龔玉蓮, 楊中藝

(1. 廣東第二師范學(xué)院生物系應(yīng)用生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州 510303; 2. 中山大學(xué)有害生物控制與資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州 510275)

蕹菜典型品種的根系形態(tài)學(xué)特征及與Cd吸收積累的關(guān)系

龔玉蓮1,2, 楊中藝2*

(1. 廣東第二師范學(xué)院生物系應(yīng)用生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州 510303; 2. 中山大學(xué)有害生物控制與資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州 510275)

用盆栽土培試驗(yàn)研究4個(gè)蕹菜(IpomoeaaquaticaForsk.)Cd積累典型品種的根系形態(tài)學(xué)指標(biāo)及與Cd吸收積累的關(guān)系. 結(jié)果表明: 品種和土壤對(duì)根系形態(tài)學(xué)各指標(biāo)的效應(yīng)均極顯著(P<0.01).與non-Cd-PSC比較, 蕹菜Cd-PSC總根長(zhǎng)、平均直徑、根總表面積及總體積均較低(P<0.001); 總體積的差異最大(47.37%), 總根長(zhǎng)(44.50%)、總表面積(43.05%)的差異次之, 平均直徑的差異最小(7.71%); 2類品種的差異主要體現(xiàn)在直徑>1.0 mm的粗根上, 蕹菜典型品種的根系形態(tài)學(xué)特征在不同土壤上表現(xiàn)穩(wěn)定，可能影響根系吸收Cd的能力和Cd在體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力.

蕹菜(IpomoeaaquaticaForsk.); Cd-PSC; 根系形態(tài)學(xué); 土壤

土壤Cd等重金屬污染日趨嚴(yán)重和普遍, 由此導(dǎo)致蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品受重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)突出[1-2]. 基于農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染的現(xiàn)狀及我國(guó)人口多、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)壓力大的現(xiàn)實(shí), 利用植物吸收積累重金屬的品種間差異選育可食部分重金屬低量積累的農(nóng)作物品種(即在一定的受污染土壤中種植時(shí), 其食用部位污染物含量能夠達(dá)到安全食用標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)作物品種, pollution-safe cultivar, PSC)策略備受關(guān)注、已成為食品安全保障領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[3-5].

農(nóng)作物Cd積累的品種間差異可能由根系對(duì)Cd吸收能力的差異造成, 并與根系形態(tài)、根系分泌物等有關(guān)[5]. 水稻[6]、硬質(zhì)小麥[7]、柳屬植物[8]等的研究表明重金屬低量積累和高量積累典型品種的根系形態(tài)學(xué)存在差異, 目前對(duì)蔬菜等其他植物的研究較少.

蕹菜(IpomoeaaquaticaForsk.)為常見(jiàn)葉用蔬菜, 作者的前期研究表明其受Cd污染的風(fēng)險(xiǎn)較高[4, 9], 并篩選得到了可食部分(莖葉)Cd低量積累(Cd-PSC)和高量積累(non-Cd-PSC)的典型品種[10]. 蕹菜典型品種的Cd積累特性由遺傳決定、不受土壤因素的控制, 且低Cd特性與Cd的亞細(xì)胞分布、基因表達(dá)差異有關(guān)[4]. 關(guān)于蕹菜Cd積累典型品種的根系形態(tài)學(xué)研究未見(jiàn)報(bào)道.

本文利用盆栽土培試驗(yàn)、研究蕹菜Cd積累典型品種的根系形態(tài)學(xué)指標(biāo), 旨在發(fā)現(xiàn)蕹菜Cd積累典型品種的根系形態(tài)學(xué)特征、并探討其與Cd吸收積累的關(guān)系, 為Cd低積累品種的選育提供基礎(chǔ)理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

供試土壤取自廣東省鶴山市6個(gè)地點(diǎn)的菜地, 理化性質(zhì)和重金屬含量見(jiàn)表1. 土壤理化分析采用常規(guī)方法[11], 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), 蔬菜地土壤中Cd含量最大限值為0.3 mg/kg, 土壤A為Cd污染土壤.

供試蕹菜采用前期試驗(yàn)篩選得到的4個(gè)Cd積累典型品種: QLQ、QLB、GDB和T308, 其中QLQ和QLB為可食部分(莖葉)Cd低量積累品種(以Cd-PSC表示), GDB和T308為高量積累品種(以non-Cd-PSC表示), 2類品種的莖葉Cd含量平均差異超過(guò)3倍[10].

表1 供試土壤性質(zhì)Table 1 Properties of the tested soils

1.2試驗(yàn)方法

采用盆栽試驗(yàn). 每個(gè)花盆(15 cm直徑 × 20 cm高)內(nèi)裝3 kg土, 選用6種土壤(A～F), 4個(gè)品種, 每個(gè)處理重復(fù)3次, 共72盆. 隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì), 播種, 待幼苗長(zhǎng)出3片真葉后間苗, 每盆保留3株. 每天澆水以保持土壤濕潤(rùn). 50 d后取樣, 分別收獲莖葉和根. 取根樣時(shí)挖取包容所有根系的土塊, 小心洗凈根系. 采用數(shù)字化掃描儀和圖像分析軟件WINRHIZO(Regent Ins Inc,Canada)計(jì)算總根長(zhǎng)、總根表面積、平均直徑和體積. 莖葉和根樣稱鮮質(zhì)量、70 ℃下烘干稱干質(zhì)量, 粉碎, 保存?zhèn)溆? 樣品用HNO3∶H2O2(5∶2)微波消解后, 用原子吸收分光光度計(jì)(Hitachi Z-5300)測(cè)定Cd、Pb含量. 測(cè)樣過(guò)程采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)(植物GBW-07603)進(jìn)行分析質(zhì)量控制.

采用SPSS 11.0統(tǒng)計(jì)軟件的雙因素方差分析(Two-way ANOVA)、LSD檢驗(yàn)及相關(guān)分析等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.

1.3Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和Cd遷移率的計(jì)算

Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)是莖葉Cd含量與土壤Cd含量的比值; Cd遷移率為莖葉Cd積累量占全株Cd積累量的百分比.

2 結(jié)果與分析

2.1蕹菜Cd積累典型品種的根系長(zhǎng)度

根長(zhǎng)是描述根系吸收能力的重要參數(shù)之一. 品種和土壤種類對(duì)總根長(zhǎng)的效應(yīng)均極顯著(P<0.01). 除了土壤C和D外, 其余4種土壤上總根長(zhǎng)的品種間差異均顯著(P<0.05)(圖1A). 各品種總根長(zhǎng)平均值的大小順序?yàn)镚DB>T308>QLB>QLQ; QLQ的總根長(zhǎng)在不同土壤上總是最小. 各品種總根長(zhǎng)在不同土壤上表現(xiàn)出相似的趨勢(shì), 其平均值的順序?yàn)锽>C>A>E>F>D.

品種和土壤對(duì)各級(jí)根長(zhǎng)的效應(yīng)均顯著(P<0.05). 根長(zhǎng)在各直徑級(jí)別的分布見(jiàn)表2. 各品種均以直徑≤1.0 mm的根系長(zhǎng)度為主, 占總根長(zhǎng)的66.14%～99.17%, 表明直徑≤1.0 mm根的多少?zèng)Q定根長(zhǎng)的大小.

2.2蕹菜Cd積累典型品種的根系直徑

品種和土壤對(duì)根平均直徑的效應(yīng)均極顯著(P<0.01). 除了土壤A和B外, 其余土壤上根平均直徑的品種間差異均顯著(P<0.05). 各品種根平均直徑的平均值順序?yàn)門308>GDB>QLB>QLQ. 各土壤上的根直徑平均值順序?yàn)镋>D>C>A>B>F(圖1B).

2.3蕹菜Cd積累典型品種的根表面積

根系表面積是根系與環(huán)境介質(zhì)直接接觸的重要指標(biāo)[17]. 品種和土壤對(duì)根總表面積的效應(yīng)均極顯著(P<0.01). 除了土壤C外, 其余土壤上根總表面積的品種間差異均顯著(P<0.05)(圖1C). 各品種根總表面積平均值的順序與總根長(zhǎng)一致, 亦為GDB>T308>QLB>QLQ; QLQ的根總表面積在不同土壤上也總是最小. 各品種根總表面積在不同土壤上表現(xiàn)出相似的趨勢(shì), 其平均值的順序?yàn)锽>C>E>A>F>D.

品種和土壤對(duì)各級(jí)根表面積的效應(yīng)均顯著(P<0.05). 各品種均以直徑≤1.5 mm的根表面積為主(表3), 占總根表面積的55.51%～86.86%, 表明直徑≤1.5 mm,根的多少?zèng)Q定根表面積的大小. 其中0.5

2.4蕹菜Cd積累典型品種的根體積

根體積大小是反映根系生理功能的重要指標(biāo). 品種和土壤對(duì)根總體積的效應(yīng)均極顯著(P<0.001). 除了土壤C外, 其余土壤上根總體積的品種間差異均顯著(P<0.05)(圖1D). 各品種根總體積平均值的順序與總根長(zhǎng)、總表面積一致, 亦為GDB>T308>QLB>QLQ; QLQ的根總體積在不同土壤上亦總是最小. 各品種根總體積在不同土壤上也表現(xiàn)出相似的趨勢(shì), 其平均值的順序?yàn)锽>C>E>A>D>F.

品種和土壤對(duì)各級(jí)根體積的效應(yīng)均顯著(P<0.05). 根體積在各直徑級(jí)別的分布見(jiàn)表4. 2個(gè)品種均以直徑>2.0 mm的根體積為主, 占根總體積的30.07%～65.76%, 表明直徑>2.0 mm根的多少?zèng)Q定根體積的大小.

圖1 蕹菜Cd積累典型品種在不同土壤上生長(zhǎng)的根系形態(tài)學(xué)

表2 不同土壤上生長(zhǎng)的蕹菜Cd積累典型品種的不同根直徑的根系長(zhǎng)度(means±SD,n=3)

注：D為根系直徑，單位為mm,下表同.

表3 不同土壤上生長(zhǎng)的蕹菜Cd積累典型品種不同根直徑的根表面積Table 3 Root surface areas of different diameter for water spinach cultivars in different soils

表4 不同土壤上生長(zhǎng)的蕹菜Cd積累典型品種不同根直徑的根體積Table 4 Root volumes of different diameter for water spinach cultivars in different soils

2.5蕹菜Cd-PSC與non-Cd-PSC根系形態(tài)學(xué)指標(biāo)的比較

各根系形態(tài)學(xué)指標(biāo)均為Cd-PSC極顯著小于non-Cd-PSC(P<0.001)(表5). Cd-PSC與non-Cd-PSC比較, 總體積的差異最大(47.37%), 總根長(zhǎng)(44.50%)和總表面積(43.05%)其次, 平均直徑的差異最小(7.71%).

表5 蕹菜Cd-PSC和非Cd-PSC的根系形態(tài)學(xué)指標(biāo)

注：**表示差異極顯著(P<0.01).

不同土壤上Cd-PSC的各級(jí)根長(zhǎng)、表面積和體積均低于non-Cd-PSC. Cd-PSC品種的D≤0.5、0.52.0的各級(jí)根長(zhǎng)分別比non-Cd-PSC低28.15%、28.13%、46.76%、43.98%和44.50%; 各級(jí)Cd-PSC根表面積分別比non-Cd-PSC低25.31%、28.00%、46.15%、43.13%和43.05%; 各級(jí)Cd-PSC根體積分別比non-Cd-PSC低30.30%、32.31%、48.28%、45.06%和47.37%. 表明2類品種直徑>0.5 mm的根長(zhǎng)、表面積和體積差異較大.

2.6蕹菜Cd積累典型品種根系形態(tài)學(xué)指標(biāo)與Cd吸收積累的相關(guān)性

莖葉Cd含量及Cd積累量與根形態(tài)特征之間的相關(guān)性明顯(表6), 其中Cd含量與總根長(zhǎng)和總表面積極顯著正相關(guān)(P<0.01), 與根體積顯著正相關(guān)(P<0.05), Cd積累量與總根長(zhǎng)、總表面積及總體積均極顯著正相關(guān)(P<0.01), 表明根系形態(tài)學(xué)特征與地上部分的莖葉Cd含量和吸收量存在一定相關(guān)關(guān)系. 而根Cd含量與各根系形態(tài)指標(biāo)均無(wú)顯著相關(guān)(P>0.05), 但根Cd積累量則與所有根系形態(tài)學(xué)指標(biāo)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01). 總根長(zhǎng)、總表面積及總體積均與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和遷移率無(wú)顯著相關(guān)(P>0.05), 僅平均直徑與二者顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05).

注: *,**分別表示在P<0.05和P<0.01水平上顯著相關(guān)(n=72).

3 討論

3.1蕹菜Cd低量積累典型品種的根系形態(tài)學(xué)特征

根系的形態(tài)、生長(zhǎng)和空間分布是植物根系體現(xiàn)吸收能力和吸收效率的重要因素之一. 已有報(bào)道指出具不同重金屬積累特性的品種根系形態(tài)存在差異[6-8]. 水稻高Cd品種汕優(yōu)63的根干質(zhì)量、根長(zhǎng)、根冠比、吸水量均高于低Cd品種野奧絲苗[6]. 硬質(zhì)小麥籽實(shí)高Cd品種Kyle的根表面積、根尖數(shù)目高于低Cd品種Arcola[7]. 不同Pb處理?xiàng)l件下比較海州香薷(Elsholtziasplendens)和紫花香薷(E.argyi)(2種分別在銅礦和鉛鋅礦上良好生長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)植物)的根系形態(tài)學(xué), 發(fā)現(xiàn)紫花香薷的總根長(zhǎng)、根表面積和體積較大[12]. 本研究通過(guò)土培試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 與non-Cd-PSC比較, 蕹菜Cd-PSC具有以下根系形態(tài)學(xué)特征: 總根長(zhǎng)、平均直徑、根總表面積及總體積均較低; 其中根總體積的品種間差異最大, 其次是總根長(zhǎng)和總表面積, 平均直徑的差異最小; 各直徑級(jí)別根的形態(tài)學(xué)指標(biāo)亦均較低, 根長(zhǎng)、表面積和體積的品種間差異主要體現(xiàn)在直徑>1.0 mm的粗根上. 結(jié)果表明蕹菜Cd-PSC的總根量較低.

除了土壤A上的根平均直徑以外, 其余不同土壤上蕹菜Cd-PSC的總根長(zhǎng)、平均直徑、根總表面積及總體積均低于與non-Cd-PSC, 且各直徑級(jí)別根的形態(tài)學(xué)指標(biāo)亦均低于non-Cd-PSC; 各指標(biāo)在不同土壤上亦呈現(xiàn)相似的趨勢(shì). 表明供試蕹菜Cd積累典型品種的根系形態(tài)學(xué)特征在不同土壤上表現(xiàn)穩(wěn)定，不受環(huán)境因素影響，遺傳力較高.

3.2蕹菜典型品種的根系形態(tài)學(xué)特征與Cd低量積累的關(guān)系

根系形態(tài)學(xué)的品種間差異可能是硬質(zhì)小麥籽實(shí)低Cd品種Arcola根積累Cd的能力較大、導(dǎo)致更多Cd積累在根部的原因[7]. 紫花香薷的總根長(zhǎng)、根表面積和體積較大, 有利于吸收Pb[12]. 本研究也發(fā)現(xiàn)蕹菜non-Cd-PSC的總根長(zhǎng)、平均直徑、總表面積及總體積均極顯著大于Cd-PSC, 且與Cd吸收積累相關(guān). 由此可以推測(cè), 與non-Cd-PSC比較, 蕹菜Cd-PSC低Cd積累的根系形態(tài)學(xué)原因可能主要是Cd-PSC的根系體量和擴(kuò)展范圍相對(duì)較小, 導(dǎo)致根系對(duì)Cd的吸收能力低于non-Cd-PSC.

值得關(guān)注的是, 盡管蕹菜non-Cd-PSC的平均直徑極顯著大于Cd-PSC, 但兩者的差距遠(yuǎn)小于其他指標(biāo)(圖2); 此外, 根平均直徑與Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和遷移率均顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05), 而與根Cd積累量極顯著正相關(guān)(P<0.01)(表5), 表明根平均直徑可能與Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)和分配有關(guān). 根平均直徑的增大可能會(huì)減弱Cd向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)的能力, 導(dǎo)致Cd更多地積累在根部. 柳屬植物莖葉Cd積累不同品系的不定根顯微結(jié)構(gòu)比較研究發(fā)現(xiàn)Cd通過(guò)質(zhì)外體運(yùn)到中柱、向上的轉(zhuǎn)運(yùn)可能與內(nèi)皮層形態(tài)解剖學(xué)有關(guān)[8]. 蕹菜Cd積累典型品種的根系解剖學(xué)機(jī)理還有待深入研究.

致謝 感謝華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院廖紅教授和朱夕珍老師幫助分析根系的形態(tài)學(xué)特征.

[1] 郭朝暉, 宋杰, 陳彩, 等. 有色礦業(yè)區(qū)耕作土壤、蔬菜和大米中重金屬污染[J]. 生態(tài)環(huán)境, 2007, 16(4): 1144-1148.

[2] 周軼慧. 莧菜對(duì)重金屬Cd、Pb積累的基因型差異及其機(jī)理研究[D]. 廣州：中山大學(xué), 2010: 16-38.

[3] YU H, WANG J L, FANG W, et al. Cadmium accumulation in different rice cultivars and screening for pollution safe cultivars of rice[J]. Sci Total Environ, 2006, 370: 302-309.

[4] WANG J L, FANG W, YANG Z Y, et al. Inter- and intra-specific variations of Cd accumulation of 13 leafy vegetable species grown in Cd contaminated soils[J]. J Agr Food Chem, 2007, 55: 9118-9123.

[5] GRANT C A, CLARKE J M, DUGUID S, et al. Selection and breeding of plant cultivars to minimize cadmium accumulation[J]. Sci Total Environ, 2008, 390: 301-310.

[6] 吳啟堂, 陳盧, 王廣壽. 水稻不同品種對(duì)Cd吸收累積的差異和機(jī)理研究[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 1999, 19(1): 104-107.

[7] BERKELAAR E, HALE B. The relationship between root morphology and cadmium accumulation in seedlings of two durum wheat cultivars[J]. Can J Bot, 2000, 78(3): 381-388.

[8] LUX A, SOTTNIKOVA A, OPATRNA J, et al. Differences in structure of adventitious roots in Salix clones with contrasting characteristics of Cd accumulation and sensitivity[J]. Physiol Plant, 2004, 120:537-545.

[9] GONG Y L, YUAN J G, YANG Z Y, et al. Cadmium and lead accumulation by typical cultivars of water spinach as responding to different soil conditions[J]. Fresen Environ Bull, 2010, 19 (2): 190-197.

[10] WANG J L, YUAN J G, YANG Z Y, et al. Variation in cadmium accumulation among 30 cultivars and cadmium subcellular distribution in 2 selected cultivars of water spinach (IpomoeaaquaticaForsk.)[J]. J Agric Food Chem，2009, 57: 8942-8949.

[11] 鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析[M]. 北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社, 2005：30-106.

[12] PENG H Y, TIAN S K, YANG X E. Changes of root morphology and Pb uptake by two species of Elsholtzia under Pb toxicity[J]. J Zhejiang Univ: SCI, 2005, 6B(6):546-552.

RootMorphologyofTypicalCultivarsofWaterSpinachInvolvedinCdAbsorptionandAccumulation

GONG Yulian1,2, YANG Zhongyi2*
(1.Laboratory for Applied Ecology, Department of Biology, Guangdong University of Education, Guangzhou 510303, China;2. State Key Laboratory of Biocontrol, School of Life Sciences, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China)

Pot experiments were carried out to investigate root morphology of four typical cultivars of water spinach (IpomoeaaquaticaForsk.) involved in Cd accumulation. The results show that the effects of cultivars and soils on the root morphological parameters are all significant (P<0.01). Compared to non-Cd-PSCs, Cd-PSCs have the following characteristics. Total root length, average diameter, total surface area and total volume are all relatively low; the difference between cultivars in total volume is the biggest (47.37%), followed by total root length and total surface area (44.50% and 43.05%, respectively), and average diameter is the smallest (7.71%); the parameters of different diameter are all relatively low; the differences in root length, surface area and volume between cultivars are mainly reflected atD>1.0 mm roots. Our results indicated that the root quantity of Cd-PSCs is relatively low. The root morphological characteristics of the typical cultivars are consistent under different soils and might affect both the capacity of Cd uptake from soil to root, and the capacity of Cd translocation within plants.

2012-02-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20877104)

*通訊作者，adsyzy@mail.sysu.edu.cn

1000-5463(2012)03-0100-07

Q948.116

A

10.6054/j.jscnun.2012.06.022

Keywords： water spinach (IpomoeaaquaticaForsk.); Cd-PSCs; root morphology; soil

【責(zé)任編輯 成 文】