辣椒不同品種間Cd富集的差異

趙首萍，張棋，肖文丹，陳德，葉雪珠，黃淼杰，胡靜，高娜

(省部共建農產品質量安全國家重點實驗室 農業農村部農產品信息溯源重點實驗室 浙江省農業科學院農產品質量標準研究所，浙江 杭州 310021)

鎘(Cd)是生物毒性最強的重金屬之一，因其高毒性而被認為是典型的環境污染物[1]，自然和人為因素均可導致土壤中Cd濃度的增加[2]。據統計，我國鎘污染耕地面積為1.33萬hm2，涉及11個省的25個地區，并有11處污灌區達到了生產“鎘米”的程度[3]。Cd對植物和人體都是非必需元素，微量Cd通過食物鏈進入人體即可通過生物放大和積累效應，對人體產生一系列損傷，如“骨痛病”等[2,4]。

多項研究表明，同種作物不同品種在重金屬累積量上存在明顯差異[5-6]，充分利用植物的自身潛力，挖掘低Cd積累的種質資源，篩選出適于中輕度污染土壤中種植的重金屬低累積作物品種是可行的。近年來，多數蔬菜重金屬低積累品種的篩選研究均以某地區盆栽或大田等特定生長環境下的蔬菜重金屬積累量或富集系數為篩選指標，未考慮到土壤理化性質、外界環境條件及栽培管理措施對作物重金屬吸收的影響，較少涉及不同年份、不同地點間的結果對比。如劉峰等[7]利用盆栽和小區實驗相結合，在71個辣椒品種中篩選出5個辣椒低積累品種；Dai等[8]通過盆栽試驗從40 個蘿卜品種中篩選出了3個Cd低積累品種；陳劍等[9]采用大棚盆栽試驗篩選出了低Cd富集西蘭花品種；Yan等[10]對比了兩處田間環境及水培環境，發現3種不同環境下水稻鎘積累分別達9.4、12.6和50.9倍的差異，說明環境條件對品種的篩選非常重要。本研究以浙江省主栽的39個辣椒品種為材料，通過可控一致條件下的苗期篩選，探討低Cd積累蔬菜品種的早期篩選技術，分析苗期不同品種對鎘吸收及轉運能力的差異，以期為生產上辣椒低Cd積累品種的選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

選用浙江省主栽辣椒39個品種，見表1。

1.2 方法

1.2.1 種子萌發及處理培養方法

表1 供試辣椒品種

辣椒種子用1% NaClO浸泡表面消毒30 min，28 ℃黑暗浸種24 h。播種于裝有蛭石的穴盤中，將穴盤放于培養盤中，以1/2濃度的Hoagland營養液進行預培養，苗齡15 d時改為完全Hoagland營養液培養，同時進行0，20，40 mg·L-1的Cd處理，重金屬Cd以CdCl2·2.5H2O形式提供，為保證重金屬濃度，每3 d換營養液一次，置于人工氣候箱內培養。每個處理3次重復，培養溫度為(28±2)℃，相對濕度75%，光照為20 000 lx，晝夜循環為光照14 h/黑暗10 h。

1.2.2 取樣及各指標測定方法

苗齡30 d時，取各處理幼苗，分地下部、地上部兩部分取樣，測量根長、株高、生物量之后，分別剪碎，-20 ℃冰箱冷凍保存，進行Cd含量測定。

樣品Cd含量測定按照GB 5009.15—2014《食品安全國家標準 食品中鎘的測定》標準，采用石墨爐原子吸收或火焰原子吸收法測定，按照地上部Cd濃度占根系Cd濃度的百分數評價植株對吸收Cd的轉運能力，即：轉運系數=地上部Cd濃度/地下部Cd濃度×100%。

1.2.3 數據分析

數據用計算機軟件Microsoft Excel及SPSS 11.5進行統計分析，方差分析利用SPSS 11.5軟件，采用Duncan法分析。

2 結果與分析

2.1 不同辣椒品種間Cd富集總體變異

由表2可知，與對照CK相比，Cd脅迫處理后，各品種的株高、根長及地上部生物量的最大值均有所降低，說明Cd脅迫處理確實對辣椒植株的生長產生了形態學上的影響，抑制了辣椒苗的生長。Cd脅迫處理后，株高、根長和地上部生物量的最大值呈現大幅度降低，與對照相比，株高降低了17.9%、根長降低了17.4%，而地上部生物量則降低了54.8%。但是，Cd脅迫處理后株高、根長、地上部生物量平均值變化不大，說明群體平均值的降低幅度遠低于最大值降低幅度。同時，株高、根長、地下部及地上部生物量的變異系數在Cd脅迫處理下均出現降低趨勢。這進一步說明，Cd脅迫處理后，各辣椒品種的株高、根長、生物量等形態學指標上的差異逐漸變小。

表2 供試辣椒品種總體變異情況

從辣椒植株地下部和地上部的Cd含量變化情況來看(表2)，Cd脅迫處理增加了辣椒苗地下部和地上部的Cd含量，同時品種間變異系數也顯著增加。高Cd(40 mg·L-1)處理下，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，變異系數為75.4%。而低Cd處理(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，變異系數55.8%。與對照相比，Cd處理顯著增加了植株Cd含量及相應變異系數，這說明辣椒在苗期就表現出不同的Cd積累特性。

2.2 Cd脅迫對不同辣椒品種根長、株高和生物量的影響

由圖1可以看出，在Cd脅迫下，部分品種能夠保持穩定的株高特性。在CK處理下，杭椒2號、杭椒玖號、青博特F1、杭椒1號、杭椒早秀、杭椒12號和辣天下24號F1株高均高于22.3 cm，高于供試品種平均值的30%；而朝天黃小辣椒、黃椒418、鎮研黃劍F1、鎮椒216F1、絡椒66、朝天椒和王子3號辣椒株高則低于12.0 cm，比總體平均值低30%。在20 mg·L-1Cd處理下，種椒1號和絡椒條椒8號株高均大于22.7 cm，比平均值高30%；而鎮研黃劍F1、朝天椒、黃辣1號和洛椒66株高則低于17.5 cm，比平均值低30%。在40 mg·L-1Cd處理下，僅辣天下24號F1株高比平均值高30%，為23 cm；朝天椒、鎮研黃劍F1、黃辣1號和朝天黃小辣椒株高則低于11.5 cm，比平均值低30%?？梢?，在不同濃度Cd脅迫下，朝天椒、鎮研黃劍F1和黃辣1號辣椒保持了較低的株高特性，而辣天下24號F1則保持了較高的株高特性。

圖1 Cd脅迫對不同辣椒品種株高(a)、根長(b)、地下部生物量(c)和地上部生物量(d)的影響

以平均值上下浮動30%作為篩選指標，在20和在40 mg·L-1Cd處理下，黃辣1號辣椒、鎮研黃劍F1、朝天黃小辣椒、鎮椒216F1和朝天椒的根長均比平均值低30%；黃辣1號辣椒、朝天椒、洛椒超級15號、鎮椒216F1、洛椒66、鎮研黃劍F1、朝天黃小辣椒、洛椒條椒98號、蕭新長線、洛椒條椒68號、渝椒13號等11個品種的地下部生物量均比平均值低30%；杭豐優秀辣椒、辣天下24號F1、早豐7618F1、杭椒1號、杭椒2號、杭椒12號、杭椒早秀、杭椒玖號等8個品種地下部生物量比平均值高30%；黃辣1號辣椒、鎮研黃劍F1、朝天椒、鎮椒216F1、朝天黃小辣椒、洛椒超級15號和洛椒66等7個品種地上部生物量比平均值低30%；杭椒12號、辣天下24號F1和渝椒15辣椒地上部生物量則高于平均值30%。

2.3 Cd脅迫對不同辣椒品種Cd富集量的影響

從地下部Cd含量來看(圖2中a)，在20和40 mg·L-1Cd處理下，供試39個品種地下部Cd含量平均值分別為32.2和33.6 mg·kg-1，沒有顯著差異。供試品種中，朝天黃小辣椒、洛椒條椒8號、洛椒條椒68號、蘇椒5號博士王、渝椒13號辣椒和鎮椒2號F1等6個品種在20和40 mg·L-1Cd濃度處理下地下部Cd含量均分別低于22.5和23.5 mg·kg-1，比相應處理的平均值低30%；而杭椒12號、杭椒早秀、采風1號和洛椒超級15號等4個品種在供試濃度Cd脅迫下地下部Cd含量均分別高于41.8和43.6 mg·kg-1，比相應處理的樣本總體平均值高30%。

從地上部Cd含量來看(圖2中b)，在20和40 mg·L-1Cd處理下，供試39個品種地上部分Cd含量分別為4.2和5.3 mg·kg-1。與20 mg·L-1Cd處理相比，40 mg·L-1Cd處理下供試品種地上部Cd含量平均值增加了26.2%，大于地下部增加的幅度。供試品種中，黃辣1號辣椒、朝天黃小辣椒、鎮研黃劍F1、黃椒418、艷椒11號、艷椒425、種椒1號和渝椒13號辣椒等8個品種的地上部Cd含量在20和40 mg·L-1Cd處理下分別低于2.9和3.7 mg·kg-1，均低于相應處理平均值的30%；而杭椒12號、洛椒超級15號、采風1號和辣天下24號F1等4個品種在20和40 mg·L-1Cd脅迫處理下地上部Cd含量分別高于5.4和6.8 mg·kg-1，均高于相應處理平均值的30%。

圖2 Cd脅迫對辣椒供試品種地下部(a)和地上部(b)Cd含量的影響

對比地下部和地上部分的Cd積累量發現，在20和40 mg·L-1Cd處理下，朝天黃小辣椒和渝椒13號辣椒不論地下部分還是地上部分的Cd含量均比平均值低30%；而杭椒12號、洛椒超級15號和采風1號等3個品種的地下部分和地上部分的Cd含量則均高于平均值的30%?？梢?，這幾個品種在供試條件下保持了Cd低積累或高積累的特性。

從地下部的Cd濃度(圖3)來看，20 mg·L-1Cd處理時，高Cd積累品種采風1號、洛椒超級15號和杭椒12號地下部Cd濃度分別為62.8、74.2和42.4 mg·kg-1；低Cd積累品種朝天黃小辣椒和渝椒13號辣椒的地下部Cd濃度則為8.2和9.5 mg·kg-1；高積累品種的地下部Cd濃度為低積累品種地下部Cd濃度的4.5～7.7倍。而在40 mg·L-1Cd處理時，3個高積累品種地下部的Cd積累量分別為122.4、100.4和45.8 mg·kg-1；而低積累品種的地下部Cd積累量分別為10.1和19.0 mg·kg-1；高積累品種的地下部Cd濃度為低積累品種地下部Cd濃度的2.4～12.1倍。

從地上部分的Cd濃度來看，在20和40 mg·L-1Cd處理下，高Cd積累品種采風1號、洛椒超級15號和杭椒12號地上部分Cd濃度分別為7.0、5.9、5.9 mg·kg-1和11.3、7.5、6.9 mg·kg-1；而低Cd積累品種朝天黃小辣椒和渝椒13號辣椒的地上部分Cd濃度則為2.1、3.1和3.3、3.4 mg·kg-1。20和40 mg·L-1Cd脅迫下，高Cd積累品種的地上部分Cd含量分別是低Cd積累品種的1.9～3.3倍和2.1～3.6倍。

2.4 辣椒品種間Cd轉運能力差異

植株對Cd的富集能力，尤其是植株地上部的Cd積累與Cd在植株體內的轉運能力有很大關系。從圖4可以看出，供試品種間轉運系數差異較大，在20和40 mg·L-1Cd處理下，供試品種的轉運系數分別為4.4%～91.3%和7.5～53.1%(表2)；其中，鎮研黃劍F1、艷椒425、杭椒早秀、洛椒超級15號、薄皮早冠F1、洛椒66和黃椒418等7個品種的轉運系數均低于樣本總體平均值的30%；而朝天黃小辣椒、辣天下24號F1這兩個品種的轉運系數則高于樣品總體平均值的30%。

處理間無相同字母表示差異顯著(P<0.05)。圖3 Cd脅迫對典型辣椒品種地下部(a)和地上部(b)Cd含量的影響

圖4 不同處理下辣椒供試品種的Cd轉運系數

從我們篩選得到的典型品種來看，低Cd積累品種的轉運系數要高于高Cd積累品種。在20 mg·L-1Cd脅迫下，低Cd積累品種朝天黃小辣椒和渝椒13號辣椒的轉運系數分別為21.3%和16.2%；高Cd積累品種杭椒12號、采風1號和洛椒超級15號的轉運系數分別為13.9%、11.2%和7.9%。在40 mg·L-1Cd脅迫下，低Cd積累品種朝天黃小辣椒和渝椒13號辣椒的轉運系數分別為40.3%和35.4%；高Cd積累品種杭椒12號、采風1號和洛椒超級15號的轉運系數分別為15.2%、9.3%和7.5%。這說明高Cd積累品種中地上部分的高Cd含量主要依賴吸收獲得，即主要是根系的吸收差異導致了品種間Cd積累量的差異。轉運系數在不同Cd脅迫濃度間的變化可以看出，對于高Cd積累品種，不同Cd濃度脅迫下，轉運系數沒有顯著變化。對于低Cd積累品種來說，40 mg·L-1的Cd脅迫則顯著增加了Cd的轉運系數，朝天黃小辣椒由21.3%增加至40.3%，渝椒13號辣椒由16.2%增加至35.4%。

2.5 辣椒植株Cd積累影響因素分析

相關分析發現，在20 mg·L-1Cd脅迫下，植株地上部Cd濃度與轉運系數、地下部和地上部的生物量均呈顯著相關，尤其是與轉運系數呈極顯著相關，說明該條件下轉運系數對地上部Cd濃度貢獻最大；而在40 mg·L-1Cd脅迫時，植株地上部Cd濃度只與地下部Cd濃度和地下部生物量呈極顯著正相關，而與轉運系數沒有顯著相關性。這似乎說明在低Cd脅迫時，植株地上部Cd依賴植株的主動向地上部運輸產生，此時，植株地下部及地上部的Cd濃度均與轉運系數呈極顯著相關；而在根系受到高濃度Cd脅迫后，根系吸收的Cd以近百倍幅度增加，破壞了由轉運能力控制的Cd在植株部位間的分配平衡，致使植株地上部Cd可能有相當一部分來源于根系向地上部由于濃度梯度而產生的被動擴散過程，從而導致地上部的Cd濃度與轉運系數間沒有顯著的相關性，而與植株地下部Cd濃度和地下部生物量極顯著相關，但轉運系數仍然對地下部Cd濃度變化有顯著的貢獻(表3)。

表3 植株Cd積累量與其他指標相關性分析(n=39)

3 小結與討論

與水稻、小麥等大宗作物類似，同種蔬菜的不同品種對土壤重金屬的吸收積累作用有很大差異[11]。劉吉振等[12]通過盆栽實驗發現，艷椒425的Cd積累量大于世農朝天椒。劉峰等[7]利用盆栽和小區實驗相結合，在71個辣椒品種中篩選出了5個辣椒低積累品種。井彩巧[13]從38個大白菜品種篩選出Cd和Pb共低積累品種黃芯48。劉維濤等[14]在15個大白菜品種中，篩選出Cd高積和低積累品種各1個。Hussain等[15]在100個西紅柿品種中篩選出6個Cd低積累品種。我們的研究通過人工氣候箱水培方式，對浙江省主栽的39個辣椒品種對比分析，篩選出苗期高Cd積累品種杭椒12號、洛椒超級15號和采風1號，低Cd積累品種朝天黃小辣椒和渝椒13號辣椒。在20 mg·L-1Cd處理時，高積累品種地下部和地上部分Cd濃度分別是低積累品種的4.5～7.7倍和1.9～3.3倍；40 mg·L-1Cd處理時，高積累品種地下部和地上部分Cd濃度分別是低積累品種的2.4～12.1倍和2.1～3.6倍；供試條件下高積累品種和低積累品種間植株Cd濃度呈顯著差異。張菊平等[16]報道在鎘脅迫下，辣椒植株的株高、根長、鮮重受到明顯抑制，同時存在品種間差異，這與我們的研究結果一致。

已有研究表明，土壤-農作物系統重金屬累積并非簡單的線性關系[17]。蔬菜作物對重金屬的吸收積累作用，不僅與作物的基因型、生育期和組織部位有關，還與土壤因素及環境要素緊密相關。Ye等[18]發現，蔬菜作物重金屬含量與土壤中重金屬含量呈顯著正相關。李欣忱等[19]同樣以水培方式研究發現，當Cd濃度低于40 mg·L-1時，辣椒生物量及Cd含量隨著Cd濃度的增加而呈上升趨勢。本研究中發現，地下部生物量平均值稍有增加現象，即對照處理為0.123 7 g·株-1，20 mg·L-1Cd處理為0.204 7 g·株-1；地上部生物量則為降低趨勢，而Cd含量則同樣呈上升趨勢。同時李欣忱等[19]研究發現，高濃度品種PE30的莖和葉中Cd含量及Cd轉運系數都很高。從我們篩選的典型品種的轉運系數可以看出，同一條件下的低Cd積累品種盡管植株Cd含量較低，但Cd轉運系數卻顯著高于高Cd積累品種，且在受到的Cd脅迫濃度增加后顯著增加，而高Cd積累品種的Cd轉運系數則沒有顯著變化。這也進一步說明可能在植株Cd濃度增加到一定程度后，轉運系數對植株體內Cd的分配協調能力也同時受到破壞，即植株對Cd的轉運能力降低也是重金屬的毒害效應之一，此時植株體內Cd的再分配則更多依賴于濃度梯度擴散或其他機制。在供試兩個濃度的Cd脅迫下，地上部Cd濃度都保持了與地下部生物量顯著相關，尤其是高Cd脅迫濃度下呈極顯著相關(表3)，這可能也說明了品種間地下部分吸收能力的差異是導致植株Cd積累量差異的主要原因之一。蔬菜作物對重金屬的吸收與作物基因型有關，同時，不同的環境條件、栽培措施乃至作物不同生長階段對蔬菜作物的重金屬富集能力都有影響，可控一致環境條件下的品種篩選是重金屬低積累品種篩選的基本條件，苗期水培篩選與盆栽或大田驗證相結合，不斷探索優化苗期重金屬低積累品種篩選技術是未來低積累品種篩選發展方向之一。