水培條件下不同普通白菜品種鎘鉛累積和轉運差異

郭雄昌 隋秀玉 伍祎翌 辛在軍 孫小艷，*

（1 江西省重金屬污染生態修復工程技術研究中心，江西省科學院微生物研究所，江西南昌 330096；2 江西省科學院生物資源研究所，江西南昌 330096；3 江西農業大學，江西南昌 330006）

蔬菜作為人類日常飲食必需食物，含有大量礦物質、維生素等營養成分，是人體平衡膳食的重要組成成分。我國蔬菜年產量超7 億t，是世界第一生產國和消費國（薛亮 等，2021）。但隨著我國工農業生產的迅速發展，農田土壤環境污染尤其是重金屬污染問題日趨嚴重，蔬菜產品重金屬超標現象頻發，給蔬菜產業發展和人類健康帶來巨大威脅（馮英 等，2018）。鉛是聯合國糧農組織（FAO）和世界衛生組織（WHO）公布的人體毒性最強的重金屬元素，廣泛分布并存于自然界中，是環境中常見的化學毒物。據2014 年全國土壤污染狀況調查公報顯示（https：//www.mee.gov.cn/gkml/sthjbgw/qt/201404/W020140417558995804588.pdf），我國土壤污染物總點位超標率為16.1%，耕地的點位超標率為19.4%；重金屬超標點位占總點位的82.8%，其中鎘、鉛超標點位占比高達到7.0%和1.5%。郭愛珍等（2016）對全國菜地土壤調查發現，華中地區菜地污染較為嚴重，華南地區主要存在鎘、鉛污染，華東地區存在不同程度的鎘、汞、鉛、鉻、砷污染，華北地區部分存在鉛、鉻污染。且近年來對各地區蔬菜產品抽檢結果也顯示，重金屬超標情況較為嚴重，有些地區抽檢重金屬超標率高達90%以上（陳志良 等，2017）。李秀蘭和胡雪峰（2005）對上海市寶山區蔬菜進行重金屬抽樣調查，發現鉛、鎘的超標率分別為12.01%和13.29%。與根菜類、豆類、塊莖類蔬菜相比，葉菜類蔬菜是鎘和鉛暴露的主要途徑（Wang et al.，2017）。大量研究發現，不同蔬菜種類甚至同一蔬菜種類不同品種對重金屬鎘、鉛等累積量存在顯著差異（Liu et al.，2010a，2010b）。因此，研究蔬菜不同品種鎘、鉛吸收富集特征，篩選重金屬低富集且抗鎘、鉛毒害能力強的蔬菜品種，成為控制葉菜類蔬菜鎘、鉛超標，保障其可食用部分安全最簡單、有效的途徑之一（Yu et al.，2006；Liu et al.，2010a，2010b）。

普通白菜〔Brassica campestrisL.ssp.chinensis（L.）Makino var.communisTsen et Lee〕為十字花科蕓薹屬白菜亞種的一個變種，是我國中南部地區主要蔬菜種類之一（張瑞明和孔令娟，2011）。十字花科蕓薹屬植物具有較強的鎘富集能力，即使在種植土壤沒有超標的情況下，其食用部分仍然會出現重金屬含量超標現象（Brown et al.，1995）。大量研究表明，不同白菜類蔬菜品種吸收富集鎘、鉛等重金屬的能力存在顯著差異（劉志華 等，2008；劉維濤 等，2009；Liu et al.，2009，2010a，2010b；Chen et al.，2012）。鄭愛珍和王萬君（2007）采用水培方式研究了12 個普通白菜品種和12 個大白菜品種鎘吸收累積差異，結果表明普通白菜和大白菜生長受到不同程度的抑制作用，且不同品種對鎘吸收累積差異顯著，普通白菜鎘含量明顯高于大白菜。但目前已有的普通白菜品種篩選研究主要集中在鎘、鉛等重金屬單一處理條件下，對鎘鉛復合污染條件下普通白菜鎘、鉛的富集效應和鎘、鉛交互作用研究相對較少。本試驗采用水培方式，探討鎘鉛單一脅迫和鎘鉛復合脅迫條件下17 個普通白菜品種吸收累積鎘、鉛的差異，以期為保障普通白菜的安全生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試普通白菜為我國南方地區常規種植的17個品種，種子購自江西省南昌市禾之元種業公司、廣東省梅州穗豐種業公司、浙江省臺州山頭人種業公司等，具體品種名稱為：四季小白菜、綠油亮、德高綠翔雞毛菜、德高夏龍7 號、白牡丹雜交矮腳白、雜交矮腳白（白梗）、春不老（白梗）、F1若葉小白菜、紫衣天使、杭州油冬兒、F1健秀黑葉白菜、正旺達88 小白菜、四季快菜、圣綠快3 號、中蔬快菜1 號、圣翠快菜、速生568（快菜）小白菜。

1.2 試驗方法

試驗在江西省科學院微生物研究所植物培養人工氣候箱（HLI1000C 智能人工氣候箱，上海舍巖儀器有限公司）實施，分別于2021 年7、9、11月開展3 次平行試驗。種子經10% H2O2消毒10 min，用去離子水沖洗干凈，置于培養皿中22 ℃避光催芽，1～2 d 后見光培養，5～6 d 后轉移至1 L 的培養盒中育苗，采用1/2 Hoagland 營養液培養6 d，再轉移至Hoagland 營養液培養6 d 后進行重金屬鎘鉛脅迫處理，生長期間營養液pH 值調整至5.8～6.0，每3 d 更換1 次營養液。每品種設3 個處理：單一鎘脅迫，鎘1 mg·kg-1；單一鉛脅迫，鉛25 mg·kg-1；鎘鉛復合脅迫，鎘1 mg·kg-1+鉛25 mg·kg-1；以未添加鎘、鉛處理為對照，每個品種每處理10 株幼苗。

1.3 項目測定

鎘鉛脅迫處理10 d 后收獲，每3 株幼苗混合作為1 份樣品，3 次重復。植株用去離子水沖洗干凈，吸水紙吸干水分，用不銹鋼剪刀從莖基部剪下根系，分別收集，然后105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干至恒重，分別測定地上部和根系生物量，取平均值。

分別取地上部和根系干樣，研磨后準確稱取0.100 0 g，加入5 mL HNO3-HF（4V∶1V）混合液，過夜后放入微波消解儀（MDS-8G Q 多通量微波消解系統，上海新儀微波化學科技有限公司）中控溫消煮至透明澄清；定容后使用ELEMENT 高分辨率電感耦合等離子體質譜儀（HR-ICP-MS，美國賽默飛世爾科技公司）測定鎘、鉛含量，取平均值。所用酸試劑均為色譜純；微波消煮管和試管使用前均用10%硝酸溶液浸泡36 h，并用去離子水清洗3次后烘干待用。

1.4 數據分析

植物對重金屬的耐性指數（tolerance index，TI）可用來衡量不同普通白菜品種的耐鎘、鉛性能差異（Bassegio et al.，2020）。

TI=〔（處理生物量-對照生物量）/對照生物量〕×100%

耐性指數為正值，說明鎘（鉛）脅迫促進該品種的生長，值越大促進作用越大；耐性指數為負值，說明鎘（鉛）脅迫抑制該品種的生長，值越小抑制作用越大。

重金屬轉運系數（translocation factor，TF）是指植株地上部重金屬含量與地下部重金屬含量的比值，用來評價植物將重金屬從地下部向地上部的運輸和富集能力。

式中，CA為植株地上部鎘（鉛）含量，CB為地下部鎘（鉛）含量。

采用SPSS 18.0軟件對試驗數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 鎘鉛脅迫對不同普通白菜品種生物量的影響

從表1、2 可以看出，未經鎘鉛脅迫（CK）的17個普通白菜品種植株地上部和根系生物量存在較大差異，根系生物量范圍為0.017～0.131 g·株-1，地上部生物量范圍為0.442～1.805 g·株-1，其中地上部生物量最大的四季小白菜是生物量最小的綠油亮的4.08 倍。鎘、鉛單一脅迫和鎘鉛復合脅迫下正旺達88 小白菜、四季小白菜、德高綠翔雞毛菜地上部生物量與對照相比均顯著降低；圣綠快3號、圣翠快菜地上部和根系生物量與對照相比均增加，特別是鎘鉛復合脅迫的地上部和根系生物量均顯著增加；雜交矮腳白、綠油亮、紫衣天使、四季快菜、中蔬快菜1 號、速生568 小白菜地上部生物量均未受到顯著影響，但與對照相比，單一鉛脅迫和鎘鉛復合脅迫顯著促進雜交矮腳白、中蔬快菜1號、速生568 小白菜根系生物量；綠油亮、紫衣天使、四季快菜地上部和根系生物量與對照相比均無顯著差異。此外，單一鎘脅迫下地上部生物量增加的普通白菜品種有7 個，大部分為快菜類型；除圣綠快3 號、圣翠快菜、中蔬快菜1 號、速生568 小白菜外，單一鉛脅迫對其他13 個普通白菜品種地上部生物量均表現不同程度的生長抑制作用。春不老在鎘、鉛單一脅迫下地上部生物量與對照相比無顯著差異，但鎘鉛復合脅迫顯著促進其地上部生物量的增加；F1若葉小白菜在鎘、鉛單一脅迫下生物量被顯著抑制，但鎘鉛復合脅迫顯著緩解了其生長抑制作用。

表1 鎘鉛脅迫對不同普通白菜品種地上部生物量的影響 （DW）

表2 鎘鉛脅迫對不同普通白菜品種根系生物量的影響 （DW）

2.2 鎘鉛脅迫對不同普通白菜品種耐性指數的影響

除利用生物量、株高、根長等指標表征植物對重金屬的耐受性外，重金屬耐性指數也是衡量不同普通白菜品種對鎘鉛耐性差異的指標之一。從圖1 可以看出，鎘鉛脅迫下大部分普通白菜品種的耐性指數都為負值，其中單一鎘脅迫下F1健秀黑葉白菜的耐性指數最小，為-66.71%；單一鉛脅迫下德高綠翔雞毛菜的耐性指數最小，為-80.71%，該品種鎘耐性指數也較低，為-53.05%；此外，四季小白菜對鎘鉛脅迫的耐受性也較差，耐性指數分別為-55.53%（單一鎘脅迫）、-59.78%（單一鉛脅迫）、-52.74%（鎘鉛復合脅迫），說明鎘鉛脅迫對部分普通白菜品種的生長具有較強的抑制作用。鎘、鉛單一脅迫對大部分普通白菜品種生長產生抑制作用，但很多品種在鎘鉛復合脅迫下這種生長抑制作用得到不同程度緩解，如正旺達88 小白菜、雜交矮腳白、春不老、綠油亮、四季小白菜、F1若葉小白菜等。

圖1 不同普通白菜品種在鎘、鉛單一脅迫和鎘鉛復合脅迫下的耐性指數特征

從圖1 還可以看出，圣綠快3 號、圣翠快菜、中蔬快菜1 號、速生568 小白菜等快菜類型普通白菜品種在鎘、鉛單一脅迫和鎘鉛復合脅迫下，耐性指數呈現正值；且除速生568 小白菜外，鎘鉛復合脅迫進一步強化了鎘、鉛對這些品種的生長促進作用，其中圣翠快菜鎘、鉛單一脅迫下耐性指數分別為54.10%和93.28%，鎘鉛復合脅迫下耐性指數達到112.31%。

2.3 鎘鉛脅迫對不同普通白菜品種植株鎘、鉛含量的影響

從圖2 可以看出，單一鎘脅迫下不同普通白菜品種地上部鎘含量差異明顯，鎘含量范圍為103.4～183.0 mg·kg-1，其中德高夏龍7 號、綠油亮、中蔬快菜1 號地上部鎘含量顯著高于其他品種，春不老、四季小白菜地上部鎘含量明顯低于其他品種；鎘鉛復合脅迫下17 個普通白菜品種地上部鎘含量范圍為69.4～142.1 mg·kg-1，圣綠快3 號地上部鎘含量顯著低于其他品種。除德高綠翔雞毛菜外，鎘鉛復合脅迫均比單一鎘脅迫降低普通白菜地上部對鎘的累積，且有14 個品種兩處理間差異達到顯著水平。

圖2 單一鎘脅迫、鎘鉛復合脅迫下不同普通白菜品種地上部鎘含量差異

從圖3 可以看出，單一鉛脅迫下不同普通白菜品種地上部鉛含量差異明顯，鉛含量范圍為21.64～75.19 mg·kg-1，正旺達88 小白菜、中蔬快菜1 號地上部鉛含量相對較低，紫衣天使地上部鉛含量顯著高于其他品種，且比最低的正旺達88 小白菜高2.47 倍。鎘鉛復合脅迫下17 個普通白菜品種地上部鉛含量范圍為12.66～31.91 mg·kg-1，均較單一鉛脅迫低，其中13 個品種兩處理間差異達到顯著水平。

綜上，鎘、鉛在普通白菜中的吸收轉運具有競爭拮抗作用。

2.4 鎘鉛脅迫對不同普通白菜品種鎘、鉛轉運系數的影響

轉運系數是指植株地上部與地下部重金屬元素含量的比值，轉運系數越大，說明重金屬從根系向植株地上部轉運能力越強。單一鎘脅迫、鎘鉛復合脅迫下17 個普通白菜品種鎘轉運系數范圍分別為0.104～0.295、0.104～0.222，平均值分別為0.197、0.154；單一鎘脅迫、鎘鉛復合脅迫下，鎘轉運系數最大的品種均為綠油亮，鎘轉運系數最小的品種分別是德高綠翔雞毛菜、紫衣天使（圖4）。單一鉛脅迫、鎘鉛復合脅迫下17 個普通白菜品種鉛轉運系數分別為0.057～0.283、0.027～0.187，平均值分別為0.131、0.077；單一鉛脅迫、鎘鉛復合脅迫下，鉛轉運系數最大的品種分別是四季小白菜、春不老，鉛轉運系數最小的品種分別為德高綠翔雞毛菜、德高夏龍7 號（圖5）。

圖4 單一鎘脅迫、鎘鉛復合脅迫下不同普通白菜品種鎘轉運系數差異

圖5 單一鉛脅迫、鎘鉛復合脅迫下不同普通白菜品種鉛轉運系數差異

從圖4、5 還可以看出，鎘、鉛單一脅迫和鎘鉛復合脅迫下17 個普通白菜品種的鎘、鉛轉運系數均小于1，說明參試普通白菜品種根系的鎘、鉛含量高于地上部的含量，普通白菜吸收鎘、鉛后主要累積部位是根部；此外，鉛的轉運系數均值低于鎘的，說明鉛更易滯留在根系中，普通白菜根系中鎘向地上部的轉運能力高于鉛。

3 討論

鎘、鉛是植物非必需元素，低濃度鎘、鉛對植物有一定的促生長作用，但超過一定濃度后植物的生長將受到抑制，生物量降低，而且不同植物種類、同一種類不同品種對鎘、鉛的反應差異性較大（Wang et al.，2006；Yu et al.，2006）。低 濃度 鎘對植物的生長促進作用可能與植物激素相關，金屬離子可通過激活細胞分裂素代謝相關的酶促進植株生長和發育（Nyitrai et al.，2004）。本試驗中，鎘鉛脅迫下不同普通白菜品種的地上部和根系生物量（干質量）存在明顯差異，大多數品種受到不同程度抑制，但圣綠快3 號、圣翠快菜、中蔬快菜1 號的生物量有所升高，耐性指數為正值，表明短期鎘鉛脅迫對快菜類型普通白菜生物量累積具有促進作用，這可能與其在低鎘鉛脅迫時激發的“生長稀釋”機制有關（陳辰 等，2020）。不同普通白菜品種應答鎘鉛脅迫的生長差異性為深入研究普通白菜耐重金屬的基因調控機制提供了遺傳材料和研究方向。

白菜類蔬菜栽培品種對鎘鉛吸收、積累能力存在較大差異（井彩巧，2006；鄭愛珍和王萬君，2007；劉維濤 等，2009；Liu et al.，2009，2019；李必元 等，2011；Chen et al.，2012）。在水培條件下，50 μmol·L-1鎘處理的12 個普通白菜品種和12 個大白菜品種植株地上部生物量均顯著下降，普通白菜地上部鎘累積量顯著高于大白菜，且品種間地上部鎘積累量存在顯著性差異，其中普通白菜品種五月慢，大白菜品種膠白6 號、豐抗80、豐抗90 植株生物量受鎘抑制程度較低，地上部鎘含量相對較低（鄭愛珍和王萬君，2007）。土壤栽培條件下，1.0、5.0 mg·kg-1鎘處理的40 個河北地區普遍種植的白菜類蔬菜品種地上部鎘含量范圍分別為0.029～0.121、0.166～0.684 mg·kg-1，品種間對鎘的富集能力存在顯著差異，其中多維462、新鄉小包23 等品種鎘富集系數在2 個鎘處理濃度下均較高，在0.114～0.137 之間，而北京新3 號、北京小雜60 則明顯較低，在1.0 mg·kg-1鎘處理下富集系數分別為0.034、0.029，5.0 mg·kg-1鎘處理下富集系數分別為0.033、0.039（茹淑華 等，2013）。

本試驗發現，參試普通白菜品種的鎘、鉛轉運系數與地上部鎘、鉛含量并不存在明顯的對應關系。如綠油亮，鎘鉛單一脅迫下植株地上部鎘、鉛含量較高，鎘、鉛的轉運系數也較高；但德高夏龍7 號地上部鎘、鉛含量較高，而鎘、鉛的轉運系數卻相對較低。這一結果與植物根系對重金屬鎘、鉛的截留作用密切相關。根系對重金屬的吸收和截留，以及重金屬從根系向地上部轉運能力的差異決定了農產品可食用部分的重金屬含量（張標金 等，2015）。在鎘鉛脅迫下，普通白菜植株生長、生理生化、分子調控等方面均會產生一系列適應機制，調控植株對鎘、鉛的吸收，如組成根系細胞壁的大分子物質含有大量負電基團，將金屬陽離子固定于根系細胞壁（張旭紅 等，2008），根系還可促進植物絡合素、金屬硫蛋白等小分子物質與重金屬離子結合，減少根系重金屬向地上部轉運；此外，基因型的差異也導致其對重金屬鎘鉛吸收和轉運能力存在較大差異（Jing，2006）。本試驗中，大部分鎘鉛離子積累在普通白菜根系中，單一鎘脅迫下17 個普通白菜品種平均鎘轉運系數為0.197，單一鉛脅迫的平均鉛轉運系數為0.131，說明普通白菜根系吸收的Cd 較易遷移到地上部，而Pb 的轉運能力相對較弱（王浩 等，2009）。這一結果亦與劉維濤等（2009）的研究結論相似，300、500 mg·kg-1鉛處理的19 個大白菜品種的轉運系數均＜ 0.40。植物根系固定的鎘在細胞中主要以有效性較高的可溶態存在，易于在植物體內運輸轉運，而植物根系中的鉛離子大部分以活性較低的醋酸和鹽酸提取態沉積在細胞壁或儲存于液泡中，移動性很差（段德超等，2014）。植物根系對鉛較強的截留固定能力在馬鈴薯等植物中也被證實（黃芳 等，2019）。這種元素性質差異和普通白菜體內鎘鉛運輸通道差異所導致的鎘、鉛遷移能力差異性為其在鎘鉛復合污染農用地中實施“控鎘穩鉛”技術提供了新的安全控制技術思路。

值得關注的是，鎘鉛共存對不同植物不同器官產生的鎘鉛吸收、轉運效應類型和程度存在較大差異（武文飛 等，2012）。本試驗中，除德高綠翔雞毛菜外鎘鉛復合脅迫下普通白菜地上部鎘、鉛含量相對單一鎘脅迫或單一鉛脅迫都呈降低趨勢，大部分品種處理間差異均達顯著水平，說明普通白菜地上部對鎘、鉛的吸收存在競爭關系。相似的結果在菜薹（菜心）（Qiu et al.，2011）、向日葵和蓖麻（Liu et al.，2008）等植物中被證實。這一現象可能歸因于Cd 和Pb 均為二價陽離子，對部分植物體內有機組分的親和力相近，相互間產生拮抗效應從而形成了生物有效性更低的金屬絡合物。劉家女等（2006）研究發現，金盞菊地上部Cd 和Pb 吸收表現出拮抗關系，Pb 對根部Cd 累積有抑制作用，Cd對根部Pb 累積表現出促進效應；Pb 對鳳仙花地上部Cd 積累有顯著的促進作用，但Cd 對地上部Pb積累卻顯著抑制，Cd、Pb 互作對根系Cd、Pb 累積沒有顯著影響。大量研究還表明，高濃度的鎘或鉛處理抑制植物的生長和代謝，從而影響植物對重金屬的耐受和吸收能力（賀玉姣 等，2008）。本試驗還發現，在單一鉛脅迫下對鉛富集能力較弱的普通白菜品種在鎘鉛復合脅迫下地上部鉛含量也較低，說明普通白菜鉛累積特征差異具有品種穩定性（Qiu et al.，2011），正旺達88 小白菜、中蔬快菜1 號、圣翠快菜等鉛低累積品種在鉛污染土壤中種植鉛超標風險相對較低。而鎘作為高活性離子，在植物中的吸收、轉運、累積受多種因素影響。本試驗中，除德高綠翔雞毛菜外，與單一鎘脅迫相比，鎘鉛復合脅迫下普通白菜品種地上部鎘含量都不同程度降低，但降低幅度差異較大，如在鎘單一脅迫下春不老、四季小白菜、速生568 小白菜等品種地上部鎘含量相對較低，但鎘鉛復合脅迫下地上部鎘含量降低幅度較低，而正旺達88 小白菜、紫衣天使、圣綠快3 號、F1健秀黑葉白菜等品種地上部鎘含量降低的幅度明顯高于其他品種，地上部鎘含量也明顯低于其他品種。綜上，普通白菜對鎘的吸收轉運能力受鉛離子影響相對較大，且普通白菜品種間鎘鉛的拮抗轉運作用程度差異較大，需進一步深入研究。

4 結論

17 個普通白菜品種在鎘1 mg·kg-1、鉛25 mg·kg-1單一脅迫下，植株生物量存在顯著差異，大部分品種生長受到抑制，但對快菜類型品種大多表現促進作用，且地上部鎘鉛含量相對較低；普通白菜根系和地上部的鎘、鉛富集能力存在顯著品種差異，根系是鎘、鉛的主要累積部位，且根系對鉛的固定能力高于鎘；鎘鉛復合脅迫可不同程度緩解鎘、鉛單一脅迫對普通白菜的生長抑制效應，與鎘、鉛單一脅迫相比，鎘鉛復合脅迫下的大部分普通白菜品種地上部鎘、鉛含量顯著降低，說明普通白菜地上部對鎘、鉛的吸收存在一定競爭作用；在單一鉛脅迫和鎘鉛復合脅迫下，正旺達88 小白菜、中蔬快菜1 號、圣翠快菜地上部鉛含量較低，屬鉛低積累品種，在重金屬污染農田中種植鉛超標風險相對較低。