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摘要[目的]为了了解不同菠菜品种对镉处理的生理生化反应的差异和对镉积累的基因型背景差异。 [方法] 研究了镉对菠菜吸收金属元素的基因型差异及镉对菠菜生长的影响。[结果] 10 mg/L镉溶液可以显著降低菠菜生物学产量。经镉处理后，镉影响菠菜对金属元素的吸收、分配，地上部K、Cu、Zn含量降低，根部K、Mg、Mn和Zn含量增加。无论地上部还是根部，Ca、Al、Mo和Fe含量都增加。[结论] 该研究可以为培育无公害的菠菜品种提供理论依据。
关键词镉；菠菜；金属元素；基因型
中图分类号S636.1；Q786文献标识码A文章编号0517-6611（2014）28-09674-03
Genotypic Differences of Metallic Element Concentrations among Cultivars of Spinach Exposed to Cadmium
SUN Lizhi， CHEN Yujuan， QU Yingmin， LI Jingmei* et al
（College of Life Science and Technology， Changchun University of Science and Technology， Changchun， Jilin 130022 ）
Abstract[Objective]The research aimed to comprehend the difference of different spinach cultivars on the physiological and biochemical reaction of cadmium （Cd） treatment and the difference of genetype background of Cd accumulation.[Method] Genotypic differences and effects on Cd concentrations and accumulations in spinach（Spinacia oleracea）growth were studied. [Result] The nutrient solutions containing 10 mg/ml cadmium could significantly reduce the biomass yield of spinach. Cadmium caused some changes of uptake and distribution of metallic element in spinach. The concentration of potassium （K）， copper （Cu） andzinc （Zn） decreased in shoot， while the concentration of potassium （K）， magnesium （Mg）， manganese （Mn） and zinc （Zn） increased in roots. In addition， cadmium exposure resulted in an increase in calcium （Ca）， aluminum （Al），molybdenum （Mo） and ferrum （Fe） concentrations in both shoots and roots. [Conclusion] The research could provide the theoretical basis for the cultivation of pollutionfree spinach cultivars.
Key wordsCadmium； Spinach； Metallic element； Genotypic
鎘是一种有毒的有色金属元素，于1817年被德国医药学教授Stromeyer在硫酸锌中发现。近年来，随着工业生产的迅猛发展，工业废液的排放、杀虫剂大量使用以及含镉化肥的施用使得大量的镉进入农业系统[1]。世界卫生组织已将镉确定为优先研究的食品污染物。在联合国环境规划署提出的12种具有全球性意义的危险化学物质中镉列在首位。研究表明，镉具有累积效应，有些镉化合物水溶性很好，极易被植物根系吸收，并且通过运输转移至植物其他部位，甚至通过食物链进入人体。镉在人体内不易排出，而且易积累且达到有害水平，对人类身体健康尤其是肾脏、肝脏造成严重威胁[2-5]。
随着安全、高效、无污染生产意识的不断提高，人们越来越广泛地关注镉对动植物生产的危害。镉对植物产生毒害作用，使得植物结构、生理生化及其生态特性发生改变[6]，严重时导致植株死亡[7]。研究表明，镉在植物体内的分布和积累因植物种类、品种不同而有差异[8-9]。
菠菜是人们日常喜爱食用的叶菜之一，多栽培于城市郊区，因而易受镉污染。为了防止镉污染，培育食用部位镉含量低的蔬菜品种是一个有效方法。了解不同菠菜品种对镉处理的生理生化反应的差异和对镉积累的基因型背景差异，对培育低镉积累品种菠菜的意义重大。笔者研究了镉对菠菜吸收金属元素的基因型差异，为培育无公害的菠菜品种提供理论依据。
1材料与方法
1.1栽培方法
将经消毒处理后种子播于混匀且湿润的蛭石和珍珠岩材料中，出苗后浇稀释的完全营养液，幼苗生长28 d后挑选大小一致幼苗移栽到事先分组的混匀且湿润的蛭石和珍珠岩材料中，每组4株。预培养14 d后，向营养液中加入CdSO4，使得营养液中镉的浓度为10 mg/L，以不加镉为对照。每天喷施一次营养液。随机区组排列，每个处理重复4次。
1.2营养液配方 全營养液（pH 6.0）配方如下：Ca（NO3）2 3.0 mmol/L，KNO3 4.0 mmol/L，KH2PO4 1.0 mmol/L，MgSO4 1.0 mmol/L，MnCl2 3.6×10-3 mmol/L，H3BO3 4.5×10-2 mmol/L，CuSO4 8×10-4 mmol/L，ZnSO4 1.5×10-3 mmol/L，H2MoO4 9.1×10-5 mmol/L，EDTAFe 9.0×10-2 mmol/L。
1.3供试品种
菠菜品种均购自于市场，名称代号如下：1.新世纪全能；2.赛娜；3.先锋；4.3966；5.皇家950508；6.吉农耐热大叶菠菜；7.夏奈尔；8.大阪速成；9.全力耐热；10.益农超级菠菜；11.羞月；12.胜先锋；13.澳洲大叶；14.日本春秋大叶；15.圣马克；16.皇帝大叶。
1.4测定方法
处理20 d后，分别收获所有植株，分开根部、地上部，全株用去离子水冲洗干净，擦干表面水分，称量鲜重，然后将根、地上部置于恒温干燥箱中，105 ℃杀青1 h，60 ℃烘干至恒重，并且称根、地上部干重。烘干样品采用HNO3HClO4（2∶1）消煮，ICPAES（Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy，电感耦合等离子体原子发射光谱法）测定镉及各种金属元素含量。
2结果与分析
2.1植株生长
由表1可知，10 mg/L镉的营养液处理菠菜后抑制菠菜的生长。16个品种的菠菜平均地上部鲜重、干重、总生物学产量在处理组、对照组间具有0.01水平显著差异，处理组菠菜地上部产量显著降低（P<0.01）。根鲜重、根干重在处理组及对照组间具有显著差异（P<0.05），处理组产量较低。这表明菠菜地上部比根部对镉敏感，所有供试菠菜品种生长参数之间都存在品种间差异，品种间互作差异不显著。
2.2金属元素含量
由表2、3可知，镉处理及对照菠菜各品种间金属元素含量，都存在显著的品种间差异（P<0.05）。除地上部的Mg、Mn含量和根中Zn含量外，其余所有根及地上部金属元素含量2个镉处理间均存在显著差异（P<0.05）。除地上部的Ca 和根中的K含量外，其余所有地上部和根中的金属元素含量在品种和镉处理间存在显著互作（P<0.05）。与对照相比，10 mg/L 镉使得地上部、根部 Ca、Al、Fe和Mo含量都增加，地下部Mg和Mn含量增加，而地上部不敏感；地上部K、Cu和Zn含量降低，而根中K和Cu含量升高。这表明镉处理对不同基因型菠菜品种的金属元素的吸收有不同的影响。
Zhang等[4]发现，镉减少小麦根部、地上部的Mn和Mg
含量，增加Fe含量。因植株部位的不同，对K、Ca吸收的影响不同。Zhu等[10]发现，镉使得地上部、根部Ca和Zn的含量增加，增加地上部Mg、Mn和Fe含量，但降低Mn、Mg、和Fe在根中的含量。试验种类的不同、镉处理浓度的不同、镉处理时间的不同都可能导致菠菜对金属元素的吸收结果。
镉对植物产生毒害的原因之一是与必需元素之间的互作。据报道，镉影响金属元素的吸收及其在体内的分布，导致严重的营养缺乏和不平衡，最终影响产量。该试验结果也表明，镉使菠菜根和地上部的金属元素含量及在根与地上部的分配发生改变。与对照相比，当营养液中添加镉以后，菠菜地上部、根部Ca、Al、Fe和Mo的含量增加。地上部K、Cu和Zn含量降低，而根中的K和Cu含量升高。该结果与Zhu等[10]研究结果不同。这表明镉可以改变（减少或增加）金属元素从植物根中向地上部转运，因而改变它们在植株器官间的分配，从而引起营养失调，进一步影响植株生长。
参考文献
[1] RADOTIC K，DUCIC T，MUTAVDZIC D.Changes in peroxidase activity and isoenzymes in spruce needles after exposure to different concentrations of cadmium[J].Environ Exp Bot，2000，44：105-113.
[2] HENDRY G A F，BAKER A J M，EWART C F.Cadmium tolerance and toxicity oxygen radical processes and molecular damage in cadmiumtolerant and cadmiumsensitive clones of Holcus lanatus[J].Acta Bot Neerl，1992，41：271-281.
[3] HARDIMAN R T，JACOBY B.Absorption and translocation of Cd in bush bean（Phaseolus vulgaris）[J].Physiol Plant，1984，61：670-674.
[4] ZHANG G P，FUKAMI M，SEKIMOTO H.Influence of cadmium on mineral concentrations and components in wheat genotypes differing in Cd tolerance at seedling stage[J].Field Crops Res，2002，77：93-98.
[5] SHAH K，DUBEY R S.Cadmium elevates level of protein，amino acids and alters activity of proteolytic enzymes in germinating rice seeds[J].Acta Physiol Plant，1998，20：189-196.
[6] 刘用场.菜园土壤镉临界浓度的初步研究[J].福建农业科技，1997（2）：16-17.
[7] SANDALIO L M，DALURZO H C，GMEZ M，et al.Cadmiuminduced changes in the growth and oxidative metabolism of pea plants[J].J Exp Bot，2001，52：2115-2126.
[8] OBATA H，UMEBAYASHI M.Effects of cadmium on mineral nutrient concentrations in plants differing in tolerance for cadmium[J].J Plant Nutr，1997，20（1）：97-105.
[9] DUDKA S，PIOTROWSKA M，TERELAK H.Transfer of cadmium，lead and zinc from industrially contaminated soil to crop plants：a field study[J].Environ Pollution，1996，94：181-188.
[10] ZHU Z J，SUN G W，FANG X Z，et al.Genotypic differences in effects of cadmium exposure elements in 14 cultivars of Bai Cai [J].Journal of Environmental Science and Health Part BPestides，Food Contaminants and Agricultural Wastes，2004，39（4）：675-687.
关键词镉；菠菜；金属元素；基因型
中图分类号S636.1；Q786文献标识码A文章编号0517-6611（2014）28-09674-03
Genotypic Differences of Metallic Element Concentrations among Cultivars of Spinach Exposed to Cadmium
SUN Lizhi， CHEN Yujuan， QU Yingmin， LI Jingmei* et al
（College of Life Science and Technology， Changchun University of Science and Technology， Changchun， Jilin 130022 ）
Abstract[Objective]The research aimed to comprehend the difference of different spinach cultivars on the physiological and biochemical reaction of cadmium （Cd） treatment and the difference of genetype background of Cd accumulation.[Method] Genotypic differences and effects on Cd concentrations and accumulations in spinach（Spinacia oleracea）growth were studied. [Result] The nutrient solutions containing 10 mg/ml cadmium could significantly reduce the biomass yield of spinach. Cadmium caused some changes of uptake and distribution of metallic element in spinach. The concentration of potassium （K）， copper （Cu） andzinc （Zn） decreased in shoot， while the concentration of potassium （K）， magnesium （Mg）， manganese （Mn） and zinc （Zn） increased in roots. In addition， cadmium exposure resulted in an increase in calcium （Ca）， aluminum （Al），molybdenum （Mo） and ferrum （Fe） concentrations in both shoots and roots. [Conclusion] The research could provide the theoretical basis for the cultivation of pollutionfree spinach cultivars.
Key wordsCadmium； Spinach； Metallic element； Genotypic
鎘是一种有毒的有色金属元素，于1817年被德国医药学教授Stromeyer在硫酸锌中发现。近年来，随着工业生产的迅猛发展，工业废液的排放、杀虫剂大量使用以及含镉化肥的施用使得大量的镉进入农业系统[1]。世界卫生组织已将镉确定为优先研究的食品污染物。在联合国环境规划署提出的12种具有全球性意义的危险化学物质中镉列在首位。研究表明，镉具有累积效应，有些镉化合物水溶性很好，极易被植物根系吸收，并且通过运输转移至植物其他部位，甚至通过食物链进入人体。镉在人体内不易排出，而且易积累且达到有害水平，对人类身体健康尤其是肾脏、肝脏造成严重威胁[2-5]。
随着安全、高效、无污染生产意识的不断提高，人们越来越广泛地关注镉对动植物生产的危害。镉对植物产生毒害作用，使得植物结构、生理生化及其生态特性发生改变[6]，严重时导致植株死亡[7]。研究表明，镉在植物体内的分布和积累因植物种类、品种不同而有差异[8-9]。
菠菜是人们日常喜爱食用的叶菜之一，多栽培于城市郊区，因而易受镉污染。为了防止镉污染，培育食用部位镉含量低的蔬菜品种是一个有效方法。了解不同菠菜品种对镉处理的生理生化反应的差异和对镉积累的基因型背景差异，对培育低镉积累品种菠菜的意义重大。笔者研究了镉对菠菜吸收金属元素的基因型差异，为培育无公害的菠菜品种提供理论依据。
1材料与方法
1.1栽培方法
将经消毒处理后种子播于混匀且湿润的蛭石和珍珠岩材料中，出苗后浇稀释的完全营养液，幼苗生长28 d后挑选大小一致幼苗移栽到事先分组的混匀且湿润的蛭石和珍珠岩材料中，每组4株。预培养14 d后，向营养液中加入CdSO4，使得营养液中镉的浓度为10 mg/L，以不加镉为对照。每天喷施一次营养液。随机区组排列，每个处理重复4次。
1.2营养液配方 全營养液（pH 6.0）配方如下：Ca（NO3）2 3.0 mmol/L，KNO3 4.0 mmol/L，KH2PO4 1.0 mmol/L，MgSO4 1.0 mmol/L，MnCl2 3.6×10-3 mmol/L，H3BO3 4.5×10-2 mmol/L，CuSO4 8×10-4 mmol/L，ZnSO4 1.5×10-3 mmol/L，H2MoO4 9.1×10-5 mmol/L，EDTAFe 9.0×10-2 mmol/L。
1.3供试品种
菠菜品种均购自于市场，名称代号如下：1.新世纪全能；2.赛娜；3.先锋；4.3966；5.皇家950508；6.吉农耐热大叶菠菜；7.夏奈尔；8.大阪速成；9.全力耐热；10.益农超级菠菜；11.羞月；12.胜先锋；13.澳洲大叶；14.日本春秋大叶；15.圣马克；16.皇帝大叶。
1.4测定方法
处理20 d后，分别收获所有植株，分开根部、地上部，全株用去离子水冲洗干净，擦干表面水分，称量鲜重，然后将根、地上部置于恒温干燥箱中，105 ℃杀青1 h，60 ℃烘干至恒重，并且称根、地上部干重。烘干样品采用HNO3HClO4（2∶1）消煮，ICPAES（Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy，电感耦合等离子体原子发射光谱法）测定镉及各种金属元素含量。
2结果与分析
2.1植株生长
由表1可知，10 mg/L镉的营养液处理菠菜后抑制菠菜的生长。16个品种的菠菜平均地上部鲜重、干重、总生物学产量在处理组、对照组间具有0.01水平显著差异，处理组菠菜地上部产量显著降低（P<0.01）。根鲜重、根干重在处理组及对照组间具有显著差异（P<0.05），处理组产量较低。这表明菠菜地上部比根部对镉敏感，所有供试菠菜品种生长参数之间都存在品种间差异，品种间互作差异不显著。
2.2金属元素含量
由表2、3可知，镉处理及对照菠菜各品种间金属元素含量，都存在显著的品种间差异（P<0.05）。除地上部的Mg、Mn含量和根中Zn含量外，其余所有根及地上部金属元素含量2个镉处理间均存在显著差异（P<0.05）。除地上部的Ca 和根中的K含量外，其余所有地上部和根中的金属元素含量在品种和镉处理间存在显著互作（P<0.05）。与对照相比，10 mg/L 镉使得地上部、根部 Ca、Al、Fe和Mo含量都增加，地下部Mg和Mn含量增加，而地上部不敏感；地上部K、Cu和Zn含量降低，而根中K和Cu含量升高。这表明镉处理对不同基因型菠菜品种的金属元素的吸收有不同的影响。
Zhang等[4]发现，镉减少小麦根部、地上部的Mn和Mg
含量，增加Fe含量。因植株部位的不同，对K、Ca吸收的影响不同。Zhu等[10]发现，镉使得地上部、根部Ca和Zn的含量增加，增加地上部Mg、Mn和Fe含量，但降低Mn、Mg、和Fe在根中的含量。试验种类的不同、镉处理浓度的不同、镉处理时间的不同都可能导致菠菜对金属元素的吸收结果。
镉对植物产生毒害的原因之一是与必需元素之间的互作。据报道，镉影响金属元素的吸收及其在体内的分布，导致严重的营养缺乏和不平衡，最终影响产量。该试验结果也表明，镉使菠菜根和地上部的金属元素含量及在根与地上部的分配发生改变。与对照相比，当营养液中添加镉以后，菠菜地上部、根部Ca、Al、Fe和Mo的含量增加。地上部K、Cu和Zn含量降低，而根中的K和Cu含量升高。该结果与Zhu等[10]研究结果不同。这表明镉可以改变（减少或增加）金属元素从植物根中向地上部转运，因而改变它们在植株器官间的分配，从而引起营养失调，进一步影响植株生长。
参考文献
[1] RADOTIC K，DUCIC T，MUTAVDZIC D.Changes in peroxidase activity and isoenzymes in spruce needles after exposure to different concentrations of cadmium[J].Environ Exp Bot，2000，44：105-113.
[2] HENDRY G A F，BAKER A J M，EWART C F.Cadmium tolerance and toxicity oxygen radical processes and molecular damage in cadmiumtolerant and cadmiumsensitive clones of Holcus lanatus[J].Acta Bot Neerl，1992，41：271-281.
[3] HARDIMAN R T，JACOBY B.Absorption and translocation of Cd in bush bean（Phaseolus vulgaris）[J].Physiol Plant，1984，61：670-674.
[4] ZHANG G P，FUKAMI M，SEKIMOTO H.Influence of cadmium on mineral concentrations and components in wheat genotypes differing in Cd tolerance at seedling stage[J].Field Crops Res，2002，77：93-98.
[5] SHAH K，DUBEY R S.Cadmium elevates level of protein，amino acids and alters activity of proteolytic enzymes in germinating rice seeds[J].Acta Physiol Plant，1998，20：189-196.
[6] 刘用场.菜园土壤镉临界浓度的初步研究[J].福建农业科技，1997（2）：16-17.
[7] SANDALIO L M，DALURZO H C，GMEZ M，et al.Cadmiuminduced changes in the growth and oxidative metabolism of pea plants[J].J Exp Bot，2001，52：2115-2126.
[8] OBATA H，UMEBAYASHI M.Effects of cadmium on mineral nutrient concentrations in plants differing in tolerance for cadmium[J].J Plant Nutr，1997，20（1）：97-105.
[9] DUDKA S，PIOTROWSKA M，TERELAK H.Transfer of cadmium，lead and zinc from industrially contaminated soil to crop plants：a field study[J].Environ Pollution，1996，94：181-188.
[10] ZHU Z J，SUN G W，FANG X Z，et al.Genotypic differences in effects of cadmium exposure elements in 14 cultivars of Bai Cai [J].Journal of Environmental Science and Health Part BPestides，Food Contaminants and Agricultural Wastes，2004，39（4）：675-687.