根系分泌物对蕹菜Cd吸收积累的影响

邹金城,龚玉莲,陈丽红,林丹萍,曾碧健,谢 婕,陈彩锋,周晓妤

(广东第二师范学院生物与食品工程学院,广东 广州 510303)

摘 要:【目的】研究根系分泌物对蕹菜Cd吸收积累的影响。【方法】采用水培-土培联合的方法,通过水培种植蕹菜(Ipomoea aquatica Forsk.)典型低Cd积累品种(QLQ)和高Cd积累品种(T308)收集根系分泌物,将QLQ根系分泌物施入种植T308的土壤中,将T308根系分泌物施入种植QLQ的土壤中。【结果】蕹菜两个品种的生长差异不显著;QLQ茎叶Cd质量浓度显著低于T308。施加典型品种的根系分泌物,总体上不影响两个蕹菜品种的生长。根系分泌物的施入总体上提高了供试蕹菜品种的茎叶、根Cd质量浓度和Cd积累量,表现为促进植株对Cd的积累,原因主要在于根系分泌物提高了植株对土壤Cd的吸收能力。不同Cd质量浓度处理收集的蕹菜根系分泌物对植株Cd积累的影响存在差异。低Cd品种QLQ的根系分泌物显著降低了高Cd品种T308的Cd转运系数,0 mg/L Cd条件下的转运系数降低30.23%;而T308根系分泌物对QLQ的Cd转运系数并未产生显著影响。【结论】根系分泌物的施加促进植株对Cd的积累;低Cd品种QLQ表现出极强的低Cd转运能力。

关键词:蕹菜(Ipomoea aquatica Forsk.);低Cd品种;高Cd品种;根系分泌物;Cd积累

【研究意义】Cd(cadmium,Cd)是一种危害极高的重金属元素。镉是对生物毒性最强的污染物之一。过量的镉能够抑制植物的生长和光合作用,干扰矿质代谢并诱发氧化胁迫[1]。2014年《全国土壤污染状况调查报告》指出,我国土壤Cd污染点位超标率达到7.0%,目前我国受Cd污染土壤的面积占总耕地面积的1/6。蔬菜等农作物受Cd污染的风险较高[2]。根系作为植物与外界联系的门户,在植物生长过程中向生长介质中分泌质子,释放无机离子,溢泌或分泌大量的有机物,这些物质和根组织脱落物一起统称为根系分泌物[3]。根系分泌物通过影响根际理化性质和生物学性质[4],改变土壤pH、络合及螯合作用、还原活化作用等方式,影响植物对重金属的吸收积累[3]。【前人研究进展】将根系分泌物施入土壤,影响植株对土壤重金属的吸收积累。根系分泌物的施入可能促进或抑制重金属吸收积累[5]。研究表明,Cd胁迫下根系分泌总量与根系分泌物活化土壤Cd能力呈极显著负相关[6];根系分泌物中的有机酸能增加Cd的生物有效性,使Cd更容易被植物所吸收[7]。秦丽[8]研究表明根系分泌物中的柠檬酸能促进续断菊和蚕豆对Cd的累积,续断菊根系分泌物的草酸能促进续断菊对Pb的积累、而抑制蚕豆体内的Pb积累量。蒋先军等[9]报道根系分泌物显著提高了印度芥菜地上部分的Cd质量分数。【本研究切入点】蕹菜(Ipomoea aquatica Forsk),又名空心菜,旋花科甘薯属植物,是我国南方常见的叶用蔬菜,具有较高的经济价值[10-12]。蕹菜对Cd具有较高的积累能力,因此极易受Cd污染[13],前期研究[14-15]筛选得到了蕹菜典型的低Cd积累品种和高Cd积累品种,并发现两个品种的根际土壤化学、生物学特征存在差异,根际土壤低分子量有机酸、有机质结构特征也存在差异。上述研究结果直接显示了根系分泌物对于重金属吸收积累的作用。【拟解决的关键问题】为了解蕹菜典型品种根系分泌物对于Cd积累的直接影响,本研究通过低Cd积累品种和高Cd积累品种的根系分泌物分别直接施入土壤的试验,研究典型品种根系分泌物对蕹菜Cd吸收积累的影响,为了解蕹菜典型品种的根系分泌物对Cd积累的作用提供直接证据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试蕹菜采用2个Cd积累典型品种,高Cd积累品种T308和低Cd积累品种QLQ[7]

1.2 试验方法

水培试验:采用水培法分别收集T308、QLQ的根系分泌物。种子先用质量分数为2%次氯酸钠消毒20 min,用蒸馏水清洗2~3次。待种子长出两片真叶后,将幼苗移入1/2 Hoagland营养液中,3 d后移入Hoagland全营养液[16]中,3 d换一次营养液,每盆种4株植株。Hoagland全营养液设置质量浓度为0、2 mg/L Cd两个处理,4次重复,共16盆。15 d后将根用超纯水洗净,放置于装有250 mL超纯水的烧杯中,烧杯外壁由锡纸包裹,自然光照6 h收集根系分泌物。0、2 mg/L Cd两个处理T308根系分泌物的pH值分别为6.13和6.15,Cd质量浓度分别为0.0025、0.0032 mg/L;QLQ根系分泌物的pH值分别为6.17和6.15,Cd质量浓度分别为0.0031、0.0036 mg/L,各处理根系分泌物的pH值、Cd质量浓度的差异均不显著。

土培试验:土壤取自普通农田,其理化性质为:pH值6.54、有机质质量分数37.52 g/kg、碱解氮质量分数81.01 mg/kg、有效磷质量分数71.41 mg/kg、速效钾质量分数155.23 mg/kg、重金属镉质量分数2.61 mg/kg。根据我国食用农产品产地环境评价标准(HJ332-2006),供试土壤为Cd污染土。

土壤处理:土壤风干,过1 mm 筛,按照N 300 mg/kg、P 128 mg/kg、K 156 mg/kg的比例,以尿素、磷酸二氢钾的形式施基肥,彻底混匀,平衡2周。每个花盆装土1.8 kg。

种子播种,间苗,每盆保留4株植株。待植株长到4~5片真叶后,将收集的不同Cd质量分数处理的根系分泌物施入土壤,每盆土壤施入根系分泌物250 mL。将QLQ根系分泌物施入种植T308的土壤中,将T308根系分泌物施入种植QLQ的土壤中,以不施入根系分泌物、仅施入超纯水的T 308、QLQ为对照,共24盆。种植40 d后收获植株。

1.3 测定项目及方法

收获植株前测定株高,收获后分别测定茎叶、根的鲜质量。70 ℃下烘干茎叶和根、测干质量。植物样品用硝酸:双氧水(5∶2)微波消解,用原子吸收分光光度计测定Cd质量浓度,测样过程采用国家标准参比物质进行分析质量控制。Cd积累量=植株Cd质量浓度×植株干质量;转运系数=茎叶Cd质量浓度/根Cd质量浓度;富集系数=植株Cd质量浓度/土壤Cd质量浓度。

试验数据采用SPSS软件进行统计分析,采用LSD法进行差异显著性测验。

2 结果与分析

2.1 根系分泌物对蕹菜典型品种生长的影响

由表1可知,不施加根系分泌物的对照条件下,蕹菜品种T308的株高、鲜质量、干质量与QLQ的差异均不显著,表明两个供试蕹菜品种的生长情况基本一致。

方差分析结果显示,QLQ根系分泌物对T308株高、鲜质量、干质量的效应均显著,其中0 mg/L Cd处理T308株高、鲜质量、干质量分别显著降低20.88%、58.53%、58.73%;2 mg/L Cd处理T308株高、鲜质量、干质量与对照差异均不显著。T308根系分泌物对QLQ株高、鲜质量、干质量的效应不显著。结果表明,除0 mg/L Cd处理QLQ根系分泌物抑制T308生长外,其余处理对两个品种的生长无显著影响。

表1 根系分泌物对蕹菜典型品种生长的影响
Table 1 Effects of root exudates on growth of typical Ipomoea aquatica Forsk varieties

注:同列数据后小写英文字母不同者表示差异显著。QLQ+0为施加0 mg/L Cd收集的QLQ根系分泌物处理,QLQ+2为施加2 mg/L Cd收集的QLQ根系分泌物处理,T308+0为施加0 mg/L Cd收集的T308根系分泌物处理,T308+2为施加2 mg/L Cd收集的T308根系分泌物处理。
Note:The different lowercase letters in same column represent significant differences.QLQ+0 represents the root exudate of QLQ treated with 0 mg/L Cd, QLQ+2 represents the root exudate of QLQ treated with 2 mg/L Cd, T308+0 represents the root exudate of T308 treated with 0 mg/L Cd, and T308+2 represents the root exudate of T308 treated with 2 mg/L Cd.

品种Variety 处理Treatment 株高Plant height(cm) 鲜质量Fresh quality(g) 干质量Dry weight(g)T308 CK 17.381±0.83a 17.58±2.22a 1.89±0.25a QLQ+0 13.756±4.13b 7.29±5.96b 0.78±0.61b QLQ+2 17.406±1.28a 15.07±2.51a 1.40±0.35a QLQ CK 15.300±0.261ab 14.49±1.21a 1.57±0.22a T308+0 16.863±1.14a 15.91±4.52a 1.70±0.59a T308+2 16.869±1.77a 16.63±2.78a 1.63±0.38a

2.2 根系分泌物对蕹菜典型品种Cd质量分数、Cd积累量的影响

由表2可知,蕹菜品种T308茎叶Cd质量浓度显著高于QLQ,T308茎叶Cd质量浓度比QLQ高85.86%。两个品种的根Cd质量浓度和Cd积累量差异不显著。这与两个品种的Cd积累特性相一致。

方差分析结果显示,QLQ根系分泌物对T308茎叶Cd质量浓度、根Cd质量浓度的效应显著。QLQ根系分泌物使T308茎叶Cd质量浓度显著增加;与对照比较,0、2 mg/L Cd处理T308茎叶Cd质量浓度分别增加38.15%和40.20%。QLQ根系分泌物也提高了T308根Cd质量浓度,其中0 mg/L Cd处理差异显著,比对照提高55.74%。QLQ根系分泌物使2 mg/L Cd处理的T308 Cd积累量增加,但0 mg/L Cd处理Cd积累量显著下降,原因在于其干质量的降低(表2)。结果表明QLQ的根系分泌物促进T308茎叶和根对Cd的吸收。T308根系分泌物对QLQ茎叶Cd质量浓度、Cd积累量的效应不显著,但对根Cd质量浓度的效应显著。T308的根系分泌物使QLQ根部Cd质量浓度均显著增加,0、2 mg/L Cd处理QLQ根Cd质量浓度比对照分别增加50.19%和59.76%。表明T308根系分泌物促进QLQ地下部分对Cd的积累。

与对照相比,2 mg/L Cd处理根系分泌物对Cd质量浓度的增加幅度(平均46.40%)高于0 mg/L Cd处理根系分泌物(平均41.50%);QLQ根系分泌物对T308根Cd质量浓度的增加幅度(平均36.15%)低于T308根系分泌物对QLQ根Cd质量浓度的影响(平均74.95%)。

表2 根系分泌物对蕹菜典型品种的Cd质量分数(以干质量为基数)、Cd积累量的影响
Table 2 Effects of root exudates on Cd concentration (based on dry mass)and Cd accumulation of typical Ipomoea aquatica Forsk varieties

注:同列数据后小写英文字母不同者表示差异显著。QLQ+0为施加0 mg/L Cd收集的QLQ根系分泌物处理,QLQ+2为施加2 mg/L Cd收集的QLQ根系分泌物处理,T308+0为施加0 mg/L Cd收集的T308根系分泌物处理,T308+2为施加2 mg/L Cd收集的T308根系分泌物处理。
Note:The different lowercase letters in same column represent significant differences.QLQ+0 represents the root exudate of QLQ treated with 0 mg/L Cd, QLQ+2 represents the root exudate of QLQ treated with 2 mg/L Cd, T308+0 represents the root exudate of T308 treated with 0 mg/L Cd, and T308+2represents the root exudate of T308 treated with 2 mg/L Cd.

品种Variety处理Treatment Cd质量浓度(以干质量为基数)Cd mass concentration (based on dry mass)Cd积累量Cd accumulation茎叶Stem and leaf(mg/kg) 根Root(mg/kg) 干质量Dry weight(10-6g)T308 CK 2.301±0.30b 2.96±0.24cd 9.34±0.66a QLQ+0 3.179±0.55a 4.61±0.99a 6.39±4.66b QLQ+2 3.226±0.95a 3.45±0.46bc 10.72±0.71a QLQ CK 1.238±0.19c 2.51±0.82d 8.04±0.30a T308+0 1.509±0.26c 3.77±0.15abc 8.61±1.75a T308+2 1.599±0.11c 4.01±0.47ab 9.03±1.86a

2.3 根系分泌物对蕹菜典型品种Cd转运系数、富集系数的影响

转运系数是指植物地上部(茎叶)重金属质量浓度与地下部(根)重金属质量浓度之比,反映了重金属在植物体不同器官中的分配情况。由表3可知,两个品种的转运系数均小于1,T308的转运系数显著高于QLQ,表明T308体内对Cd的转运能力高于QLQ;T308的富集系数与QLQ差异不显著,表明两个品种的富集特性相似。

方差分析结果显示,QLQ根系分泌物对T308体内Cd转运系数的效应显著。与对照比较,QLQ根系分泌物使T308的转运系数降低,0 mg/L Cd处理的转运系数降低30.23%(P<0.05)。施加T 308根系分泌物对QLQ转运系数的影响不显著。结果表明施加QLQ根系分泌物抑制了蕹菜品种T 308体内Cd从根部向地上部分的转运能力,且0 mg/L Cd处理的QLQ根系分泌物对T308转运能力的降低幅度高于2 mg/L Cd处理。

QLQ根系分泌物对T308 Cd富集系数的效应显著。与对照比较,QLQ根系分泌物使T308的Cd富集系数显著增加,0、2 mg/L Cd处理T 308富集系数分别增加69.08%、56.48%,可见0 mg/L Cd处理QLQ根系分泌物对T308富集系数的增加幅度高于2 mg/L Cd处理。施加T308根系分泌物对QLQ Cd富集系数的影响不显著。表明施加QLQ根系分泌物促进了蕹菜品种T308对土壤中Cd的富集能力。

表3 根系分泌物对蕹菜典型品种Cd转运系数、富集系数的影响
Table 3 Effects of root exudates on Cd translocation coefficient and Cd enrichment coefficient of typical Ipomoea aquatica Forsk varieties

注:同列数据后小写英文字母不同者表示差异显著。QLQ+0为施加0 mg/L Cd收集的QLQ根系分泌物处理,QLQ+2为施加2 mg/L Cd收集的QLQ根系分泌物处理,T308+0为施加0 mg/L Cd收集的T308根系分泌物处理,T308+2为施加2 mg/L Cd收集的T308根系分泌物处理。
Note:The different lowercase letters in same column represent significant differences.QLQ+0 represents the root exudate of QLQ treated with 0 mg/L Cd, QLQ+2 represents the root exudate of QLQ treated with 2 mg/L Cd, T 308+0 represents the root exudate of T308 treated with 0 mg/L Cd, and T308+2 represents the root exudate of T308 treated with 2 mg/L Cd.

品种Variety处理Treatment干质量转运系数Translocation coefficient of dry weight干质量富集系数Enrichment coefficient of dry weight T 308 CK 0.86±0.23a 2.62±0.29b QLQ+0 0.60±0.04b 4.43±0.27a QLQ+2 0.70±0.22ab 4.08±0.37a QLQ CK 0.32±0.07c 2.78±0.24b T308+0 0.42±0.05bc 2.67±0.25b T308+2 0.40±0.02c 2.93±0.17b

3 讨论

两个供试蕹菜典型品种的生长无显著差异,但Cd吸收积累存在差异。高Cd品种T308的茎叶Cd质量浓度为低Cd品种QLQ的1.86倍。两个品种间根Cd质量分数、Cd积累量和Cd富集系数的差异不显著,而转运系数的差异高达1.69倍,表明品种间Cd积累差异的原因主要在于Cd在植株体内从地下部分转运到茎叶的能力存在差异。这与前人[10,17]的研究结果一致。

本研究发现,根系分泌物的施入提高了供试蕹菜品种的茎叶Cd质量浓度、根Cd质量浓度,总体表现为促进植株对Cd的积累。乔冬梅[18]报道黑麦草根系分泌物的施入促进重金属的吸收积累,当土壤中Pb质量分数大于100 mg/L时,黑麦草根系分泌物显著促进Pb的吸收积累。秦丽[8]发现续断菊根系分泌物中的柠檬酸能促进续断菊和蚕豆对Cd的积累,续断菊根系分泌物的草酸能促进续断菊对Pb的积累。

QLQ根系分泌物的施入使T308的Cd转运系数显著下降,T308根系分泌物的施入对QLQ的Cd转运系数影响不显著。相反,QLQ根系分泌物的施入使T308的Cd富集系数显著提高,T308根系分泌物的施入也提高了QLQ的Cd富集系数,但影响不显著。表明根系分泌物的施入促进两个供试蕹菜品种Cd积累的主要原因在于根系分泌物提高了植株对土壤Cd的吸收能力。根系分泌物能通过有效改变土壤的pH值来改变根际土壤中重金属的溶解度和移动性,成为植物可吸收态重金属[19]。根系分泌的有机酸能有效活化矿山废水沉淀物中的重金属,从而促进植物对重金属的吸收[20]。吴启堂[7]研究发现玉米根系分泌物与Cd的络合可达到1.28 mol/kg,新鲜根系分泌物降低土壤对Cd的吸附,提高其扩散性,从而提高植物对Cd的吸收。前期研究发现两个蕹菜品种均降低了根际土壤pH和氧化还原电位,并向根际分泌柠檬酸等低分子量有机酸[14],这与本研究发现蕹菜根系分泌物促进Cd的积累有关。

不同Cd质量浓度处理收集的蕹菜根系分泌物对植株Cd积累的影响存在差异。原因可能在于不同Cd质量浓度处理收集的根系分泌物的组分存在差异。张玲等研究发现不同Cd质量浓度条件下,小麦根系分泌物的组成和质量浓度都存在差异。电解质外渗率、糖类、氨基酸随Cd2+质量浓度升高而增加;在低质量浓度Cd2+(0.5 mg /L)条件下,随处理质量浓度的升高,氨基酸分泌量增加;当处理质量浓度高于相应质量浓度(50 mg/L)时,氨基酸分泌量随质量浓度升高而减少。随Cd2+质量浓度升高,次生代谢物分泌种类减少[21]

有研究发现根系分泌物能提高Cd在植物体内的转运系数。王吉秀等[22]报道玉米根系分泌物对小花南芥菜Pb的转运起到促进作用,转运系数增加22%,相关分析结果表明Pb的转运系数与玉米根系分泌物中的有机酸显著相关。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+质量浓度,降低玉米地上部Cu2+质量浓度,抑制Cu的转运系数,本研究得到相似的结果。低Cd品种QLQ根系分泌物的施入,使高Cd品种T308的Cd转运系数显著下降,而高Cd品种T308根系分泌物的施入对低Cd品种QLQ的Cd转运系数影响也不显著;虽然高Cd品种T308根系分泌物的施入显著提高了低Cd品种QLQ的根Cd质量浓度,但对QLQ的茎叶Cd质量浓度并无显著增加。以上结果一方面表明低Cd品种QLQ具有较强的低Cd转运能力,高Cd品种T308根系分泌物都未能影响其转运能力;另一方面,低Cd品种QLQ根系分泌物不但没有增加T308的Cd转运系数,反而使其显著降低,结果显示出低Cd品种QLQ根系分泌物在降低Cd转运能力方面的特征性的突出能力。进一步深入研究蕹菜低Cd品种QLQ根系分泌物对于降低Cd转运能力的作用及其机理,有助于其低Cd机理的理解和应用。

4 结论

试验结果表明,蕹菜典型低Cd品种QLQ和高Cd品种T308的生长差异不显著,QLQ茎叶Cd积累显著低于T308,品种间Cd积累差异的原因主要在于植株体内Cd从地下部分转运到茎叶的能力存在差异。施加典型品种的根系分泌物总体上不影响两个蕹菜品种的生长。根系分泌物的施加总体表现为促进植株对Cd的积累,主要原因在于根系分泌物提高了植株对土壤Cd的吸收能力。不同Cd质量浓度处理收集的蕹菜根系分泌物对植株Cd积累的影响存在差异。低Cd品种QLQ的根系分泌物显著降低了高Cd品种T308的Cd转运系数,而高Cd品种T308根系分泌物对低Cd品种QLQ的Cd转运系数并未产生显著影响;低Cd品种QLQ表现出极强的低Cd转运能力。

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Effects of Root Exudates on Cd Absorption and Accumulation in Ipomoea aquatica Forsk

ZOU Jincheng, GONG Yulian, CHEN Lihong, LIN Danping,ZENG Bijian, XIE Jie, CHEN Caifeng, ZHOU Xiaoyu
(College of Biology and Food Engineering, Guangdong University of Education, Guangzhou 510303,China)

Abstract:【Objective】 The study was conducted to investigate the effect of root exudates on Cd absorption and accumulation of water spinach ( Ipomoea aquatica Forsk).【Method】 By using water-soil culture method, typical varieties of I.aquatica Forsk with low Cd accumulation (QLQ) and high Cd accumulation (T308) were planted in water culture to collect root exudates.QLQ root exudates were put into the soil of T308, and T308 root exudates into the soil of QLQ.【Result】The results showed that there was no significant difference in the growth between QLQ and T308 (P>0.05).The Cd concentration in stems and leaves of QLQ was significantly lower than that of T308 (P<0.05).In general, the addition of root exudates of typical varieties had no significant effect on the growth of such two varieties of I.aquatica Forsk.Generally, the addition of root exudates improved the Cd concentration and Cd accumulation in the stems, leaves and roots of the experimental varieties of I.aquatica Forsk, and promoted Cd accumulation in plants.This was mainly because that root exudates improved plants'absorption of Cd from soil.Root exudates of I.aquatica Forsk collected under different Cd concentration treatments had different effects on plants'Cd accumulation.Root exudates of the low Cd-cultivar QLQ significantly lowered the Cd translocation coefficient of the high-Cd cultivar T308 (P<0.05), with the translocation coefficient being reduced by 30.23%under 0 mg/L Cd treatment.While root exudates of T308 had no significant effect on the Cd translocation coefficient of QLQ(P>0.05).【Conclusion】The addition of root exudates promoted Cd accumulation in water spinach, and the low-Cd cultivar QLQ showed extremely low Cd translocation capacity.

Key words:Ipomoea aquatica Forsk.; low-Cd cultivar; high-Cd cultivar; root exudate; Cd accumulation

中图分类号:S636;Q948.116;X53

文献标志码:A

文章编号:1004-874X(2019)05-0060-07

邹金城,龚玉莲,陈丽红,林丹萍,曾碧健,谢婕,陈彩锋,周晓妤.根系分泌物对蕹菜Cd吸收积累的影响[J].广东农业科学,2019,46(5):60-66.

收稿日期:2019-02-18

基金项目:广东省自然科学基金(2017A030313191);广东第二师范学院教学改革项目(2018jxgg13);广东第二师范学院大学生创新训练项目(201814278035,201814278034)

作者简介:邹金城(1997—),男,在读本科生,研究方向为根际污染生态学,E-mail:857982120@qq.com

通信作者:龚玉莲(1974—),女,博士,教授,研究方向为根际污染生态学,E-mail:gongyulian@gdei.edu.cn

(责任编辑 杨贤智)