镉胁迫对姬松茸生长和镉吸收累积的影响

刘朋虎,陈 华,李 波,王义祥2,,翁伯琦2,

1 福建农林大学国家菌草工程技术研究中心,福州 350002 2 福建省农业科学院农业生态研究所,福州 350013 3 福建省红壤山地农业生态过程重点实验室,福州 350013

姬松茸由于良好的品质与特殊的风味深受城乡消费者的喜爱[1]。Cd是土壤污染的主要因素之一,微量的Cd2+累积不仅对植物生长有毒害作用,同时食品镉超标对人体健康产生较大的危害[2—3]。姬松茸对镉等重金属比较敏感,在生产栽培过程容易发生镉等重金属累积与超标现象,进而影响绿色生产与食品安全,引发人们高度重视[4—5]。有研究表明,要避免与防控姬松茸镉污染或镉累积超标,除了要着力选育低镉姬松茸品种之外,很重要的一个实践命题就是要深入探讨姬松茸吸收与富集镉的规律与主要影响因素,尤其是深入了解姬松茸在不同生长阶段对镉吸收与累积过程及其内在动态变化的关系[6—7],着力探索姬松茸绿色高优栽培与有效降低镉吸收累积的技术途径。本研究以项目组通过辐射而成功选育的低镉姬松茸品种J37与常规生产品种姬松茸J1为供试品种[8],以外源添加不同浓度的镉为试验处理,系统探索在不同镉浓度胁迫条件之下,对姬松茸子实体生长及其镉含量变化的动态响应,力求总结其内在变化规律,为耐受栽培环节镉胁迫的姬松茸品种选育及选用主要农艺性状作为镉毒害表征指标提供参考与借鉴,也为进一步开展耐镉胁迫的姬松茸品种分子生物学机制研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

姬松茸(AgaricusblazeiMurill.) 供试菌种2个,包括姬松茸 J1(常规生产品种)与J37均由福建农林大学国家菌草工程技术研究中心提供(以下简称J1与J37)。姬松茸栽培的基本培养料配方为:棉籽壳20%,玉米芯12.5%,牛粪(干)35%,麸皮10%,稻草(干)20%,CaCO31.0%,石灰1.5%。麦粒种:小麦20 kg,CaSO4·2H2O 0.4 kg。

1.2 试验设计

试验设0、5、15、25、35、45、55、65 mg/kg共8个外源添加不同镉浓度处理,将培养料按料水比1∶1.25的比例进行混合,并将事先配制好的氯化镉母液按照试验设计适量加入培养料中。将搅拌均匀的培养料分装入聚丙烯袋中,每袋装料1.8 kg,两个菌株的每个处理设20个重复,进行随机区组排列。

1.3 栽培管理

姬松茸的出菇栽培,按照常规袋栽管理。先将分装好的栽培袋封口,放入高压灭菌锅中,121 ℃灭菌2 h；随后在无菌接种箱中按照无菌操作接种,再将接种好的菌袋放置在28 ℃恒温的培养室中；待菌丝走满袋后,分别将栽培袋移到栽培室并按照随机区组排列,开袋覆土。待出菇后分别采收,称重,烘干,样品冷藏备用。

1.4 子实体农艺性状及产量测定

将采收后的新鲜子实体用小刀与小刷子轻轻去掉菌柄带出的土,然后用天平和数显卡尺对子实体进行称重和测量,对每个菌株每个梯度的出菇数量、农艺性状、菇鲜重分别进行统计。农艺性状测量指标包括:单个子实体平均重量和高度、菌盖直径和厚度、菌柄直径。子实体农艺性状为第一潮菇5个重复数的测定平均值,子实体产量分为四潮收获,每一潮产量测定分别为3个重复数的平均值。

1.5 子实体中镉含量测定

将新鲜子实体去土后,放入60℃条件下烘干至恒重,用高速粉碎机将烘干好的样品粉碎磨成粉。子实体样品消解采用硝酸-过氧化氢混合微波消解。称取0.2 g左右研磨过的子实体样品,放入预先清洗干净的微波消煮管中,加入5.0 mL硝酸密封过夜；第二天消煮前,每个消煮管加入2.0 mL 过氧化氢,在100 ℃预热25 min；之后将消煮管放置至常温后拧紧盖子,放入微波消煮仪中进行消煮。将消煮好的液体淋洗到50 mL容量瓶中,并进行适当稀释,之后用火焰原子吸收光谱仪进行镉含量的测定[9]。同时做空白试验,每个样品均设3个重复,分析所用的试剂均为优级纯。在样品的测定过程中以木耳无机成分标准物质(GBW10089)进行分析质量控制,结果显示标准物质测定数据较集中,并且平均值接近标准值,说明精密度高,准确度也高,符合质控要求。

1.6 数据处理

采用SPSS 19.0数据处理软件对实验数据进行差异显著性分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 镉胁迫对姬松茸子实体农艺性状的影响

图1 镉胁迫浓度对姬松茸子实体重量的影响Fig.1 Effect of cadmium stress on the fruitbody weight of Agaricus blazei

很显然,农艺性状是农作物表现出的表征性状,其可以代表作物本身品种特性[10—11]。通过比较分析外源镉胁迫下J37、J1两种姬松茸品种第一潮子实体的农艺性状,可以直观的反映添加不同浓度外源镉对姬松茸子实体生长产生的动态影响。不同镉浓度胁迫处理对姬松茸子实体农艺性状的影响结果见图1—图5。就单个子实体重量而言(图1),两个姬松茸菌株单个子实体重量随着外源镉浓度的增加呈下降的变化趋势。与镉水平为0 mg/kg处理相比,镉胁迫处理J1和J37菌株单个子实体重量分别降低了5.4%—80.8%和4.9%—77.1%,其中镉水平≥15mg/kg处理与0 mg/kg处理间的差异均达到显著性水平(P<0.05)。不同处理J37菌株单个子实体重量比J1菌株提高了10.9%—36.6%,其中15mg/kg镉处理两菌株间的差异达显著性水平(P<0.05),其他处理两菌株间无显著性差异。就子实体高度而言(图2),两个姬松茸菌株随着外源镉浓度的增加呈降低的变化趋势。与镉水平为0 mg/kg处理相比,镉胁迫处理J1和J37菌株子实体高度分别降低了3.8%—75.1%和3.9%—67.5%,其中镉水平≥15mg/kg处理与0 mg/kg处理间的差异均达到显著性水平(P<0.05)。镉水平≥35mg/kg处理J37菌株子实体高度比J1菌株提高了1.1%—43.1%,两菌株间的差异达显著性水平(P<0.05)。

两个姬松茸菌株菌盖直径、菌盖厚度和菌柄直径亦均随着外源镉胁迫水平的提高呈减少的变化趋势(图3、4和5)。就菌株而言,不同镉胁迫处理J37菌株的菌盖直径、菌盖厚度和菌柄直径均大于J1菌株,但两菌株间无显著性差异。镉水平≥35mg/kg处理J1、J37菌株的菌盖直径、菌盖厚度和菌柄直径分别比镉水平为0 mg/kg处理高出18.0%—80.9%、25.2%—71.4%、24.3%—79.6%和17.7%—79.1%、23.0%—68.7%、17.9%—78.2%,且镉水平≥35mg/kg处理与镉水平为0 mg/kg处理间的差异均达到显著性水平(P<0.05)。相关分析表明(表1),两菌株子实体重量、子实体高度、菌盖直径、菌盖厚度和菌柄直径与外源镉水平间均存在极显著的负相关关系。

图2 镉胁迫浓度对姬松茸子实体高度的影响Fig.2 Effect of cadmium stress on the fruitbody height of Agaricus blazei

图3 镉胁迫浓度对姬松茸菌盖直径的影响Fig.3 Effect of cadmium stress on cap diameter of Agaricus blazei

图4 镉胁迫对姬松茸菌盖厚度的影响Fig.4 Effect of cadmium stress on the cap thickness of Agaricus blazei

图5 镉胁迫对姬松茸菌柄直径的影响Fig.5 Effect of cadmium stress on the handle diameter of Agaricus blazei

表1 姬松茸农艺性状与外源镉水平间的相关系数表

2.2 镉胁迫对姬松茸子实体产量的影响

就J1与J37菌株相比,在不添加外源镉的条件下,J37菌株四潮菇子实体总产量比J1菌株增加了13.78%,且两菌株间的差异达显著性水平(P<0.05)。镉水平为15 mg/kg和35 mg/kg条件下,J37四潮菇子实体总产量分别比J1菌株高出28.2%和40.9%,说明J37菌株比J1菌株对镉具有更高的耐受性。图6还显示,随着潮次的增加,姬松茸两菌株子实体产量均呈逐渐降低的趋势。不同镉胁迫处理J1菌株第一、二、三、四潮子实体产量分别占总产量的39.8%—42.3%、23.9%—26.7%、20.0%—22.2%、11.0%—12.9%；J37菌株第一、二、三、四潮子实体产量分别占总产量的36.7%—43.9%、23.4%—30.6%、19.8%—22.1%、11.6%—12.9%。就镉胁迫影响而言,15 mg/kg和35mg/kg 镉胁迫处理J1菌株子实体产量分别比未添加镉处理降低了23.4%和45.4%,J37菌株分别降低了13.4%和32.1%,15 mg/kg和35mg/kg与未添加镉处理间的差异均达到显著性水平(P<0.05)。

图6 镉胁迫理对姬松茸子实体产量的影响Fig.6 Effect of cadmium stress on fruitbody yield of Agaricus blazei

2.3 镉胁迫对姬松茸子实体镉含量的影响

0、15、35mg/kg镉水平下,J37菌株四潮子实体镉含量平均比J1菌株降低了39.2%、56.0%和31.3%,且两菌株间的差异均达到显著性水平(P<0.05),说明J37比J1菌株具有较低的镉富集特性。随着潮次的增加,J1和J37菌株子实体镉含量均呈现逐渐降低的趋势(图7)。不同镉处理J1菌株第二、三、四潮菇子实体镉含量分别比第一潮降低了6.2%—14.0%、18.8%—26.5%、26.0%—32.1%；J37菌株分别降低了8.1%—21.9%、10.5%—32.7%、28.1%—40.4%。就镉胁迫影响而言,15 mg/kg和35 mg/kg镉胁迫处理J1菌株四潮菇子实体平均镉含量分别比0 mg/kg镉胁迫处理增加了51.5%和75.1%；J37菌株平均增加了13.7%和68.7%,15 mg/kg和35mg/kg与0 mg/kg镉处理间的差异均达到显著性水平(P<0.05)。当镉水平为15 mg/kg时,J1菌株子实体镉含量已接近姬松茸镉卫生标准临界值(10 mg/kg干品)。

图7 镉胁迫对姬松茸子实体镉含量的影响Fig.7 Effect of cadmium stress on Cd concentration in the fruitbodies of Agaricus blazei

2.4 镉胁迫对姬松茸子实体氨基酸含量的影响

图8显示,0、15和35mg/kg镉水平下,J37菌株四潮子实体氨基酸含量平均比J1菌株提高了20.1%、16.6%和16.1%,且两菌株间的差异均达到显著性水平(P<0.05)。随着潮次的增加,J1和J37菌株子实体氨基酸含量总体呈逐渐降低的趋势,但潮次间的差异不显著。不同镉处理J1菌株第二、三、四潮菇子实体氨基酸含量分别比第一潮降低了8.9%—9.9%、10.4%—15.6%、10.3—19.3%,J37菌株分别降低了4.0%—5.4%、8.7%—9.8%、13.2%—14.8%。就镉胁迫影响而言,15 mg/kg和35 mg/kg镉胁迫处理J1菌株四潮菇子实体平均氨基酸含量分别比0 mg/kg镉胁迫处理降低了5.6%和13.5%,J37菌株平均增加了7.9%和16.4%,其中35mg/kg与0 mg/kg镉处理间的差异达到显著性水平(P<0.05)。

图8 镉胁迫对姬松茸子实体氨基酸含量的影响Fig.8 Effect of cadmium stress on amino acid concentration in the fruitbodies of Agaricus blazei

3 讨论

从本试验结果显示,单个子实体重量与子实体高度、菌盖直径、菌盖厚度、菌柄直径为从属关系,因此它们间的趋势变化相似。将外源镉水平与两菌株子实体农艺性状进行相关性分析,结果表明,J1与J37子实体各农艺性状与外源镉水平之间均呈极显著负相关。随着外源镉水平的增加,两个菌株子实体生长明显受到镉的抑制作用,各生长指标均呈下降趋势；且J1子实体各农艺性状降低程度均大于J37子实体,说明J1子实体生长受到镉的抑制程度大于J37子实体。作为直观的判断指标应该为单个子实体重量,其是生产实践的关键要素,可以供生产管理者参考借鉴。

姬松茸生长过程对镉较为敏感已为生产实践所证实[12—14],要避免姬松茸镉污染或者镉超标所造成危害与损失,除了着力选育低镉姬松茸新品种之外[15],还需要深入探讨姬松茸生长过程镉吸收与富集机理,尤其是阐明影响姬松茸生长势——镉危害之间的内在关系及其动态响应具有重要参考价值[16—18]。本试验研究表明,外源镉水平<15 mg/kg对姬松茸农艺性状、产量的影响不显著,但当镉水平≥15 mg/kg时,两菌株农艺性状发生显著变化,产量下降了13.4%以上,镉含量显著增加且已临界食品卫生标准,这或许是镉元素对姬松茸菌丝、子实体细胞的早期刺激效应所引发的短期行为,待镉元素吸收并逐步累积,其对农艺性状以及产量与镉含量的影响就很快显现出来[19],进而需要进一步探讨镉胁迫对细胞结构的影响[20—21],同时需要研究镉胁迫对姬松茸生长过程酶系统动态变化的影响[22—24],力求进行多因素相关分析,进而有目的或者有针对性地开展分子生物学研究,力求从基因组水平阐明内在关系[25],并确定诊断指标,为姬松茸高产优质育种提供科学依据。

4 结论

不同镉胁迫浓度处理对姬松茸J37和J1子实体的农艺性状的影响各异。总体趋势是随着外源镉添加浓度的增加,其单个子实体重量、子实体高度、菌盖直径、菌盖厚度、菌柄直径等5项指标呈降低的趋势；单个子实体重量与外源镉水平间相关性最高。J37与J1菌株农艺性状变化的镉胁迫临界点均为15 mg/kg；J37菌株耐受镉胁迫能力优于J1菌株。

姬松茸J37与J1菌株产量、子实体中氨基酸和镉含量均随着潮次的增加而降低,子实体产量和氨基酸含量随着外源镉水平增加而降低,子实体镉含量随镉水平增加而增加。当外源镉水平高于15 mg/kg时,J1和J37子实体产量分别下降23.4%和13.4%以上,镉含量分别提高51.5%和13.7%%以上,且临界食品卫生标准。由此认为姬松茸栽培基质镉浓度要控制在15 mg/kg以内,是防控姬松茸生产过程镉污染或者镉超标关键点。除了选择耐镉危害及其能阻控镉吸收累积的品种之外,还在于低镉栽培原料与覆盖土壤选择,力求从源头上实施姬松茸的质量安全防控与绿色产品生产。