水培条件下不同普通白菜品种镉铅累积和转运差异

郭雄昌 隋秀玉 伍祎翌 辛在军 孙小艳，*

（1 江西省重金属污染生态修复工程技术研究中心，江西省科学院微生物研究所，江西南昌 330096；2 江西省科学院生物资源研究所，江西南昌 330096；3 江西农业大学，江西南昌 330006）

蔬菜作为人类日常饮食必需食物，含有大量矿物质、维生素等营养成分，是人体平衡膳食的重要组成成分。我国蔬菜年产量超7 亿t，是世界第一生产国和消费国（薛亮 等，2021）。但随着我国工农业生产的迅速发展，农田土壤环境污染尤其是重金属污染问题日趋严重，蔬菜产品重金属超标现象频发，给蔬菜产业发展和人类健康带来巨大威胁（冯英 等，2018）。铅是联合国粮农组织（FAO）和世界卫生组织（WHO）公布的人体毒性最强的重金属元素，广泛分布并存于自然界中，是环境中常见的化学毒物。据2014 年全国土壤污染状况调查公报显示（https：//www.mee.gov.cn/gkml/sthjbgw/qt/201404/W020140417558995804588.pdf），我国土壤污染物总点位超标率为16.1%，耕地的点位超标率为19.4%；重金属超标点位占总点位的82.8%，其中镉、铅超标点位占比高达到7.0%和1.5%。郭爱珍等（2016）对全国菜地土壤调查发现，华中地区菜地污染较为严重，华南地区主要存在镉、铅污染，华东地区存在不同程度的镉、汞、铅、铬、砷污染，华北地区部分存在铅、铬污染。且近年来对各地区蔬菜产品抽检结果也显示，重金属超标情况较为严重，有些地区抽检重金属超标率高达90%以上（陈志良 等，2017）。李秀兰和胡雪峰（2005）对上海市宝山区蔬菜进行重金属抽样调查，发现铅、镉的超标率分别为12.01%和13.29%。与根菜类、豆类、块茎类蔬菜相比，叶菜类蔬菜是镉和铅暴露的主要途径（Wang et al.，2017）。大量研究发现，不同蔬菜种类甚至同一蔬菜种类不同品种对重金属镉、铅等累积量存在显著差异（Liu et al.，2010a，2010b）。因此，研究蔬菜不同品种镉、铅吸收富集特征，筛选重金属低富集且抗镉、铅毒害能力强的蔬菜品种，成为控制叶菜类蔬菜镉、铅超标，保障其可食用部分安全最简单、有效的途径之一（Yu et al.，2006；Liu et al.，2010a，2010b）。

普通白菜〔Brassica campestrisL.ssp.chinensis（L.）Makino var.communisTsen et Lee〕为十字花科芸薹属白菜亚种的一个变种，是我国中南部地区主要蔬菜种类之一（张瑞明和孔令娟，2011）。十字花科芸薹属植物具有较强的镉富集能力，即使在种植土壤没有超标的情况下，其食用部分仍然会出现重金属含量超标现象（Brown et al.，1995）。大量研究表明，不同白菜类蔬菜品种吸收富集镉、铅等重金属的能力存在显著差异（刘志华 等，2008；刘维涛 等，2009；Liu et al.，2009，2010a，2010b；Chen et al.，2012）。郑爱珍和王万君（2007）采用水培方式研究了12 个普通白菜品种和12 个大白菜品种镉吸收累积差异，结果表明普通白菜和大白菜生长受到不同程度的抑制作用，且不同品种对镉吸收累积差异显著，普通白菜镉含量明显高于大白菜。但目前已有的普通白菜品种筛选研究主要集中在镉、铅等重金属单一处理条件下，对镉铅复合污染条件下普通白菜镉、铅的富集效应和镉、铅交互作用研究相对较少。本试验采用水培方式，探讨镉铅单一胁迫和镉铅复合胁迫条件下17 个普通白菜品种吸收累积镉、铅的差异，以期为保障普通白菜的安全生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试普通白菜为我国南方地区常规种植的17个品种，种子购自江西省南昌市禾之元种业公司、广东省梅州穗丰种业公司、浙江省台州山头人种业公司等，具体品种名称为：四季小白菜、绿油亮、德高绿翔鸡毛菜、德高夏龙7 号、白牡丹杂交矮脚白、杂交矮脚白（白梗）、春不老（白梗）、F1若叶小白菜、紫衣天使、杭州油冬儿、F1健秀黑叶白菜、正旺达88 小白菜、四季快菜、圣绿快3 号、中蔬快菜1 号、圣翠快菜、速生568（快菜）小白菜。

1.2 试验方法

试验在江西省科学院微生物研究所植物培养人工气候箱（HLI1000C 智能人工气候箱，上海舍岩仪器有限公司）实施，分别于2021 年7、9、11月开展3 次平行试验。种子经10% H2O2消毒10 min，用去离子水冲洗干净，置于培养皿中22 ℃避光催芽，1～2 d 后见光培养，5～6 d 后转移至1 L 的培养盒中育苗，采用1/2 Hoagland 营养液培养6 d，再转移至Hoagland 营养液培养6 d 后进行重金属镉铅胁迫处理，生长期间营养液pH 值调整至5.8～6.0，每3 d 更换1 次营养液。每品种设3 个处理：单一镉胁迫，镉1 mg·kg-1；单一铅胁迫，铅25 mg·kg-1；镉铅复合胁迫，镉1 mg·kg-1+铅25 mg·kg-1；以未添加镉、铅处理为对照，每个品种每处理10 株幼苗。

1.3 项目测定

镉铅胁迫处理10 d 后收获，每3 株幼苗混合作为1 份样品，3 次重复。植株用去离子水冲洗干净，吸水纸吸干水分，用不锈钢剪刀从茎基部剪下根系，分别收集，然后105 ℃杀青30 min，75 ℃烘干至恒重，分别测定地上部和根系生物量，取平均值。

分别取地上部和根系干样，研磨后准确称取0.100 0 g，加入5 mL HNO3-HF（4V∶1V）混合液，过夜后放入微波消解仪（MDS-8G Q 多通量微波消解系统，上海新仪微波化学科技有限公司）中控温消煮至透明澄清；定容后使用ELEMENT 高分辨率电感耦合等离子体质谱仪（HR-ICP-MS，美国赛默飞世尔科技公司）测定镉、铅含量，取平均值。所用酸试剂均为色谱纯；微波消煮管和试管使用前均用10%硝酸溶液浸泡36 h，并用去离子水清洗3次后烘干待用。

1.4 数据分析

植物对重金属的耐性指数（tolerance index，TI）可用来衡量不同普通白菜品种的耐镉、铅性能差异（Bassegio et al.，2020）。

TI=〔（处理生物量-对照生物量）/对照生物量〕×100%

耐性指数为正值，说明镉（铅）胁迫促进该品种的生长，值越大促进作用越大；耐性指数为负值，说明镉（铅）胁迫抑制该品种的生长，值越小抑制作用越大。

重金属转运系数（translocation factor，TF）是指植株地上部重金属含量与地下部重金属含量的比值，用来评价植物将重金属从地下部向地上部的运输和富集能力。

式中，CA为植株地上部镉（铅）含量，CB为地下部镉（铅）含量。

采用SPSS 18.0软件对试验数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 镉铅胁迫对不同普通白菜品种生物量的影响

从表1、2 可以看出，未经镉铅胁迫（CK）的17个普通白菜品种植株地上部和根系生物量存在较大差异，根系生物量范围为0.017～0.131 g·株-1，地上部生物量范围为0.442～1.805 g·株-1，其中地上部生物量最大的四季小白菜是生物量最小的绿油亮的4.08 倍。镉、铅单一胁迫和镉铅复合胁迫下正旺达88 小白菜、四季小白菜、德高绿翔鸡毛菜地上部生物量与对照相比均显著降低；圣绿快3号、圣翠快菜地上部和根系生物量与对照相比均增加，特别是镉铅复合胁迫的地上部和根系生物量均显著增加；杂交矮脚白、绿油亮、紫衣天使、四季快菜、中蔬快菜1 号、速生568 小白菜地上部生物量均未受到显著影响，但与对照相比，单一铅胁迫和镉铅复合胁迫显著促进杂交矮脚白、中蔬快菜1号、速生568 小白菜根系生物量；绿油亮、紫衣天使、四季快菜地上部和根系生物量与对照相比均无显著差异。此外，单一镉胁迫下地上部生物量增加的普通白菜品种有7 个，大部分为快菜类型；除圣绿快3 号、圣翠快菜、中蔬快菜1 号、速生568 小白菜外，单一铅胁迫对其他13 个普通白菜品种地上部生物量均表现不同程度的生长抑制作用。春不老在镉、铅单一胁迫下地上部生物量与对照相比无显著差异，但镉铅复合胁迫显著促进其地上部生物量的增加；F1若叶小白菜在镉、铅单一胁迫下生物量被显著抑制，但镉铅复合胁迫显著缓解了其生长抑制作用。

表1 镉铅胁迫对不同普通白菜品种地上部生物量的影响 （DW）

表2 镉铅胁迫对不同普通白菜品种根系生物量的影响 （DW）

2.2 镉铅胁迫对不同普通白菜品种耐性指数的影响

除利用生物量、株高、根长等指标表征植物对重金属的耐受性外，重金属耐性指数也是衡量不同普通白菜品种对镉铅耐性差异的指标之一。从图1 可以看出，镉铅胁迫下大部分普通白菜品种的耐性指数都为负值，其中单一镉胁迫下F1健秀黑叶白菜的耐性指数最小，为-66.71%；单一铅胁迫下德高绿翔鸡毛菜的耐性指数最小，为-80.71%，该品种镉耐性指数也较低，为-53.05%；此外，四季小白菜对镉铅胁迫的耐受性也较差，耐性指数分别为-55.53%（单一镉胁迫）、-59.78%（单一铅胁迫）、-52.74%（镉铅复合胁迫），说明镉铅胁迫对部分普通白菜品种的生长具有较强的抑制作用。镉、铅单一胁迫对大部分普通白菜品种生长产生抑制作用，但很多品种在镉铅复合胁迫下这种生长抑制作用得到不同程度缓解，如正旺达88 小白菜、杂交矮脚白、春不老、绿油亮、四季小白菜、F1若叶小白菜等。

图1 不同普通白菜品种在镉、铅单一胁迫和镉铅复合胁迫下的耐性指数特征

从图1 还可以看出，圣绿快3 号、圣翠快菜、中蔬快菜1 号、速生568 小白菜等快菜类型普通白菜品种在镉、铅单一胁迫和镉铅复合胁迫下，耐性指数呈现正值；且除速生568 小白菜外，镉铅复合胁迫进一步强化了镉、铅对这些品种的生长促进作用，其中圣翠快菜镉、铅单一胁迫下耐性指数分别为54.10%和93.28%，镉铅复合胁迫下耐性指数达到112.31%。

2.3 镉铅胁迫对不同普通白菜品种植株镉、铅含量的影响

从图2 可以看出，单一镉胁迫下不同普通白菜品种地上部镉含量差异明显，镉含量范围为103.4～183.0 mg·kg-1，其中德高夏龙7 号、绿油亮、中蔬快菜1 号地上部镉含量显著高于其他品种，春不老、四季小白菜地上部镉含量明显低于其他品种；镉铅复合胁迫下17 个普通白菜品种地上部镉含量范围为69.4～142.1 mg·kg-1，圣绿快3 号地上部镉含量显著低于其他品种。除德高绿翔鸡毛菜外，镉铅复合胁迫均比单一镉胁迫降低普通白菜地上部对镉的累积，且有14 个品种两处理间差异达到显著水平。

图2 单一镉胁迫、镉铅复合胁迫下不同普通白菜品种地上部镉含量差异

从图3 可以看出，单一铅胁迫下不同普通白菜品种地上部铅含量差异明显，铅含量范围为21.64～75.19 mg·kg-1，正旺达88 小白菜、中蔬快菜1 号地上部铅含量相对较低，紫衣天使地上部铅含量显著高于其他品种，且比最低的正旺达88 小白菜高2.47 倍。镉铅复合胁迫下17 个普通白菜品种地上部铅含量范围为12.66～31.91 mg·kg-1，均较单一铅胁迫低，其中13 个品种两处理间差异达到显著水平。

综上，镉、铅在普通白菜中的吸收转运具有竞争拮抗作用。

2.4 镉铅胁迫对不同普通白菜品种镉、铅转运系数的影响

转运系数是指植株地上部与地下部重金属元素含量的比值，转运系数越大，说明重金属从根系向植株地上部转运能力越强。单一镉胁迫、镉铅复合胁迫下17 个普通白菜品种镉转运系数范围分别为0.104～0.295、0.104～0.222，平均值分别为0.197、0.154；单一镉胁迫、镉铅复合胁迫下，镉转运系数最大的品种均为绿油亮，镉转运系数最小的品种分别是德高绿翔鸡毛菜、紫衣天使（图4）。单一铅胁迫、镉铅复合胁迫下17 个普通白菜品种铅转运系数分别为0.057～0.283、0.027～0.187，平均值分别为0.131、0.077；单一铅胁迫、镉铅复合胁迫下，铅转运系数最大的品种分别是四季小白菜、春不老，铅转运系数最小的品种分别为德高绿翔鸡毛菜、德高夏龙7 号（图5）。

图4 单一镉胁迫、镉铅复合胁迫下不同普通白菜品种镉转运系数差异

图5 单一铅胁迫、镉铅复合胁迫下不同普通白菜品种铅转运系数差异

从图4、5 还可以看出，镉、铅单一胁迫和镉铅复合胁迫下17 个普通白菜品种的镉、铅转运系数均小于1，说明参试普通白菜品种根系的镉、铅含量高于地上部的含量，普通白菜吸收镉、铅后主要累积部位是根部；此外，铅的转运系数均值低于镉的，说明铅更易滞留在根系中，普通白菜根系中镉向地上部的转运能力高于铅。

3 讨论

镉、铅是植物非必需元素，低浓度镉、铅对植物有一定的促生长作用，但超过一定浓度后植物的生长将受到抑制，生物量降低，而且不同植物种类、同一种类不同品种对镉、铅的反应差异性较大（Wang et al.，2006；Yu et al.，2006）。低 浓度 镉对植物的生长促进作用可能与植物激素相关，金属离子可通过激活细胞分裂素代谢相关的酶促进植株生长和发育（Nyitrai et al.，2004）。本试验中，镉铅胁迫下不同普通白菜品种的地上部和根系生物量（干质量）存在明显差异，大多数品种受到不同程度抑制，但圣绿快3 号、圣翠快菜、中蔬快菜1 号的生物量有所升高，耐性指数为正值，表明短期镉铅胁迫对快菜类型普通白菜生物量累积具有促进作用，这可能与其在低镉铅胁迫时激发的“生长稀释”机制有关（陈辰 等，2020）。不同普通白菜品种应答镉铅胁迫的生长差异性为深入研究普通白菜耐重金属的基因调控机制提供了遗传材料和研究方向。

白菜类蔬菜栽培品种对镉铅吸收、积累能力存在较大差异（井彩巧，2006；郑爱珍和王万君，2007；刘维涛 等，2009；Liu et al.，2009，2019；李必元 等，2011；Chen et al.，2012）。在水培条件下，50 μmol·L-1镉处理的12 个普通白菜品种和12 个大白菜品种植株地上部生物量均显著下降，普通白菜地上部镉累积量显著高于大白菜，且品种间地上部镉积累量存在显著性差异，其中普通白菜品种五月慢，大白菜品种胶白6 号、丰抗80、丰抗90 植株生物量受镉抑制程度较低，地上部镉含量相对较低（郑爱珍和王万君，2007）。土壤栽培条件下，1.0、5.0 mg·kg-1镉处理的40 个河北地区普遍种植的白菜类蔬菜品种地上部镉含量范围分别为0.029～0.121、0.166～0.684 mg·kg-1，品种间对镉的富集能力存在显著差异，其中多维462、新乡小包23 等品种镉富集系数在2 个镉处理浓度下均较高，在0.114～0.137 之间，而北京新3 号、北京小杂60 则明显较低，在1.0 mg·kg-1镉处理下富集系数分别为0.034、0.029，5.0 mg·kg-1镉处理下富集系数分别为0.033、0.039（茹淑华 等，2013）。

本试验发现，参试普通白菜品种的镉、铅转运系数与地上部镉、铅含量并不存在明显的对应关系。如绿油亮，镉铅单一胁迫下植株地上部镉、铅含量较高，镉、铅的转运系数也较高；但德高夏龙7 号地上部镉、铅含量较高，而镉、铅的转运系数却相对较低。这一结果与植物根系对重金属镉、铅的截留作用密切相关。根系对重金属的吸收和截留，以及重金属从根系向地上部转运能力的差异决定了农产品可食用部分的重金属含量（张标金 等，2015）。在镉铅胁迫下，普通白菜植株生长、生理生化、分子调控等方面均会产生一系列适应机制，调控植株对镉、铅的吸收，如组成根系细胞壁的大分子物质含有大量负电基团，将金属阳离子固定于根系细胞壁（张旭红 等，2008），根系还可促进植物络合素、金属硫蛋白等小分子物质与重金属离子结合，减少根系重金属向地上部转运；此外，基因型的差异也导致其对重金属镉铅吸收和转运能力存在较大差异（Jing，2006）。本试验中，大部分镉铅离子积累在普通白菜根系中，单一镉胁迫下17 个普通白菜品种平均镉转运系数为0.197，单一铅胁迫的平均铅转运系数为0.131，说明普通白菜根系吸收的Cd 较易迁移到地上部，而Pb 的转运能力相对较弱（王浩 等，2009）。这一结果亦与刘维涛等（2009）的研究结论相似，300、500 mg·kg-1铅处理的19 个大白菜品种的转运系数均＜ 0.40。植物根系固定的镉在细胞中主要以有效性较高的可溶态存在，易于在植物体内运输转运，而植物根系中的铅离子大部分以活性较低的醋酸和盐酸提取态沉积在细胞壁或储存于液泡中，移动性很差（段德超等，2014）。植物根系对铅较强的截留固定能力在马铃薯等植物中也被证实（黄芳 等，2019）。这种元素性质差异和普通白菜体内镉铅运输通道差异所导致的镉、铅迁移能力差异性为其在镉铅复合污染农用地中实施“控镉稳铅”技术提供了新的安全控制技术思路。

值得关注的是，镉铅共存对不同植物不同器官产生的镉铅吸收、转运效应类型和程度存在较大差异（武文飞 等，2012）。本试验中，除德高绿翔鸡毛菜外镉铅复合胁迫下普通白菜地上部镉、铅含量相对单一镉胁迫或单一铅胁迫都呈降低趋势，大部分品种处理间差异均达显著水平，说明普通白菜地上部对镉、铅的吸收存在竞争关系。相似的结果在菜薹（菜心）（Qiu et al.，2011）、向日葵和蓖麻（Liu et al.，2008）等植物中被证实。这一现象可能归因于Cd 和Pb 均为二价阳离子，对部分植物体内有机组分的亲和力相近，相互间产生拮抗效应从而形成了生物有效性更低的金属络合物。刘家女等（2006）研究发现，金盏菊地上部Cd 和Pb 吸收表现出拮抗关系，Pb 对根部Cd 累积有抑制作用，Cd对根部Pb 累积表现出促进效应；Pb 对凤仙花地上部Cd 积累有显著的促进作用，但Cd 对地上部Pb积累却显著抑制，Cd、Pb 互作对根系Cd、Pb 累积没有显著影响。大量研究还表明，高浓度的镉或铅处理抑制植物的生长和代谢，从而影响植物对重金属的耐受和吸收能力（贺玉姣 等，2008）。本试验还发现，在单一铅胁迫下对铅富集能力较弱的普通白菜品种在镉铅复合胁迫下地上部铅含量也较低，说明普通白菜铅累积特征差异具有品种稳定性（Qiu et al.，2011），正旺达88 小白菜、中蔬快菜1 号、圣翠快菜等铅低累积品种在铅污染土壤中种植铅超标风险相对较低。而镉作为高活性离子，在植物中的吸收、转运、累积受多种因素影响。本试验中，除德高绿翔鸡毛菜外，与单一镉胁迫相比，镉铅复合胁迫下普通白菜品种地上部镉含量都不同程度降低，但降低幅度差异较大，如在镉单一胁迫下春不老、四季小白菜、速生568 小白菜等品种地上部镉含量相对较低，但镉铅复合胁迫下地上部镉含量降低幅度较低，而正旺达88 小白菜、紫衣天使、圣绿快3 号、F1健秀黑叶白菜等品种地上部镉含量降低的幅度明显高于其他品种，地上部镉含量也明显低于其他品种。综上，普通白菜对镉的吸收转运能力受铅离子影响相对较大，且普通白菜品种间镉铅的拮抗转运作用程度差异较大，需进一步深入研究。

4 结论

17 个普通白菜品种在镉1 mg·kg-1、铅25 mg·kg-1单一胁迫下，植株生物量存在显著差异，大部分品种生长受到抑制，但对快菜类型品种大多表现促进作用，且地上部镉铅含量相对较低；普通白菜根系和地上部的镉、铅富集能力存在显著品种差异，根系是镉、铅的主要累积部位，且根系对铅的固定能力高于镉；镉铅复合胁迫可不同程度缓解镉、铅单一胁迫对普通白菜的生长抑制效应，与镉、铅单一胁迫相比，镉铅复合胁迫下的大部分普通白菜品种地上部镉、铅含量显著降低，说明普通白菜地上部对镉、铅的吸收存在一定竞争作用；在单一铅胁迫和镉铅复合胁迫下，正旺达88 小白菜、中蔬快菜1 号、圣翠快菜地上部铅含量较低，属铅低积累品种，在重金属污染农田中种植铅超标风险相对较低。