根系分泌物对蕹菜Cd吸收积累的影响

邹金城，龚玉莲，陈丽红，林丹萍，曾碧健，谢 婕，陈彩锋，周晓妤

（广东第二师范学院生物与食品工程学院，广东 广州 510303）

【研究意义】Cd（cadmium，Cd）是一种危害极高的重金属元素。镉是对生物毒性最强的污染物之一。过量的镉能够抑制植物的生长和光合作用，干扰矿质代谢并诱发氧化胁迫［1］。2014年《全国土壤污染状况调查报告》指出，我国土壤Cd污染点位超标率达到7.0%，目前我国受Cd污染土壤的面积占总耕地面积的1/6。蔬菜等农作物受Cd污染的风险较高［2］。根系作为植物与外界联系的门户，在植物生长过程中向生长介质中分泌质子，释放无机离子，溢泌或分泌大量的有机物，这些物质和根组织脱落物一起统称为根系分泌物［3］。根系分泌物通过影响根际理化性质和生物学性质［4］，改变土壤pH、络合及螯合作用、还原活化作用等方式，影响植物对重金属的吸收积累［3］。【前人研究进展】将根系分泌物施入土壤，影响植株对土壤重金属的吸收积累。根系分泌物的施入可能促进或抑制重金属吸收积累［5］。研究表明，Cd胁迫下根系分泌总量与根系分泌物活化土壤Cd能力呈极显著负相关［6］；根系分泌物中的有机酸能增加Cd的生物有效性，使Cd更容易被植物所吸收［7］。秦丽［8］研究表明根系分泌物中的柠檬酸能促进续断菊和蚕豆对Cd的累积，续断菊根系分泌物的草酸能促进续断菊对Pb的积累、而抑制蚕豆体内的Pb积累量。蒋先军等［9］报道根系分泌物显著提高了印度芥菜地上部分的Cd质量分数。【本研究切入点】蕹菜（Ipomoea aquaticaForsk），又名空心菜，旋花科甘薯属植物，是我国南方常见的叶用蔬菜，具有较高的经济价值［10-12］。蕹菜对Cd具有较高的积累能力，因此极易受Cd污染［13］，前期研究［14-15］筛选得到了蕹菜典型的低Cd积累品种和高Cd积累品种，并发现两个品种的根际土壤化学、生物学特征存在差异，根际土壤低分子量有机酸、有机质结构特征也存在差异。上述研究结果直接显示了根系分泌物对于重金属吸收积累的作用。【拟解决的关键问题】为了解蕹菜典型品种根系分泌物对于Cd积累的直接影响，本研究通过低Cd积累品种和高Cd积累品种的根系分泌物分别直接施入土壤的试验，研究典型品种根系分泌物对蕹菜Cd吸收积累的影响，为了解蕹菜典型品种的根系分泌物对Cd积累的作用提供直接证据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试蕹菜采用2个Cd积累典型品种，高Cd积累品种T308和低Cd积累品种QLQ［7］。

1.2 试验方法

水培试验：采用水培法分别收集T308、QLQ的根系分泌物。种子先用质量分数为2%次氯酸钠消毒20 min，用蒸馏水清洗2～3次。待种子长出两片真叶后，将幼苗移入1/2 Hoagland营养液中，3 d后移入Hoagland全营养液［16］中，3 d换一次营养液，每盆种4株植株。Hoagland全营养液设置质量浓度为0、2 mg/L Cd两个处理，4次重复，共16盆。15 d后将根用超纯水洗净，放置于装有250 mL超纯水的烧杯中，烧杯外壁由锡纸包裹，自然光照6 h收集根系分泌物。0、2 mg/L Cd两个处理T308根系分泌物的pH值分别为6.13和6.15，Cd质量浓度分别为0.0025、0.0032 mg/L；QLQ根系分泌物的pH值分别为6.17和6.15，Cd质量浓度分别为0.0031、0.0036 mg/L，各处理根系分泌物的pH值、Cd质量浓度的差异均不显著。

土培试验：土壤取自普通农田，其理化性质为：pH值6.54、有机质质量分数37.52 g/kg、碱解氮质量分数81.01 mg/kg、有效磷质量分数71.41 mg/kg、速效钾质量分数155.23 mg/kg、重金属镉质量分数2.61 mg/kg。根据我国食用农产品产地环境评价标准（HJ332-2006），供试土壤为Cd污染土。

土壤处理：土壤风干，过1 mm 筛，按照N 300 mg/kg、P 128 mg/kg、K 156 mg/kg的比例，以尿素、磷酸二氢钾的形式施基肥，彻底混匀，平衡2周。每个花盆装土1.8 kg。

种子播种，间苗，每盆保留4株植株。待植株长到4～5片真叶后，将收集的不同Cd质量分数处理的根系分泌物施入土壤，每盆土壤施入根系分泌物250 mL。将QLQ根系分泌物施入种植T308的土壤中，将T308根系分泌物施入种植QLQ的土壤中，以不施入根系分泌物、仅施入超纯水的T 308、QLQ为对照，共24盆。种植40 d后收获植株。

1.3 测定项目及方法

收获植株前测定株高，收获后分别测定茎叶、根的鲜质量。70 ℃下烘干茎叶和根、测干质量。植物样品用硝酸：双氧水（5∶2）微波消解，用原子吸收分光光度计测定Cd质量浓度，测样过程采用国家标准参比物质进行分析质量控制。Cd积累量=植株Cd质量浓度×植株干质量；转运系数=茎叶Cd质量浓度/根Cd质量浓度；富集系数=植株Cd质量浓度/土壤Cd质量浓度。

试验数据采用SPSS软件进行统计分析，采用LSD法进行差异显著性测验。

2 结果与分析

2.1 根系分泌物对蕹菜典型品种生长的影响

由表1可知，不施加根系分泌物的对照条件下，蕹菜品种T308的株高、鲜质量、干质量与QLQ的差异均不显著，表明两个供试蕹菜品种的生长情况基本一致。

方差分析结果显示，QLQ根系分泌物对T308株高、鲜质量、干质量的效应均显著，其中0 mg/L Cd处理T308株高、鲜质量、干质量分别显著降低20.88%、58.53%、58.73%；2 mg/L Cd处理T308株高、鲜质量、干质量与对照差异均不显著。T308根系分泌物对QLQ株高、鲜质量、干质量的效应不显著。结果表明，除0 mg/L Cd处理QLQ根系分泌物抑制T308生长外，其余处理对两个品种的生长无显著影响。

表1 根系分泌物对蕹菜典型品种生长的影响Table 1 Effects of root exudates on growth of typical Ipomoea aquatica Forsk varieties

2.2 根系分泌物对蕹菜典型品种Cd质量分数、Cd积累量的影响

由表2可知，蕹菜品种T308茎叶Cd质量浓度显著高于QLQ，T308茎叶Cd质量浓度比QLQ高85.86%。两个品种的根Cd质量浓度和Cd积累量差异不显著。这与两个品种的Cd积累特性相一致。

方差分析结果显示，QLQ根系分泌物对T308茎叶Cd质量浓度、根Cd质量浓度的效应显著。QLQ根系分泌物使T308茎叶Cd质量浓度显著增加；与对照比较，0、2 mg/L Cd处理T308茎叶Cd质量浓度分别增加38.15%和40.20%。QLQ根系分泌物也提高了T308根Cd质量浓度，其中0 mg/L Cd处理差异显著，比对照提高55.74%。QLQ根系分泌物使2 mg/L Cd处理的T308 Cd积累量增加，但0 mg/L Cd处理Cd积累量显著下降，原因在于其干质量的降低（表2）。结果表明QLQ的根系分泌物促进T308茎叶和根对Cd的吸收。T308根系分泌物对QLQ茎叶Cd质量浓度、Cd积累量的效应不显著，但对根Cd质量浓度的效应显著。T308的根系分泌物使QLQ根部Cd质量浓度均显著增加，0、2 mg/L Cd处理QLQ根Cd质量浓度比对照分别增加50.19%和59.76%。表明T308根系分泌物促进QLQ地下部分对Cd的积累。

与对照相比，2 mg/L Cd处理根系分泌物对Cd质量浓度的增加幅度（平均46.40%）高于0 mg/L Cd处理根系分泌物（平均41.50%）；QLQ根系分泌物对T308根Cd质量浓度的增加幅度（平均36.15%）低于T308根系分泌物对QLQ根Cd质量浓度的影响（平均74.95%）。

表2 根系分泌物对蕹菜典型品种的Cd质量分数（以干质量为基数）、Cd积累量的影响Table 2 Effects of root exudates on Cd concentration (based on dry mass)and Cd accumulation of typical Ipomoea aquatica Forsk varieties

2.3 根系分泌物对蕹菜典型品种Cd转运系数、富集系数的影响

转运系数是指植物地上部（茎叶）重金属质量浓度与地下部（根）重金属质量浓度之比，反映了重金属在植物体不同器官中的分配情况。由表3可知，两个品种的转运系数均小于1，T308的转运系数显著高于QLQ，表明T308体内对Cd的转运能力高于QLQ；T308的富集系数与QLQ差异不显著，表明两个品种的富集特性相似。

方差分析结果显示，QLQ根系分泌物对T308体内Cd转运系数的效应显著。与对照比较，QLQ根系分泌物使T308的转运系数降低，0 mg/L Cd处理的转运系数降低30.23%（P＜0.05）。施加T 308根系分泌物对QLQ转运系数的影响不显著。结果表明施加QLQ根系分泌物抑制了蕹菜品种T 308体内Cd从根部向地上部分的转运能力，且0 mg/L Cd处理的QLQ根系分泌物对T308转运能力的降低幅度高于2 mg/L Cd处理。

QLQ根系分泌物对T308 Cd富集系数的效应显著。与对照比较，QLQ根系分泌物使T308的Cd富集系数显著增加，0、2 mg/L Cd处理T 308富集系数分别增加69.08%、56.48%，可见0 mg/L Cd处理QLQ根系分泌物对T308富集系数的增加幅度高于2 mg/L Cd处理。施加T308根系分泌物对QLQ Cd富集系数的影响不显著。表明施加QLQ根系分泌物促进了蕹菜品种T308对土壤中Cd的富集能力。

表3 根系分泌物对蕹菜典型品种Cd转运系数、富集系数的影响Table 3 Effects of root exudates on Cd translocation coefficient and Cd enrichment coefficient of typical Ipomoea aquatica Forsk varieties

3 讨论

两个供试蕹菜典型品种的生长无显著差异，但Cd吸收积累存在差异。高Cd品种T308的茎叶Cd质量浓度为低Cd品种QLQ的1.86倍。两个品种间根Cd质量分数、Cd积累量和Cd富集系数的差异不显著，而转运系数的差异高达1.69倍，表明品种间Cd积累差异的原因主要在于Cd在植株体内从地下部分转运到茎叶的能力存在差异。这与前人［10，17］的研究结果一致。

本研究发现，根系分泌物的施入提高了供试蕹菜品种的茎叶Cd质量浓度、根Cd质量浓度，总体表现为促进植株对Cd的积累。乔冬梅［18］报道黑麦草根系分泌物的施入促进重金属的吸收积累，当土壤中Pb质量分数大于100 mg/L时，黑麦草根系分泌物显著促进Pb的吸收积累。秦丽［8］发现续断菊根系分泌物中的柠檬酸能促进续断菊和蚕豆对Cd的积累，续断菊根系分泌物的草酸能促进续断菊对Pb的积累。

QLQ根系分泌物的施入使T308的Cd转运系数显著下降，T308根系分泌物的施入对QLQ的Cd转运系数影响不显著。相反，QLQ根系分泌物的施入使T308的Cd富集系数显著提高，T308根系分泌物的施入也提高了QLQ的Cd富集系数，但影响不显著。表明根系分泌物的施入促进两个供试蕹菜品种Cd积累的主要原因在于根系分泌物提高了植株对土壤Cd的吸收能力。根系分泌物能通过有效改变土壤的pH值来改变根际土壤中重金属的溶解度和移动性，成为植物可吸收态重金属［19］。根系分泌的有机酸能有效活化矿山废水沉淀物中的重金属，从而促进植物对重金属的吸收［20］。吴启堂［7］研究发现玉米根系分泌物与Cd的络合可达到1.28 mol/kg，新鲜根系分泌物降低土壤对Cd的吸附，提高其扩散性，从而提高植物对Cd的吸收。前期研究发现两个蕹菜品种均降低了根际土壤pH和氧化还原电位，并向根际分泌柠檬酸等低分子量有机酸［14］，这与本研究发现蕹菜根系分泌物促进Cd的积累有关。

不同Cd质量浓度处理收集的蕹菜根系分泌物对植株Cd积累的影响存在差异。原因可能在于不同Cd质量浓度处理收集的根系分泌物的组分存在差异。张玲等研究发现不同Cd质量浓度条件下,小麦根系分泌物的组成和质量浓度都存在差异。电解质外渗率、糖类、氨基酸随Cd2+质量浓度升高而增加；在低质量浓度Cd2+（0.5 mg /L）条件下，随处理质量浓度的升高，氨基酸分泌量增加；当处理质量浓度高于相应质量浓度（50 mg/L）时，氨基酸分泌量随质量浓度升高而减少。随Cd2+质量浓度升高，次生代谢物分泌种类减少［21］。

有研究发现根系分泌物能提高Cd在植物体内的转运系数。王吉秀等［22］报道玉米根系分泌物对小花南芥菜Pb的转运起到促进作用，转运系数增加22%，相关分析结果表明Pb的转运系数与玉米根系分泌物中的有机酸显著相关。徐健程等［23］研究表明，豌豆根系分泌物能增加玉米地下部Cu2+质量浓度，降低玉米地上部Cu2+质量浓度，抑制Cu的转运系数，本研究得到相似的结果。低Cd品种QLQ根系分泌物的施入，使高Cd品种T308的Cd转运系数显著下降，而高Cd品种T308根系分泌物的施入对低Cd品种QLQ的Cd转运系数影响也不显著；虽然高Cd品种T308根系分泌物的施入显著提高了低Cd品种QLQ的根Cd质量浓度，但对QLQ的茎叶Cd质量浓度并无显著增加。以上结果一方面表明低Cd品种QLQ具有较强的低Cd转运能力，高Cd品种T308根系分泌物都未能影响其转运能力；另一方面，低Cd品种QLQ根系分泌物不但没有增加T308的Cd转运系数，反而使其显著降低，结果显示出低Cd品种QLQ根系分泌物在降低Cd转运能力方面的特征性的突出能力。进一步深入研究蕹菜低Cd品种QLQ根系分泌物对于降低Cd转运能力的作用及其机理，有助于其低Cd机理的理解和应用。

4 结论

试验结果表明，蕹菜典型低Cd品种QLQ和高Cd品种T308的生长差异不显著，QLQ茎叶Cd积累显著低于T308，品种间Cd积累差异的原因主要在于植株体内Cd从地下部分转运到茎叶的能力存在差异。施加典型品种的根系分泌物总体上不影响两个蕹菜品种的生长。根系分泌物的施加总体表现为促进植株对Cd的积累，主要原因在于根系分泌物提高了植株对土壤Cd的吸收能力。不同Cd质量浓度处理收集的蕹菜根系分泌物对植株Cd积累的影响存在差异。低Cd品种QLQ的根系分泌物显著降低了高Cd品种T308的Cd转运系数，而高Cd品种T308根系分泌物对低Cd品种QLQ的Cd转运系数并未产生显著影响；低Cd品种QLQ表现出极强的低Cd转运能力。