鎘對菠菜中金屬元素吸收影響的基因型差異研究

孫立志

摘要[目的]為了了解不同菠菜品種對鎘處理的生理生化反應的差異和對鎘積累的基因型背景差異。 [方法] 研究了鎘對菠菜吸收金屬元素的基因型差異及鎘對菠菜生長的影響。[結果] 10 mg/L鎘溶液可以顯著降低菠菜生物學產量。經鎘處理后，鎘影響菠菜對金屬元素的吸收、分配，地上部K、Cu、Zn含量降低，根部K、Mg、Mn和Zn含量增加。無論地上部還是根部，Ca、Al、Mo和Fe含量都增加。[結論] 該研究可以為培育無公害的菠菜品種提供理論依據。

關鍵詞鎘；菠菜；金屬元素；基因型

中圖分類號S636.1；Q786文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）28-09674-03

Genotypic Differences of Metallic Element Concentrations among Cultivars of Spinach Exposed to Cadmium

SUN Lizhi， CHEN Yujuan， QU Yingmin， LI Jingmei* et al

（College of Life Science and Technology， Changchun University of Science and Technology， Changchun， Jilin 130022 ）

Abstract[Objective]The research aimed to comprehend the difference of different spinach cultivars on the physiological and biochemical reaction of cadmium （Cd） treatment and the difference of genetype background of Cd accumulation.[Method] Genotypic differences and effects on Cd concentrations and accumulations in spinach（Spinacia oleracea）growth were studied. [Result] The nutrient solutions containing 10 mg/ml cadmium could significantly reduce the biomass yield of spinach. Cadmium caused some changes of uptake and distribution of metallic element in spinach. The concentration of potassium （K）， copper （Cu） andzinc （Zn） decreased in shoot， while the concentration of potassium （K）， magnesium （Mg）， manganese （Mn） and zinc （Zn） increased in roots. In addition， cadmium exposure resulted in an increase in calcium （Ca）， aluminum （Al），molybdenum （Mo） and ferrum （Fe） concentrations in both shoots and roots. [Conclusion] The research could provide the theoretical basis for the cultivation of pollutionfree spinach cultivars.

Key wordsCadmium； Spinach； Metallic element； Genotypic

鎘是一種有毒的有色金屬元素，于1817年被德國醫藥學教授Stromeyer在硫酸鋅中發現。近年來，隨著工業生產的迅猛發展，工業廢液的排放、殺蟲劑大量使用以及含鎘化肥的施用使得大量的鎘進入農業系統[1]。世界衛生組織已將鎘確定為優先研究的食品污染物。在聯合國環境規劃署提出的12種具有全球性意義的危險化學物質中鎘列在首位。研究表明，鎘具有累積效應，有些鎘化合物水溶性很好，極易被植物根系吸收，并且通過運輸轉移至植物其他部位，甚至通過食物鏈進入人體。鎘在人體內不易排出，而且易積累且達到有害水平，對人類身體健康尤其是腎臟、肝臟造成嚴重威脅[2-5]。

隨著安全、高效、無污染生產意識的不斷提高，人們越來越廣泛地關注鎘對動植物生產的危害。鎘對植物產生毒害作用，使得植物結構、生理生化及其生態特性發生改變[6]，嚴重時導致植株死亡[7]。研究表明，鎘在植物體內的分布和積累因植物種類、品種不同而有差異[8-9]。

菠菜是人們日常喜愛食用的葉菜之一，多栽培于城市郊區，因而易受鎘污染。為了防止鎘污染，培育食用部位鎘含量低的蔬菜品種是一個有效方法。了解不同菠菜品種對鎘處理的生理生化反應的差異和對鎘積累的基因型背景差異，對培育低鎘積累品種菠菜的意義重大。筆者研究了鎘對菠菜吸收金屬元素的基因型差異，為培育無公害的菠菜品種提供理論依據。

1材料與方法

1.1栽培方法

將經消毒處理后種子播于混勻且濕潤的蛭石和珍珠巖材料中，出苗后澆稀釋的完全營養液，幼苗生長28 d后挑選大小一致幼苗移栽到事先分組的混勻且濕潤的蛭石和珍珠巖材料中，每組4株。預培養14 d后，向營養液中加入CdSO4，使得營養液中鎘的濃度為10 mg/L，以不加鎘為對照。每天噴施一次營養液。隨機區組排列，每個處理重復4次。

1.2營養液配方

全營養液（pH 6.0）配方如下：Ca（NO3）2 3.0 mmol/L，KNO3 4.0 mmol/L，KH2PO4 1.0 mmol/L，MgSO4 1.0 mmol/L，MnCl2 3.6×10-3 mmol/L，H3BO3 4.5×10-2 mmol/L，CuSO4 8×10-4 mmol/L，ZnSO4 1.5×10-3 mmol/L，H2MoO4 9.1×10-5 mmol/L，EDTAFe 9.0×10-2 mmol/L。

1.3供試品種

菠菜品種均購自于市場，名稱代號如下：1.新世紀全能；2.賽娜；3.先鋒；4.3966；5.皇家950508；6.吉農耐熱大葉菠菜；7.夏奈爾；8.大阪速成；9.全力耐熱；10.益農超級菠菜；11.羞月；12.勝先鋒；13.澳洲大葉；14.日本春秋大葉；15.圣馬克；16.皇帝大葉。

1.4測定方法

處理20 d后，分別收獲所有植株，分開根部、地上部，全株用去離子水沖洗干凈，擦干表面水分，稱量鮮重，然后將根、地上部置于恒溫干燥箱中，105 ℃殺青1 h，60 ℃烘干至恒重，并且稱根、地上部干重。烘干樣品采用HNO3HClO4（2∶1）消煮，ICPAES（Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy，電感耦合等離子體原子發射光譜法）測定鎘及各種金屬元素含量。

2結果與分析

2.1植株生長

由表1可知，10 mg/L鎘的營養液處理菠菜后抑制菠菜的生長。16個品種的菠菜平均地上部鮮重、干重、總生物學產量在處理組、對照組間具有0.01水平顯著差異，處理組菠菜地上部產量顯著降低（P<0.01）。根鮮重、根干重在處理組及對照組間具有顯著差異（P<0.05），處理組產量較低。這表明菠菜地上部比根部對鎘敏感，所有供試菠菜品種生長參數之間都存在品種間差異，品種間互作差異不顯著。

2.2金屬元素含量

由表2、3可知，鎘處理及對照菠菜各品種間金屬元素含量，都存在顯著的品種間差異（P<0.05）。除地上部的Mg、Mn含量和根中Zn含量外，其余所有根及地上部金屬元素含量2個鎘處理間均存在顯著差異（P<0.05）。除地上部的Ca 和根中的K含量外，其余所有地上部和根中的金屬元素含量在品種和鎘處理間存在顯著互作（P<0.05）。與對照相比，10 mg/L 鎘使得地上部、根部 Ca、Al、Fe和Mo含量都增加，地下部Mg和Mn含量增加，而地上部不敏感；地上部K、Cu和Zn含量降低，而根中K和Cu含量升高。這表明鎘處理對不同基因型菠菜品種的金屬元素的吸收有不同的影響。

Zhang等[4]發現，鎘減少小麥根部、地上部的Mn和Mg

含量，增加Fe含量。因植株部位的不同，對K、Ca吸收的影響不同。Zhu等[10]發現，鎘使得地上部、根部Ca和Zn的含量增加，增加地上部Mg、Mn和Fe含量，但降低Mn、Mg、和Fe在根中的含量。試驗種類的不同、鎘處理濃度的不同、鎘處理時間的不同都可能導致菠菜對金屬元素的吸收結果。

鎘對植物產生毒害的原因之一是與必需元素之間的互作。據報道，鎘影響金屬元素的吸收及其在體內的分布，導致嚴重的營養缺乏和不平衡，最終影響產量。該試驗結果也表明，鎘使菠菜根和地上部的金屬元素含量及在根與地上部的分配發生改變。與對照相比，當營養液中添加鎘以后，菠菜地上部、根部Ca、Al、Fe和Mo的含量增加。地上部K、Cu和Zn含量降低，而根中的K和Cu含量升高。該結果與Zhu等[10]研究結果不同。這表明鎘可以改變（減少或增加）金屬元素從植物根中向地上部轉運，因而改變它們在植株器官間的分配，從而引起營養失調，進一步影響植株生長。

參考文獻

[1] RADOTIC K，DUCIC T，MUTAVDZIC D.Changes in peroxidase activity and isoenzymes in spruce needles after exposure to different concentrations of cadmium[J].Environ Exp Bot，2000，44：105-113.

[2] HENDRY G A F，BAKER A J M，EWART C F.Cadmium tolerance and toxicity oxygen radical processes and molecular damage in cadmiumtolerant and cadmiumsensitive clones of Holcus lanatus[J].Acta Bot Neerl，1992，41：271-281.

[3] HARDIMAN R T，JACOBY B.Absorption and translocation of Cd in bush bean（Phaseolus vulgaris）[J].Physiol Plant，1984，61：670-674.

[4] ZHANG G P，FUKAMI M，SEKIMOTO H.Influence of cadmium on mineral concentrations and components in wheat genotypes differing in Cd tolerance at seedling stage[J].Field Crops Res，2002，77：93-98.

[5] SHAH K，DUBEY R S.Cadmium elevates level of protein，amino acids and alters activity of proteolytic enzymes in germinating rice seeds[J].Acta Physiol Plant，1998，20：189-196.

[6] 劉用場.菜園土壤鎘臨界濃度的初步研究[J].福建農業科技，1997（2）：16-17.

[7] SANDALIO L M，DALURZO H C，GMEZ M，et al.Cadmiuminduced changes in the growth and oxidative metabolism of pea plants[J].J Exp Bot，2001，52：2115-2126.

[8] OBATA H，UMEBAYASHI M.Effects of cadmium on mineral nutrient concentrations in plants differing in tolerance for cadmium[J].J Plant Nutr，1997，20（1）：97-105.

[9] DUDKA S，PIOTROWSKA M，TERELAK H.Transfer of cadmium，lead and zinc from industrially contaminated soil to crop plants：a field study[J].Environ Pollution，1996，94：181-188.

[10] ZHU Z J，SUN G W，FANG X Z，et al.Genotypic differences in effects of cadmium exposure elements in 14 cultivars of Bai Cai [J].Journal of Environmental Science and Health Part BPestides，Food Contaminants and Agricultural Wastes，2004，39（4）：675-687.