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(xué)院植物保護(hù)研究所,北京 100097;2. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)生物防治研究所/天敵昆蟲應(yīng)用技術(shù)工程研究中心,長春 130118;3. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)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(yán)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(xué)投入品使用等途徑進(jìn)入農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)(Naccaratoetal.,2020;Zhaoetal.,2021),進(jìn)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(yán)重影響(宋偉等,2013;環(huán)境保護(hù)部和國土資源部,2014)。其中,鎘(Cd)可在土壤中長期存在,具有強(qiáng)生物毒性和快速遷移的特點(diǎn),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(jì),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(dá)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(xì)胞壁合成等方式抑制植物生長,甚至導(dǎo)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(dǎo)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(shí)率、粒重等經(jīng)濟(jì)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(fēng)險(xiǎn)評價(jià)(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(yùn)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(dǎo)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(yán)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(qiáng)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(fù)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(shí),還會傳播多種植物病毒,對番茄生產(chǎn)造成不可估計(jì)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(yīng)。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(jìn)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(yīng)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(jìn)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?yán)ハx

西花薊馬:來自北京市農(nóng)林科學(xué)院植物保護(hù)研究所應(yīng)用昆蟲研究實(shí)驗(yàn)室長期飼養(yǎng)種群。使用扁豆Lablabpurpureus作為食物來源進(jìn)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(fēng)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(shí)驗(yàn)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(zhǔn)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(gè)處理3個(gè)重復(fù)。按照以下公式計(jì)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(zhǔn)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(zé)任公司)測量Cd的含量。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。

1.5 西花薊馬中Cd的積累量

用頂部有通風(fēng)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(jī)挑取50頭雌成蟲放入1.5 mL離心管,每個(gè)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(shí)業(yè)發(fā)展有限公司)研磨成粉,隨后每個(gè)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(jìn)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(fù)高壓210/270 V,空氣流量300 mL/min,氬氫氣流量700 mL/min)。標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)性系數(shù)為0.9965。每個(gè)處理3個(gè)生物學(xué)重復(fù),每個(gè)樣品3個(gè)機(jī)械重復(fù),測試時(shí)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(zhǔn)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(gè)小葉籠內(nèi)接入20頭同時(shí)羽化的西花薊馬雌成蟲,48 h后記錄其存活數(shù)量。每個(gè)處理10個(gè)重復(fù)。

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(jì)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(jì)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(gè)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(jìn)行單因素方差分析(one way ANOVA,P<0.05),并進(jìn)行多重比較(Duncan’s新復(fù)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)誤。不同字母表示各個(gè)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(dá)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(dá)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?yàn)楦?葉>莖,在根內(nèi)積累量最大,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于莖葉,最大累積量可達(dá)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(gè)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(dá)上千倍,在莖中最高達(dá)25倍,葉中最高達(dá)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(biāo)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(yīng)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(jìn)而產(chǎn)量下降(高芳等,2011)。本研究也表明相同時(shí)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(jìn)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(shí)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(gè)研究體系中最大,該趨勢與Probst等(2009)、Naikoo等(2019a)和Dar等(2017)的報(bào)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?yàn)榉亚o和葉片的物質(zhì)積累被顯著抑制。尤其當(dāng)Cd由莖向葉片轉(zhuǎn)移時(shí),其轉(zhuǎn)移系數(shù)遠(yuǎn)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(jìn)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(shí),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(fēng)險(xiǎn)。生物對重金屬Cd的富集也與暴露時(shí)間有關(guān)。本研究使西花薊馬取食含Cd的番茄葉片的時(shí)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(bào)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(shí)間和不同的昆蟲種類的影響。本研究結(jié)果驗(yàn)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(shè)。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(dāng)釋放天敵進(jìn)行西花薊馬的防控時(shí),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(jìn)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(biāo)進(jìn)行測定。同時(shí),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(yīng)進(jìn)行更為系統(tǒng)的研究。