小白菜鎘含量基因型與環境效應研究

鄭龍

（福建省莆田市農業技術推廣站，福建莆田 351100）

小白菜（Brassica campestrisssp.Chinensis）為十字花科蕓薹屬蔬菜。在土壤-植物系統中，重金屬污染不但影響植物產量與品質，還影響大氣和水環境質量，并通過食物鏈危害人類的生命和健康，更為嚴重的是這種污染具有多源性、隱蔽性、長期性、不可逆性及污染后果嚴重性等特點[1-4]。鎘（Cd）是環境中對植物、動物以及人類毒性最強的重金屬元素之一，易為蔬菜所富集，進而通過食物鏈威脅人類健康[3-8]。曾希柏等[9]研究發現，我國約93%的菜地受重金屬污染，且各省均有分布。由于不同植物對Cd吸收特點不同，取決于基因型、環境效應及基因型與環境的互作效應，可有選擇地種植食用部分富積污染物量少的作物，減少危害[5-8]。小白菜是對Cd較敏感的作物，較低的含量即可對其造成傷害，降低其產量及食用品質，但不同品種對Cd脅迫的適應性有明顯差異[10-16]。基因型與環境互作是比較復雜的生物學現象，如何準確、高效地分解出基因型、環境型及其互作效應是育種和推廣工作中面臨的重要問題[17]，本研究通過在莆田市蔬菜主產區的6個地點田間種植6個小白菜常見品種，利用AMMI（additive main multiplicative interaction）模型對各小白菜品種地上部和地下部的Cd含量進行分析，明確小白菜Cd含量的差異及基因型、環境的效應，篩選具有低鎘積累和高環境適應性的小白菜品種，為小白菜的優質綠色生產提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

以福建省莆田市常見的6個小白菜品種‘華冠青梗菜’（G1，日本武藏野種苗園株式會社）、‘早生華京’（G2，日本武藏野種苗園株式會社）、‘田園青冠’（G3，武漢田園大豐農業科技有限公司）、‘華王青梗菜’（G4，日本武藏野種苗園株式會社）、‘皇冠青梗菜’（G5，青縣良達盛農技推廣中心）和‘上海青’（G6，福州永榮種子有限公司）為供試品種。分別在莆田市荔城區黃石鎮清前村（E1）、莆田市城廂區華亭鎮興沙村（E2）、莆田市仙游縣龍華鎮愛和村（E3）、莆田市荔城區新度鎮渠橋村（E4）、莆田市荔城區新度鎮洋程村（E5）、莆田市涵江區江口鎮東大村（E6）6個試驗地點進行種植。各試驗點的地理位置及土壤基礎理化性質詳見表1。

表1 試驗地點的基本情況Table 1 Basic Information about Experimental Sites

1.2 試驗設計

試驗采取隨機區組設計，3次重復，小區面積48.6 m2，每小區2畦，長度27 m，畦帶溝寬0.9 m。所有小區統一方案管理。試驗于2020年2月4日采用種子直播方式播種，肥料施用量參照當地平均水平，施用商品有機肥2 250 kg·hm-2、復合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）300 kg·hm-2作基肥。2月7日出苗，3月1日追肥，追施復合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）75 kg·hm-2、尿素75 kg·hm-2，兌水澆施。于3月20日采收、取樣，按《GB 5009.15—2014食品安全國家標準食品中鎘的測定》[18]檢測各品種地上部和地下部Cd含量。

1.3 Cd含量測定

每小區采用“Z”字型5點取樣法，每點取10株。用蒸餾水沖洗干凈，用吸水紙吸干水分，分別取小白菜地上部分（根莖部往上0.5 cm）和地下部，用食品加工機打成勻漿，儲于潔凈的塑料瓶中，并標明標記，于-16~-18℃冰箱中保存備用。采用濕式消解法進行樣品前處理，用安捷倫280 ZAA石墨爐原子吸收光譜儀測定鎘含量。

1.4 數據分析

采用Excel 2003和DPS7.05軟件進行數據統計分析。在方差分析基因型與環境互作效應顯著的基礎上，按AMMI模型[19-25]進行分析。取前3個主成分效應iPCA中達到P＜0.01顯著水平、離原點的歐氏距離作為穩定性參數Di[19-25]，其值越小則品種穩定性越高。

2 結果與分析

2.1 小白菜Cd含量的表型值分析

供試材料地上部和地下部的Cd含量如表2所示。‘華王青梗菜’地上部Cd含量的平均值最高，為0.014 9 mg·kg-1；‘華冠青梗菜’和‘田園青冠’最低，為0.011 3 mg·kg-1。其中，‘華王青梗菜’在愛和村的地上部Cd含量最高，0.025 0 mg·kg-1；‘皇冠青梗菜’在東大村的地上部Cd含量最低，為0.001 3 mg·kg-1；最 高 值 是 最 低 值 的18.7倍。‘早生華京’地下部Cd含量的平均值最 高，為0.039 1 mg·kg-1；‘上 海 青’最 低，為0.026 9 mg·kg-1。其中，‘皇冠青梗菜’在清前村的地下部Cd含量最高，為0.105 2 mg·kg-1；‘上海青’在東大村的地下部Cd含量最低，為0.011 0 mg·kg-1；最高值是最低值的9.59倍。相關性分析表明小白菜地上部和地下部及試點土壤三者Cd含量之間的相關不顯著（未列出）。

表2 不同小白菜品種在不同地點的Cd含量Table 2 Cd contents of pakchoiplanted in different sites (mg·kg-1)

2.2 小白菜Cd含量的基因型和環境效應分析

方差分析（表3）表明，基因型、環境、基因型與環境間互作效應對小白菜地上部和地下部Cd含量有極顯著影響。小白菜地上部Cd含量受環境效應影響最大，其效應占總效應的87.04%，表明環境間的差異是引起小白菜地上部Cd含量變化的主要原因；基因型與環境間的互作效應次之，占9.26%；基因型效應最小，占3.70%。對小白菜地下部Cd含量的影響與地上部相同，環境效應、基因型與環境間互作效應、基因型效應占總效應的比例分別為65.97%、28.24%和4.63%。

2.3 小白菜Cd含量的基因型與環境互作分析

小白菜地上部和地下部Cd含量均有3項交互主成分分析的iPCA達極顯著水平（表3）。對于地上部Cd含量，前2項（iPCA1和iPCA2）的平方和均占交互作用平方和的40.00%；對于地下部Cd含量，前2項iPCA（iPCA1和iPCA2）的平方和分別占交互作用平方和的70.49%和22.95%。因此，考察前2個AMMI分量代表的互作部分能對小白菜Cd含量的基因型與環境互作做出較準確判斷。

表3 小白菜Cd含量的方差分析和AMMI分析Table 3 Variance analysis and AMMImodel analysis of Cd contents in pakchoi

圖1為以平均產量為x軸，交互效應主成分iPCA1值為y軸的AMMI1雙標圖，其水平方向的分散程度表明品種效應的大小，垂直方向的差異表明品種與環境間的交互作用[19-25]。由AMMI1雙標圖可知，小白菜地上部和地下部Cd含量在不同試點間的差異大于不同品種間差異，這與方差分析結果一致。小白菜品種‘華冠青梗菜’‘早生華京’和‘皇冠青梗菜’地上部Cd含量與興沙村、愛和村、渠橋村有著正向的交互作用，與清前村、洋程村、東大村的交互作用為負；小白菜品種‘華冠青梗菜’‘早生華京’‘田園青冠’‘皇冠青梗菜’和‘上海青’的地上部Cd含量相差較小，但iPCA1值的差異表明這5個品種在不同地點間的差異較大。小白菜品種‘華冠青梗菜’和‘皇冠青梗菜’地下部Cd含量與清前村有著正向的交互作用，與其他地點有著負向的交互作用，即‘華冠青梗菜’和‘皇冠青梗菜’在清前村種植時地下部Cd含量較高。

圖1 AMMI1雙標圖Fig.1 AMMI1 Biplot between yield and iPCA1

以iPCA1為x軸，iPCA2為y軸建立AMMI2雙標圖（圖2），圖中品種在地點與原點連線上的垂直投影到原點的距離表示該品種與此地點的交互作用大小，連線長則交互作用大，若投影落在連線上則其交互作用為正向，如果投影落在連線的反向延長線上則其交互作用為負向[19-25]。由圖3可知，對于地上部Cd含量，‘華王青梗菜’較穩定；‘早生華京’與愛和村、‘上海青’與清前村和興沙村、‘皇冠青梗菜’與渠橋村存在較大的正向互作，這些品種在相應地點種植都會增加小白菜地上部Cd含量；‘早生華京’與洋程村、‘上海青’與興沙村、‘皇冠青梗菜’與東大村、‘皇冠青梗菜’與清前村間為負向互作，表明它們有特殊的適應性。對于地下部Cd含量，‘早生華京’與愛和村、‘上海青’與洋程村和渠橋村、‘皇冠青梗菜’與清前村等著較大的正向互作；‘早生華京’與渠橋村、‘皇冠青梗菜’與洋程村等為負向互作。AMMI模型穩定性參數Di（表4）表明，對于地上部Cd含量，品種穩定性排序為‘田園青冠’＞‘皇冠青梗菜’＞‘華王青梗菜’＞‘華冠青梗菜’＞‘早生華京’＞‘上海青’，試點穩定性排序為東大村＞興沙村＞渠橋村＞愛和村＞洋程村＞清前村；對于地下部Cd含量，品種穩定性排序為‘華王青梗菜’＞‘田園青冠’＞‘上海青’＞‘華冠青梗菜’＞‘皇冠青梗菜’＞‘早生華京’，試點穩定性排序為東大村＞渠橋村＞洋程村＞興沙村＞愛和村＞清前村。

圖2 AMMI2雙標圖Fig.2 AMMI2 Biplot between iPCA1 and iPCA2

表4 基因型與環境條件交互作用的主成分值及穩定性參數Table 4 Principal component values and stability parameters of the genotype-environment interactions

根據AMMI模型獲得的穩定性參數Di和相應的Cd含量綜合分析，‘田園青冠’地上部Cd含量低且穩定，可用于大面積生產；‘華冠青梗菜’地上部Cd含量較低但穩定性差；‘早生華京’和‘皇冠青梗菜’地上部Cd含量和穩定性都居中。興沙村、東大村對小白菜地上部Cd含量影響較小，適宜發展小白菜生產。

3 討論

在輕、中度重金屬污染的土壤上能否繼續進行作物安全生產已得到普遍關注[19]。本研究結果表明，不同小白菜品種在不同地點的Cd含量存在較大差異，變異范圍較大，其中地上部Cd含量的最高值是最低值的18.7倍，地下部Cd含量的最高值是最低值的9.59倍；且小白菜地上部和地下部及試點土壤Cd含量三者間相關不顯著。這可能是因為蔬菜可食部位重金屬積累的差異更大程度上取決于重金屬在蔬菜體內轉運和分配的差異[26]，土壤類型、土壤酸堿度、重金屬的生物有效性、土壤有機質含量、土壤氧化還原電位、絡合劑、離子互作和植物營養物質等因素也影響重金屬的積累量[27-32]。

研究表明，水稻稻米Cd含量不僅受基因型影響，也受環境及兩者的交互作用影響[21-23,33]。張彥威等[20]研究發現基因型、環境及基因型與環境互作對大豆籽粒的Pb、Cr、As、Cd、Hg含量均具有極顯著影響，因此，改善土壤條件可能對降低大豆對重金屬的吸收量起到一定作用，選擇籽粒重金屬積累量低且對環境變化表現較穩定的基因型是品種選擇的首要目標。不同品種的甜高粱在污染土壤中種植，對不同重金屬的吸收有選擇性[34]。

本研究中基因型、環境及二者互作對小白菜地上部Cd含量均有極顯著影響。小白菜地上部Cd含量的環境效應、基因型與環境間互作效應、基因型效應分別占總效應的87.04%、9.26%、3.70%；地下部Cd含量的環境效應、基因型與環境間互作效應、基因型效應分別占總效應的65.97%、28.24%、4.63%。由此表明，環境效應為主導因素，選擇特定環境是降低小白菜Cd含量的主要途徑；而基因型與環境互作效應次之、基因型效應最小，應綜合考慮采用地區控制和品種搭配相結合的策略以減少小白菜的吸收途徑可能更為有效[18]。綜合小白菜Cd含量的表型值、AMMI模型、Di分析結果，‘田園青冠’地上部Cd含量低且穩定，可用于大面積生產；‘華冠青梗菜’地上部Cd含量較低但穩定性差；‘早生華京’和‘皇冠青梗菜’地上部Cd含量和穩定性都居中，生產中要充分考慮基因型與環境的互作效應。興沙村和東大村適宜發展小白菜生產。