相互嫁接对樱桃番茄嫁接后代果实品质及镉含量的影响*

练华山，闫 凯，脱飞飞，辛亚宁，舒 彬，唐 懿

(1.成都农业科技职业学院 农业园艺学院，四川 成都 611130；2.四川农业大学 果蔬研究所，四川 成都 611130)

重金属镉(Cd)极易在土壤和作物体内富集且难以降解，土壤中Cd 含量稍微过量便会干扰植物细胞代谢和离子平衡，严重影响蔬菜的生长和品质[1-2]。Cd 是动植物非必需的毒性极强的微量元素之一，可以通过土壤—植物系统进入食物链，从而被人体吸收，使人体产生慢性中毒，危害人体健康[3]。因此，减少植物可食用部位的Cd含量刻不容缓。目前常用的方法有两大类：一是种植Cd 超富集植物对土壤进行绿色修复[4-5]；二是减少植物本身对Cd的吸收，如喷施叶面阻隔剂[6]和外源施用硒元素[7]等，近几年研究发现：嫁接也能够显著降低植物对Cd的吸收[8]。

嫁接是园艺学的一种繁殖方法，不仅可以影响作物的性状、品质和产量，还可以克服土传病害和消除连作障碍。嫁接能提高植物对重金属的抗性，其主要原因是砧木能够限制重金属离子向接穗转运；并且部分砧木根系具有解毒作用[9-10]。嫁接也可以使当代植株性状发生改变，并且可以稳定遗传给后代[11]，这是因为嫁接后形成新的维管组织，其中木质部负责水分和无机化合物的运输，而韧皮部负责运输有机营养物质、蛋白质和遗传物质[12]，如砧木和接穗之间的RNA 长距离运输能够调控植物的生长发育[13]；并且嫁接可以诱导植物组织的DNA 甲基化，进而引起植株的表型变异[14]。对嫁接后代研究时发现：与未嫁接植株相比，以龙葵作为砧木提高了树番茄嫁接后代的生物量，降低了树番茄嫁接后代的Cd 含量[15]。不同基因型的南瓜相互嫁接时，嫁接后代果实的外观品质发生了变化[16]。自根嫁接能促进大豆嫁接后代的生长，不同程度地降低接穗与砧木的Cd 含量[17]；并且嫁接也可以减少根用芥菜嫁接后代的Cd 含量[18]。砧木与接穗的结合可促进遗传物质的传递与交流，并且诱导可遗传性变异[19]，改善后代品质，所以嫁接也可以提供一种新的育种思路[20]。

番茄是茄果类蔬菜的代表，富含维生素C 和番茄红素，能够提高人体免疫力，并且在蔬菜周年供应中占有重要地位[21]。在镉污染条件下，番茄叶片中镉的富集系数和转移系数均大于1，表现出较强的富集能力[22]。番茄幼苗的生物量、叶绿素和抗氧化酶活性随Cd 浓度的增加而降低[23]。在中国温室菜地土壤Cd 污染日益严重的情况下[24]，番茄的产量和品质会出现下降的趋势，还会对人类健康造成威胁。嫁接能够降低番茄植株对Cd的吸收和积累，但嫁接对茄果类蔬菜嫁接后代的影响的研究还未见报道。前期研究发现：在Cd 污染条件下，不同颜色樱桃番茄表现出较大差异，其中黄色樱桃番茄地上部生物量和红色樱桃番茄根系生物量最大；就Cd 含量而言，黄色樱桃番茄根系Cd 含量显著高于其他番茄，红色樱桃番茄地上部分Cd 含量高于其他樱桃番茄，黄色樱桃番茄Cd 转运系数最低，红色樱桃番茄Cd 转运系数最高。因此，本试验选用这2种樱桃番茄，探讨相互嫁接对2种樱桃番茄嫁接后代果实品质以及Cd 含量的影响，以期筛选出低Cd 积累的番茄嫁接后代，为蔬菜的安全生产提供理论依据，也为育种提供新的思路。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验材料为红色樱桃番茄(红樱5-5-1-1)和黄色樱桃番茄(RTY-3-2)，均为四川农业大学蔬菜研究室自留品系，属多代自交系，性状纯合稳定。

供试土壤取自四川农业大学成都校区(N30°71′，E103°86′)周边农田，基本理化性质为：pH 6.29，有机质含量21.16 g/kg，全氮含量1.09 g/kg，全磷含量1.2 g/kg，全钾含量22 g/kg，碱解氮含量68.12 mg/kg，速效磷含量16.22 mg/kg，速效钾含量156.2 mg/kg，总Cd 含量0.10 mg/kg，有效态Cd 含量0.028 mg/kg[25]。

盆栽嫁接留种试验于2017 年4—7 月在四川农业大学成都校区进行。2017 年4 月，选择籽粒饱满的樱桃番茄种子，在10%过氧化氢溶液中消毒10 min，随后用超纯水洗净，均匀放置于垫有滤纸的培养皿中，在28 ℃人工培养箱中进行催芽，并保持充足水分。露白后播种于32 孔穴盘中进行育苗，待株高约20 cm 时进行嫁接处理。

(1)黄色樱桃番茄实生苗(黄CK)：将黄色樱桃番茄幼苗移栽，果实成熟后收集种子并保存。

(2)红色樱桃番茄实生苗(红CK)：将红色樱桃番茄幼苗移栽，果实成熟后收集种子并保存。

(3)黄色樱桃番茄作为砧木，红色樱桃番茄作为接穗进行嫁接(黄砧、红穗)：将红色樱桃番茄和黄色樱桃番茄幼苗分别从离地约12 cm 处剪断，黄色樱桃番茄幼苗下部苗(12 cm)作为砧木，保留叶片及幼芽；红色樱桃番茄的上部苗(8 cm)作为接穗进行嫁接，缓苗后移栽种植。果实成熟后分别收集砧木和接穗的种子并保存。

(4)红色樱桃番茄作为砧木，黄色樱桃番茄作为接穗进行嫁接(红砧、黄穗)：将红色樱桃番茄和黄色樱桃番茄幼苗分别从离地约12 cm 处剪断，红色樱桃番茄幼苗下部苗(12 cm)作为砧木，保留叶片及幼芽；黄色樱桃番茄的上部苗(8 cm)作为接穗进行嫁接，缓苗后移栽种植。果实成熟后分别收集砧木和接穗的种子并保存。

以劈接法进行嫁接，嫁接后保持土壤含水量约为80%，用地膜覆盖保湿，并用遮阳网进行遮光。幼苗成活后，移植于无重金属污染土的盆中，并及时浇水，确保土壤含水量约为80%。待樱桃番茄初花期前，选择生长良好的枝条套袋，防止异交。

1.2 试验设计

污染土制备：根据四川地区农田重金属Cd污染的实际情况，并参考GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》[26]以及赵晓祥等[23]和XIE 等[27]的研究，将供试土壤的Cd 污染质量浓度定为10 mg/kg。2019年3 月，将供试土壤风干、过5 mm 筛后，装入30 cm×40 cm (直径×高)的水桶中，每桶装土18 kg，向土壤中以CdCl2·2.5H2O 分析纯溶液的形式加入重金属Cd，保持湿润放置30 d，定期翻动，使污染土壤充分混匀，然后装入 18 cm×26 cm (高×直径)的塑料盆内，每盆6.0 kg。

2019 年3—8 月进行嫁接后代试验。待幼苗长至10 cm 高时移栽至含有Cd 污染土壤的塑料盆内。该试验共有6 个处理：黄CK、黄砧、黄穗、红CK、红砧和红穗，每个处理6 盆，每盆2 株，每个处理重复3 次。待番茄成熟后，选取番茄果实样品进行相关指标的测定。

1.3 指标测定

1.3.1果实外观形态和单果质量

番茄纵、横径用游标卡尺测定，并计算其果形指数，果形指数是果实纵径和横径的比值。单果质量用电子天平称量，以 10 颗果实为1 组，计算其平均值，即为单果质量。颜色用色差仪(cm-2 600 d/2 500 d)测定(L值表示亮度，a值表示红绿色差，b值表示黄蓝色差，a/b为色泽比)。果实硬度用硬度计测量。

1.3.2内在品质指标测定

可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝法测定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定，维生素C 采用2,6-二氯靛酚滴定法测定[28]。番茄红素和类胡萝卜素含量采用萃取比色法测定[29]。

1.3.3Cd 含量测定

植物的根、茎、叶和果实分别用自来水将泥土洗净，再用去离子水反复冲洗后于105 ℃下杀青15 min，75 ℃烘至恒质量。将烘干至恒质量的根、茎、叶分别粉碎研磨后用HNO3-HClO4(体积比为4∶1)的酸混合液消煮，用iCAP 6300型ICP 光谱仪(Thermo Scientific，USA)测定各部位Cd 含量[30]。

1.4 数据处理

采用Excel 2010 对试验数据进行记录和整理；采用SPSS 20.0 进行方差分析及相关性分析，采用Duncan’s新复极差法进行多重比较(P＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 嫁接后代果实外观形态和单果质量

由表1 可知：在Cd 污染条件下，嫁接可显著提高黄砧和和黄穗的果实纵径，与黄CK 相比分别提高8.91%和7.42% (P＜0.05)；黄砧和黄穗的单果质量也显著提高，与黄CK 相比分别增加17.67%和12.56% (P＜0.05)。嫁接对红砧和红穗的果实纵径、横径、果形指数和单果质量均无显著影响。

表1 嫁接后代果实外观形态和单果质量Tab.1 Fruit appearance and weight of post-grafting generation

2.2 嫁接后代果实色差和硬度

由表2 可知：在Cd 胁迫下，与黄CK 相比，嫁接对黄砧和黄穗果实的亮度值(L值)、红绿色差值(a值)和黄蓝色差值(b值)均无显著影响；嫁接显著降低了黄砧的果实硬度，但是对黄穗的果实硬度无显著影响。红砧和红穗果实的L值与红CK 相比无显著差异。与红CK 相比，嫁接显著增加红砧果实的a值和b值，但是对红穗果实的a值和b值未表现出显著差异。就果实硬度而言，嫁接影响红色樱桃番茄嫁接后代的果实硬度，其大小顺序为红穗＞红CK＞红砧。说明红砧果实变红、硬度降低，促进了红砧果实的成熟。

表2 嫁接后代果实色差和硬度Tab.2 Color difference and hardness of fruit of post-grafting generation

2.3 嫁接后代果实内在品质

由表3 可知：与不嫁接的番茄相比，嫁接对镉胁迫下番茄后代果实的内在品质产生了不同的影响。与黄CK 相比，嫁接显著提高黄砧果实的可溶性蛋白、可溶性糖、类胡萝卜素和番茄红素的含量，对维生素C 含量无显著影响；嫁接显著提高黄穗果实的可溶性蛋白、维生素C 和类胡萝卜素含量。与红CK 相比，嫁接对红砧和红穗果实的可溶性糖和番茄红素含量无显著影响。嫁接显著提高红砧果实的可溶性蛋白、维生素C 以及类胡萝卜素含量，与红CK 相比分别增加9.03%、10.14%和8.44%；但对红穗果实的内在品质没有显著影响。

表3 嫁接后代果实内在品质Tab.3 Fruit internal qualities of post-grafting generation

2.4 嫁接后代各个部位Cd 含量

由表4 可知：在Cd 污染条件下，与黄CK相比，嫁接显著增加黄砧根系的Cd 含量；降低叶片和果实中的Cd 含量，且较黄CK 分别降低11.90%和15.37%。与黄CK 相比，嫁接显著增加黄穗根系、茎秆和叶片中的Cd 含量，对果实中的Cd 含量无显著影响。嫁接显著提高红砧根系、茎秆和叶片的Cd 含量，显著降低果实中的Cd 含量，且与红CK 相比降低8.00%。与红CK 相比，嫁接显著提高红穗根系、叶片和果实中的Cd 含量。

3 讨论

蔬菜的外观品质，如大小、形状和颜色等，是消费者购买商品的一项基本标准。在镉胁迫下，采用合适的砧木嫁接能够促进少花龙葵[31]和荠菜[5]嫁接后代植株的生长，提高生物量。在本试验中，嫁接增加黄砧果实的纵径和单果质量，这与上述的结果一致。同时嫁接还降低黄砧和红砧的果实硬度，说明嫁接促进红砧和黄砧果实更早成熟，软化了果实。这与以Maxifort作为砧木使得番茄果实表皮更硬的结论[32]不同，这可能与番茄品种以及砧木品种有关。在本试验中，黄色樱桃番茄嫁接后代的L值、a值和b值与黄CK之间无显著差异，即嫁接对黄色樱桃番茄后代颜色的影响不大。红砧的a值和b值较红CK 显著增加，说明红砧的颜色更偏红和黄。接穗、砧木和嫁接物诱导的变异体有几个特异的公共DNA序列[33]，并且在嫁接苗的生长过程中，韧皮部中存在的 mRNA、miRNA 和蛋白质等内源大分子物质选择性在砧穗间运输，到达所需位置后调控砧木或接穗的表型[34]。在本试验中嫁接后代出现表型差异，可能是因为砧木和接穗遗传物质的相互转移和整合，传递到嫁接后代的种子中并保留，使后代的表型出现差异。

FENG 等[35]研究表明：嫁接可以改变果实的内在品质，以枸杞作为砧木可以显著提高番茄的果实纤维和可溶性糖含量，降低维生素C 含量。在葡萄[36]和西瓜[37]的嫁接试验中发现：不同砧穗组合对植株果实内在品质的影响不同。上述的结果中，嫁接使得当代果实品质发生变化，这可能是由于砧穗间激素信号转导及环境调控所引起的[34]。在本试验中，嫁接后代也表现出差异：嫁接提高黄砧果实中的可溶性蛋白、可溶性糖、类胡萝卜素以及番茄红素含量；也提高红砧果实中的可溶性蛋白、维生素C 和类胡萝卜素含量。有研究表明：重金属离子会转移到植物的叶绿体和线粒体等代谢活性较高的细胞器中，从而对植物产生毒害[38]；但是嫁接能缓解这种毒害，因为部分重金属离子能够被其他物质鳌合[39]，从而促进当代果实可溶性固形物、可溶性糖和维生素C 含量的积累[40]。有学者预测：嫁接当代某些信号物质能够指导DNA 传递给后代并进行遗传修饰，如染色质结构变化和DNA 甲基化等[14]，该预测与本试验的结果一致，但是其重复性有局限，需要进一步研究。嫁接当代的RNA 和蛋白质经长途运输后能否将其携带的遗传信息传递到子代中需进行深入地研究。

嫁接能够形成新的木质部和韧皮部，且显著降低植物中的Cd 含量，可能是因为砧穗间韧皮部结构发生了变化[41]或嫁接使金属转运蛋白基因表达上调促使Cd 进入液泡或内膜系统，从而促进根部Cd的隔离并且降低Cd 从根部向地上部分的运输[42]。在对嫁接后代的研究中发现：当树番茄嫁接到3种不同的砧木上时，嫁接后代幼苗各个部位中的Cd 含量均下降[15]；当进行不同的自根嫁接处理时，降低了硫磺菊嫁接后代幼苗各器官中的Cd 含量[43]；也降低了大豆嫁接后3 个世代植株的Cd 含量[17]。在本试验中，嫁接降低黄砧叶片和果实中的Cd 含量；也降低红砧果实中Cd 含量。上述结果与本试验中Cd 含量的变化一致。地上部Cd 含量减少可能的原因为：一是植株根部对Cd的固定作用；二是嫁接使植株木质部对Cd 特异性装载发生变化。

4 结论

在Cd 污染(10 mg/kg)的土壤中，将黄色樱桃番茄和红色樱桃番茄相互嫁接，其嫁接后代果实中黄砧和红砧果实品质的提高程度大于黄穗和红穗，并且黄砧和红砧果实中的Cd 含量均显著下降。说明相互嫁接提高砧木嫁接后代的果实品质，降低果实中Cd 含量，为茄果类蔬菜的安全生产提供了理论基础，并且为育种材料的创制提供了新的途径。