廖芳芳，邢 丹*，姜敬偉，胡明文，詹永發(fā)，楊 紅

(1.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 辣椒研究所，貴州 貴陽(yáng) 550006； 2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550006)

耕地鎘污染是農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境中最為廣泛關(guān)注的問(wèn)題，其對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量構(gòu)成嚴(yán)重威脅。鎘通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，損傷腎小管，使骨骼代謝受阻，造成骨質(zhì)疏松、萎縮變形，嚴(yán)重危害人體健康[1-4]。辣椒種質(zhì)資源是開(kāi)展辣椒育種的前提和基礎(chǔ)，要做到對(duì)原始資源的合理、正確利用，就必須對(duì)所搜集的資源進(jìn)行鑒定和評(píng)價(jià)。為進(jìn)一步利用、開(kāi)發(fā)這些種質(zhì)資源，提高辣椒安全生產(chǎn)，降低人類食用辣椒的潛在重金屬鎘風(fēng)險(xiǎn)，因而需要深入發(fā)掘耐鎘(或鎘低積累)的辣椒優(yōu)異種質(zhì)資源。目前，對(duì)植物耐鎘材料的研究主要集中在水稻[5]、玉米[6]等重要的糧食作物和番茄[7]、白菜[8]等經(jīng)濟(jì)作物方面,關(guān)于耐鎘低鎘辣椒優(yōu)異種質(zhì)資源研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。鑒于此，開(kāi)展鎘脅迫條件下的辣椒發(fā)芽試驗(yàn)和盆栽試驗(yàn)，篩選耐鎘的辣椒優(yōu)異種質(zhì)資源，為鎘低積累辣椒品種培育提供基礎(chǔ)材料。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 辣椒種質(zhì)資源 34個(gè)供試?yán)苯贩N質(zhì)材料均由貴州省辣椒研究所提供，編號(hào)為P1～P34。其中，P1～P15屬線椒，共15份；P16～P26屬散生朝天椒，共11份；P16～P29屬簇生朝天椒，共3份；P30～P32屬羊角椒，共3份；P33～P34屬牛角椒，共2份。

1.1.2 供試土壤 盆栽試驗(yàn)土壤(黃壤)采自貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶園，理化性質(zhì)為全氮1.063 g/kg,全磷2.061 g/kg,全鉀14.348 g/kg,有機(jī)質(zhì)15.428 g/kg,堿解氮210.329 mg/kg,有效磷59.473 mg/kg,有效鉀764.163 mg/kg,全鎘0.003 2 mg/kg。為避免引起土壤二次污染，用不銹鋼鏟隨機(jī)采集表層1～20 cm的混合土樣裝入干凈的編織袋，自然風(fēng)干后過(guò)5 mm不銹鋼篩去除雜物，攪拌混勻備用。

1.2 方法

1.2.1 發(fā)芽試驗(yàn) 試驗(yàn)于2016年12月在貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院辣椒研究所實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。以34個(gè)辣椒種質(zhì)材料為試驗(yàn)對(duì)象，以鎘離子濃度為試驗(yàn)因子進(jìn)行種子發(fā)芽試驗(yàn)。根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，以及中國(guó)蔬菜用地鎘輕度污染濃度(0.30～0.60 mg/kg)標(biāo)準(zhǔn)[9-10]，設(shè)置鎘離子濃度為0.5 mg/L，同時(shí)設(shè)置清水對(duì)照。溶液采用分析純CdCl2·2.5H2O 與去離子水配制成處理質(zhì)量濃度。

每個(gè)辣椒種質(zhì)材料分別挑選飽滿度一致的種子150粒，放入55℃溫水浸泡10 min撈出，清水沖洗干凈后用去離子水反復(fù)沖洗待用。按國(guó)標(biāo)GB/T 3543.4進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)，將消毒好的種子置于直徑為9 cm、內(nèi)鋪雙層濾紙的培養(yǎng)皿，培養(yǎng)皿內(nèi)分別移取等量不同處理的鎘離子溶液，以浸濕濾紙為宜，每個(gè)處理3次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)種子50粒，加蓋以防止水分蒸發(fā)。將培養(yǎng)皿置于人工氣候培養(yǎng)箱中，(28±1)℃條件下恒溫箱培養(yǎng)14 d，每天調(diào)查種子發(fā)芽數(shù)(以胚根長(zhǎng)達(dá)種子長(zhǎng)1/2作為萌芽標(biāo)志)，并補(bǔ)充等量去離子水和鎘離子水溶液保持濾紙濕潤(rùn)。以第7天和第14天發(fā)芽數(shù)分別計(jì)算發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)，測(cè)量發(fā)芽至第14天時(shí)的根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)。以鎘脅迫下各辣椒種質(zhì)材料的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、胚芽長(zhǎng)、胚根長(zhǎng)作為聚類指標(biāo)，采用歐式距離法對(duì)供試?yán)苯凡牧线M(jìn)行聚類分析。

發(fā)芽率=(發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%

發(fā)芽勢(shì)=(7 d內(nèi)發(fā)芽種子總數(shù)/供試種子總數(shù))×100%

脅迫指數(shù)(I)=1-(處理值/對(duì)照值)

1.2.2 盆栽試驗(yàn) 試驗(yàn)于2017年4月在貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院辣椒研究所基地塑料大棚內(nèi)進(jìn)行。以34個(gè)供試?yán)苯贩N質(zhì)材料為試驗(yàn)對(duì)象，以土壤添加重金屬鎘濃度為試驗(yàn)因子進(jìn)行盆栽試驗(yàn)。采用人工添加CdCl2·2.5H2O的方法處理土壤，根據(jù)中國(guó)蔬菜用地鎘輕度污染濃度(0.30～0.60 mg/kg)標(biāo)準(zhǔn)[9-10]，設(shè)置鎘離子濃度為0.5 mg/kg，以不添加CdCl2·2.5 H2O的土壤為對(duì)照。將剔除雜質(zhì)的黃壤按每盆4.0 kg裝入塑料盆(盆上直徑25 cm，下直徑20 cm，高24 cm)內(nèi)，加等量自來(lái)水充分?jǐn)嚢?。每個(gè)處理3次重復(fù)，共204盆。

2017年4月18日將配制好的鎘溶液均勻噴于土樣中，充分?jǐn)嚢韬髮⑼翗友b入經(jīng)稀酸浸泡并沖洗干凈的托盤(pán)，對(duì)照加入等量清潔自來(lái)水，靜置30 d。辣椒種質(zhì)材料于4月7日播種，5月19日移栽，每盆栽1株，常規(guī)管理。辣椒生長(zhǎng)期間用自來(lái)水澆灌，成熟后測(cè)定根、莖葉、果實(shí)和土壤中鎘含量。辣椒根、莖葉、果實(shí)中鎘含量的測(cè)定按照GB/T 5009.15-2014消解，土樣鎘含量按照GB/T 17141-1997方法消解，消解液用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算鎘的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)(遷移)系數(shù)。

富集系數(shù)(BCF)=辣椒果實(shí)中鎘含量/土壤中鎘含量

遷移系數(shù)(TF)=辣椒果實(shí)中鎘含量/根中鎘含量

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2007和SPSS20.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。

2 結(jié)果分析

2.1 鎘脅迫條件下辣椒種子的萌發(fā)情況

2.1.1 發(fā)芽率與發(fā)芽勢(shì) 發(fā)芽勢(shì)反映種子的活力高低，發(fā)芽勢(shì)高的種子的活力高、出苗齊。發(fā)芽率反映出苗率，發(fā)芽率高的種子出苗率高[5]。從表1看出，在0.5 mg/kg鎘脅迫條件下，34個(gè)辣椒種質(zhì)材料的平均發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)分別為53.07%和33.05%，與對(duì)照相比分別增加0.84和2.01百分點(diǎn)，說(shuō)明0.5 mg/kg濃度鎘處理對(duì)大部分辣椒種子萌發(fā)有促進(jìn)作用。鎘脅迫對(duì)P7、P15、P20、P23種質(zhì)材料的發(fā)芽率無(wú)顯著影響，脅迫指數(shù)為0或接近0，但P7、P15、P23的發(fā)芽率均大于等于90%；而對(duì)P10和P3的發(fā)芽率的抑制作用最明顯，脅迫指數(shù)均大于0.6。

2.1.2 胚根與胚芽 鎘脅迫對(duì)辣椒種子胚芽長(zhǎng)及胚根生長(zhǎng)均有不同程度的抑制效應(yīng)。鎘處理下34個(gè)辣椒種質(zhì)材料胚芽長(zhǎng)平均為30.23 mm，比對(duì)照短14.24%；種質(zhì)材料間芽長(zhǎng)脅迫指數(shù)在-0.07～0.42，平均為0.14，不同種質(zhì)材料受鎘抑制程度不同，其中鎘脅迫對(duì)P6、P10、P20、P26的芽長(zhǎng)抑制作用較小，其脅迫指數(shù)均在0或0以下； P2、P15、P19、P22受鎘抑制較明顯，芽長(zhǎng)脅迫指數(shù)均在0.30以上。

鎘處理下辣椒種子胚根長(zhǎng)平均為36.79 mm，比對(duì)照短27.64%；胚根長(zhǎng)脅迫指數(shù)在-0.10～0.80，平均為0.25。鎘脅迫對(duì)P11、P12、P25、P28的胚根長(zhǎng)抑制作用較小，脅迫指數(shù)均在0以下；鎘脅迫對(duì)P2、P3、P7、P15的根長(zhǎng)抑制效應(yīng)較明顯，脅迫指數(shù)均大于等于0.65。

鎘對(duì)辣椒種子胚芽生長(zhǎng)的抑制作用小于對(duì)胚根的抑制，這可能是由于重金屬鎘最先被種子根部吸收累積，然后逐步向芽傳導(dǎo)產(chǎn)生抑制效應(yīng)的結(jié)果[6]。

表1 不同處理辣椒種子的萌發(fā)情況

2.2 不同辣椒種質(zhì)材料耐鎘特性聚類

通過(guò)聚類分析(圖1)發(fā)現(xiàn)，不同辣椒種質(zhì)材料之間耐鎘特性存在差異，34個(gè)辣椒種質(zhì)材料耐鎘特性可劃分為三大類型：第1類為P15、P7、P23及P13，種子發(fā)芽期間受鎘的綜合抑制相對(duì)較弱，屬鎘耐受型材料；第2類為P8、P34、P16、P28、P31、P27、P30、P17、P20、P9、P5、P11、P22及P1，耐鎘性中等，屬中間型材料；第3類為P2、P33、P10、P25、P26、P29、P21、P24、P32、P18、P19、P4、P6、P14、P12及P3，耐鎘性較差，屬鎘敏感型材料。

2.3 不同辣椒種質(zhì)材料鎘吸收積累的差異

由表2看出，不同種質(zhì)材料辣椒對(duì)鎘的累積差異較為明顯，相同辣椒種質(zhì)材料各部位鎘含量表現(xiàn)為根>莖葉>果實(shí)，表明，鎘主要積累在辣椒植株根部，其次是莖葉，果實(shí)積累量最低。

在濃度0.5 mg/kg 鎘脅迫下，辣椒果實(shí)鎘含量為0.032～0.405 mg/kg，34個(gè)辣椒種質(zhì)材料中有94.12%超出國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn)(GB2762-2012，鎘含量<0.05 mg/kg)。其中，P24果實(shí)鎘含量最高，為0.405 mg/kg；P23果實(shí)鎘含量最低，為0.032 mg/kg，其最高值是最低值的13倍左右?？傮w看，鎘高積累性狀的辣椒種質(zhì)材料有P24、P32、P30、P6及P18，鎘低積累的有P15和P23。

圖1 Cd脅迫對(duì)34個(gè)辣椒品種(系)綜合抑制效應(yīng)的聚類

Fig.1 Cluster of comprehensive inhibition effect of Cd stress on 34 pepper varieties (lines)

富集系數(shù)反映植物吸收積累重金屬能力，通常系數(shù)越大，說(shuō)明該植物富集效率越高。研究表明，P23的富集系數(shù)最低；P17、P18、P19、P20、P24、P32和P34的富集系數(shù)均大于1，說(shuō)明該7個(gè)辣椒種質(zhì)材料具有鎘超富集特性。

表2 0.5 mg/kg Cd脅迫下辣椒種質(zhì)資源不同部位的鎘積累能力

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)反映植物根部向地上部運(yùn)輸重金屬的能力，一般系數(shù)越大說(shuō)明該植物轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬能力越強(qiáng)。辣椒根-果實(shí)間的Cd遷移系數(shù)在0.015～0.229，其中P23及P33的遷移能力最弱，其遷移系數(shù)小于0.03；P11、P24及P32的遷移能力最強(qiáng)，其遷移系數(shù)大于0.2。

3 結(jié)論與討論

以34個(gè)辣椒種質(zhì)材料為材料，研究辣椒萌發(fā)期鎘耐受性及大田生長(zhǎng)期間辣椒植株鎘積累性。結(jié)果表明：不同辣椒種質(zhì)資源的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率及胚根、胚芽長(zhǎng)度均受鎘脅迫不同程度的抑制，其中根長(zhǎng)度受到的抑制作用最強(qiáng)。已有研究表明，根系是最直接、最嚴(yán)重的受害器官之一，用Cd處理水稻、青菜、白菜等種子，可顯著抑制根系的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)，且隨Cd處理濃度的增加影響加劇[8-10]，這可能是由于重金屬Cd最先被種子根部吸收累積，然后逐步向芽傳導(dǎo)產(chǎn)生抑制效應(yīng)的結(jié)果[6]。0.5 mg/L 濃度的Cd脅迫對(duì)多數(shù)辣椒種質(zhì)材料的種子萌發(fā)有促進(jìn)效應(yīng)，說(shuō)明供試的辣椒資源在0.5 mg/L鎘濃度時(shí)耐受能力較強(qiáng)。利用聚類分析將34個(gè)辣椒種質(zhì)材料耐鎘差異劃分為三大類型，不同辣椒種質(zhì)材料的耐鎘性存在一定差異，其中P15、P7、P23及P13辣椒種子萌發(fā)期對(duì)鎘的耐受能力較強(qiáng)。

植物對(duì)鎘的吸收和積累存在明顯的種類間和品種間差異[11]，這主要是由植物自身的遺傳因素所控制，同時(shí)也受土壤Cd濃度及有效性、土壤pH和施肥等因素的影響[12-14]。研究表明，在0.5 mg/kg濃度Cd脅迫處理下，34份辣椒種質(zhì)材料各器官鎘含量在材料間表現(xiàn)出極顯著差異，其中果實(shí)鎘含量最大值是最小值的13倍左右，相似研究結(jié)果在小麥、玉米等作物中也有報(bào)道[15-16]。

Cd積累能力差異為辣椒鎘低積累材料的聚類篩選提供了前提條件。Cd低積累植物至少需要滿足2個(gè)條件[11，17]：一是對(duì)Cd具有較強(qiáng)的耐性，以保證其正常生長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的獲得；二是可食部分Cd積累能力較低或低于相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。在Cd低積累植物的篩選過(guò)程中，不同的培養(yǎng)環(huán)境和土壤Cd污染濃度均會(huì)不同程度影響作物的Cd積累[18]。研究在前期發(fā)芽試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，開(kāi)展盆栽試驗(yàn)，進(jìn)一步探究不同辣椒材料鎘Cd積累差異，篩選獲得2份耐鎘/低鎘辣椒種質(zhì)資源，分別為P15和P23，均表現(xiàn)出穩(wěn)定的低Cd積累特性，且可食部分的Cd含量低于國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn)。