鄒金城，龔玉蓮，陳麗紅，林丹萍，曾碧健，謝 婕，陳彩鋒，周曉妤

（廣東第二師范學(xué)院生物與食品工程學(xué)院，廣東 廣州 510303）

【研究意義】Cd（cadmium，Cd）是一種危害極高的重金屬元素。鎘是對(duì)生物毒性最強(qiáng)的污染物之一。過(guò)量的鎘能夠抑制植物的生長(zhǎng)和光合作用，干擾礦質(zhì)代謝并誘發(fā)氧化脅迫［1］。2014年《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查報(bào)告》指出，我國(guó)土壤Cd污染點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)到7.0%，目前我國(guó)受Cd污染土壤的面積占總耕地面積的1/6。蔬菜等農(nóng)作物受Cd污染的風(fēng)險(xiǎn)較高［2］。根系作為植物與外界聯(lián)系的門(mén)戶，在植物生長(zhǎng)過(guò)程中向生長(zhǎng)介質(zhì)中分泌質(zhì)子，釋放無(wú)機(jī)離子，溢泌或分泌大量的有機(jī)物，這些物質(zhì)和根組織脫落物一起統(tǒng)稱(chēng)為根系分泌物［3］。根系分泌物通過(guò)影響根際理化性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)［4］，改變土壤pH、絡(luò)合及螯合作用、還原活化作用等方式，影響植物對(duì)重金屬的吸收積累［3］?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】將根系分泌物施入土壤，影響植株對(duì)土壤重金屬的吸收積累。根系分泌物的施入可能促進(jìn)或抑制重金屬吸收積累［5］。研究表明，Cd脅迫下根系分泌總量與根系分泌物活化土壤Cd能力呈極顯著負(fù)相關(guān)［6］；根系分泌物中的有機(jī)酸能增加Cd的生物有效性，使Cd更容易被植物所吸收［7］。秦麗［8］研究表明根系分泌物中的檸檬酸能促進(jìn)續(xù)斷菊和蠶豆對(duì)Cd的累積，續(xù)斷菊根系分泌物的草酸能促進(jìn)續(xù)斷菊對(duì)Pb的積累、而抑制蠶豆體內(nèi)的Pb積累量。蔣先軍等［9］報(bào)道根系分泌物顯著提高了印度芥菜地上部分的Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】蕹菜（Ipomoea aquaticaForsk），又名空心菜，旋花科甘薯屬植物，是我國(guó)南方常見(jiàn)的葉用蔬菜，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值［10-12］。蕹菜對(duì)Cd具有較高的積累能力，因此極易受Cd污染［13］，前期研究［14-15］篩選得到了蕹菜典型的低Cd積累品種和高Cd積累品種，并發(fā)現(xiàn)兩個(gè)品種的根際土壤化學(xué)、生物學(xué)特征存在差異，根際土壤低分子量有機(jī)酸、有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)特征也存在差異。上述研究結(jié)果直接顯示了根系分泌物對(duì)于重金屬吸收積累的作用?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】為了解蕹菜典型品種根系分泌物對(duì)于Cd積累的直接影響，本研究通過(guò)低Cd積累品種和高Cd積累品種的根系分泌物分別直接施入土壤的試驗(yàn)，研究典型品種根系分泌物對(duì)蕹菜Cd吸收積累的影響，為了解蕹菜典型品種的根系分泌物對(duì)Cd積累的作用提供直接證據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試蕹菜采用2個(gè)Cd積累典型品種，高Cd積累品種T308和低Cd積累品種QLQ［7］。

1.2 試驗(yàn)方法

水培試驗(yàn)：采用水培法分別收集T308、QLQ的根系分泌物。種子先用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%次氯酸鈉消毒20 min，用蒸餾水清洗2～3次。待種子長(zhǎng)出兩片真葉后，將幼苗移入1/2 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中，3 d后移入Hoagland全營(yíng)養(yǎng)液［16］中，3 d換一次營(yíng)養(yǎng)液，每盆種4株植株。Hoagland全營(yíng)養(yǎng)液設(shè)置質(zhì)量濃度為0、2 mg/L Cd兩個(gè)處理，4次重復(fù)，共16盆。15 d后將根用超純水洗凈，放置于裝有250 mL超純水的燒杯中，燒杯外壁由錫紙包裹，自然光照6 h收集根系分泌物。0、2 mg/L Cd兩個(gè)處理T308根系分泌物的pH值分別為6.13和6.15，Cd質(zhì)量濃度分別為0.0025、0.0032 mg/L；QLQ根系分泌物的pH值分別為6.17和6.15，Cd質(zhì)量濃度分別為0.0031、0.0036 mg/L，各處理根系分泌物的pH值、Cd質(zhì)量濃度的差異均不顯著。

土培試驗(yàn)：土壤取自普通農(nóng)田，其理化性質(zhì)為：pH值6.54、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)37.52 g/kg、堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)81.01 mg/kg、有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)71.41 mg/kg、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)155.23 mg/kg、重金屬鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.61 mg/kg。根據(jù)我國(guó)食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（HJ332-2006），供試土壤為Cd污染土。

土壤處理：土壤風(fēng)干，過(guò)1 mm 篩，按照N 300 mg/kg、P 128 mg/kg、K 156 mg/kg的比例，以尿素、磷酸二氫鉀的形式施基肥，徹底混勻，平衡2周。每個(gè)花盆裝土1.8 kg。

種子播種，間苗，每盆保留4株植株。待植株長(zhǎng)到4～5片真葉后，將收集的不同Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理的根系分泌物施入土壤，每盆土壤施入根系分泌物250 mL。將QLQ根系分泌物施入種植T308的土壤中，將T308根系分泌物施入種植QLQ的土壤中，以不施入根系分泌物、僅施入超純水的T 308、QLQ為對(duì)照，共24盆。種植40 d后收獲植株。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

收獲植株前測(cè)定株高，收獲后分別測(cè)定莖葉、根的鮮質(zhì)量。70 ℃下烘干莖葉和根、測(cè)干質(zhì)量。植物樣品用硝酸：雙氧水（5∶2）微波消解，用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定Cd質(zhì)量濃度，測(cè)樣過(guò)程采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)進(jìn)行分析質(zhì)量控制。Cd積累量=植株Cd質(zhì)量濃度×植株干質(zhì)量；轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=莖葉Cd質(zhì)量濃度/根Cd質(zhì)量濃度；富集系數(shù)=植株Cd質(zhì)量濃度/土壤Cd質(zhì)量濃度。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD法進(jìn)行差異顯著性測(cè)驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系分泌物對(duì)蕹菜典型品種生長(zhǎng)的影響

由表1可知，不施加根系分泌物的對(duì)照條件下，蕹菜品種T308的株高、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量與QLQ的差異均不顯著，表明兩個(gè)供試蕹菜品種的生長(zhǎng)情況基本一致。

方差分析結(jié)果顯示，QLQ根系分泌物對(duì)T308株高、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量的效應(yīng)均顯著，其中0 mg/L Cd處理T308株高、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量分別顯著降低20.88%、58.53%、58.73%；2 mg/L Cd處理T308株高、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量與對(duì)照差異均不顯著。T308根系分泌物對(duì)QLQ株高、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量的效應(yīng)不顯著。結(jié)果表明，除0 mg/L Cd處理QLQ根系分泌物抑制T308生長(zhǎng)外，其余處理對(duì)兩個(gè)品種的生長(zhǎng)無(wú)顯著影響。

表1 根系分泌物對(duì)蕹菜典型品種生長(zhǎng)的影響Table 1 Effects of root exudates on growth of typical Ipomoea aquatica Forsk varieties

2.2 根系分泌物對(duì)蕹菜典型品種Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)、Cd積累量的影響

由表2可知，蕹菜品種T308莖葉Cd質(zhì)量濃度顯著高于QLQ，T308莖葉Cd質(zhì)量濃度比QLQ高85.86%。兩個(gè)品種的根Cd質(zhì)量濃度和Cd積累量差異不顯著。這與兩個(gè)品種的Cd積累特性相一致。

方差分析結(jié)果顯示，QLQ根系分泌物對(duì)T308莖葉Cd質(zhì)量濃度、根Cd質(zhì)量濃度的效應(yīng)顯著。QLQ根系分泌物使T308莖葉Cd質(zhì)量濃度顯著增加；與對(duì)照比較，0、2 mg/L Cd處理T308莖葉Cd質(zhì)量濃度分別增加38.15%和40.20%。QLQ根系分泌物也提高了T308根Cd質(zhì)量濃度，其中0 mg/L Cd處理差異顯著，比對(duì)照提高55.74%。QLQ根系分泌物使2 mg/L Cd處理的T308 Cd積累量增加，但0 mg/L Cd處理Cd積累量顯著下降，原因在于其干質(zhì)量的降低（表2）。結(jié)果表明QLQ的根系分泌物促進(jìn)T308莖葉和根對(duì)Cd的吸收。T308根系分泌物對(duì)QLQ莖葉Cd質(zhì)量濃度、Cd積累量的效應(yīng)不顯著，但對(duì)根Cd質(zhì)量濃度的效應(yīng)顯著。T308的根系分泌物使QLQ根部Cd質(zhì)量濃度均顯著增加，0、2 mg/L Cd處理QLQ根Cd質(zhì)量濃度比對(duì)照分別增加50.19%和59.76%。表明T308根系分泌物促進(jìn)QLQ地下部分對(duì)Cd的積累。

與對(duì)照相比，2 mg/L Cd處理根系分泌物對(duì)Cd質(zhì)量濃度的增加幅度（平均46.40%）高于0 mg/L Cd處理根系分泌物（平均41.50%）；QLQ根系分泌物對(duì)T308根Cd質(zhì)量濃度的增加幅度（平均36.15%）低于T308根系分泌物對(duì)QLQ根Cd質(zhì)量濃度的影響（平均74.95%）。

表2 根系分泌物對(duì)蕹菜典型品種的Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)（以干質(zhì)量為基數(shù)）、Cd積累量的影響Table 2 Effects of root exudates on Cd concentration (based on dry mass)and Cd accumulation of typical Ipomoea aquatica Forsk varieties

2.3 根系分泌物對(duì)蕹菜典型品種Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)、富集系數(shù)的影響

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)是指植物地上部（莖葉）重金屬質(zhì)量濃度與地下部（根）重金屬質(zhì)量濃度之比，反映了重金屬在植物體不同器官中的分配情況。由表3可知，兩個(gè)品種的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于1，T308的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)顯著高于QLQ，表明T308體內(nèi)對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)能力高于QLQ；T308的富集系數(shù)與QLQ差異不顯著，表明兩個(gè)品種的富集特性相似。

方差分析結(jié)果顯示，QLQ根系分泌物對(duì)T308體內(nèi)Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的效應(yīng)顯著。與對(duì)照比較，QLQ根系分泌物使T308的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)降低，0 mg/L Cd處理的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)降低30.23%（P＜0.05）。施加T 308根系分泌物對(duì)QLQ轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響不顯著。結(jié)果表明施加QLQ根系分泌物抑制了蕹菜品種T 308體內(nèi)Cd從根部向地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，且0 mg/L Cd處理的QLQ根系分泌物對(duì)T308轉(zhuǎn)運(yùn)能力的降低幅度高于2 mg/L Cd處理。

QLQ根系分泌物對(duì)T308 Cd富集系數(shù)的效應(yīng)顯著。與對(duì)照比較，QLQ根系分泌物使T308的Cd富集系數(shù)顯著增加，0、2 mg/L Cd處理T 308富集系數(shù)分別增加69.08%、56.48%，可見(jiàn)0 mg/L Cd處理QLQ根系分泌物對(duì)T308富集系數(shù)的增加幅度高于2 mg/L Cd處理。施加T308根系分泌物對(duì)QLQ Cd富集系數(shù)的影響不顯著。表明施加QLQ根系分泌物促進(jìn)了蕹菜品種T308對(duì)土壤中Cd的富集能力。

表3 根系分泌物對(duì)蕹菜典型品種Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)、富集系數(shù)的影響Table 3 Effects of root exudates on Cd translocation coefficient and Cd enrichment coefficient of typical Ipomoea aquatica Forsk varieties

3 討論

兩個(gè)供試蕹菜典型品種的生長(zhǎng)無(wú)顯著差異，但Cd吸收積累存在差異。高Cd品種T308的莖葉Cd質(zhì)量濃度為低Cd品種QLQ的1.86倍。兩個(gè)品種間根Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)、Cd積累量和Cd富集系數(shù)的差異不顯著，而轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的差異高達(dá)1.69倍，表明品種間Cd積累差異的原因主要在于Cd在植株體內(nèi)從地下部分轉(zhuǎn)運(yùn)到莖葉的能力存在差異。這與前人［10，17］的研究結(jié)果一致。

本研究發(fā)現(xiàn)，根系分泌物的施入提高了供試蕹菜品種的莖葉Cd質(zhì)量濃度、根Cd質(zhì)量濃度，總體表現(xiàn)為促進(jìn)植株對(duì)Cd的積累。喬冬梅［18］報(bào)道黑麥草根系分泌物的施入促進(jìn)重金屬的吸收積累，當(dāng)土壤中Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于100 mg/L時(shí)，黑麥草根系分泌物顯著促進(jìn)Pb的吸收積累。秦麗［8］發(fā)現(xiàn)續(xù)斷菊根系分泌物中的檸檬酸能促進(jìn)續(xù)斷菊和蠶豆對(duì)Cd的積累，續(xù)斷菊根系分泌物的草酸能促進(jìn)續(xù)斷菊對(duì)Pb的積累。

QLQ根系分泌物的施入使T308的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)顯著下降，T308根系分泌物的施入對(duì)QLQ的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)影響不顯著。相反，QLQ根系分泌物的施入使T308的Cd富集系數(shù)顯著提高，T308根系分泌物的施入也提高了QLQ的Cd富集系數(shù)，但影響不顯著。表明根系分泌物的施入促進(jìn)兩個(gè)供試蕹菜品種Cd積累的主要原因在于根系分泌物提高了植株對(duì)土壤Cd的吸收能力。根系分泌物能通過(guò)有效改變土壤的pH值來(lái)改變根際土壤中重金屬的溶解度和移動(dòng)性，成為植物可吸收態(tài)重金屬［19］。根系分泌的有機(jī)酸能有效活化礦山廢水沉淀物中的重金屬，從而促進(jìn)植物對(duì)重金屬的吸收［20］。吳啟堂［7］研究發(fā)現(xiàn)玉米根系分泌物與Cd的絡(luò)合可達(dá)到1.28 mol/kg，新鮮根系分泌物降低土壤對(duì)Cd的吸附，提高其擴(kuò)散性，從而提高植物對(duì)Cd的吸收。前期研究發(fā)現(xiàn)兩個(gè)蕹菜品種均降低了根際土壤pH和氧化還原電位，并向根際分泌檸檬酸等低分子量有機(jī)酸［14］，這與本研究發(fā)現(xiàn)蕹菜根系分泌物促進(jìn)Cd的積累有關(guān)。

不同Cd質(zhì)量濃度處理收集的蕹菜根系分泌物對(duì)植株Cd積累的影響存在差異。原因可能在于不同Cd質(zhì)量濃度處理收集的根系分泌物的組分存在差異。張玲等研究發(fā)現(xiàn)不同Cd質(zhì)量濃度條件下,小麥根系分泌物的組成和質(zhì)量濃度都存在差異。電解質(zhì)外滲率、糖類(lèi)、氨基酸隨Cd2+質(zhì)量濃度升高而增加；在低質(zhì)量濃度Cd2+（0.5 mg /L）條件下，隨處理質(zhì)量濃度的升高，氨基酸分泌量增加；當(dāng)處理質(zhì)量濃度高于相應(yīng)質(zhì)量濃度（50 mg/L）時(shí)，氨基酸分泌量隨質(zhì)量濃度升高而減少。隨Cd2+質(zhì)量濃度升高，次生代謝物分泌種類(lèi)減少［21］。

有研究發(fā)現(xiàn)根系分泌物能提高Cd在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)。王吉秀等［22］報(bào)道玉米根系分泌物對(duì)小花南芥菜Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)起到促進(jìn)作用，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)增加22%，相關(guān)分析結(jié)果表明Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)與玉米根系分泌物中的有機(jī)酸顯著相關(guān)。徐健程等［23］研究表明，豌豆根系分泌物能增加玉米地下部Cu2+質(zhì)量濃度，降低玉米地上部Cu2+質(zhì)量濃度，抑制Cu的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，本研究得到相似的結(jié)果。低Cd品種QLQ根系分泌物的施入，使高Cd品種T308的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)顯著下降，而高Cd品種T308根系分泌物的施入對(duì)低Cd品種QLQ的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)影響也不顯著；雖然高Cd品種T308根系分泌物的施入顯著提高了低Cd品種QLQ的根Cd質(zhì)量濃度，但對(duì)QLQ的莖葉Cd質(zhì)量濃度并無(wú)顯著增加。以上結(jié)果一方面表明低Cd品種QLQ具有較強(qiáng)的低Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力，高Cd品種T308根系分泌物都未能影響其轉(zhuǎn)運(yùn)能力；另一方面，低Cd品種QLQ根系分泌物不但沒(méi)有增加T308的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，反而使其顯著降低，結(jié)果顯示出低Cd品種QLQ根系分泌物在降低Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力方面的特征性的突出能力。進(jìn)一步深入研究蕹菜低Cd品種QLQ根系分泌物對(duì)于降低Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力的作用及其機(jī)理，有助于其低Cd機(jī)理的理解和應(yīng)用。

4 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，蕹菜典型低Cd品種QLQ和高Cd品種T308的生長(zhǎng)差異不顯著，QLQ莖葉Cd積累顯著低于T308，品種間Cd積累差異的原因主要在于植株體內(nèi)Cd從地下部分轉(zhuǎn)運(yùn)到莖葉的能力存在差異。施加典型品種的根系分泌物總體上不影響兩個(gè)蕹菜品種的生長(zhǎng)。根系分泌物的施加總體表現(xiàn)為促進(jìn)植株對(duì)Cd的積累，主要原因在于根系分泌物提高了植株對(duì)土壤Cd的吸收能力。不同Cd質(zhì)量濃度處理收集的蕹菜根系分泌物對(duì)植株Cd積累的影響存在差異。低Cd品種QLQ的根系分泌物顯著降低了高Cd品種T308的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，而高Cd品種T308根系分泌物對(duì)低Cd品種QLQ的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)并未產(chǎn)生顯著影響；低Cd品種QLQ表現(xiàn)出極強(qiáng)的低Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力。