蕹菜不同鎘積累品種根系分泌物化學(xué)組分分析

謝 婕 李建杏 龔玉蓮曾碧健 余樂(lè)洹 黃慧婷 唐 鍵

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

重金屬鎘（cadmium，Cd）是一種優(yōu)先污染物，在土壤環(huán)境中的遷移能力強(qiáng)，對(duì)人類(lèi)的危害極大。基于植物鎘積累的品種間差異，低鎘作物品種的研究應(yīng)用，可以降低土壤重金屬鎘進(jìn)入人類(lèi)飲食的風(fēng)險(xiǎn)（Grant et al.，2008；李涵 等，2020）。植物鎘積累的品種間差異與根系的生理活動(dòng)有關(guān)（Grant et al.，2008）。

根系分泌物（root exudates，RE）是植物根系在其生命過(guò)程中，釋放到周?chē)橘|(zhì)中的全部物質(zhì)的總稱(chēng)。根系分泌物的種類(lèi)繁多，對(duì)根際土壤的pH值及氧化還原電位有一定的調(diào)節(jié)作用，并能影響礦物元素在根際的有效性，進(jìn)而影響植物對(duì)重金屬的吸收和積累（陳美靜 等，2015）。張新宇（2020）研究棉花不同抗性品種根系分泌物，發(fā)現(xiàn)不同基因型植物的根系分泌物組分明顯不同。張奕斌（2014）和羅慶等（2016）研究發(fā)現(xiàn)不同生態(tài)型東南景天根系分泌物的相對(duì)含量在不同處理?xiàng)l件下的變化趨勢(shì)明顯不同，表明東南景天可通過(guò)調(diào)節(jié)根系分泌來(lái)耐受或超富集重金屬鎘。

蕹菜（Ipomoea aquaticaForsk.）作為常見(jiàn)葉類(lèi)蔬菜具有較強(qiáng)的鎘積累能力，已篩選得到蕹菜典型的高鎘積累品種和低鎘積累品種（Wang et al.，2009；Gong et al.，2010）。近年來(lái)，關(guān)于蕹菜不同鎘積累品種的根際研究主要集中在根系形態(tài)學(xué)特征、根際土壤化學(xué)特征、根際微生物群落特征等方面（龔玉蓮和楊中藝，2012，2014；龔玉蓮 等，2014，2015）。蕹菜不同鎘積累品種的根際土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量、水溶性有機(jī)質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)特征，以及低分子量有機(jī)酸的組成和含量等根際化學(xué)特征存在差異（龔玉蓮和楊中藝，2014；龔玉蓮 等，2015）。通過(guò)根系分泌物直接施入土壤的盆栽試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)蕹菜低鎘品種QLQ 的根系分泌物顯著降低了高鎘品種T308 的鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，證明了蕹菜低鎘品種根系分泌物對(duì)鎘低量積累的作用（鄒金城 等，2019）。因此，進(jìn)一步分析研究蕹菜典型品種根系分泌物的組成，對(duì)于深入理解根系分泌物在蕹菜典型品種鎘積累的根際化學(xué)過(guò)程中的作用，具有重要意義。本試驗(yàn)采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（GCMS）分析2 個(gè)鎘積累典型品種QLQ 與T308 根系分泌物的組成成分及其差異，為深入理解蕹菜低鎘積累的根際化學(xué)機(jī)理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

采用前期試驗(yàn)篩選并驗(yàn)證的蕹菜鎘積累典型品種：T308（高鎘積累品種）和QLQ（低鎘積累品種）。在鎘含量為0.593 mg·kg-1土壤上種植，QLQ 莖葉鎘含量為0.083 mg·kg-1，T308 莖葉鎘含量為0.315 mg·kg-1，品種間莖葉鎘含量的差異超過(guò)3 倍（Wang et al.，2009；Gong et al.，2010）。

供試土壤為廣州市郊的農(nóng)田土壤，土壤理化性質(zhì)為：pH 6.54，有機(jī)質(zhì)含量37.52 g·kg-1，堿解氮含量81.01 mg·kg-1，有效磷含量71.41 mg·kg-1，速效鉀含量155.23 mg·kg-1，全Cd 含量2.61 mg·kg-1。根據(jù)《中國(guó)食用農(nóng)產(chǎn)品場(chǎng)地環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（HL332-2206）》，種植蔬菜的土壤中鎘最大限值為0.3 mg·kg-1，故供試土壤為鎘污染土壤。

1.2 試驗(yàn)方法

土壤準(zhǔn)備：取鎘污染農(nóng)田土壤，風(fēng)干，粉碎，過(guò)1 mm 篩。每1 kg 土中加入NH4NO30.86 g 和KH2PO40.54 g 作為基肥，2 周后裝盆。盆的直徑、高度分別為30、15 cm，每盆裝入5 kg 土。采用盆栽根袋法進(jìn)行試驗(yàn)。根袋用300 目尼龍布制成，植物根系不能穿過(guò)，但水分和離子可以自由通過(guò)。根袋內(nèi)裝1 kg 土，為根際區(qū)；根袋外裝4 kg 土，為非根際區(qū)。

植物栽培：在廣東第二師范學(xué)院的大棚內(nèi)進(jìn)行植物栽培，每個(gè)品種種植4 盆作為4 次重復(fù)，每盆種植4 株。2018 年3月5日在根際區(qū)播種，待幼苗長(zhǎng)出第3 片真葉后，間苗至每盆4 株。

土壤處理：4月15日收獲植物，采集根袋內(nèi)的土壤，去除根系，即得到根際土樣。風(fēng)干、粉碎、過(guò)60 目篩，保存?zhèn)溆谩?/p>

根系分泌物提取液制備（韓麗梅 等，2020）：分別稱(chēng)取QLQ、T308 根際土40 g，加入200 mL無(wú)水乙醇，振蕩1 h，5 000 r·min-1離心20 min，過(guò)濾即得提取液。將提取液過(guò)0.45 μm 聚四氟乙烯膜（PETF 膜），用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀于34 ℃減壓濃縮至干，再加入2 mL 經(jīng)0.45 μm PETF 膜過(guò)濾的乙醚溶解，得到的溶液進(jìn)行GC-MS 分析。

1.3 GC-MS 分析

采用美國(guó)Finnigan 公司Vogager 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（中山大學(xué)測(cè)試中心質(zhì)譜室）進(jìn)行GC-MS分析。毛細(xì)管柱：HP-5MS柱（Crosslinked 5%pH ME Siloxanle，30 m × 0.25 mm × 0.25 μm）。質(zhì)譜為電子轟擊源，掃描質(zhì)量范圍：29～559 amu，掃描速度：0.2 s 全掃描，離子源溫度為220 ℃。進(jìn)樣溫度：250 ℃，柱溫40 ℃（保持4 min），10 ℃·min-1升溫至310 ℃（保持3 min）。載氣為He，載體流量為1 mL·min-1，進(jìn)樣量為0.5 μL。應(yīng)用質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)化檢索系統(tǒng)對(duì)未知物進(jìn)行鑒定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

采用Microsoft Excel、化工詞典等軟件進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析。物質(zhì)相對(duì)含量指GC-MS 分析得到的各組分的出峰面積占總峰面積的比例。

2 結(jié)果與分析

2.1 2 個(gè)蕹菜鎘積累典型品種根系分泌物的化學(xué)成分

2 個(gè)蕹菜鎘積累典型品種的根系分泌物通過(guò)對(duì)GC-MS 數(shù)據(jù)分析，QLQ 根系分泌物共鑒定出22種化合物（表1），由酸類(lèi)、酯類(lèi)、烴類(lèi)、酮類(lèi)、醇類(lèi)及酚類(lèi)組成，其中酸類(lèi)2 種（35.76%），酯類(lèi)7 種（15.45%），烴類(lèi)4 種（15.82%），酮類(lèi)5 種（14.11%），醇類(lèi)3 種（11.61%），酚類(lèi)1 種（7.25%）。酸類(lèi)物質(zhì)以硬脂酸為主，占總酸類(lèi)物質(zhì)的98.27%；酯類(lèi)物質(zhì)以3-（十八烷氧基）油酸丙酯為主，占總酯類(lèi)物質(zhì)的46.93%；烴類(lèi)物質(zhì)以17-三十五碳烯為主，占總烴類(lèi)物質(zhì)的47.41%；酮類(lèi)物質(zhì)以6-（乙酰氧基）-2-己酮為主，占總酮類(lèi)物質(zhì)的64.14%；醇類(lèi)以1-庚三醇為主，占總醇類(lèi)物質(zhì)的51.08%。

T308 根系分泌物共鑒定出22 種化合物（表1），由酸類(lèi)、酯類(lèi)、烴類(lèi)、酮類(lèi)、醇類(lèi)、酚類(lèi)及肼類(lèi)組成，其中酸類(lèi)2 種（32.91%），酯類(lèi)6 種（18.80%），烴類(lèi)4 種（16.68%），酮類(lèi)3 種（5.16%），醇類(lèi)5 種（12.62%），酚類(lèi)1 種（13.25%），肼類(lèi)1種（0.58%）。酸類(lèi)物質(zhì)也是以硬脂酸為主，占總酸類(lèi)物質(zhì)的94.20%；酯類(lèi)物質(zhì)同樣也是以3-（十八烷氧基）油酸丙酯為主，占總酯類(lèi)物質(zhì)的55.21%；烴類(lèi)物質(zhì)以2，6，10-三甲基-十四烷為主，占總烴類(lèi)物質(zhì)的66.97%；酮類(lèi)物質(zhì)以6-（乙酰氧基）-2-己酮為主，占總酮類(lèi)物質(zhì)的50.97%；醇類(lèi)以1-庚三醇為主，占總醇類(lèi)物質(zhì)的28.29%。

表1 2 個(gè)蕹菜鎘積累典型品種 T308 和QLQ 根系分泌物的組分和相對(duì)含量

2.2 2 個(gè)蕹菜鎘積累典型品種根系分泌物中化合物的比較

2 個(gè)蕹菜鎘積累典型品種根系分泌物中的化合物類(lèi)型基本相同，但化合物的組成及相對(duì)含量存在差異。2 個(gè)品種中相對(duì)含量最高的化合物類(lèi)別均為酸類(lèi)，含量接近1/3，其次分別為酯類(lèi)、烴類(lèi)、酮類(lèi)和醇類(lèi)。QLQ 中酸類(lèi)、酮類(lèi)化合物的相對(duì)含量高于T308，而酯類(lèi)、烴類(lèi)、醇類(lèi)、酚類(lèi)化合物的相對(duì)含量都較T308 低。

QLQ 和T308 根系分泌物中共有的化合物有13 種，其中含量差異較大的為3-（十八烷氧基）油酸丙酯（7.25%、10.38%）、2，6，10-三甲基-十四烷（4.48%、11.17%）、6-（乙酰氧基）-2-己酮（9.05%、2.63%）、7，9-二-叔丁基-1-氧雜螺（4，5）癸-6，9-二烯-2，8-二酮（0.83%、1.61%）、1-庚三醇（5.93%、3.57%）、2，6-二叔丁基對(duì)甲酚（7.25%、13.25%）。

QLQ 根系分泌物特有的物質(zhì)有9 種（占總量的15.40%），包括1 種酸類(lèi)：肉豆蔻酸/十四酸；3種酯類(lèi)：4-乙氧基-丁酸甲酯、2-丁二酸（E）-二乙酯、反式-2，2-二甲基-3-（2-丙烯基）環(huán)丙烷羧酸-乙基酯；1 種烴類(lèi)：17-三十五碳烯；3種酮類(lèi)：2，2，7，7-四甲基三環(huán)〔6.2.1.0（1，6）〕十一碳-4-烯-3-酮、Z-5-甲基-6-二十一烯-11-酮、（3S，6S）-6-異丙基-2-異亞丙基-3-甲基-3-乙烯基-環(huán)己酮；1 種醇類(lèi)：2，3-二甲基-5-三氟甲基-苯-1，4-二醇。

相對(duì)QLQ 而言，T308 根系分泌物特有的物質(zhì)有9 種（占總量的12.16%），包括1 種酸類(lèi)：月桂酸/十二酸；2 種酯類(lèi)：鄰苯二甲酸-異丁基十八烷基酯、3，5-脫氫-6-甲氧基-膽甾-22-烯-21-醇-新戊酸酯；1 種烴類(lèi)：5-乙基-5-甲基十五烷；1 種酮類(lèi)：3-十三?；?3-環(huán)己烯-4-醇-1-酮；3 種醇類(lèi)：9，10-斷膽甾-5，7，10（19）-三烯-3，2，4，25-三醇，（3α，5Z，7E）-、叔十六硫醇、3-乙酰氧基-7，8-環(huán)氧木聚糖-11-醇；1 種肼類(lèi)：乙酰肼。

3 討論與結(jié)論

根系分泌物的組分復(fù)雜，主要包括糖、蛋白質(zhì)、酶、凝膠、烴類(lèi)、酯類(lèi)、醇、酸、酚、酮、甾類(lèi)、萜類(lèi)、生物堿類(lèi)等（張紅 等，2014；張健聰 等，2019）。本試驗(yàn)亦得到相似的結(jié)果，蕹菜2 個(gè)鎘積累典型品種根系分泌物包括酸類(lèi)、酯類(lèi)、烴類(lèi)、酮類(lèi)、醇類(lèi)、酚類(lèi)、肼類(lèi)等，其中酸類(lèi)、烴類(lèi)和酯類(lèi)的含量較高，酮類(lèi)、醇類(lèi)、酚類(lèi)等物質(zhì)含量比酸類(lèi)、酯類(lèi)物質(zhì)含量相對(duì)較少，與趙文宗等（2019）、杜崇宣等（2020）、祁小清等（2020）的研究結(jié)果相似。

不同品種或生態(tài)型植物的根系分泌物的組成存在差異（田丹丹 等，2017；王偉偉，2017）。研究發(fā)現(xiàn)，植物對(duì)鎘積累能力的品種間差異與其根系分泌物密切相關(guān)（萬(wàn)敏 等，2003；Liu et al.，2007）。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)蕹菜2 個(gè)鎘積累典型品種根系分泌物組分存在明顯差異。前期研究發(fā)現(xiàn)低鎘品種QLQ 的根系分泌物能顯著降低高鎘品種T308 的鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，而T308 的根系分泌物則顯著提高QLQ 的根鎘含量，表明不同品種的根系分泌物對(duì)鎘吸收積累的作用存在顯著差異，這為蕹菜根系分泌物的品種間差異與鎘吸收積累的關(guān)系提供了直接的證據(jù)（鄒金城 等，2019）。

蕹菜2 個(gè)鎘積累典型品種根系分泌物中酸類(lèi)物質(zhì)的差異較大，QLQ 根系分泌物中酸類(lèi)物質(zhì)的總含量高于T308，且組成也存在不同。共有的酸類(lèi)物質(zhì)為硬脂酸/十八酸，T308 根系分泌物中檢出月桂酸/十二酸，QLQ 根系分泌物中檢出肉豆蔻酸/十四酸。胡隨喜等（2007）發(fā)現(xiàn)含有月桂酸結(jié)構(gòu)的司班（山犁糖醇酐單月桂酸）對(duì)土壤中的重金屬鎘有較好的吸附效果，羅慶等（2015）報(bào)道鎘超富集植物東南景天根系分泌物中的月桂酸可能對(duì)鎘具有一定的活化作用，據(jù)此推測(cè)蕹菜高鎘品種T308 根系分泌物中的月桂酸可能促進(jìn)了鎘的吸收積累。蕹菜鎘積累典型品種根系分泌物中酸類(lèi)物質(zhì)的組成以及對(duì)鎘吸收積累的作用，有待進(jìn)一步研究。

QLQ 根系分泌物中烴類(lèi)和醇類(lèi)物質(zhì)的含量均低于T308，且組成也存在差異。龔玉蓮等（2015）報(bào)道QLQ 根際土壤水溶性有機(jī)質(zhì)的烴類(lèi)物質(zhì)組成與T308 存在差異。杜崇宣等（2021）發(fā)現(xiàn)香蒲根系分泌物中烴類(lèi)物質(zhì)濃度與根系砷的富集濃度顯著正相關(guān)。吊蘭根系分泌物中的特征組分傘花烴和葉綠醇能降低土壤鉛的有效性（于培鑫，2019）。因此推測(cè)蕹菜QLQ 根系分泌物中較少的烴類(lèi)和醇類(lèi)物質(zhì)及其組成可能與其低鎘積累有關(guān)，兩者的關(guān)系需進(jìn)一步研究。

與T308 比較，QLQ 根系分泌物中的酯類(lèi)物質(zhì)種類(lèi)較多，含量較少。這與前期研究發(fā)現(xiàn)的QLQ根際土壤有機(jī)質(zhì)中長(zhǎng)鏈脂肪C 含量較低的結(jié)果一致。QLQ 根系分泌物中的酮類(lèi)物質(zhì)種類(lèi)和含量均高于T308（龔玉蓮 等，2015）。李健等（2017）報(bào)道類(lèi)黃酮作為金屬離子的螯合劑和轉(zhuǎn)運(yùn)載體影響白骨壤對(duì)鎘的吸收。根系分泌物中酮類(lèi)物質(zhì)與蕹菜2個(gè)典型品種鎘積累的關(guān)系有待深入研究。