混种两种生态型少花龙葵及其杂交后代对生菜生长和镉积累的影响

王力明，欧阳丽莹，陆春艳，卢麒宇，林立金，廖继超，李焕秀，唐懿

(1.四川农业大学园艺学院，四川 成都 611130；2.成都农业科技职业学院现代农业分院，四川 成都 611130；3.崇州职业教育培训中心，四川 成都 611230；4.四川农业大学果蔬研究所，四川 成都 611130)

蔬菜是人们日常生活中所必需的一部分，据中国产业信息网统计，至2017年，我国蔬菜的种植面积达到2 166.9万hm2，在国民经济中占有重要地位.由于社会经济的发展，工业化进程不断推进，土壤重金属污染越来越严重[1]，许多菜地也受到不同程度的污染，特别是重金属镉[2].相对一些禾本科作物，蔬菜对镉更敏感[3]，同时也是人体镉的主要来源之一[4].因此，生产绿色、无公害蔬菜，重金属污染治理就显得尤为重要.植物修复技术由于其成本低廉，适用范围广等优点在重金属污染治理方面较为常用[5].混种在我国农业生产中历史悠久，它可以提高植物产量、减少病虫害的发生、改善土壤环境，提高土壤酶活性和促进作物对养分元素的吸收等[6-7].在重金属污染土壤上，合理的间套作技术与植物修复技术高效结合，不仅可以提高一种植物对重金属的吸收，而且可以降低另一种植物对重金属的吸收，从而促进了植物对土壤重金属污染的修复，同时农业生产还能正常进行.蒋成爱等[8]发现东南景天与玉米混作促进东南景天对锌和镉的吸收，同时降低玉米籽粒的锌和镉含量.秦丽等[9]的研究表明，续断菊和玉米间作促进了续断菊对土壤镉的吸收了积累，降低了玉米对镉的吸收.李素霞等[10]在苋菜-小白菜混作中发现，与苋菜混种，降低了小白菜的镉含量，提高了其产量.

有研究表明，叶菜类蔬菜对重金属的吸收较其他蔬菜更高[11].生菜(Lactucasativa)是叶用莴苣的俗称[12]，作为叶菜类蔬菜的常见代表，已有研究证实在重金属污染的土壤上生长的生菜对镉具有较高的积累量[13].少花龙葵(Solanumphoteinocarpum)是一种潜在的镉超富集植物[14]，为茄科一年生或多年生草本植物.不同生态型植物对重金属的吸收和耐性方面均存在一定差异，矿山生态型具有植株矮小，茎秆粗壮，但镉含量高的特点，而农田生态型与之正好相反[15].育种实践证明，通过杂交育种，可以得到一些性状超亲本的优良单株[16]，利用不同生态型的超富集植物进行杂交育种，对其后代进行筛选，可能得到一种集不同生态型超富集植物优势性状于一体的改良品种，为重金属污染的修复治理开辟一条新的路径.鉴于此，本试验将2种生态型(矿山和农田)少花龙葵及其杂交后代与生菜混种，研究了混种2种生态型少花龙葵及其杂交后代对生菜的生长与镉积累的影响，以期筛选出适宜与镉胁迫生菜混种的少花龙葵杂交后代，为镉污染条件下叶菜类蔬菜安全生产提供参考.

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 植物材料 矿山生态型少花龙葵种子(同一株)于四川省汉源县唐家乡铅锌矿区收集，农田生态型少花龙葵种子(同一株)于四川农业大学雅安校区农场农田收集.

1.1.2 试验土壤 试验用土壤为紫色土，取自四川农业大学雅安校区农场农田(E 103°48′，N 30°23′)其基本理化性质详见文献[17].

1.1.3 植物材料培育 将收集的少花龙葵种子直接播种21 cm×20 cm(直径×高)的塑料盆.盛花期开始杂交，处理方式如下：

1) 矿山生态型少花龙葵为父本杂交：在开花前一天下午，将农田生态型少花龙葵花苞中雄蕊除去，并套袋隔离.于第2天中午将矿山生态型少花龙葵花粉涂抹于农田生态型少花龙葵去雄花的雌蕊上，并套袋隔离.

2) 农田生态型少花龙葵为父本杂交：在开花前一天下午，将矿山生态型少花龙葵花苞中雄蕊除去，并套袋隔离.于第2天中午将农田生态型少花龙葵花粉涂抹于矿山生态型少花龙葵去雄雌蕊上，并套袋隔离.

待植株成熟收集种子留用，即为2种生态型少花龙葵杂交后代，分别标记为父矿少花龙葵与父农少花龙葵.

1.2 试验设计

试验于2014年4月至6月在四川农业大学雅安校区农场内进行.2014年4月将风干的土壤压碎、过筛(5 mm)，装入21 cm× 20 cm(直径×高)的塑料盆内，每盆3 kg，加入形式为分析纯的CdCl2·5/2H2O，使其镉浓度为10 mg/kg，与土壤充分混匀，自然放置平衡4周后再次混合备用.2014年4月，将收集的2种生态型少花龙葵杂交后代种子置于双层滤纸的培养皿中，放进种子发芽箱，每天浇水保持湿度.5月将长势一致，4片真叶展开的2种生态型少花龙葵杂交后代幼苗分别与生菜幼苗移栽于盆中.2种生态型少花龙葵后代与生菜混种比例为1∶3，试验设置5个处理：生菜单种、生菜混农田型少花龙葵、生菜混矿山型少花龙葵、生菜混父农少花龙葵与生菜混父矿少花龙葵，每个处理重复6次.盆与盆之间的距离为15 cm，完全随机摆放.土壤表面覆盖等量黑麦草秸秆以减少土壤水分蒸发.根据土壤水分实际情况不定期浇水确保土壤水分保持在田间持水量的 80%左右，并及时去除杂草，防治病虫害.

1.3 生理指标测定

移栽35 d后分别取生菜叶子测定叶绿素(叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量)含量和抗氧化酶(SOD、POD和CAT)活性[18].之后，收获生菜和少花龙葵植株，将根系和地上部分的土壤用自来水清洗干净，再用去离子水冲洗3次.将生菜以及少花龙葵根系和地上部分于110 ℃杀青15 min，75 ℃烘干至衡重，分别称其干质量，然后粉碎，过100目筛.称取1.0 g样品，加入硝酸-高氯酸(体积比为4∶1)放置12 h后消化至溶液透明，过滤，定容至50 mL，用iCAP 6300型ICP光谱仪测定(Thermo Scientific，USA)镉含量[19]，同时计算少花龙葵镉积累量.

1.4 数据处理

采用Excel 2010进行数据记录与整理，采用SPSS 20.0系统进行Duncan差异显著性分析.

2 结果与分析

2.1 混种对生菜生物量的影响

由表1可知，与单种相比，混种矿山、混种农田、混种父矿、混种父农的生菜根系生物量分别增加了20.42%、41.88%、67.02%、96.34%，地上部分生物量分别增加了62.01%、79.19%、102.79%、118.19%，而根冠比均明显下降.以上结果说明，混种2种生态型少花龙葵及其杂交后代均能够促进生菜地下和地上生物量的积累，且以混种少花龙葵杂交后代效果较为显著.

2.2 混种对生菜叶绿素含量的影响

从表2中可以看出，与生菜单种相比，混种矿山、混种农田、混种父矿、混种父农的叶绿素a含量分别增加了2.01%、0.86%、13.54%、8.79%，叶绿素b含量分别增加了7.14%、3.33%、17.14%、10.00%，叶绿素总量分别增加了3.32%、1.44%、14.40%、9.19%，而叶绿素a/b均降低.以上结果说明，混种杂交后代的生菜叶绿素含量比混种亲本的增加幅度更大，且以生菜(混父矿)叶绿素a、叶绿素b以及叶绿素总量增加最多，有利于生菜进行光合作用.

2.3 混种对生菜抗氧化酶活性的影响

从表3中可以看出，混种2种生态型少花龙葵及其杂交后代后，除混种农田CAT与对照相比不显著外，生菜中的SOD、POD与CAT的活性显著增高，其中以混种父矿SOD、POD和CAT增加最显著，与生菜单种相比，分别增加了73.30%、280.95%以及114.05%，以上结果说明，混种2种生态型少花龙葵及其杂交后代均能提高生菜的抗性，且杂交后代较亲本更有利于生菜在镉胁迫的条件下生长.

表1 混种对生菜生物量的影响

数据后的小写字母表示5%水平差异.混矿山：混种矿山生态型少花龙葵；混农田：混种农田生态型少花龙葵；混父矿：混种父本为矿山生态型的少花龙葵；混父农：混种父本为农田生态型的少花龙葵.

The lowercase following date indicates difference at 5% level.The same as follow.“Inter.” means intercropping;“M” means S.photeinocarpum of mine ecotype；“F” meansS.photeinocarpumof farmland ecotype;“FM” meansS.photeinocarpumwhose father was mine ecotype；“FF” meansS.photeinocarpumwhose father was farmland ecotype.The same as follow.

表2 混种对生菜叶片叶绿素含量的影响

数据后的小写字母表示5%水平差异.混矿山：混种矿山生态型少花龙葵；混农田：混种农田生态型少花龙葵；混父矿：混种父本为矿山生态型的少花龙葵；混父农：混种父本为农田生态型的少花龙葵.

The lowercase following date indicates difference at 5% level.The same as follow.“Inter.” means intercropping;“M” means S.photeinocarpsum of mine ecotype；“F” meansS.photeinocarpumof farmland ecotype;“FM” meansS.photeinocarpumwhose father was mine ecotype；“FF” meansS.photeinocarpumwhose father was farmland ecotype.The same as follow.

表3 混种对生菜抗氧化酶活性的影响

数据后的小写字母表示5%水平差异.混矿山：混种矿山生态型少花龙葵；混农田：混种农田生态型少花龙葵；混父矿：混种父本为矿山生态型的少花龙葵；混父农：混种父本为农田生态型的少花龙葵.

The lowercase following date indicates difference at 5% level.The same as follow.“Inter.” means intercropping;“M” means S.photeinocarpum of mine ecotype；“F” meansS.photeinocarpumof farmland ecotype;“FM” meansS.photeinocarpumwhose father was mine ecotype；“FF” meansS.photeinocarpumwhose father was farmland ecotype.The same as follow.

2.4 混种对生菜镉含量的影响

从图1可看出，与单种相比，混种矿山、混种农田、混种父矿、混种父农的生菜根系的镉含量分别下降了14.40%、17.69%、24.09%、31.64%，上部分镉含量分别下降了9.45%、13.82%、26.07%、29.13%，以上结果说明，混种2种生态型少花龙葵及其杂交后代均能降低生菜根系和地上部分镉含量，且以混种父农效果最为显著.

图1 混种对生菜镉含量的影响Figure 1 Effects of intercropping on cadmium content of lettuce

2.5 混种对不同生态型少花龙葵杂交后代生物量的影响

由表4可以看出，混种生菜后，少花龙葵及其杂交后代根系和地上部分生物量均显著高于亲本，与矿山(混生菜)相比，父矿(混生菜)根系和地上部分生物量分别增加了150%和128.73%，与农田(混生菜)相比，父农(混生菜)根系和地上部分生物量分别增加了84.29%和100%，父矿(混生菜)根冠比较其亲本增加，父农(混生菜)根冠比较其亲本降低.以上结果表明，与少花龙葵亲本相比，混种生菜均提高了少花龙葵杂交后代生物量，根系生物量以父矿(混生菜)增加最多，地上部分生物量以父农(混生菜)增加最多.

图2 混种对少花龙葵及其杂交后代镉积累量的影响Figure 2 Effect of intercropping on cadmium accumulation inS.photeinocarpumand their hybrid generation

2.6 混种生菜对少花龙葵镉积累量的影响

由图2可知，2种生态型少花龙葵杂交后代与生菜混种后，父矿(混生菜)根系中的镉积累量最高，与农田(混生菜)、矿山(混生菜)以及父农(混生菜)相比，分别提高了84.91%(P<0.05)、72.56%(P<0.05)以及21.70%(P<0.05)，而地上部分镉积累量以父农(混生菜)最高，较矿山(混生菜)、农田(混生菜)以及父矿(混生菜)分别提高了231.62%(P<0.05)、149.75%(P<0.05)以及26.33%(P<0.05).以上结果表明，2种生态型少花龙葵杂交后代比亲本富集能力更好，从而减少了生菜对镉的吸收，促进了生菜生长.

表4 混种对不同生态型少花龙葵杂交后代生物量的影响

数据后的小写字母表示5%水平差异.混矿山：混种矿山生态型少花龙葵；混农田：混种农田生态型少花龙葵；混父矿：混种父本为矿山生态型的少花龙葵；混父农：混种父本为农田生态型的少花龙葵.

The lowercase following date indicates difference at 5% level.The same as follow.“Inter.” means intercropping;“M” means S.photeinocarpum of mine ecotype；“F” meansS.photeinocarpumof farmland ecotype;“FM” meansS.photeinocarpumwhose father was mine ecotype；“FF” meansS.photeinocarpumwhose father was farmland ecotype.The same as follow.

3 讨论

在农业生产上，合理搭配作物进行混(间)作可以促进其生长，在玉米间作大豆上表现最为明显[20].林立金等[21]研究发现，在镉胁迫下，混种猪殃殃提高了牛膝菊生物量，混种荠菜和碎米荠降低了牛膝菊生物量.Lin等[22]研究发现，混种鬼针草、万寿菊后提高了镉胁迫下树番茄幼苗的生物量和光合色素含量，而混种少花龙葵、牛膝菊则降低了镉胁迫下树番茄幼苗的生物量、光合色素含量.本试验结果表明，混种2种生态型少花龙葵及其杂交后代生菜根系和地上部分生物量以及光合色素含量均较单种增加，且混种少花龙葵杂交后代生物量、光合色素含量高于其亲本，与汤福义等[23]研究结果一致，而混种生菜提高了两种生态型少花龙葵及其杂交后代的生物量，这与蒋成爱等[8]研究结果一致.可能是因为超富集植物少花龙葵和生菜根系相互靠近或接触时，二者间产生了“根系效应”，活化了根系周围的土壤养分，提高了植物对营养元素的吸收[24]，而营养元素中氮是叶绿素合成的必须成分[25]，有利于叶片中叶绿素的合成，提高了生菜的光合作用，促进光合产物的形成，从而促进了生菜的生长.

SOD、POD、CAT是植物适应多种逆境胁迫的重要酶类，被称为植物保护酶系统[26].植物在环境胁迫下体内活性氧的产生增加，打破了活性氧的平衡，必须依靠抗氧化酶系统对抗其有害作用[27].王晓维等[28]的研究表明，Cu2+胁迫条件下玉米和豌豆间作，玉米叶和根中的SOD、POD、CAT活性和MDA含量均随着 Cu2+浓度的增加而提高.徐佳佳等[29]在续断菊和玉米的间作中发现，间作能够提高镉胁迫下两者SOD、POD、CAT和 T-AOC活性，且随着镉浓度的增加而增加.本试验结果表明，混种2种生态型少花龙葵及其杂交后代提高了SOD、POD和CAT活性，其中混种杂交后代均显著高于其亲本，这与Tang等[30]的研究结果一致，一方面，可能是在镉胁迫下，导致生菜体内的H2O2积累[31]，从而增强了SOD、POD和CAT活性，保护植物免受OH毒害；另一方面，可能是因为生菜合成包括有机酸在内的特殊物质，这些物质的存在有助于稳定POD和CAT酶基因的转录产物或者促进了酶活力提高[32].表明了在镉胁迫下，通过混种杂交后代，生菜的抗氧化酶活性大大提高，增强了生菜抗胁迫能力，从而促进了生菜的生长.

不同植物对重金属元素的吸收主要集中在根际环境中，植物可通过信号反馈分泌有机酸络合重金属[33-34]，降低重金属的生物有效性，减少普通植物对重金属的吸收.Li等[35]研究表明，大多数豆科植物与玉米混种，能够显著增加玉米对镉的吸收，提高了玉米镉含量.杨代宇等[36]研究结果表明，与单种相比，混种农田生态型和矿山生态型少花龙葵树番茄幼苗根系和地上部分的镉含量均无显著差异，而混种少花龙葵正反杂交F1代树番茄幼苗各部位的镉含量均降低.本试验结果表明，混种2种生态型少花龙葵及其杂交后代均降低了生菜根系和地上部分镉含量，其中混种杂交后代少花龙葵其镉含量均低于混种亲本的镉含量，同时混种生菜，两种生态型少花龙葵及其杂交后代之间镉积累量差异均显著，杂交后代根系和地上部分镉积累量均高于其亲本，这与Lin[37]试验结果基本一致，均提高了超富集植物体内镉含量，降低了普通植物体内的镉含量，可能是因为超富集植物根系分泌了某些有机酸(如柠檬酸)，酸化了土壤环境，提高了土壤中镉的有效性[38]，同时，少花龙葵和生菜混种，根系产生了“根际对话”，并对土壤镉形成了不同的竞争吸收机制[21]，从而促进了少花龙葵对镉的吸收，抑制了生菜对镉的吸收.

4 结论

综上所述，混种2种生态型少花龙葵及其杂交后代均提高了生菜生物量，叶绿素含量以及抗氧化酶活性，降低了其镉含量，同时，混种生菜提高了2种生态型少花龙葵及其杂交后代生物量和镉积累量，说明混种2种生态型少花龙葵及其杂交后代均有助于提高镉污染下生菜的生长，对土壤镉污染具有一定的修复作用，其中杂交后代少花龙葵比其亲本更具优势，能更好的促进生菜的生长.