小白菜镉含量基因型与环境效应研究

郑龙

（福建省莆田市农业技术推广站，福建莆田 351100）

小白菜（Brassica campestrisssp.Chinensis）为十字花科芸薹属蔬菜。在土壤-植物系统中，重金属污染不但影响植物产量与品质，还影响大气和水环境质量，并通过食物链危害人类的生命和健康，更为严重的是这种污染具有多源性、隐蔽性、长期性、不可逆性及污染后果严重性等特点[1-4]。镉（Cd）是环境中对植物、动物以及人类毒性最强的重金属元素之一，易为蔬菜所富集，进而通过食物链威胁人类健康[3-8]。曾希柏等[9]研究发现，我国约93%的菜地受重金属污染，且各省均有分布。由于不同植物对Cd吸收特点不同，取决于基因型、环境效应及基因型与环境的互作效应，可有选择地种植食用部分富积污染物量少的作物，减少危害[5-8]。小白菜是对Cd较敏感的作物，较低的含量即可对其造成伤害，降低其产量及食用品质，但不同品种对Cd胁迫的适应性有明显差异[10-16]。基因型与环境互作是比较复杂的生物学现象，如何准确、高效地分解出基因型、环境型及其互作效应是育种和推广工作中面临的重要问题[17]，本研究通过在莆田市蔬菜主产区的6个地点田间种植6个小白菜常见品种，利用AMMI（additive main multiplicative interaction）模型对各小白菜品种地上部和地下部的Cd含量进行分析，明确小白菜Cd含量的差异及基因型、环境的效应，筛选具有低镉积累和高环境适应性的小白菜品种，为小白菜的优质绿色生产提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

以福建省莆田市常见的6个小白菜品种‘华冠青梗菜’（G1，日本武藏野种苗园株式会社）、‘早生华京’（G2，日本武藏野种苗园株式会社）、‘田园青冠’（G3，武汉田园大丰农业科技有限公司）、‘华王青梗菜’（G4，日本武藏野种苗园株式会社）、‘皇冠青梗菜’（G5，青县良达盛农技推广中心）和‘上海青’（G6，福州永荣种子有限公司）为供试品种。分别在莆田市荔城区黄石镇清前村（E1）、莆田市城厢区华亭镇兴沙村（E2）、莆田市仙游县龙华镇爱和村（E3）、莆田市荔城区新度镇渠桥村（E4）、莆田市荔城区新度镇洋程村（E5）、莆田市涵江区江口镇东大村（E6）6个试验地点进行种植。各试验点的地理位置及土壤基础理化性质详见表1。

表1 试验地点的基本情况Table 1 Basic Information about Experimental Sites

1.2 试验设计

试验采取随机区组设计，3次重复，小区面积48.6 m2，每小区2畦，长度27 m，畦带沟宽0.9 m。所有小区统一方案管理。试验于2020年2月4日采用种子直播方式播种，肥料施用量参照当地平均水平，施用商品有机肥2 250 kg·hm-2、复合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）300 kg·hm-2作基肥。2月7日出苗，3月1日追肥，追施复合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）75 kg·hm-2、尿素75 kg·hm-2，兑水浇施。于3月20日采收、取样，按《GB 5009.15—2014食品安全国家标准食品中镉的测定》[18]检测各品种地上部和地下部Cd含量。

1.3 Cd含量测定

每小区采用“Z”字型5点取样法，每点取10株。用蒸馏水冲洗干净，用吸水纸吸干水分，分别取小白菜地上部分（根茎部往上0.5 cm）和地下部，用食品加工机打成匀浆，储于洁净的塑料瓶中，并标明标记，于-16~-18℃冰箱中保存备用。采用湿式消解法进行样品前处理，用安捷伦280 ZAA石墨炉原子吸收光谱仪测定镉含量。

1.4 数据分析

采用Excel 2003和DPS7.05软件进行数据统计分析。在方差分析基因型与环境互作效应显著的基础上，按AMMI模型[19-25]进行分析。取前3个主成分效应iPCA中达到P＜0.01显著水平、离原点的欧氏距离作为稳定性参数Di[19-25]，其值越小则品种稳定性越高。

2 结果与分析

2.1 小白菜Cd含量的表型值分析

供试材料地上部和地下部的Cd含量如表2所示。‘华王青梗菜’地上部Cd含量的平均值最高，为0.014 9 mg·kg-1；‘华冠青梗菜’和‘田园青冠’最低，为0.011 3 mg·kg-1。其中，‘华王青梗菜’在爱和村的地上部Cd含量最高，0.025 0 mg·kg-1；‘皇冠青梗菜’在东大村的地上部Cd含量最低，为0.001 3 mg·kg-1；最 高 值 是 最 低 值 的18.7倍。‘早生华京’地下部Cd含量的平均值最 高，为0.039 1 mg·kg-1；‘上 海 青’最 低，为0.026 9 mg·kg-1。其中，‘皇冠青梗菜’在清前村的地下部Cd含量最高，为0.105 2 mg·kg-1；‘上海青’在东大村的地下部Cd含量最低，为0.011 0 mg·kg-1；最高值是最低值的9.59倍。相关性分析表明小白菜地上部和地下部及试点土壤三者Cd含量之间的相关不显著（未列出）。

表2 不同小白菜品种在不同地点的Cd含量Table 2 Cd contents of pakchoiplanted in different sites (mg·kg-1)

2.2 小白菜Cd含量的基因型和环境效应分析

方差分析（表3）表明，基因型、环境、基因型与环境间互作效应对小白菜地上部和地下部Cd含量有极显著影响。小白菜地上部Cd含量受环境效应影响最大，其效应占总效应的87.04%，表明环境间的差异是引起小白菜地上部Cd含量变化的主要原因；基因型与环境间的互作效应次之，占9.26%；基因型效应最小，占3.70%。对小白菜地下部Cd含量的影响与地上部相同，环境效应、基因型与环境间互作效应、基因型效应占总效应的比例分别为65.97%、28.24%和4.63%。

2.3 小白菜Cd含量的基因型与环境互作分析

小白菜地上部和地下部Cd含量均有3项交互主成分分析的iPCA达极显著水平（表3）。对于地上部Cd含量，前2项（iPCA1和iPCA2）的平方和均占交互作用平方和的40.00%；对于地下部Cd含量，前2项iPCA（iPCA1和iPCA2）的平方和分别占交互作用平方和的70.49%和22.95%。因此，考察前2个AMMI分量代表的互作部分能对小白菜Cd含量的基因型与环境互作做出较准确判断。

表3 小白菜Cd含量的方差分析和AMMI分析Table 3 Variance analysis and AMMImodel analysis of Cd contents in pakchoi

图1为以平均产量为x轴，交互效应主成分iPCA1值为y轴的AMMI1双标图，其水平方向的分散程度表明品种效应的大小，垂直方向的差异表明品种与环境间的交互作用[19-25]。由AMMI1双标图可知，小白菜地上部和地下部Cd含量在不同试点间的差异大于不同品种间差异，这与方差分析结果一致。小白菜品种‘华冠青梗菜’‘早生华京’和‘皇冠青梗菜’地上部Cd含量与兴沙村、爱和村、渠桥村有着正向的交互作用，与清前村、洋程村、东大村的交互作用为负；小白菜品种‘华冠青梗菜’‘早生华京’‘田园青冠’‘皇冠青梗菜’和‘上海青’的地上部Cd含量相差较小，但iPCA1值的差异表明这5个品种在不同地点间的差异较大。小白菜品种‘华冠青梗菜’和‘皇冠青梗菜’地下部Cd含量与清前村有着正向的交互作用，与其他地点有着负向的交互作用，即‘华冠青梗菜’和‘皇冠青梗菜’在清前村种植时地下部Cd含量较高。

图1 AMMI1双标图Fig.1 AMMI1 Biplot between yield and iPCA1

以iPCA1为x轴，iPCA2为y轴建立AMMI2双标图（图2），图中品种在地点与原点连线上的垂直投影到原点的距离表示该品种与此地点的交互作用大小，连线长则交互作用大，若投影落在连线上则其交互作用为正向，如果投影落在连线的反向延长线上则其交互作用为负向[19-25]。由图3可知，对于地上部Cd含量，‘华王青梗菜’较稳定；‘早生华京’与爱和村、‘上海青’与清前村和兴沙村、‘皇冠青梗菜’与渠桥村存在较大的正向互作，这些品种在相应地点种植都会增加小白菜地上部Cd含量；‘早生华京’与洋程村、‘上海青’与兴沙村、‘皇冠青梗菜’与东大村、‘皇冠青梗菜’与清前村间为负向互作，表明它们有特殊的适应性。对于地下部Cd含量，‘早生华京’与爱和村、‘上海青’与洋程村和渠桥村、‘皇冠青梗菜’与清前村等着较大的正向互作；‘早生华京’与渠桥村、‘皇冠青梗菜’与洋程村等为负向互作。AMMI模型稳定性参数Di（表4）表明，对于地上部Cd含量，品种稳定性排序为‘田园青冠’＞‘皇冠青梗菜’＞‘华王青梗菜’＞‘华冠青梗菜’＞‘早生华京’＞‘上海青’，试点稳定性排序为东大村＞兴沙村＞渠桥村＞爱和村＞洋程村＞清前村；对于地下部Cd含量，品种稳定性排序为‘华王青梗菜’＞‘田园青冠’＞‘上海青’＞‘华冠青梗菜’＞‘皇冠青梗菜’＞‘早生华京’，试点稳定性排序为东大村＞渠桥村＞洋程村＞兴沙村＞爱和村＞清前村。

图2 AMMI2双标图Fig.2 AMMI2 Biplot between iPCA1 and iPCA2

表4 基因型与环境条件交互作用的主成分值及稳定性参数Table 4 Principal component values and stability parameters of the genotype-environment interactions

根据AMMI模型获得的稳定性参数Di和相应的Cd含量综合分析，‘田园青冠’地上部Cd含量低且稳定，可用于大面积生产；‘华冠青梗菜’地上部Cd含量较低但稳定性差；‘早生华京’和‘皇冠青梗菜’地上部Cd含量和稳定性都居中。兴沙村、东大村对小白菜地上部Cd含量影响较小，适宜发展小白菜生产。

3 讨论

在轻、中度重金属污染的土壤上能否继续进行作物安全生产已得到普遍关注[19]。本研究结果表明，不同小白菜品种在不同地点的Cd含量存在较大差异，变异范围较大，其中地上部Cd含量的最高值是最低值的18.7倍，地下部Cd含量的最高值是最低值的9.59倍；且小白菜地上部和地下部及试点土壤Cd含量三者间相关不显著。这可能是因为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[26]，土壤类型、土壤酸碱度、重金属的生物有效性、土壤有机质含量、土壤氧化还原电位、络合剂、离子互作和植物营养物质等因素也影响重金属的积累量[27-32]。

研究表明，水稻稻米Cd含量不仅受基因型影响，也受环境及两者的交互作用影响[21-23,33]。张彦威等[20]研究发现基因型、环境及基因型与环境互作对大豆籽粒的Pb、Cr、As、Cd、Hg含量均具有极显著影响，因此，改善土壤条件可能对降低大豆对重金属的吸收量起到一定作用，选择籽粒重金属积累量低且对环境变化表现较稳定的基因型是品种选择的首要目标。不同品种的甜高粱在污染土壤中种植，对不同重金属的吸收有选择性[34]。

本研究中基因型、环境及二者互作对小白菜地上部Cd含量均有极显著影响。小白菜地上部Cd含量的环境效应、基因型与环境间互作效应、基因型效应分别占总效应的87.04%、9.26%、3.70%；地下部Cd含量的环境效应、基因型与环境间互作效应、基因型效应分别占总效应的65.97%、28.24%、4.63%。由此表明，环境效应为主导因素，选择特定环境是降低小白菜Cd含量的主要途径；而基因型与环境互作效应次之、基因型效应最小，应综合考虑采用地区控制和品种搭配相结合的策略以减少小白菜的吸收途径可能更为有效[18]。综合小白菜Cd含量的表型值、AMMI模型、Di分析结果，‘田园青冠’地上部Cd含量低且稳定，可用于大面积生产；‘华冠青梗菜’地上部Cd含量较低但稳定性差；‘早生华京’和‘皇冠青梗菜’地上部Cd含量和稳定性都居中，生产中要充分考虑基因型与环境的互作效应。兴沙村和东大村适宜发展小白菜生产。