耐镉辣椒种质资源的筛选及其镉积累特性

廖芳芳，邢 丹*，姜敬伟，胡明文，詹永发，杨 红

(1.贵州省农业科学院 辣椒研究所，贵州 贵阳 550006； 2.贵州省农业科学院，贵州 贵阳 550006)

耕地镉污染是农业生态环境中最为广泛关注的问题，其对农产品质量构成严重威胁。镉通过食物链进入人体，损伤肾小管，使骨骼代谢受阻，造成骨质疏松、萎缩变形，严重危害人体健康[1-4]。辣椒种质资源是开展辣椒育种的前提和基础，要做到对原始资源的合理、正确利用，就必须对所搜集的资源进行鉴定和评价。为进一步利用、开发这些种质资源，提高辣椒安全生产，降低人类食用辣椒的潜在重金属镉风险，因而需要深入发掘耐镉(或镉低积累)的辣椒优异种质资源。目前，对植物耐镉材料的研究主要集中在水稻[5]、玉米[6]等重要的粮食作物和番茄[7]、白菜[8]等经济作物方面,关于耐镉低镉辣椒优异种质资源研究还鲜见报道。鉴于此，开展镉胁迫条件下的辣椒发芽试验和盆栽试验，筛选耐镉的辣椒优异种质资源，为镉低积累辣椒品种培育提供基础材料。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 辣椒种质资源 34个供试辣椒种质材料均由贵州省辣椒研究所提供，编号为P1～P34。其中，P1～P15属线椒，共15份；P16～P26属散生朝天椒，共11份；P16～P29属簇生朝天椒，共3份；P30～P32属羊角椒，共3份；P33～P34属牛角椒，共2份。

1.1.2 供试土壤 盆栽试验土壤(黄壤)采自贵州省农业科学院茶园，理化性质为全氮1.063 g/kg,全磷2.061 g/kg,全钾14.348 g/kg,有机质15.428 g/kg,碱解氮210.329 mg/kg,有效磷59.473 mg/kg,有效钾764.163 mg/kg,全镉0.003 2 mg/kg。为避免引起土壤二次污染，用不锈钢铲随机采集表层1～20 cm的混合土样装入干净的编织袋，自然风干后过5 mm不锈钢筛去除杂物，搅拌混匀备用。

1.2 方法

1.2.1 发芽试验 试验于2016年12月在贵州省农业科学院辣椒研究所实验室进行。以34个辣椒种质材料为试验对象，以镉离子浓度为试验因子进行种子发芽试验。根据前期预试验结果，以及中国蔬菜用地镉轻度污染浓度(0.30～0.60 mg/kg)标准[9-10]，设置镉离子浓度为0.5 mg/L，同时设置清水对照。溶液采用分析纯CdCl2·2.5H2O 与去离子水配制成处理质量浓度。

每个辣椒种质材料分别挑选饱满度一致的种子150粒，放入55℃温水浸泡10 min捞出，清水冲洗干净后用去离子水反复冲洗待用。按国标GB/T 3543.4进行发芽试验，将消毒好的种子置于直径为9 cm、内铺双层滤纸的培养皿，培养皿内分别移取等量不同处理的镉离子溶液，以浸湿滤纸为宜，每个处理3次重复，每个重复种子50粒，加盖以防止水分蒸发。将培养皿置于人工气候培养箱中，(28±1)℃条件下恒温箱培养14 d，每天调查种子发芽数(以胚根长达种子长1/2作为萌芽标志)，并补充等量去离子水和镉离子水溶液保持滤纸湿润。以第7天和第14天发芽数分别计算发芽率和发芽势，测量发芽至第14天时的根长和芽长。以镉胁迫下各辣椒种质材料的发芽率、发芽势、胚芽长、胚根长作为聚类指标，采用欧式距离法对供试辣椒材料进行聚类分析。

发芽率=(发芽种子数/供试种子总数)×100%

发芽势=(7 d内发芽种子总数/供试种子总数)×100%

胁迫指数(I)=1-(处理值/对照值)

1.2.2 盆栽试验 试验于2017年4月在贵州省农业科学院辣椒研究所基地塑料大棚内进行。以34个供试辣椒种质材料为试验对象，以土壤添加重金属镉浓度为试验因子进行盆栽试验。采用人工添加CdCl2·2.5H2O的方法处理土壤，根据中国蔬菜用地镉轻度污染浓度(0.30～0.60 mg/kg)标准[9-10]，设置镉离子浓度为0.5 mg/kg，以不添加CdCl2·2.5 H2O的土壤为对照。将剔除杂质的黄壤按每盆4.0 kg装入塑料盆(盆上直径25 cm，下直径20 cm，高24 cm)内，加等量自来水充分搅拌。每个处理3次重复，共204盆。

2017年4月18日将配制好的镉溶液均匀喷于土样中，充分搅拌后将土样装入经稀酸浸泡并冲洗干净的托盘，对照加入等量清洁自来水，静置30 d。辣椒种质材料于4月7日播种，5月19日移栽，每盆栽1株，常规管理。辣椒生长期间用自来水浇灌，成熟后测定根、茎叶、果实和土壤中镉含量。辣椒根、茎叶、果实中镉含量的测定按照GB/T 5009.15-2014消解，土样镉含量按照GB/T 17141-1997方法消解，消解液用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)进行检测。根据测量结果计算镉的富集系数和转运(迁移)系数。

富集系数(BCF)=辣椒果实中镉含量/土壤中镉含量

迁移系数(TF)=辣椒果实中镉含量/根中镉含量

1.3 数据处理

所有数据均采用Microsoft Excel 2007和SPSS20.0进行统计与分析。

2 结果分析

2.1 镉胁迫条件下辣椒种子的萌发情况

2.1.1 发芽率与发芽势 发芽势反映种子的活力高低，发芽势高的种子的活力高、出苗齐。发芽率反映出苗率，发芽率高的种子出苗率高[5]。从表1看出，在0.5 mg/kg镉胁迫条件下，34个辣椒种质材料的平均发芽率、发芽势分别为53.07%和33.05%，与对照相比分别增加0.84和2.01百分点，说明0.5 mg/kg浓度镉处理对大部分辣椒种子萌发有促进作用。镉胁迫对P7、P15、P20、P23种质材料的发芽率无显著影响，胁迫指数为0或接近0，但P7、P15、P23的发芽率均大于等于90%；而对P10和P3的发芽率的抑制作用最明显，胁迫指数均大于0.6。

2.1.2 胚根与胚芽 镉胁迫对辣椒种子胚芽长及胚根生长均有不同程度的抑制效应。镉处理下34个辣椒种质材料胚芽长平均为30.23 mm，比对照短14.24%；种质材料间芽长胁迫指数在-0.07～0.42，平均为0.14，不同种质材料受镉抑制程度不同，其中镉胁迫对P6、P10、P20、P26的芽长抑制作用较小，其胁迫指数均在0或0以下； P2、P15、P19、P22受镉抑制较明显，芽长胁迫指数均在0.30以上。

镉处理下辣椒种子胚根长平均为36.79 mm，比对照短27.64%；胚根长胁迫指数在-0.10～0.80，平均为0.25。镉胁迫对P11、P12、P25、P28的胚根长抑制作用较小，胁迫指数均在0以下；镉胁迫对P2、P3、P7、P15的根长抑制效应较明显，胁迫指数均大于等于0.65。

镉对辣椒种子胚芽生长的抑制作用小于对胚根的抑制，这可能是由于重金属镉最先被种子根部吸收累积，然后逐步向芽传导产生抑制效应的结果[6]。

表1 不同处理辣椒种子的萌发情况

2.2 不同辣椒种质材料耐镉特性聚类

通过聚类分析(图1)发现，不同辣椒种质材料之间耐镉特性存在差异，34个辣椒种质材料耐镉特性可划分为三大类型：第1类为P15、P7、P23及P13，种子发芽期间受镉的综合抑制相对较弱，属镉耐受型材料；第2类为P8、P34、P16、P28、P31、P27、P30、P17、P20、P9、P5、P11、P22及P1，耐镉性中等，属中间型材料；第3类为P2、P33、P10、P25、P26、P29、P21、P24、P32、P18、P19、P4、P6、P14、P12及P3，耐镉性较差，属镉敏感型材料。

2.3 不同辣椒种质材料镉吸收积累的差异

由表2看出，不同种质材料辣椒对镉的累积差异较为明显，相同辣椒种质材料各部位镉含量表现为根>茎叶>果实，表明，镉主要积累在辣椒植株根部，其次是茎叶，果实积累量最低。

在浓度0.5 mg/kg 镉胁迫下，辣椒果实镉含量为0.032～0.405 mg/kg，34个辣椒种质材料中有94.12%超出国家食品安全标准(GB2762-2012，镉含量<0.05 mg/kg)。其中，P24果实镉含量最高，为0.405 mg/kg；P23果实镉含量最低，为0.032 mg/kg，其最高值是最低值的13倍左右。总体看，镉高积累性状的辣椒种质材料有P24、P32、P30、P6及P18，镉低积累的有P15和P23。

图1 Cd胁迫对34个辣椒品种(系)综合抑制效应的聚类

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

富集系数反映植物吸收积累重金属能力，通常系数越大，说明该植物富集效率越高。研究表明，P23的富集系数最低；P17、P18、P19、P20、P24、P32和P34的富集系数均大于1，说明该7个辣椒种质材料具有镉超富集特性。

表2 0.5 mg/kg Cd胁迫下辣椒种质资源不同部位的镉积累能力

转运系数反映植物根部向地上部运输重金属的能力，一般系数越大说明该植物转运重金属能力越强。辣椒根-果实间的Cd迁移系数在0.015～0.229，其中P23及P33的迁移能力最弱，其迁移系数小于0.03；P11、P24及P32的迁移能力最强，其迁移系数大于0.2。

3 结论与讨论

以34个辣椒种质材料为材料，研究辣椒萌发期镉耐受性及大田生长期间辣椒植株镉积累性。结果表明：不同辣椒种质资源的发芽势、发芽率及胚根、胚芽长度均受镉胁迫不同程度的抑制，其中根长度受到的抑制作用最强。已有研究表明，根系是最直接、最严重的受害器官之一，用Cd处理水稻、青菜、白菜等种子，可显著抑制根系的伸长生长，且随Cd处理浓度的增加影响加剧[8-10]，这可能是由于重金属Cd最先被种子根部吸收累积，然后逐步向芽传导产生抑制效应的结果[6]。0.5 mg/L 浓度的Cd胁迫对多数辣椒种质材料的种子萌发有促进效应，说明供试的辣椒资源在0.5 mg/L镉浓度时耐受能力较强。利用聚类分析将34个辣椒种质材料耐镉差异划分为三大类型，不同辣椒种质材料的耐镉性存在一定差异，其中P15、P7、P23及P13辣椒种子萌发期对镉的耐受能力较强。

植物对镉的吸收和积累存在明显的种类间和品种间差异[11]，这主要是由植物自身的遗传因素所控制，同时也受土壤Cd浓度及有效性、土壤pH和施肥等因素的影响[12-14]。研究表明，在0.5 mg/kg浓度Cd胁迫处理下，34份辣椒种质材料各器官镉含量在材料间表现出极显著差异，其中果实镉含量最大值是最小值的13倍左右，相似研究结果在小麦、玉米等作物中也有报道[15-16]。

Cd积累能力差异为辣椒镉低积累材料的聚类筛选提供了前提条件。Cd低积累植物至少需要满足2个条件[11，17]：一是对Cd具有较强的耐性，以保证其正常生长和经济产量的获得；二是可食部分Cd积累能力较低或低于相应的标准。在Cd低积累植物的筛选过程中，不同的培养环境和土壤Cd污染浓度均会不同程度影响作物的Cd积累[18]。研究在前期发芽试验结果的基础上，开展盆栽试验，进一步探究不同辣椒材料镉Cd积累差异，筛选获得2份耐镉/低镉辣椒种质资源，分别为P15和P23，均表现出稳定的低Cd积累特性，且可食部分的Cd含量低于国家食品安全标准。