蕹菜不同镉积累品种根系分泌物化学组分分析

谢 婕 李建杏 龚玉莲曾碧健 余乐洹 黄慧婷 唐 键

（广东第二师范学院生物与食品工程学院，广东广州 510303）

重金属镉（cadmium，Cd）是一种优先污染物，在土壤环境中的迁移能力强，对人类的危害极大。基于植物镉积累的品种间差异，低镉作物品种的研究应用，可以降低土壤重金属镉进入人类饮食的风险（Grant et al.，2008；李涵 等，2020）。植物镉积累的品种间差异与根系的生理活动有关（Grant et al.，2008）。

根系分泌物（root exudates，RE）是植物根系在其生命过程中，释放到周围介质中的全部物质的总称。根系分泌物的种类繁多，对根际土壤的pH值及氧化还原电位有一定的调节作用，并能影响矿物元素在根际的有效性，进而影响植物对重金属的吸收和积累（陈美静 等，2015）。张新宇（2020）研究棉花不同抗性品种根系分泌物，发现不同基因型植物的根系分泌物组分明显不同。张奕斌（2014）和罗庆等（2016）研究发现不同生态型东南景天根系分泌物的相对含量在不同处理条件下的变化趋势明显不同，表明东南景天可通过调节根系分泌来耐受或超富集重金属镉。

蕹菜（Ipomoea aquaticaForsk.）作为常见叶类蔬菜具有较强的镉积累能力，已筛选得到蕹菜典型的高镉积累品种和低镉积累品种（Wang et al.，2009；Gong et al.，2010）。近年来，关于蕹菜不同镉积累品种的根际研究主要集中在根系形态学特征、根际土壤化学特征、根际微生物群落特征等方面（龚玉莲和杨中艺，2012，2014；龚玉莲 等，2014，2015）。蕹菜不同镉积累品种的根际土壤pH值、有机质含量、水溶性有机质的组成与结构特征，以及低分子量有机酸的组成和含量等根际化学特征存在差异（龚玉莲和杨中艺，2014；龚玉莲 等，2015）。通过根系分泌物直接施入土壤的盆栽试验，发现蕹菜低镉品种QLQ 的根系分泌物显著降低了高镉品种T308 的镉转运系数，证明了蕹菜低镉品种根系分泌物对镉低量积累的作用（邹金城 等，2019）。因此，进一步分析研究蕹菜典型品种根系分泌物的组成，对于深入理解根系分泌物在蕹菜典型品种镉积累的根际化学过程中的作用，具有重要意义。本试验采用气相色谱-质谱联用技术（GCMS）分析2 个镉积累典型品种QLQ 与T308 根系分泌物的组成成分及其差异，为深入理解蕹菜低镉积累的根际化学机理提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

采用前期试验筛选并验证的蕹菜镉积累典型品种：T308（高镉积累品种）和QLQ（低镉积累品种）。在镉含量为0.593 mg·kg-1土壤上种植，QLQ 茎叶镉含量为0.083 mg·kg-1，T308 茎叶镉含量为0.315 mg·kg-1，品种间茎叶镉含量的差异超过3 倍（Wang et al.，2009；Gong et al.，2010）。

供试土壤为广州市郊的农田土壤，土壤理化性质为：pH 6.54，有机质含量37.52 g·kg-1，碱解氮含量81.01 mg·kg-1，有效磷含量71.41 mg·kg-1，速效钾含量155.23 mg·kg-1，全Cd 含量2.61 mg·kg-1。根据《中国食用农产品场地环境评价标准（HL332-2206）》，种植蔬菜的土壤中镉最大限值为0.3 mg·kg-1，故供试土壤为镉污染土壤。

1.2 试验方法

土壤准备：取镉污染农田土壤，风干，粉碎，过1 mm 筛。每1 kg 土中加入NH4NO30.86 g 和KH2PO40.54 g 作为基肥，2 周后装盆。盆的直径、高度分别为30、15 cm，每盆装入5 kg 土。采用盆栽根袋法进行试验。根袋用300 目尼龙布制成，植物根系不能穿过，但水分和离子可以自由通过。根袋内装1 kg 土，为根际区；根袋外装4 kg 土，为非根际区。

植物栽培：在广东第二师范学院的大棚内进行植物栽培，每个品种种植4 盆作为4 次重复，每盆种植4 株。2018 年3月5日在根际区播种，待幼苗长出第3 片真叶后，间苗至每盆4 株。

土壤处理：4月15日收获植物，采集根袋内的土壤，去除根系，即得到根际土样。风干、粉碎、过60 目筛，保存备用。

根系分泌物提取液制备（韩丽梅 等，2020）：分别称取QLQ、T308 根际土40 g，加入200 mL无水乙醇，振荡1 h，5 000 r·min-1离心20 min，过滤即得提取液。将提取液过0.45 μm 聚四氟乙烯膜（PETF 膜），用旋转蒸发仪于34 ℃减压浓缩至干，再加入2 mL 经0.45 μm PETF 膜过滤的乙醚溶解，得到的溶液进行GC-MS 分析。

1.3 GC-MS 分析

采用美国Finnigan 公司Vogager 气相色谱-质谱联用仪（中山大学测试中心质谱室）进行GC-MS分析。毛细管柱：HP-5MS柱（Crosslinked 5%pH ME Siloxanle，30 m × 0.25 mm × 0.25 μm）。质谱为电子轰击源，扫描质量范围：29～559 amu，扫描速度：0.2 s 全扫描，离子源温度为220 ℃。进样温度：250 ℃，柱温40 ℃（保持4 min），10 ℃·min-1升温至310 ℃（保持3 min）。载气为He，载体流量为1 mL·min-1，进样量为0.5 μL。应用质谱数据库，通过计算机自动化检索系统对未知物进行鉴定。

1.4 数据统计方法

采用Microsoft Excel、化工词典等软件进行有关数据的统计和分析。物质相对含量指GC-MS 分析得到的各组分的出峰面积占总峰面积的比例。

2 结果与分析

2.1 2 个蕹菜镉积累典型品种根系分泌物的化学成分

2 个蕹菜镉积累典型品种的根系分泌物通过对GC-MS 数据分析，QLQ 根系分泌物共鉴定出22种化合物（表1），由酸类、酯类、烃类、酮类、醇类及酚类组成，其中酸类2 种（35.76%），酯类7 种（15.45%），烃类4 种（15.82%），酮类5 种（14.11%），醇类3 种（11.61%），酚类1 种（7.25%）。酸类物质以硬脂酸为主，占总酸类物质的98.27%；酯类物质以3-（十八烷氧基）油酸丙酯为主，占总酯类物质的46.93%；烃类物质以17-三十五碳烯为主，占总烃类物质的47.41%；酮类物质以6-（乙酰氧基）-2-己酮为主，占总酮类物质的64.14%；醇类以1-庚三醇为主，占总醇类物质的51.08%。

T308 根系分泌物共鉴定出22 种化合物（表1），由酸类、酯类、烃类、酮类、醇类、酚类及肼类组成，其中酸类2 种（32.91%），酯类6 种（18.80%），烃类4 种（16.68%），酮类3 种（5.16%），醇类5 种（12.62%），酚类1 种（13.25%），肼类1种（0.58%）。酸类物质也是以硬脂酸为主，占总酸类物质的94.20%；酯类物质同样也是以3-（十八烷氧基）油酸丙酯为主，占总酯类物质的55.21%；烃类物质以2，6，10-三甲基-十四烷为主，占总烃类物质的66.97%；酮类物质以6-（乙酰氧基）-2-己酮为主，占总酮类物质的50.97%；醇类以1-庚三醇为主，占总醇类物质的28.29%。

表1 2 个蕹菜镉积累典型品种 T308 和QLQ 根系分泌物的组分和相对含量

2.2 2 个蕹菜镉积累典型品种根系分泌物中化合物的比较

2 个蕹菜镉积累典型品种根系分泌物中的化合物类型基本相同，但化合物的组成及相对含量存在差异。2 个品种中相对含量最高的化合物类别均为酸类，含量接近1/3，其次分别为酯类、烃类、酮类和醇类。QLQ 中酸类、酮类化合物的相对含量高于T308，而酯类、烃类、醇类、酚类化合物的相对含量都较T308 低。

QLQ 和T308 根系分泌物中共有的化合物有13 种，其中含量差异较大的为3-（十八烷氧基）油酸丙酯（7.25%、10.38%）、2，6，10-三甲基-十四烷（4.48%、11.17%）、6-（乙酰氧基）-2-己酮（9.05%、2.63%）、7，9-二-叔丁基-1-氧杂螺（4，5）癸-6，9-二烯-2，8-二酮（0.83%、1.61%）、1-庚三醇（5.93%、3.57%）、2，6-二叔丁基对甲酚（7.25%、13.25%）。

QLQ 根系分泌物特有的物质有9 种（占总量的15.40%），包括1 种酸类：肉豆蔻酸/十四酸；3种酯类：4-乙氧基-丁酸甲酯、2-丁二酸（E）-二乙酯、反式-2，2-二甲基-3-（2-丙烯基）环丙烷羧酸-乙基酯；1 种烃类：17-三十五碳烯；3种酮类：2，2，7，7-四甲基三环〔6.2.1.0（1，6）〕十一碳-4-烯-3-酮、Z-5-甲基-6-二十一烯-11-酮、（3S，6S）-6-异丙基-2-异亚丙基-3-甲基-3-乙烯基-环己酮；1 种醇类：2，3-二甲基-5-三氟甲基-苯-1，4-二醇。

相对QLQ 而言，T308 根系分泌物特有的物质有9 种（占总量的12.16%），包括1 种酸类：月桂酸/十二酸；2 种酯类：邻苯二甲酸-异丁基十八烷基酯、3，5-脱氢-6-甲氧基-胆甾-22-烯-21-醇-新戊酸酯；1 种烃类：5-乙基-5-甲基十五烷；1 种酮类：3-十三酰基-3-环己烯-4-醇-1-酮；3 种醇类：9，10-断胆甾-5，7，10（19）-三烯-3，2，4，25-三醇，（3α，5Z，7E）-、叔十六硫醇、3-乙酰氧基-7，8-环氧木聚糖-11-醇；1 种肼类：乙酰肼。

3 讨论与结论

根系分泌物的组分复杂，主要包括糖、蛋白质、酶、凝胶、烃类、酯类、醇、酸、酚、酮、甾类、萜类、生物碱类等（张红 等，2014；张健聪 等，2019）。本试验亦得到相似的结果，蕹菜2 个镉积累典型品种根系分泌物包括酸类、酯类、烃类、酮类、醇类、酚类、肼类等，其中酸类、烃类和酯类的含量较高，酮类、醇类、酚类等物质含量比酸类、酯类物质含量相对较少，与赵文宗等（2019）、杜崇宣等（2020）、祁小清等（2020）的研究结果相似。

不同品种或生态型植物的根系分泌物的组成存在差异（田丹丹 等，2017；王伟伟，2017）。研究发现，植物对镉积累能力的品种间差异与其根系分泌物密切相关（万敏 等，2003；Liu et al.，2007）。本试验发现蕹菜2 个镉积累典型品种根系分泌物组分存在明显差异。前期研究发现低镉品种QLQ 的根系分泌物能显著降低高镉品种T308 的镉转运系数，而T308 的根系分泌物则显著提高QLQ 的根镉含量，表明不同品种的根系分泌物对镉吸收积累的作用存在显著差异，这为蕹菜根系分泌物的品种间差异与镉吸收积累的关系提供了直接的证据（邹金城 等，2019）。

蕹菜2 个镉积累典型品种根系分泌物中酸类物质的差异较大，QLQ 根系分泌物中酸类物质的总含量高于T308，且组成也存在不同。共有的酸类物质为硬脂酸/十八酸，T308 根系分泌物中检出月桂酸/十二酸，QLQ 根系分泌物中检出肉豆蔻酸/十四酸。胡随喜等（2007）发现含有月桂酸结构的司班（山犁糖醇酐单月桂酸）对土壤中的重金属镉有较好的吸附效果，罗庆等（2015）报道镉超富集植物东南景天根系分泌物中的月桂酸可能对镉具有一定的活化作用，据此推测蕹菜高镉品种T308 根系分泌物中的月桂酸可能促进了镉的吸收积累。蕹菜镉积累典型品种根系分泌物中酸类物质的组成以及对镉吸收积累的作用，有待进一步研究。

QLQ 根系分泌物中烃类和醇类物质的含量均低于T308，且组成也存在差异。龚玉莲等（2015）报道QLQ 根际土壤水溶性有机质的烃类物质组成与T308 存在差异。杜崇宣等（2021）发现香蒲根系分泌物中烃类物质浓度与根系砷的富集浓度显著正相关。吊兰根系分泌物中的特征组分伞花烃和叶绿醇能降低土壤铅的有效性（于培鑫，2019）。因此推测蕹菜QLQ 根系分泌物中较少的烃类和醇类物质及其组成可能与其低镉积累有关，两者的关系需进一步研究。

与T308 比较，QLQ 根系分泌物中的酯类物质种类较多，含量较少。这与前期研究发现的QLQ根际土壤有机质中长链脂肪C 含量较低的结果一致。QLQ 根系分泌物中的酮类物质种类和含量均高于T308（龚玉莲 等，2015）。李健等（2017）报道类黄酮作为金属离子的螯合剂和转运载体影响白骨壤对镉的吸收。根系分泌物中酮类物质与蕹菜2个典型品种镉积累的关系有待深入研究。