不同基因型芥菜对5种重金属累积差异性研究

弭宝彬，刘碧琼，戴雄泽，肖 伟，张竹青，周火强，汪端华

（1湖南省农业科学院蔬菜研究所，长沙410125；2湖南农业大学研究生院，长沙410128）

关键字：芥菜；重金属；基因型；累积差异；富集系数；转运系数；安全性评估

0 引言

重金属(Heavy metals HMs)引起的环境污染问题是一种世界性的现象。毒性重金属过量累积对人类健康会产生一系列不良影响[1-4]，已有大量证据表明重金属主要通过进入食物链而被人体吸收[5]。蔬菜是人们日常饮食的重要组成部分，是人体重金属污染的主要来源[6-7]。中国重金属污染土壤面积大，修复较难。芥菜是中国种植面积和种植区域均较大的十字花科作物，2019年中国播种面积在26.7万hm2（数据来自大宗蔬菜产业体系），除加工外还大量鲜食，因此筛选重金属风险区可安全生产的芥菜品种具有重要的现实意义。土壤是作物生产的最基本要素，重金属离子通过土壤进入蔬菜根系后，首先在根系中积累，随后部分被转移到其他器官[8]，如无法有效在短期内将重金属从土壤中移走，又需避免蔬菜中的重金属对人体造成伤害，筛选重金属低积累型蔬菜品种是一种有效的途径[9]。不同种类蔬菜对重金属元素的吸收富集有明显差异，不仅存在种间差异，同时存在种内差异[10]。通过充分挖掘蔬菜自身的遗传潜力，筛选出低积累重金属的蔬菜品种，对重金属污染土壤的蔬菜安全生产和保障人类健康具有重要的意义。目前报导已筛选到大白菜[11-12]，普通白菜[13-14]，辣椒[15-16]，洋葱[17]，空心菜[18]等一系列低累积蔬菜，而研究评价芥菜在复合重金属污染地区的生产安全性相关研究还较少。本研究通过将9种不同基因型芥菜种植在复合重金属污染的土壤，并对芥菜重金属累积规律及生物学产量展开分析，结合单项污染指数及内梅罗综合污染指数分析结果，对比评价芥菜品种的重金属累积能力，以期为低重金属累积芥菜品种筛选及土壤重金属复合污染地区芥菜品种的安全生产提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及处理

试验于2019年8月在湖南省蔬菜研究所高桥试验基地蔬菜重金属安全性评价温室进行。试验用芥菜种子购买于长沙市马王堆种子市场，选取9种代表性的主栽芥菜品种（简写J），品种及编号见表1。

表1 不同基因型芥菜品种及类别

供试土壤为红壤土，取自湘潭某矿区周围抛荒水稻田的耕作层(0～30 cm)，混匀后静置3个月后待用。土壤pH 4.76、有效磷66.3 mg/kg、速效钾139.7 mg/kg、全氮1.07 g/kg、全磷0.98 g/kg、全钾18.7 g/kg、有机质20.1 g/kg、碱解95.7 mg/kg。土壤中Cd、Pb检测参照GB/T 17141—1997；As、Hg参照 GB/T 22105—2008；Cr采用HJ 491—2009检测方法进行测定。因供试土壤pH＜5.5，相关土壤重金属限量标准只列出pH＜5.5以下的限量值，结果如表2。

表2 土壤5种重金属总量及国标限量标准 mg/kg

试验采用盆栽试验，选用圆形塑料盆，下底径35 cm左右，高40 cm左右，上底空径40 cm左右，底部留有排水孔，采用双套盆试验，2个盆之间放塑料袋。采用非金属制具将静置充分的土壤装入内盆，虚土厚度35 cm左右，土壤装盆重量一致，每盆添加15:15:15复合肥10 g，混合均匀后整齐摆放，浇一次透水后置于阴凉环境中自然风干。育苗移栽，待芥菜幼苗达到两叶一心时定植于栽培盆中，正常田间管理。9周后进行芥菜采收，每个品种随机选取生长较一致的5株芥菜。

1.2 分析方法

在芥菜达到采样标准时，随机选取5盆生长较一致的芥菜，采用木铲小心将植株整株挖出，使用自来水小心冲洗根部所带泥土，吸水纸吸取多余水分，根茎叶分离，并对不同部位称鲜重，计算每种芥菜不同部位均重；然后将不同芥菜品种不同部位分别用组织研磨机打成匀浆，称取0.3～0.5 g经过酸消解后，分别参照GB/T 5009.15—2014、GB/T 5009.15—2014、GB/T 22105.2—2008、GB/T 5009.12—2010、GB/T 5009.17—2014对镉、铬、砷、铅、汞含量进行检测。

1.3 重金属富集特性评价

芥菜各部位富集系数BCF(Biological concentration factor)和转运系数TF(Transfer factor)通过公式(1)～(2)进行计算。

1.4 重金属污染评估

采用指数法对芥菜进行污染水平评价，其中单因子污染指数法是以芥菜中各重金属元素的标准限量值为评价标准，其表达式如(3)所示。

式中Pi为芥菜中重金属i的单因子污染指数，Ci为芥菜中重金属i的实测浓度，Si为重金属i在芥菜作物安全国家标准食品中污染物限量《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762—2017)，具体详见表3。若所得Pi≤1.0则表明待测样品在标准限量浓度内，其没受该重金属污染；当1.0＜Pi≤2.0时，表明芥菜受轻度污染；在2.0＜Pi≤3.0表明受中度污染；当Pi＞3.0则表明受重度污染，指数越大则污染程度越严重。

表3 芥菜安全国家标准食品中污染物限量(GB 2762—2017)mg/kg

内梅罗综合污染指数法也是一种运用较为广泛的综合污染评价方法，可较为全面的评价所有重金属的综合污染情况，其表达式如(4)所示。

式中Pimax为单项污染指数最大的重金属的单项污染指数值；Piave为单项污染指数的平均值。根据内梅罗综合污染指数的不同，将重金属污染等级分为安全、警戒级、轻污染、中污染和重污染5个等级。

1.5 数据处理

采用Excel 2016进行数据初步处理，采用DPS9.50数据处理软件对试验结果进行方差分析和聚类分析，采用Origin 8.5进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同基因型芥菜对重金属的吸收差异性研究

图1为9种不同基因型芥菜对Cd、Cr、Pb、Hg和As的累积情况。由图可发现重金属的累积情况存在明显的品种基因型和重金属种类差异：Pb和As累积基因型差异类似；芥菜类茎中重金属累积量较少，对Cd、Hg而言，芥菜叶和芥菜根中累积量相当，对Cr、Pb、As而言，根中重金属含量明显大于叶，表明对不同重金属芥菜类蔬菜的富集转移能力有所差异；相对而言，所有供试芥菜类品种中J3、J4、J5品种5种重金属含量均较低，为较好的耐土壤重金属的芥菜类蔬菜品种。

图1 不同基因型芥菜不同部位重金属含量

2.2 不同基因型芥菜重金属污染评价

图2和表4为不同基因型芥菜的根、茎、叶的重金属单项污染指数情况。芥菜不同部位中Cd的单项污染指数普遍较高，且存在较大的品种差异，其他重金属类型污染指数趋势类似。供试土壤中Cd和As分别超标11.6倍和1.97倍，供试品种中根、茎、叶中Cd超标率分别为100%、88.89%、77.78%，芥菜根、茎、叶中As超标率分别为33.33%、0.00%、11.11%；此外，重金属污染程度还存在较大的重金属种类差异，其中以芥菜根中重金属差异最为明显，其次为芥菜茎，芥菜叶中差异性较小，不同基因型芥菜根富集能力直接关系到重金属在芥菜中各组织部位的富集程度。

图2 不同基因型芥菜重金属单项污染指数

表4 芥菜类重金属单项污染指数评价

为更全面的分析不同重金属的污染情况，采用内梅罗综合污染指数法进行评价，结果（见图3及表5）可发现，供试品种的芥菜根均受不同程度的重金属污染，其中77.78%为重度污染，22.22%为中度污染；芥菜茎受污染程度品种间差异较大，其中33.34%为重度污染，中度污染和轻度污染芥菜类品种均占22.22%；芥菜叶中33.34%属于轻度污染级。芥菜可食用部位主要为茎和叶，而芥菜茎、叶综合污染指数品种间差异性较大，对内梅罗综合污染指数进行聚类分析，采用最小值Lsyd聚类方式，结果显示（图4），可将供试用9种芥菜类蔬菜品种大体分为三类，其中J9为重金属高累积品种，J6为较高累积品种，其余为较低或低累积品种，其中，J1、J3、J4、J5为较好的重金属低累积品种。

表5 不同基因型芥菜重金属综合污染评价

图3 不同基因型芥菜重金属综合污染评价

图4 芥菜茎叶重金属综合污染评价的聚类分析结果（左茎右叶）

2.3 不同基因型芥菜重金属富集和转移规律

由图5和图6可知，芥菜对Cd富集能力较大，对Cd的耐受性相对较弱，平均BCF达1.06，但品种间差异较大，最高J9(5.99)，而J3仅为0.15。其次为Hg，平均BCF为0.0380，Cr、Pb、As总富集能力相当，平均BCF约为0.0078左右；且供试品种中均以茎的重金属富集能力较弱，根的富集能力普遍大于叶；TFroot/leaf普遍高于TFroot/stem。因此，相较于茎，芥菜叶更易受到重金属污染，重金属根茎转移速率是决定芥菜重金属累积量的主要因素；不同重金属的TFroot/stem（均值）分别为 Hg(0.698)＞Cd(0.605)＞Cr(0.189)＞Pb(0.151)＞As(0.110)，其中仅Hg和Cd发现存在TFroot/stem超过1.0的品种，Hg超过1.0的品种为J1、J5、J6；Cd为J6。

图5 不同基因型芥菜5种重金属富集系数

图6 不同基因型芥菜5种重金属转运系数

图7为9种不同基因型芥菜单株重量及不同重金属在根、茎、叶中的分布情况。表明供试9种芥菜的生物学产量具有明显的基因型差异，但普遍为叶＞茎＞根；对单株不同部位重金属累积量分析，叶中重金属累积量明显大于茎和根，茎叶中重金属总量顺序为（单株）J9(2.80 mg)＞J6(1.33 mg)＞J8(1.20 mg)＞J2(1.16 mg)＞J4(0.71 mg)＞J7(0.57 mg)＞J1(0.53 mg)＞J5(0.30 mg)＞J3(0.28 mg)，其中J9生物学产量最低，但重金属累积总量最大，推测重金属胁迫已经影响其生物学产量；相较而言，J3和J5产量较高，且重金属总量较低，为供试芥菜品种中耐重金属性较佳品种。

图7 不同基因型芥菜单株5种重金属累积量

3 结论

芥菜对重金属的累积有基因型差异和重金属种类差异，芥菜类品种均具有较强的茎/叶转移能力，芥菜茎相较于叶和根受污染程度较低，通过筛选不同基因型芥菜可以获得生产上较为安全的品种。

4 讨论

在环境中，重金属单一污染是很少的，绝大多数是多种重金属造成的复合污染，其已成为土壤污染的主要特征和趋势，相关调查数据表明中国10%的国土面积受到重金属Cd、Hg、Cu、Ni和Cr的污染[5]。目前筛选的低累积蔬菜品种大多耐单一重金属胁迫，其能否耐受复合污染的胁迫并不明确，而且不同重金属污染物之间对蔬菜的影响研究也较为薄弱。Hu等[19]通过对蔬菜样品可食部分的Cd、As、Hg、Pb、Cu和Zn 6种重金属含量测定分析，发现不同蔬菜对重金属累积偏好性较强。文典研究表明青菜和菜心对不同重金属的吸收积累能力均表现为Cd＞Cr＞As＞Pb[20]。杨庆娥等[21]研究发现，大白菜对重金属的富集能力表现为Zn＞Pb＞Cu＞Cd。生菜较易富集Cd和Pb，而大头菜和番薯累积较高量的As和Sb，大蒜较易累积Zn，对叶类菜而言虽然未表现出生长抑制等重金属毒害现象，但其体内重金属含量已经超标[22]。

本研究表明芥菜对5种重金属累积存在一定的基因型差异和重金属种类差异。芥菜可食部分（芥菜茎和叶）抗As污染能力较强，虽然土壤检测As超标，但供试品种中仅J9材料芥菜叶表现为轻微超标。笔者前期通过对同为十字花科的白菜、萝卜和甘蓝在5种重金属胁迫下的响应进行研究，发现35种不同基因型白菜的可食部分的重金属累积顺序为Hg＞As＞Cd＞Pb＞Cr[11]；9种不同基因型的萝卜地下部对5种重金属富集能力依次为Cd＞Pb＞Cr＞Hg＞As；并较易发生重金属的向上转移，地上部较地下部更易累积重金属[23]；13种不同基因型的甘蓝叶（结果未发表）对5种重金属的累积顺序为Cd＞Cr＞As＞Pb＞Hg。相关结论表明虽同为十字花科的蔬菜作物，其对重金属累积存在显著的差异性，相较而言，Cd在十字花科蔬菜中累积较重，重金属污染区的蔬菜安全生产需重点关注Cd污染[24]。

蔬菜可食部位重金属积累的差异更大程度上取决于重金属在蔬菜体内转运和分配的差异[25]。有研究证明，不同品种的豇豆在Pb转运、积累过程中存在差异，低积累品种在根部积累Pb较多，而高积累品种在叶部积累Pb较多[26]；不同辣椒品种果实中Cd含量的差异归因于从根部向地上部分转运能力和从茎叶向果实转运能力的差异，而不是根部提取能力的差异，与辣椒的高积累品种相比，低积累品种根部亚细胞结构的Cd浓度较高，茎叶部和果实亚细胞结构的Cd浓度均较低。而且，果实部分细胞壁中的Cd和溶解态Cd的浓度均低于高积累品种[16,27-28]；重金属的一般累积规律为吸收器官＞输导器官、同化器官＞繁殖器官，蔬菜中重金属的富集能力表现为根＞叶、茎＞果实[24,29]；叶类蔬菜具有更高的重金属转移系数，表明叶类蔬菜相较于其他种类蔬菜具有更高的转移效率[7,30]。本研究中芥菜根、叶中重金属含量明显大于茎，重金属的富集能力表现为根＞叶＞茎，与他人研究结果相符。以芥菜类茎和叶富集系数为对象，5种重金属平均总富集系数顺序大小依次为Cd＞Hg＞Pb＞Cr＞As，并且所有芥菜类品种均具有较强的茎/叶转移能力，因此，相较而言芥菜类叶更易受到重金属污染。结合以上分析，推测低累积芥菜品种可能是通过根部沉淀和区隔化将吸收的重金属区隔在根部，将根部吸收的重金属区隔在对植物无损害或损害最小的区域，既不影响作物的正常生长，也限制了重金属向地上部分转移[31]，或者是通过包括螯合作用、渗透调节、抗氧化系统等减轻重金属的毒害[5,32-33]。对比根茎类及果实类蔬菜，除存在通过根系吸收重金属并经导管转运外，叶菜类还可通过筛管转运大气中沉降重金属[34]。低积累蔬菜的筛选标准应包括以下方面：可食部位特定污染物的含量低于有关标准、BCF＜1、TF＜1、作物生物学产量不受重金属胁迫下降；综合考虑以上因素，本实验供试品种中J1、J3、J4、J5生物学产量较高，累积重金属量较少，为较好的重金属低累积品种，可在安全范围内推广种植，其中J3、J5最佳。