鎘脅迫對姬松茸生長和鎘吸收累積的影響

劉朋虎,陳 華,李 波,王義祥2,,翁伯琦2,

1 福建農林大學國家菌草工程技術研究中心,福州 350002 2 福建省農業科學院農業生態研究所,福州 350013 3 福建省紅壤山地農業生態過程重點實驗室,福州 350013

姬松茸由于良好的品質與特殊的風味深受城鄉消費者的喜愛[1]。Cd是土壤污染的主要因素之一,微量的Cd2+累積不僅對植物生長有毒害作用,同時食品鎘超標對人體健康產生較大的危害[2—3]。姬松茸對鎘等重金屬比較敏感,在生產栽培過程容易發生鎘等重金屬累積與超標現象,進而影響綠色生產與食品安全,引發人們高度重視[4—5]。有研究表明,要避免與防控姬松茸鎘污染或鎘累積超標,除了要著力選育低鎘姬松茸品種之外,很重要的一個實踐命題就是要深入探討姬松茸吸收與富集鎘的規律與主要影響因素,尤其是深入了解姬松茸在不同生長階段對鎘吸收與累積過程及其內在動態變化的關系[6—7],著力探索姬松茸綠色高優栽培與有效降低鎘吸收累積的技術途徑。本研究以項目組通過輻射而成功選育的低鎘姬松茸品種J37與常規生產品種姬松茸J1為供試品種[8],以外源添加不同濃度的鎘為試驗處理,系統探索在不同鎘濃度脅迫條件之下,對姬松茸子實體生長及其鎘含量變化的動態響應,力求總結其內在變化規律,為耐受栽培環節鎘脅迫的姬松茸品種選育及選用主要農藝性狀作為鎘毒害表征指標提供參考與借鑒,也為進一步開展耐鎘脅迫的姬松茸品種分子生物學機制研究提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

姬松茸(AgaricusblazeiMurill.) 供試菌種2個,包括姬松茸 J1(常規生產品種)與J37均由福建農林大學國家菌草工程技術研究中心提供(以下簡稱J1與J37)。姬松茸栽培的基本培養料配方為:棉籽殼20%,玉米芯12.5%,牛糞(干)35%,麩皮10%,稻草(干)20%,CaCO31.0%,石灰1.5%。麥粒種:小麥20 kg,CaSO4·2H2O 0.4 kg。

1.2 試驗設計

試驗設0、5、15、25、35、45、55、65 mg/kg共8個外源添加不同鎘濃度處理,將培養料按料水比1∶1.25的比例進行混合,并將事先配制好的氯化鎘母液按照試驗設計適量加入培養料中。將攪拌均勻的培養料分裝入聚丙烯袋中,每袋裝料1.8 kg,兩個菌株的每個處理設20個重復,進行隨機區組排列。

1.3 栽培管理

姬松茸的出菇栽培,按照常規袋栽管理。先將分裝好的栽培袋封口,放入高壓滅菌鍋中,121 ℃滅菌2 h；隨后在無菌接種箱中按照無菌操作接種,再將接種好的菌袋放置在28 ℃恒溫的培養室中；待菌絲走滿袋后,分別將栽培袋移到栽培室并按照隨機區組排列,開袋覆土。待出菇后分別采收,稱重,烘干,樣品冷藏備用。

1.4 子實體農藝性狀及產量測定

將采收后的新鮮子實體用小刀與小刷子輕輕去掉菌柄帶出的土,然后用天平和數顯卡尺對子實體進行稱重和測量,對每個菌株每個梯度的出菇數量、農藝性狀、菇鮮重分別進行統計。農藝性狀測量指標包括:單個子實體平均重量和高度、菌蓋直徑和厚度、菌柄直徑。子實體農藝性狀為第一潮菇5個重復數的測定平均值,子實體產量分為四潮收獲,每一潮產量測定分別為3個重復數的平均值。

1.5 子實體中鎘含量測定

將新鮮子實體去土后,放入60℃條件下烘干至恒重,用高速粉碎機將烘干好的樣品粉碎磨成粉。子實體樣品消解采用硝酸-過氧化氫混合微波消解。稱取0.2 g左右研磨過的子實體樣品,放入預先清洗干凈的微波消煮管中,加入5.0 mL硝酸密封過夜；第二天消煮前,每個消煮管加入2.0 mL 過氧化氫,在100 ℃預熱25 min；之后將消煮管放置至常溫后擰緊蓋子,放入微波消煮儀中進行消煮。將消煮好的液體淋洗到50 mL容量瓶中,并進行適當稀釋,之后用火焰原子吸收光譜儀進行鎘含量的測定[9]。同時做空白試驗,每個樣品均設3個重復,分析所用的試劑均為優級純。在樣品的測定過程中以木耳無機成分標準物質(GBW10089)進行分析質量控制,結果顯示標準物質測定數據較集中,并且平均值接近標準值,說明精密度高,準確度也高,符合質控要求。

1.6 數據處理

采用SPSS 19.0數據處理軟件對實驗數據進行差異顯著性分析和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 鎘脅迫對姬松茸子實體農藝性狀的影響

圖1 鎘脅迫濃度對姬松茸子實體重量的影響Fig.1 Effect of cadmium stress on the fruitbody weight of Agaricus blazei

很顯然,農藝性狀是農作物表現出的表征性狀,其可以代表作物本身品種特性[10—11]。通過比較分析外源鎘脅迫下J37、J1兩種姬松茸品種第一潮子實體的農藝性狀,可以直觀的反映添加不同濃度外源鎘對姬松茸子實體生長產生的動態影響。不同鎘濃度脅迫處理對姬松茸子實體農藝性狀的影響結果見圖1—圖5。就單個子實體重量而言(圖1),兩個姬松茸菌株單個子實體重量隨著外源鎘濃度的增加呈下降的變化趨勢。與鎘水平為0 mg/kg處理相比,鎘脅迫處理J1和J37菌株單個子實體重量分別降低了5.4%—80.8%和4.9%—77.1%,其中鎘水平≥15mg/kg處理與0 mg/kg處理間的差異均達到顯著性水平(P<0.05)。不同處理J37菌株單個子實體重量比J1菌株提高了10.9%—36.6%,其中15mg/kg鎘處理兩菌株間的差異達顯著性水平(P<0.05),其他處理兩菌株間無顯著性差異。就子實體高度而言(圖2),兩個姬松茸菌株隨著外源鎘濃度的增加呈降低的變化趨勢。與鎘水平為0 mg/kg處理相比,鎘脅迫處理J1和J37菌株子實體高度分別降低了3.8%—75.1%和3.9%—67.5%,其中鎘水平≥15mg/kg處理與0 mg/kg處理間的差異均達到顯著性水平(P<0.05)。鎘水平≥35mg/kg處理J37菌株子實體高度比J1菌株提高了1.1%—43.1%,兩菌株間的差異達顯著性水平(P<0.05)。

兩個姬松茸菌株菌蓋直徑、菌蓋厚度和菌柄直徑亦均隨著外源鎘脅迫水平的提高呈減少的變化趨勢(圖3、4和5)。就菌株而言,不同鎘脅迫處理J37菌株的菌蓋直徑、菌蓋厚度和菌柄直徑均大于J1菌株,但兩菌株間無顯著性差異。鎘水平≥35mg/kg處理J1、J37菌株的菌蓋直徑、菌蓋厚度和菌柄直徑分別比鎘水平為0 mg/kg處理高出18.0%—80.9%、25.2%—71.4%、24.3%—79.6%和17.7%—79.1%、23.0%—68.7%、17.9%—78.2%,且鎘水平≥35mg/kg處理與鎘水平為0 mg/kg處理間的差異均達到顯著性水平(P<0.05)。相關分析表明(表1),兩菌株子實體重量、子實體高度、菌蓋直徑、菌蓋厚度和菌柄直徑與外源鎘水平間均存在極顯著的負相關關系。

圖2 鎘脅迫濃度對姬松茸子實體高度的影響Fig.2 Effect of cadmium stress on the fruitbody height of Agaricus blazei

圖3 鎘脅迫濃度對姬松茸菌蓋直徑的影響Fig.3 Effect of cadmium stress on cap diameter of Agaricus blazei

圖4 鎘脅迫對姬松茸菌蓋厚度的影響Fig.4 Effect of cadmium stress on the cap thickness of Agaricus blazei

圖5 鎘脅迫對姬松茸菌柄直徑的影響Fig.5 Effect of cadmium stress on the handle diameter of Agaricus blazei

表1 姬松茸農藝性狀與外源鎘水平間的相關系數表

2.2 鎘脅迫對姬松茸子實體產量的影響

就J1與J37菌株相比,在不添加外源鎘的條件下,J37菌株四潮菇子實體總產量比J1菌株增加了13.78%,且兩菌株間的差異達顯著性水平(P<0.05)。鎘水平為15 mg/kg和35 mg/kg條件下,J37四潮菇子實體總產量分別比J1菌株高出28.2%和40.9%,說明J37菌株比J1菌株對鎘具有更高的耐受性。圖6還顯示,隨著潮次的增加,姬松茸兩菌株子實體產量均呈逐漸降低的趨勢。不同鎘脅迫處理J1菌株第一、二、三、四潮子實體產量分別占總產量的39.8%—42.3%、23.9%—26.7%、20.0%—22.2%、11.0%—12.9%；J37菌株第一、二、三、四潮子實體產量分別占總產量的36.7%—43.9%、23.4%—30.6%、19.8%—22.1%、11.6%—12.9%。就鎘脅迫影響而言,15 mg/kg和35mg/kg 鎘脅迫處理J1菌株子實體產量分別比未添加鎘處理降低了23.4%和45.4%,J37菌株分別降低了13.4%和32.1%,15 mg/kg和35mg/kg與未添加鎘處理間的差異均達到顯著性水平(P<0.05)。

圖6 鎘脅迫理對姬松茸子實體產量的影響Fig.6 Effect of cadmium stress on fruitbody yield of Agaricus blazei

2.3 鎘脅迫對姬松茸子實體鎘含量的影響

0、15、35mg/kg鎘水平下,J37菌株四潮子實體鎘含量平均比J1菌株降低了39.2%、56.0%和31.3%,且兩菌株間的差異均達到顯著性水平(P<0.05),說明J37比J1菌株具有較低的鎘富集特性。隨著潮次的增加,J1和J37菌株子實體鎘含量均呈現逐漸降低的趨勢(圖7)。不同鎘處理J1菌株第二、三、四潮菇子實體鎘含量分別比第一潮降低了6.2%—14.0%、18.8%—26.5%、26.0%—32.1%；J37菌株分別降低了8.1%—21.9%、10.5%—32.7%、28.1%—40.4%。就鎘脅迫影響而言,15 mg/kg和35 mg/kg鎘脅迫處理J1菌株四潮菇子實體平均鎘含量分別比0 mg/kg鎘脅迫處理增加了51.5%和75.1%；J37菌株平均增加了13.7%和68.7%,15 mg/kg和35mg/kg與0 mg/kg鎘處理間的差異均達到顯著性水平(P<0.05)。當鎘水平為15 mg/kg時,J1菌株子實體鎘含量已接近姬松茸鎘衛生標準臨界值(10 mg/kg干品)。

圖7 鎘脅迫對姬松茸子實體鎘含量的影響Fig.7 Effect of cadmium stress on Cd concentration in the fruitbodies of Agaricus blazei

2.4 鎘脅迫對姬松茸子實體氨基酸含量的影響

圖8顯示,0、15和35mg/kg鎘水平下,J37菌株四潮子實體氨基酸含量平均比J1菌株提高了20.1%、16.6%和16.1%,且兩菌株間的差異均達到顯著性水平(P<0.05)。隨著潮次的增加,J1和J37菌株子實體氨基酸含量總體呈逐漸降低的趨勢,但潮次間的差異不顯著。不同鎘處理J1菌株第二、三、四潮菇子實體氨基酸含量分別比第一潮降低了8.9%—9.9%、10.4%—15.6%、10.3—19.3%,J37菌株分別降低了4.0%—5.4%、8.7%—9.8%、13.2%—14.8%。就鎘脅迫影響而言,15 mg/kg和35 mg/kg鎘脅迫處理J1菌株四潮菇子實體平均氨基酸含量分別比0 mg/kg鎘脅迫處理降低了5.6%和13.5%,J37菌株平均增加了7.9%和16.4%,其中35mg/kg與0 mg/kg鎘處理間的差異達到顯著性水平(P<0.05)。

圖8 鎘脅迫對姬松茸子實體氨基酸含量的影響Fig.8 Effect of cadmium stress on amino acid concentration in the fruitbodies of Agaricus blazei

3 討論

從本試驗結果顯示,單個子實體重量與子實體高度、菌蓋直徑、菌蓋厚度、菌柄直徑為從屬關系,因此它們間的趨勢變化相似。將外源鎘水平與兩菌株子實體農藝性狀進行相關性分析,結果表明,J1與J37子實體各農藝性狀與外源鎘水平之間均呈極顯著負相關。隨著外源鎘水平的增加,兩個菌株子實體生長明顯受到鎘的抑制作用,各生長指標均呈下降趨勢；且J1子實體各農藝性狀降低程度均大于J37子實體,說明J1子實體生長受到鎘的抑制程度大于J37子實體。作為直觀的判斷指標應該為單個子實體重量,其是生產實踐的關鍵要素,可以供生產管理者參考借鑒。

姬松茸生長過程對鎘較為敏感已為生產實踐所證實[12—14],要避免姬松茸鎘污染或者鎘超標所造成危害與損失,除了著力選育低鎘姬松茸新品種之外[15],還需要深入探討姬松茸生長過程鎘吸收與富集機理,尤其是闡明影響姬松茸生長勢——鎘危害之間的內在關系及其動態響應具有重要參考價值[16—18]。本試驗研究表明,外源鎘水平<15 mg/kg對姬松茸農藝性狀、產量的影響不顯著,但當鎘水平≥15 mg/kg時,兩菌株農藝性狀發生顯著變化,產量下降了13.4%以上,鎘含量顯著增加且已臨界食品衛生標準,這或許是鎘元素對姬松茸菌絲、子實體細胞的早期刺激效應所引發的短期行為,待鎘元素吸收并逐步累積,其對農藝性狀以及產量與鎘含量的影響就很快顯現出來[19],進而需要進一步探討鎘脅迫對細胞結構的影響[20—21],同時需要研究鎘脅迫對姬松茸生長過程酶系統動態變化的影響[22—24],力求進行多因素相關分析,進而有目的或者有針對性地開展分子生物學研究,力求從基因組水平闡明內在關系[25],并確定診斷指標,為姬松茸高產優質育種提供科學依據。

4 結論

不同鎘脅迫濃度處理對姬松茸J37和J1子實體的農藝性狀的影響各異。總體趨勢是隨著外源鎘添加濃度的增加,其單個子實體重量、子實體高度、菌蓋直徑、菌蓋厚度、菌柄直徑等5項指標呈降低的趨勢；單個子實體重量與外源鎘水平間相關性最高。J37與J1菌株農藝性狀變化的鎘脅迫臨界點均為15 mg/kg；J37菌株耐受鎘脅迫能力優于J1菌株。

姬松茸J37與J1菌株產量、子實體中氨基酸和鎘含量均隨著潮次的增加而降低,子實體產量和氨基酸含量隨著外源鎘水平增加而降低,子實體鎘含量隨鎘水平增加而增加。當外源鎘水平高于15 mg/kg時,J1和J37子實體產量分別下降23.4%和13.4%以上,鎘含量分別提高51.5%和13.7%%以上,且臨界食品衛生標準。由此認為姬松茸栽培基質鎘濃度要控制在15 mg/kg以內,是防控姬松茸生產過程鎘污染或者鎘超標關鍵點。除了選擇耐鎘危害及其能阻控鎘吸收累積的品種之外,還在于低鎘栽培原料與覆蓋土壤選擇,力求從源頭上實施姬松茸的質量安全防控與綠色產品生產。