镉污染来源对萝卜镉积累特性的影响

高子平+王龙+尹洁+崔冠男+王景安+刘仲齐

摘    要：以红樱桃萝卜（Raphanus sativus L.var.radculus pers）为材料，对根际环境中和叶片中的镉（Cd）浓度与Cd在萝卜体内转运积累的关系进行了研究。结果表明：萝卜根部组织中的Cd含量随根际环境中Cd浓度的增加而增加，根部次生韧皮部对Cd的积累量明显大于次生木质部。在高Cd环境中次生木质部中的Cd吸收量与次生韧皮部中的Cd含量呈极显著正相关。萝卜根系次生木质部中Cd积累量与叶柄和叶片中的Cd含量高度正相关，根系中的Cd主要通过次生木质部转运到叶柄和叶片中。叶片中的Cd主要通过次生木质部向根系转运，到达根系向外扩散到次生韧皮部，向内扩散到初生木质部。

关键词：萝卜;镉;木质部;韧皮部;转运

中图分类号：X53               文献标识码：A         DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.11.010

Effects of Cadmium Pollutant Sources on the Accumulation Characteristics of Radish

GAO Zi-ping1，2， WANG Long2， YIN Jie1，2， CUI Guan-nan1，2， WANG Jing-an1， LIU Zhong-qi1，2

（1.Tianjin Key Laboratory of Animal and Plant Resistance， College of Life Science， Tianjin Normal University， Tianjin 300387， China; 2.Centre for Research in Eco-toxicology and Environmental Remediation， Agro-Environmental Protection Institute， Ministry of Agriculture， Tianjin 300191， China）

Abstract： Red Cherry Belle Radish（Raphanus sativus L.var.radculus pers）was used to study the relationship between the transport and accumulation of cadmium （Cd）inside radish and Cd content in the rhizosphere environment as well as in leaves. The results showed that the content of Cd in root tissue was increased with the increasing of Cd concentration in rhizosphere environment and Cd content in the secondary phloem was apparently higher than that in the secondary xylem. Cd accumulation in the secondary xylem was significantly and positively correlated with the Cd content in the secondary phloem when radish was planted in high Cd concentration environment. Cd accumulation in the secondary xylem of root tissues was significantly and positively correlated with the Cd content in lamina and petiole organs. Cd in lamina and petiole organs was transferred from root mainly by the secondary xylem. Cd in lamina can also be transferred to root by the secondary xylem， and then diffused to the secondary phloem and primary xylem.

Key words：radish; cadmium; xylem; phloem; transport

镉（Cadmium，Cd）作为一种生物非必需的重金属元素，在环境中的化学活性强，移动性大，毒性持久，被认为是最重要的重金属污染物之一。近年来，工业生产、开矿、汽车排放尾气等使水体、土壤、空气受到严重污染，大量Cd进入土壤-植物生态系统，并通过食物链危及人类健康[1-2]。樱桃萝卜是中国四季萝卜中的一种，是春夏之交广受欢迎的新兴蔬菜之一，具有营养价值高、适应性强等优点。萝卜的主要食用部位是肉质根，而根作为全方位接触土壤环境的器官，能优先吸收并积累土壤中的各种重金属元素和其它离子[3-4]。大气沉降是土壤中Cd积累的重要途径之一，大气中的Cd经自然沉降和雨淋沉降进入土壤，并积累在相应的区域内[5]，也可以被植物吸收并向土壤中传输[6]。

萝卜的根由种子的胚根发育而成，其幼根的初生结构从外向内由表皮、皮层、中柱组成。随着根的生长发育，中柱中的维管形成层分裂产生的新细胞，一部分向内形成新次生木质部，一部分向外形成次生韧皮部，根也同时加粗。在次生木质部形成过程中，一些细胞分生形成髓射线细胞[7]。因此，萝卜根的次生结构从外到内依次为周皮、皮层、次生韧皮部、次生木质部、初生本质部。平常所看到的萝卜皮包括了次生韧皮部、周皮及两者之间的薄壁细胞[8]。土壤中的Cd通过质外体和共质体途径进入根系，首先进入根表皮细胞，经过皮层薄壁细胞运输到中柱，然后装载到木质部，随蒸腾作用运输至地上部。蒸腾作用越强，向茎叶中的运输也就越快越多[9]。

顾燕青等[10]研究发现，樱桃萝卜对重金属的富集能力相对较高，根系和叶片可以富集更多的镉[11]，且在低浓度Cd胁迫下，Cd在根部主要分布在表皮，浓度加大后，逐渐向内部扩展，遍及整个木质部[12]，但对Cd在萝卜地上和地下之间的迁移转运方式还缺乏深入的了解。本研究以土培、水培和叶面喷施试验为基础，分别测定不同Cd胁迫环境中萝卜不同部位的Cd含量，旨在探究Cd在樱桃萝卜体内转运积累的基本规律，验证大气Cd污染是否会影响萝卜根部食用部分的安全性。

1 材料和方法

1.1 供试材料与处理

供试品种为极品红樱桃萝卜（青县钰禾蔬菜育种中心），Cd处理试剂为氯化镉（CdCl2·1/2 H2O）。试验于2014年7月11日至10月31日进行。供试土壤为天津某地无污染土壤。

采用种子直播的方式种植作物于农业部环境保护科研监测所的日光温室中。播种前3～4 d，先耕翻晒土1 d，然后浇足底水，待水分渗入土壤，表面稍干后开沟播种，播后覆土约1 cm。生长期间根据实际情况定量浇水，采取一致的管理[3，13]。

出苗60 d后，挑取均匀一致的健康萝卜（肉质根直径2～3 cm，单根质量15～20 g）进行不同处理。一部分萝卜去叶后，将根用去离子水洗净，然后用含Cd 0，0.1，0.3，1.0 mg·L-1 CdCl2·1/2H2O溶液分别胁迫0，1，2，3，4，5 h，每个处理重复3次。然后把萝卜根由周皮向中柱依次分为3部分：次生韧皮部（包括周皮和皮层）、次生木质部（外沿木质部3 mm）和初生木质部（包括髓）。测定其次生韧皮部和次生木质部部分的Cd含量。另一部分从大田拔出来的萝卜，用去离子水洗净后，先在去离子水中培养1 d，去除表面及质外体中的Cd，然后分别将萝卜根部放在含Cd 0，0.1，0.5，1.0 mg·L-1的CdCl2·1/2H2O溶液中胁迫3 d，每个处理重复3次，分别测其叶、叶柄、根次生韧皮部、次生木质部和初生木质部中的Cd含量。其它部分从大田拔出来的萝卜，取6株，每株为一个处理，用去离子水洗净后，移至蛭石中，将100 mL含Cd 0 mg·L-1和1.0 mg·L-1的CdCl2·1/2H2O溶液（加稀释4 000倍的扩展剂）分3次（间隔4 h）喷施到叶片上，为保证Cd溶液喷到植物叶面而不是落于培养基，移至蛭石前，在花盆表面铺一层保鲜膜，每个处理重复3次，6 d后分别测其叶、叶柄、根次生韧皮部、次生木质部和初生木质部中的Cd含量。Cd胁迫试验的整个过程都在人工气候室中进行，昼夜时间为16 h/8 h，昼夜温度为25 ℃/20 ℃，白天光照为105 mol·m-2·s-1，相对湿度为60%。

1.2  Cd含量测定

处理完的萝卜植株先用自来水冲洗干净，再用去离子水清洗，擦干表面水分，将叶、叶柄、根次生韧皮部、次生木质部、初生木质部分开，于烘箱中105 ℃杀青30 min，在80 ℃下烘至恒质量。取烘干的叶、叶柄、次生韧皮部、次生木质部和初生木质部部分称质量，样品加7 mL硝酸过夜，用多功能消煮炉110 ℃下加热2.5 h，待冷却后加入1 mL H2O2，继续加热1.5 h，然后170 ℃赶酸至1 mL，冷却后定容至25 mL，用原子吸收光谱仪（AAS， ZEEnit 700， Analytikjena， Germany）测定其Cd含量，Cd含量表示成mg·kg-1干质量[14]。

1.3 数据处理

所有数据采用Excel 2007及Origin Pro 8.6进行作图，并用SPSS进行分析。

2  结果与分析

2.1 Cd浓度和胁迫时间对萝卜根部各部位Cd积累量的影响

次生韧皮部的Cd含量比次生木质部高10～47倍。各部分中的Cd含量随Cd胁迫浓度的增加而增加（图1）。刘传娟等[15]的研究得出同样结论。在含Cd 0.1 mg·L-1和0.3 mg·L-1的溶液中胁迫1～3 h时，次生韧皮部中Cd的积累量没有明显的增加，3～5 h内吸收速率明显增加。在含Cd 1.0 mg·L-1的溶液中胁迫时，1～2 h内吸收速率很慢，2～3 h时，吸收速率急剧上升，3～5 h时，吸收速率相对下降，但仍有吸收。次生木质部部分在含Cd 0.1 mg·L-1的溶液胁迫时，1～2 h内吸收较快，2～5 h内吸收较于平缓。在含Cd 0.3 mg·L-1和1.0 mg·L-1的溶液胁迫时，2～3 h吸收速率最快，3 h后趋于平缓。

在含Cd 0.3～1 mg·L-1的溶液中胁迫3 h后，萝卜根系次生韧皮部的Cd含量分别达到了15.08，39.87，184.08 mg·kg-1，此后，随着胁迫时间的延长，次生韧皮部的积累量增加，向木质部的转运量也增加。在含Cd 1.0 mg·L-1的溶液中胁迫5 h后，次生韧皮部和次生木质部中的Cd含量分别达到了257.39 mg·kg-1和5.42 mg·kg-1。由此表明，萝卜根系次生韧皮部对镉的吸收大于次生木质部。

在含Cd 0.1 mg·L-1的溶液中胁迫时，根系次生木质部中的Cd积累量与次生韧皮部中的Cd含量没有明显的线性相关，这是因为当Cd浓度较低时，次生韧皮部在1～3 h内的Cd积累量较低，其中的Cd未能及时向次生木质部转运。在含Cd 0.3 mg·L-1和1.0 mg·L-1的溶液中胁迫时，根系次生木质部中的Cd积累量与次生韧皮部中的Cd含量呈极显著的线性相关，相关系数分别为0.981 7，0.935 1（图2）。在含Cd 0.3 mg·L-1和1.0 mg·L-1的溶液胁迫时，次生韧皮部中的Cd积累量很快就超过了25 mg·kg-1，随着次生韧皮部中Cd浓度的进一步增加，根系中次生木质部Cd吸收量与次生韧皮部Cd含量表现出高度的线性正相关。

2.2 萝卜地下部分Cd含量对地上部分Cd含量的影响

在含Cd 0.1，0.5，1.0 mg·L-1的溶液中分别胁迫萝卜根部1～5 h时，叶柄、叶片中的Cd含量与根系次生韧皮部和次生木质部中的Cd吸收总量的相关系数分别为0.995 3，0.789 8，0.996 2， 0.994 8，相关性均为极显著。且相关性分析时，斜率分别为0.064 1，0.219 5，0.226 0，0.883 9（图3）。说明根系次生韧皮部和次生木质部中Cd吸收总量与叶、叶柄吸收总量在一定程度上呈正相关，叶片和叶柄中Cd含量受次生木质部中Cd含量影响较大，Cd是通过次生木质部向地上部分运输的。

2.3 萝卜地上部分Cd含量对地下部分Cd含量的影响

萝卜叶面喷施Cd溶液，6 d后其地下各部分均含有Cd（图4），说明Cd在萝卜体内可由地上部分向地下部分转运。且次生木质部Cd含量大于次生韧皮部，差异显著，由此推测，叶面喷施Cd溶液后，Cd在萝卜内的转运途径是叶、叶柄、次生木质部，次生木质部中的Cd向外扩散到次生韧皮部，向内扩散到初生木质部。

3 讨  论

镉是生物毒性最强的重金属元素，且极易被农作物吸收积累，通过食物链直接危害人类健康。植物根系是其吸收水分和营养物质的主要器官，也是重金属进入植物体的主要方式。萝卜根系外围的周皮和韧皮部组织作为镉进入根系的第一道屏障，能有效阻控Cd的吸收和转运，次生韧皮部Cd含量一般是次生木质部Cd含量的10～47倍。当次生韧皮部中的Cd浓度超过25 mg·kg-1后，Cd才会向次生木质部大量转运，此时，根系中次生木质部Cd吸收量与次生韧皮部Cd含量表现出高度的线性正相关。而达到这个阈值的时间主要取决于环境中的Cd浓度。Cd胁迫浓度为0.1 mg·L-1时需3 h，Cd胁迫浓度为 0.3，1.0 mg·L-1时需2 h。这可能是因为养分物质和重金属离子由根际进入木质部进行运输，首先进入根细胞，由皮层薄壁细胞运输到中柱，最后装载到木质部[16-17]。已有研究结果证明，在低Cd浓度时，Cd主要分布在表皮和木质部薄壁细胞中及木质部的导管中，浓度增大后，Cd遍及整个木质部[18]。

镉通过共质体途径进入根系，然后经木质部向地上部运输[17]。一般来说，大部分植物吸收的镉主要积累在根部，地上部积累的镉相对较少[19-20]。本研究发现，萝卜根部在含Cd0.1，0.5，1.0 mg·L-1 的溶液中胁迫时，根系韧皮部和木质部Cd吸收总量与叶、叶柄吸收总量在一定程度上呈正相关。植物根系的Cd通过质外体或共质体途径进行短距离运输。由于内皮层上存在凯氏带，镉不能经过质外体途径直接达到木质部导管，必须经过共质体上的跨膜转运和木质部装载，而后随蒸腾作用运输至地上部，韧皮部可能参与了镉向植物籽粒中的迁移和积累[21]。

气孔是植物体内外进行气体和水分交换的通道[22]，镉还可以通过叶片吸收的方式进入植物体内[23]。本研究发现，Cd在萝卜体内可由地上部分向地下部分转运，这与之前在黄瓜内的研究结果一致[24]。由于植物的叶片表面都有大量的气孔，各种大气污染物除通过气孔直接进入细胞内部外，还可以透过角质层、蜡质层被表面细胞吸收[25]，叶片吸收的Cd经过气孔及角质缝隙渗入植物体内，被植物吸收[26]。本研究初步证明，叶面喷施Cd溶液后，叶片中的Cd主要通过次生木质部向根系转运，到达根系向外扩散到次生韧皮部，向内扩散到初生木质部，但Cd在萝卜内的转运途径还需进一步证实。

4 结  论

（1）在含Cd溶液中，萝卜根部次生韧皮部对镉的积累量远远大于次生木质部，在高Cd环境中次生木质部中的Cd吸收量与次生韧皮部中的Cd含量呈极显著正相关。

（2）萝卜根系次生木质部中Cd积累量与叶柄和叶片中的Cd含量高度正相关，根系中的Cd主要通过次生木质部转运到叶柄和叶片中。

（3）叶片中的Cd主要通过次生木质部向根系转运，到达根系向外扩散到次生韧皮部，向内扩散到初生木质部。

参考文献：

[1] 仲维科， 凡要播， 王敏健. 我国农作物的重金属污染及其防止对策[J]. 农业环境保护，2001，23（1）：51-54.

[2] MORENO C J， MORAL R， PERREZ E A， et al. Cadmium accumulation and distribution in cucumber plant[J].Plant Nutr，2000，23（2）：243-250.

[3] 王鑫. 樱桃萝卜特征特性及栽培技术[J]. 上海蔬菜，2011（5）：29-30.

[4] 杜新民. 氮锌肥配施对樱桃萝卜产量和品质的影响[J]. 农业与技术，2009，29（6）：69-72.

[5] 陈刚， 宋永芬， 成世才，等. 山东寿光蔬菜对土壤中重金属富集的溯源规律及选择性种植[J]. 江西农业学报，2013，25（4）： 118-119.

[6] 黄耀裔. 土壤重金属污染来源与预防治理[J]. 能源与环境，2009（1）： 62-64.

[7] 王淑英. 萝卜子形态解剖观察[J]. 云南农业大学学报，1989，4（2）：98-101.

[8] 王化民. 萝卜周皮的发生[J]. 植物杂志，1988（5）：25.

[9] 温天彩. 萝卜镉吸收细胞学机制及其相关基因克隆[D]. 南京：南京农业大学，2012.

[10] 顾燕青， 顾优丽， 白倩，等. 杭州市菜地蔬菜对土壤重金属的富集特性研究[J]. 农业资源与环境学报，2015，32（4）：401-410.

[11] 高巍， 耿月华， 赵鹏，等. 不同小麦品种对重金属镉吸收及转运的差异研究[J].天津农业科学， 2014，20（10）：55-59.

[12] 刘永庆. 柳树根细胞壁镉吸附及根系镉吸收动力学研究[D]. 杭州：浙江大学，2011.

[13] 常鹏云，谢英荷，程红艳，等. 镉对6种根菜类蔬菜生长状况及品质的影响研究[J]. 天津农业科学， 2012，18（1）：126-130.

[14] 温娜. 利用AMMI模型分析稻米镉含量的基因型与环境互作效应[J]. 农业环境科学学报，2015，34（5）：817-823.

[15] 刘传娟， 刘凤枝， 蔡彦明，等. 不同种类蔬菜苗期对镉的敏感性研究[J]. 农业环境科学学报，2009，28（9）：1789-1794.

[16] 倪才英， 徐明岗， 张建新.我国典型土壤上重金属污染对番茄根伸长的抑制毒性效应[J]. 生态毒理学报，2008，3（1）：81-86.

[17] 徐明岗， 纳明亮， 张建新.红壤中Cu、Zn、Pb污染对蔬菜根伸长的抑制效应[J]. 中国环境科学，2008，28（2）：153-157.

[18] HU P J， QIU  R L， SENTHILKUMAR P， et al. Tolerance， accumulation and distribution of zinc and cadmium in hyperaecumulator Potentilla griffithii[J]. Environmental and Experimental Botany，2009（6）：317-324.

[19] CARROLL M. Oganelles[M]. London： The Guiford Press， 1989.

[20] KUPPER H， LOMBI E， ZHAO F J， et al. Cellular compartmentation of cadmium and zinc in relation to other elements in the hyperaccumulator Arabidopsis halleri[J].Planta，2000，212：75-84.

[21] TUNDOREANU L， PHILLIPS C J C， DONALD L S. Modeling cadmium uptake and accumulation in plants[J].Advances in Agronomy， 2004，84：121-157.

[22] 王小平. 扬花萝卜在Cr3+污染环境下生长情况的研究[J].天津农业科学，2011，17（1）：55-58，62.

[23] 陈笑. 水稻镉（Cd）毒害及其防治研究进展[J]. 广东微量元素科学，2010，17（17）：1-7.

[24] 彭伟正， 王克勤， 胡蝶，等. 镉在黄瓜植株体内分布规律及其对黄瓜生长和某些生理特性的影响[J]. 农业环境科学学报， 2006，25（S）：92-95.

[25] 徐顺宝. 叶面施肥新技术[M]. 杭州：浙江科学技术出版社， 1994：7-11.

[26] 章明奎， 刘兆云， 周翠. 铅锌矿区附近大气沉降对蔬菜中重金属积累的影响[J]. 浙江大学学报：农业与生命科学版，2010，36（2）：221-229.