辣椒不同品种间Cd富集的差异

赵首萍，张棋，肖文丹，陈德，叶雪珠，黄淼杰，胡静，高娜

(省部共建农产品质量安全国家重点实验室 农业农村部农产品信息溯源重点实验室 浙江省农业科学院农产品质量标准研究所，浙江 杭州 310021)

镉(Cd)是生物毒性最强的重金属之一，因其高毒性而被认为是典型的环境污染物[1]，自然和人为因素均可导致土壤中Cd浓度的增加[2]。据统计，我国镉污染耕地面积为1.33万hm2，涉及11个省的25个地区，并有11处污灌区达到了生产“镉米”的程度[3]。Cd对植物和人体都是非必需元素，微量Cd通过食物链进入人体即可通过生物放大和积累效应，对人体产生一系列损伤，如“骨痛病”等[2,4]。

多项研究表明，同种作物不同品种在重金属累积量上存在明显差异[5-6]，充分利用植物的自身潜力，挖掘低Cd积累的种质资源，筛选出适于中轻度污染土壤中种植的重金属低累积作物品种是可行的。近年来，多数蔬菜重金属低积累品种的筛选研究均以某地区盆栽或大田等特定生长环境下的蔬菜重金属积累量或富集系数为筛选指标，未考虑到土壤理化性质、外界环境条件及栽培管理措施对作物重金属吸收的影响，较少涉及不同年份、不同地点间的结果对比。如刘峰等[7]利用盆栽和小区实验相结合，在71个辣椒品种中筛选出5个辣椒低积累品种；Dai等[8]通过盆栽试验从40 个萝卜品种中筛选出了3个Cd低积累品种；陈剑等[9]采用大棚盆栽试验筛选出了低Cd富集西兰花品种；Yan等[10]对比了两处田间环境及水培环境，发现3种不同环境下水稻镉积累分别达9.4、12.6和50.9倍的差异，说明环境条件对品种的筛选非常重要。本研究以浙江省主栽的39个辣椒品种为材料，通过可控一致条件下的苗期筛选，探讨低Cd积累蔬菜品种的早期筛选技术，分析苗期不同品种对镉吸收及转运能力的差异，以期为生产上辣椒低Cd积累品种的选育提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

选用浙江省主栽辣椒39个品种，见表1。

1.2 方法

1.2.1 种子萌发及处理培养方法

表1 供试辣椒品种

辣椒种子用1% NaClO浸泡表面消毒30 min，28 ℃黑暗浸种24 h。播种于装有蛭石的穴盘中，将穴盘放于培养盘中，以1/2浓度的Hoagland营养液进行预培养，苗龄15 d时改为完全Hoagland营养液培养，同时进行0，20，40 mg·L-1的Cd处理，重金属Cd以CdCl2·2.5H2O形式提供，为保证重金属浓度，每3 d换营养液一次，置于人工气候箱内培养。每个处理3次重复，培养温度为(28±2)℃，相对湿度75%，光照为20 000 lx，昼夜循环为光照14 h/黑暗10 h。

1.2.2 取样及各指标测定方法

苗龄30 d时，取各处理幼苗，分地下部、地上部两部分取样，测量根长、株高、生物量之后，分别剪碎，-20 ℃冰箱冷冻保存，进行Cd含量测定。

样品Cd含量测定按照GB 5009.15—2014《食品安全国家标准 食品中镉的测定》标准，采用石墨炉原子吸收或火焰原子吸收法测定，按照地上部Cd浓度占根系Cd浓度的百分数评价植株对吸收Cd的转运能力，即：转运系数=地上部Cd浓度/地下部Cd浓度×100%。

1.2.3 数据分析

数据用计算机软件Microsoft Excel及SPSS 11.5进行统计分析，方差分析利用SPSS 11.5软件，采用Duncan法分析。

2 结果与分析

2.1 不同辣椒品种间Cd富集总体变异

由表2可知，与对照CK相比，Cd胁迫处理后，各品种的株高、根长及地上部生物量的最大值均有所降低，说明Cd胁迫处理确实对辣椒植株的生长产生了形态学上的影响，抑制了辣椒苗的生长。Cd胁迫处理后，株高、根长和地上部生物量的最大值呈现大幅度降低，与对照相比，株高降低了17.9%、根长降低了17.4%，而地上部生物量则降低了54.8%。但是，Cd胁迫处理后株高、根长、地上部生物量平均值变化不大，说明群体平均值的降低幅度远低于最大值降低幅度。同时，株高、根长、地下部及地上部生物量的变异系数在Cd胁迫处理下均出现降低趋势。这进一步说明，Cd胁迫处理后，各辣椒品种的株高、根长、生物量等形态学指标上的差异逐渐变小。

表2 供试辣椒品种总体变异情况

从辣椒植株地下部和地上部的Cd含量变化情况来看(表2)，Cd胁迫处理增加了辣椒苗地下部和地上部的Cd含量，同时品种间变异系数也显著增加。高Cd(40 mg·L-1)处理下，地下部Cd含量在6.6～122.4 mg·kg-1，最大值是最小值的18.5倍，变异系数为75.4%。而低Cd处理(20 mg·L-1)下，地上部Cd含量在1.5～15.3 mg·kg-1，最高值是最低值的10.2倍，变异系数55.8%。与对照相比，Cd处理显著增加了植株Cd含量及相应变异系数，这说明辣椒在苗期就表现出不同的Cd积累特性。

2.2 Cd胁迫对不同辣椒品种根长、株高和生物量的影响

由图1可以看出，在Cd胁迫下，部分品种能够保持稳定的株高特性。在CK处理下，杭椒2号、杭椒玖号、青博特F1、杭椒1号、杭椒早秀、杭椒12号和辣天下24号F1株高均高于22.3 cm，高于供试品种平均值的30%；而朝天黄小辣椒、黄椒418、镇研黄剑F1、镇椒216F1、络椒66、朝天椒和王子3号辣椒株高则低于12.0 cm，比总体平均值低30%。在20 mg·L-1Cd处理下，种椒1号和络椒条椒8号株高均大于22.7 cm，比平均值高30%；而镇研黄剑F1、朝天椒、黄辣1号和洛椒66株高则低于17.5 cm，比平均值低30%。在40 mg·L-1Cd处理下，仅辣天下24号F1株高比平均值高30%，为23 cm；朝天椒、镇研黄剑F1、黄辣1号和朝天黄小辣椒株高则低于11.5 cm，比平均值低30%。可见，在不同浓度Cd胁迫下，朝天椒、镇研黄剑F1和黄辣1号辣椒保持了较低的株高特性，而辣天下24号F1则保持了较高的株高特性。

图1 Cd胁迫对不同辣椒品种株高(a)、根长(b)、地下部生物量(c)和地上部生物量(d)的影响

以平均值上下浮动30%作为筛选指标，在20和在40 mg·L-1Cd处理下，黄辣1号辣椒、镇研黄剑F1、朝天黄小辣椒、镇椒216F1和朝天椒的根长均比平均值低30%；黄辣1号辣椒、朝天椒、洛椒超级15号、镇椒216F1、洛椒66、镇研黄剑F1、朝天黄小辣椒、洛椒条椒98号、萧新长线、洛椒条椒68号、渝椒13号等11个品种的地下部生物量均比平均值低30%；杭丰优秀辣椒、辣天下24号F1、早丰7618F1、杭椒1号、杭椒2号、杭椒12号、杭椒早秀、杭椒玖号等8个品种地下部生物量比平均值高30%；黄辣1号辣椒、镇研黄剑F1、朝天椒、镇椒216F1、朝天黄小辣椒、洛椒超级15号和洛椒66等7个品种地上部生物量比平均值低30%；杭椒12号、辣天下24号F1和渝椒15辣椒地上部生物量则高于平均值30%。

2.3 Cd胁迫对不同辣椒品种Cd富集量的影响

从地下部Cd含量来看(图2中a)，在20和40 mg·L-1Cd处理下，供试39个品种地下部Cd含量平均值分别为32.2和33.6 mg·kg-1，没有显著差异。供试品种中，朝天黄小辣椒、洛椒条椒8号、洛椒条椒68号、苏椒5号博士王、渝椒13号辣椒和镇椒2号F1等6个品种在20和40 mg·L-1Cd浓度处理下地下部Cd含量均分别低于22.5和23.5 mg·kg-1，比相应处理的平均值低30%；而杭椒12号、杭椒早秀、采风1号和洛椒超级15号等4个品种在供试浓度Cd胁迫下地下部Cd含量均分别高于41.8和43.6 mg·kg-1，比相应处理的样本总体平均值高30%。

从地上部Cd含量来看(图2中b)，在20和40 mg·L-1Cd处理下，供试39个品种地上部分Cd含量分别为4.2和5.3 mg·kg-1。与20 mg·L-1Cd处理相比，40 mg·L-1Cd处理下供试品种地上部Cd含量平均值增加了26.2%，大于地下部增加的幅度。供试品种中，黄辣1号辣椒、朝天黄小辣椒、镇研黄剑F1、黄椒418、艳椒11号、艳椒425、种椒1号和渝椒13号辣椒等8个品种的地上部Cd含量在20和40 mg·L-1Cd处理下分别低于2.9和3.7 mg·kg-1，均低于相应处理平均值的30%；而杭椒12号、洛椒超级15号、采风1号和辣天下24号F1等4个品种在20和40 mg·L-1Cd胁迫处理下地上部Cd含量分别高于5.4和6.8 mg·kg-1，均高于相应处理平均值的30%。

图2 Cd胁迫对辣椒供试品种地下部(a)和地上部(b)Cd含量的影响

对比地下部和地上部分的Cd积累量发现，在20和40 mg·L-1Cd处理下，朝天黄小辣椒和渝椒13号辣椒不论地下部分还是地上部分的Cd含量均比平均值低30%；而杭椒12号、洛椒超级15号和采风1号等3个品种的地下部分和地上部分的Cd含量则均高于平均值的30%。可见，这几个品种在供试条件下保持了Cd低积累或高积累的特性。

从地下部的Cd浓度(图3)来看，20 mg·L-1Cd处理时，高Cd积累品种采风1号、洛椒超级15号和杭椒12号地下部Cd浓度分别为62.8、74.2和42.4 mg·kg-1；低Cd积累品种朝天黄小辣椒和渝椒13号辣椒的地下部Cd浓度则为8.2和9.5 mg·kg-1；高积累品种的地下部Cd浓度为低积累品种地下部Cd浓度的4.5～7.7倍。而在40 mg·L-1Cd处理时，3个高积累品种地下部的Cd积累量分别为122.4、100.4和45.8 mg·kg-1；而低积累品种的地下部Cd积累量分别为10.1和19.0 mg·kg-1；高积累品种的地下部Cd浓度为低积累品种地下部Cd浓度的2.4～12.1倍。

从地上部分的Cd浓度来看，在20和40 mg·L-1Cd处理下，高Cd积累品种采风1号、洛椒超级15号和杭椒12号地上部分Cd浓度分别为7.0、5.9、5.9 mg·kg-1和11.3、7.5、6.9 mg·kg-1；而低Cd积累品种朝天黄小辣椒和渝椒13号辣椒的地上部分Cd浓度则为2.1、3.1和3.3、3.4 mg·kg-1。20和40 mg·L-1Cd胁迫下，高Cd积累品种的地上部分Cd含量分别是低Cd积累品种的1.9～3.3倍和2.1～3.6倍。

2.4 辣椒品种间Cd转运能力差异

植株对Cd的富集能力，尤其是植株地上部的Cd积累与Cd在植株体内的转运能力有很大关系。从图4可以看出，供试品种间转运系数差异较大，在20和40 mg·L-1Cd处理下，供试品种的转运系数分别为4.4%～91.3%和7.5～53.1%(表2)；其中，镇研黄剑F1、艳椒425、杭椒早秀、洛椒超级15号、薄皮早冠F1、洛椒66和黄椒418等7个品种的转运系数均低于样本总体平均值的30%；而朝天黄小辣椒、辣天下24号F1这两个品种的转运系数则高于样品总体平均值的30%。

处理间无相同字母表示差异显著(P<0.05)。图3 Cd胁迫对典型辣椒品种地下部(a)和地上部(b)Cd含量的影响

图4 不同处理下辣椒供试品种的Cd转运系数

从我们筛选得到的典型品种来看，低Cd积累品种的转运系数要高于高Cd积累品种。在20 mg·L-1Cd胁迫下，低Cd积累品种朝天黄小辣椒和渝椒13号辣椒的转运系数分别为21.3%和16.2%；高Cd积累品种杭椒12号、采风1号和洛椒超级15号的转运系数分别为13.9%、11.2%和7.9%。在40 mg·L-1Cd胁迫下，低Cd积累品种朝天黄小辣椒和渝椒13号辣椒的转运系数分别为40.3%和35.4%；高Cd积累品种杭椒12号、采风1号和洛椒超级15号的转运系数分别为15.2%、9.3%和7.5%。这说明高Cd积累品种中地上部分的高Cd含量主要依赖吸收获得，即主要是根系的吸收差异导致了品种间Cd积累量的差异。转运系数在不同Cd胁迫浓度间的变化可以看出，对于高Cd积累品种，不同Cd浓度胁迫下，转运系数没有显著变化。对于低Cd积累品种来说，40 mg·L-1的Cd胁迫则显著增加了Cd的转运系数，朝天黄小辣椒由21.3%增加至40.3%，渝椒13号辣椒由16.2%增加至35.4%。

2.5 辣椒植株Cd积累影响因素分析

相关分析发现，在20 mg·L-1Cd胁迫下，植株地上部Cd浓度与转运系数、地下部和地上部的生物量均呈显著相关，尤其是与转运系数呈极显著相关，说明该条件下转运系数对地上部Cd浓度贡献最大；而在40 mg·L-1Cd胁迫时，植株地上部Cd浓度只与地下部Cd浓度和地下部生物量呈极显著正相关，而与转运系数没有显著相关性。这似乎说明在低Cd胁迫时，植株地上部Cd依赖植株的主动向地上部运输产生，此时，植株地下部及地上部的Cd浓度均与转运系数呈极显著相关；而在根系受到高浓度Cd胁迫后，根系吸收的Cd以近百倍幅度增加，破坏了由转运能力控制的Cd在植株部位间的分配平衡，致使植株地上部Cd可能有相当一部分来源于根系向地上部由于浓度梯度而产生的被动扩散过程，从而导致地上部的Cd浓度与转运系数间没有显著的相关性，而与植株地下部Cd浓度和地下部生物量极显著相关，但转运系数仍然对地下部Cd浓度变化有显著的贡献(表3)。

表3 植株Cd积累量与其他指标相关性分析(n=39)

3 小结与讨论

与水稻、小麦等大宗作物类似，同种蔬菜的不同品种对土壤重金属的吸收积累作用有很大差异[11]。刘吉振等[12]通过盆栽实验发现，艳椒425的Cd积累量大于世农朝天椒。刘峰等[7]利用盆栽和小区实验相结合，在71个辣椒品种中筛选出了5个辣椒低积累品种。井彩巧[13]从38个大白菜品种筛选出Cd和Pb共低积累品种黄芯48。刘维涛等[14]在15个大白菜品种中，筛选出Cd高积和低积累品种各1个。Hussain等[15]在100个西红柿品种中筛选出6个Cd低积累品种。我们的研究通过人工气候箱水培方式，对浙江省主栽的39个辣椒品种对比分析，筛选出苗期高Cd积累品种杭椒12号、洛椒超级15号和采风1号，低Cd积累品种朝天黄小辣椒和渝椒13号辣椒。在20 mg·L-1Cd处理时，高积累品种地下部和地上部分Cd浓度分别是低积累品种的4.5～7.7倍和1.9～3.3倍；40 mg·L-1Cd处理时，高积累品种地下部和地上部分Cd浓度分别是低积累品种的2.4～12.1倍和2.1～3.6倍；供试条件下高积累品种和低积累品种间植株Cd浓度呈显著差异。张菊平等[16]报道在镉胁迫下，辣椒植株的株高、根长、鲜重受到明显抑制，同时存在品种间差异，这与我们的研究结果一致。

已有研究表明，土壤-农作物系统重金属累积并非简单的线性关系[17]。蔬菜作物对重金属的吸收积累作用，不仅与作物的基因型、生育期和组织部位有关，还与土壤因素及环境要素紧密相关。Ye等[18]发现，蔬菜作物重金属含量与土壤中重金属含量呈显著正相关。李欣忱等[19]同样以水培方式研究发现，当Cd浓度低于40 mg·L-1时，辣椒生物量及Cd含量随着Cd浓度的增加而呈上升趋势。本研究中发现，地下部生物量平均值稍有增加现象，即对照处理为0.123 7 g·株-1，20 mg·L-1Cd处理为0.204 7 g·株-1；地上部生物量则为降低趋势，而Cd含量则同样呈上升趋势。同时李欣忱等[19]研究发现，高浓度品种PE30的茎和叶中Cd含量及Cd转运系数都很高。从我们筛选的典型品种的转运系数可以看出，同一条件下的低Cd积累品种尽管植株Cd含量较低，但Cd转运系数却显著高于高Cd积累品种，且在受到的Cd胁迫浓度增加后显著增加，而高Cd积累品种的Cd转运系数则没有显著变化。这也进一步说明可能在植株Cd浓度增加到一定程度后，转运系数对植株体内Cd的分配协调能力也同时受到破坏，即植株对Cd的转运能力降低也是重金属的毒害效应之一，此时植株体内Cd的再分配则更多依赖于浓度梯度扩散或其他机制。在供试两个浓度的Cd胁迫下，地上部Cd浓度都保持了与地下部生物量显著相关，尤其是高Cd胁迫浓度下呈极显著相关(表3)，这可能也说明了品种间地下部分吸收能力的差异是导致植株Cd积累量差异的主要原因之一。蔬菜作物对重金属的吸收与作物基因型有关，同时，不同的环境条件、栽培措施乃至作物不同生长阶段对蔬菜作物的重金属富集能力都有影响，可控一致环境条件下的品种筛选是重金属低积累品种筛选的基本条件，苗期水培筛选与盆栽或大田验证相结合，不断探索优化苗期重金属低积累品种筛选技术是未来低积累品种筛选发展方向之一。