)、0.19～0.92 mg/kg FW(平均值为0.51 mg/kg FW)和0.42～2.07 mg/kg FW(平均值为1.00 mg/kg FW)，品种间含量的最大差异分别达4.86、4.84、4.93倍，变异系数分别为54.63 %、38.99 %和54.98 %。不同土壤处理和不同品种之间对茎叶Cd含量的交互作用也达到极显著水平(P<0.01)。

根据GB 2762-2012[8]，叶菜中Cd含量最高限值为0.2 mg/kg。在3 个不同土壤处理水平下，除L处理中品种1、品种4、品种5、品种7、品种10、品种9和M处理中品种10的茎叶Cd含量低于0.2 mg/kg外，其余处理下的菜心品种茎叶Cd含量均超过标准范围(图2)。

聚类分析(图3)结果表明，10 个菜心品种可分为高、中和低Cd积累类型，其中在3 种不同污染浓度的土中表现稳定高积累Cd的品种为品种3，表现稳定低积累Cd的品种为品种10和品种9。

2.3 不同污染浓度土壤上不同菜心品种As的积累能力

在3 个不同土壤处理下，茎叶中As含量的品种效应达到极显著(P<0.01)(表5)。10 个品种在3 个土壤处理水平下的As含量范围分别为0.01～0.04 mg/kg FW(平均值为0.02 mg/kg FW)、0.04～0.15 mg/kg FW(平均值为0.08 mg/kg FW)、0.09～0.57 mg/kg FW(平均值为0.26 mg/kg FW)，品种间的最大差异分别达4.00、3.75、6.33 倍，变异系数分别为47.32%、45.74 %、70.24 %。不同土壤处理和不同品种之间对茎叶As含量的交互作用也达到极显著水平(P<0.01)。

图1 低(L)、中(M)、高(H)污染浓度土壤上10 种不同菜心品种生物量聚类图Fig.1 Biomasses clustering figure of the ten Chinese flowering cabbage cultivars under low (L), medium (M) and high (H) polluted soil

表4 品种、土壤处理、品种×处理的交互效应对供试菜心品种茎叶Cd含量影响双因素方差分析的结果

注：**表示在P<0.0l水平具有显著意义。

Note：**indicates significance atP<0.01 level.

根据GB2762-2012[8]，叶菜中As含量最高限值(0.5 mg/kg)，在3 个不同土壤处理水平下，除了H处理中品种3和品种6的茎叶As含量高于0.5 mg/kg外，其余的处理下菜心品种茎叶As含量均未超出标准范围(图4)。

聚类分析(图5)表明，10 个菜心品种可分为高、中和低As积累类型，其中在3 种不同污染浓度的土中表现稳定高积累As的品种为品种3和品种6，表现稳定低积累As的品种为品种10。

2.4 不同污染浓度土壤上不同菜心品种对Cd的富集系数

如图6所示，在L、M和H处理下，菜心Cd富集系数的范围分别为6.60～32.34(平均为17.39)、5.86～28.77(平均为15.97)和6.60～32.24(平均为15.54)，表明在不同Cd污染浓度水平下，菜心Cd富集系数比较接近。

2.5 不同污染浓度土壤上不同菜心品种对As的富集系数

供试的菜心品种在不同土壤处理下的As的富集系数如图7所示。在L、M和H处理下，菜心As富集系数较接近，其范围分别为0.03～0.13(平均为0.07)、0.04～0.13(平均为0.07)和0.03～0.23(平均为0.10)。

图2 低(A)、中(B)、高(C)污染浓度土壤上10 种不同种类菜心茎叶Cd的含量Fig.2 Stems and leaf cadmium concentrations in ten Chinese flowering cabbage cultivars under low (A), medium (B) and high (C) polluted soil

图3 低(L)、中(M)、高(H)污染浓度土壤上10 种不同种类菜心茎叶Cd含量聚类图Fig.3 Stems and leaf cadmium concentrations clustering figure in ten Chinese flowering cabbage cultivars under low (L), medium (M) and high (H) polluted soil

3 讨 论

菜心是我国南方广泛种植的叶类蔬菜。Cd和As不是植物生长的必需元素，土壤中其含量到达一定程度后会对菜心生长产生危害，浓度越高，危害越大。本试验中，不同品种菜心在Cd和As胁迫下生长状况响应均存在差异，随着Cd和As浓度的增加，青丰-四九菜心、东莞50天柳叶油翠甜菜心王、香港菜场2号油青菜心和冯子龙-新西兰701多芽柳叶菜心王的生长受到显著抑制，说明这4个品种是Cd和As敏感型；而Cd和As浓度的增加对矮脚45菜心、青丰红菜苔和广州-珍芯油青尖叶甜菜心的生长影响不显著，说明这3个品种对Cd和As有很强的抗性，属于Cd和As耐型。

表5品种、土壤处理、品种×处理的交互效应对供试菜心品种茎叶As含量影响双因素方差分析的结果

Table 5 Effects of cultivar, soil treatment and cultivar × treatment on the testedChinesefloweringcabbagecultivars stems and leaf arsenic concentrations of two-way ANOVA results

变异来源Sourceofvariance茎叶As含量(mg/kg)ShootAsconcentrations方差SS均方MSF值Fvalue品种Cultivar0 130 0295 13∗∗处理Treatment0 170 09550 40∗∗品种×处理Cultivar×Treatment0 130 0147 51∗∗误差Error0 010 00总变异Total1 00

注:**表示在P<0.0l水平具有显著意义。

Note：**indicates significance atP<0.01 level.

图4 低(A)、中(B)、高(C)污染浓度土壤上10 种不同种类菜心茎叶As的含量Fig.4 Stems and leaf arsenic concentrations in ten Chinese flowering cabbage cultivars under low (A), medium (B) and high (C) polluted soil

从地上部生物量可以看出，随着土壤污染浓度的升高，除广州-珍芯油青尖叶甜菜心外的9个菜心品种的生长均受到抑制作用。而菜心地上部分的Cd和As含量存在显著的品种间差异，低、中、高污染条件下，青丰红菜苔的As、Cd含量均最低，分别为0.01和0.07、0.05和0.19、0.09和0.42 mg/kg，相同污染浓度下其它几个品种As和Cd含量分别为青丰红菜苔的1～4和1～4 倍、1～3和1.5～5 倍、1.5～6和1～3 倍。由此可见，不同品种的菜心对重金属的吸收存在差异，利用菜心品种间差异选育重金属低积累品种已经成为一种降低人们日常重金属摄食量的重要策略。黄志亮[11]的研究发现在同一Cd污染水平土壤中不同品种的大白菜和甘蓝的品种地上部可食用部位积累的Cd含量是有差异的，分别为0.19～0.60 mg/kg FW、0.04～0.43 mg/kg FW，差异最大倍数分别为3 倍和10 倍左右。张海波[12]的研究发现在同一Cd污染水平土壤中不同辣椒品种地上部Cd含量差异最大约为2 倍；邱丘[13]的研究发现不同菜心品种可食用部位Cd含量差异在4～5 倍以上；Zheng等[14]研究发现不同品种萝卜可食用部位Cd含量差异约为2.5 倍；安堃达[15]研究了不同品种黄瓜对As积累的差异，结果表明，黄瓜根部、叶部、茎部和果实As的含量差异分别为7.62、2.34、4.79和3.01 倍，且不同基因型之间差异显著。Baker[16]根据植物对重金属的吸收、转移和积累机制将植物分为积累型(超积累型)、指示型(敏感型)和排斥型等三类[17](根据含金属积累植物的基因或基因组[18])。本研究的10 种供试菜心中，Cd和As耐型品种青丰红菜苔的Cd、As积累浓度低于Cd、As敏感型青丰-四九菜心、香港菜场2号油青菜心和冯子龙-新西兰701多芽柳叶菜心王，说明青丰红菜苔是通过抑制Cd和As在植株内的积累来抵抗Cd和As胁迫的，属于排斥型机制。而矮脚45菜心的Cd积累浓度比较高，属于积累型。

图5 低(L)、中(M)、高(H)污染浓度土壤上10 种不同种类菜心茎叶As含量聚类图Fig.5 Stems and leaf arsenic concentrations clustering figure in the ten Chinese flowering cabbage cultivars under low (L), medium (M) and high (H) polluted soil

图6 低(A)、中(B)、高(C)污染浓度土壤上10 种不同种类菜心茎叶Cd的富集系数Fig.6 Stems and leaf cadmium enrichment coefficient in ten Chinese flowering cabbage cultivars under low (A), medium (B) and high (C) polluted soil

4 结 论

本研究条件下，青丰红菜苔是生物量高、As、Cd低积累的品种，广州-珍芯油青尖叶甜菜心是生物量高、Cd低积累的品种，青丰红菜苔品种对Cd和As的生长耐性强，且在不同Cd和As污染的土壤上都表现出稳定的低积累Cd和As的特性，可在生产中推广应用。

图7 低(A)、中(B)、高(C)污染浓度土壤上10 种不同种类菜心茎叶As的富集系数Fig.7 Stems and leaf arsenic enrichment coefficient in the ten Chinese flowering cabbage cultivars under low (A), medium (B) and high (C) polluted soil

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