在中国东北地区，不同生态型的黑茄（Solanum nigrum L.）在果实成熟时镉积累量存在三倍的差异

时间：2026年3月7日

来源：Journal of Hazardous Materials

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11种东北中国菹蓟生态型在1.4 mg/kg Cd土壤中的镉吸收与分配差异研究，发现LND和JLC生态型 shoot镉积累量分别达347.6和323.0 μg植物⁻¹，较其他生态型高3倍以上，其SOD活性、叶绿素含量显著高于低积累型NMGA生态型（8.1 μg植物⁻¹）。土壤pH和可提取Cd浓度与积累量无相关性。研究证实生态型间存在显著的镉吸收和转运能力差异，为筛选高效植物修复材料及遗传改良提供依据。

王宝玉|胡芳宇|戴慧萍|张宇涵|布雷特·H·罗宾逊|莉迪亚·斯库扎|魏淑禾

中国科学院应用生态研究所污染生态过程团队，中国沈阳110016

摘要

Solanum nigrum L. 在修复镉（Cd）污染土壤方面具有很强的潜力，然而，关于在相同土壤条件下生长时，S. nigrum 在果实成熟期的生态型变异信息仍存在空白。本实验旨在通过盆栽实验，研究来自中国东北不同地区的11种S. nigrum生态型的镉修复潜力，实验中土壤中的镉浓度为1.4 mg kg⁻¹。结果表明，大多数（11种中的1种）S. nigrum生态型表现出镉超积累的基本特征，但它们之间的镉积累能力存在三倍差异。铁岭（LND）和长春（JLC）的两个生态型的地上部分镉积累能力最高（> 34 μg plant⁻¹），而通辽（NMGA）生态型的镉积累能力最低（仅为8.1 μg plant⁻¹）。相比之下，LND和JLC生态型的地上部分镉积累能力分别增加了333.4%和323.0%。LND和JLC的平均每日镉积累能力始终高于其他生态型，表明它们具有较高的镉提取潜力。它们的富集因子（EFs）和转移因子（TFs）也高于其他S. nigrum生态型的平均水平。LND和JLC生态型的SOD活性、叶绿素a和b以及类胡萝卜素含量也显著较高，这可能有助于它们的高镉积累能力。土壤pH值和可提取土壤镉浓度与S. nigrum生态型的镉积累无关。这些发现强调了需要更广泛的筛选工作，以识别具有高镉积累能力的S. nigrum生态型，以便直接用于植物修复或通过遗传方法开发改进的超积累基因型。

引言

镉（Cd）是一种非必需的重金属，在土壤中具有持久性，并且容易被植物（包括农作物）吸收[1]。它是全球农业土壤中最普遍的重金属污染物之一[2],[3]。镉进入人类食物链可能导致肾脏损伤、骨骼异常和潜在的致癌性[1]。传统的物理和化学修复方法在短期内可能有效，但受到高成本、高能耗以及对土壤结构和微生物群落严重干扰的限制，限制了它们在大规模农业中的应用[4],[5]。基于超积累植物的植物修复技术作为一种可持续、经济高效且环保的替代方案应运而生[6],[7]。先前的研究表明Solanum nigrum L. 具有很强的镉吸收和积累能力，其地上部分的镉浓度可超过100 mg kg⁻¹。即使在高镉胁迫下，它也能保持正常生长，这使其被归类为镉超积累植物。与许多其他金属超积累植物相比，S. nigrum易于获取、生长迅速且易于管理，使其成为修复镉污染农业土壤的更实用选择[7],[8],[9],[10]。

地理和生态异质性的长期影响，包括气候、土壤化学成分和干扰历史的差异，可能导致同一物种内部出现显著的遗传分化，从而形成不同的生态型。这些生态型在生理特性上存在可遗传的差异，影响养分吸收和耐受性[11]。来自不同生态型的超积累植物Noccia（以前称为Thlaspi）caerulescens在镉吸收率、根向地上部分的转移以及耐受性方面可能存在数倍到数十倍的差异[12]。这些发现表明，“生态型分化”是解释同一物种不同种群间金属积累差异的关键机制。S. nigrum是一种一年生草本植物，属于Solanaceae科，在中国东北地区广泛分布。它自然生长在多种生境中，包括荒地、农田和路边，具有生长周期短、繁殖能力强和生物量产量高的特点。选择具有强吸收、转移和积累能力的超积累生态型对于提高植物修复效率至关重要[13],[14]。

然而，关于S. nigrum的研究主要集中在一种生态型在不同镉处理下的积累特性上。例如，Khan等人[15]在韩国大邱使用S. nigrum生态型进行了盆栽实验，实验中镉浓度范围为10至80 mg kg⁻¹，其根、茎和叶中的镉积累浓度分别为339至3162 mg kg⁻¹、120–1536 mg kg⁻¹和193–307 mg kg⁻¹，富集因子（EF）范围为347至1883，转移因子（TF）范围为0.49至0.92。Li等人[16]使用中国科学院昆明植物研究所的S. nigrum生态型，在土壤中镉浓度为25–100 mg kg⁻¹的条件下进行实验，结果发现根中的镉浓度为132–473 mg kg⁻¹，地上部分为255–431 mg kg⁻¹，富集因子范围为1.3至10，转移因子范围为0.94至1.9。Li等人[17]使用来自中国山东省寿光的S. nigrum生态型，在镉浓度为50和100 mg kg⁻¹的条件下进行实验，富集因子分别为1.2和0.64，转移因子分别为0.63和0.58。Han等人[18]使用来自中国辽宁省沈阳的S. nigrum生态型，在镉浓度为1.5 mg kg⁻¹的条件下进行实验，发现根中的镉浓度为8.4 mg kg⁻¹，地上部分为16.1 mg kg⁻¹，转移因子为1.91。总体而言，这些研究清楚地表明，在不同的实验条件下，S. nigrum生态型表现出基本的镉超积累特性。显然，由于土壤中镉浓度的差异，很难识别出具有最高镉积累能力的生态型。

在相同环境和管理条件下比较不同S. nigrum生态型的研究仍然有限。例如，Dai等人[14]比较了来自沈阳、汉中和中国京都的三种生态型，但在90天时收获了所有植物，而没有等待果实成熟。Zhang等人[19]在非土壤系统中比较了来自苏泉、哈尔滨和青岛的生态型，并在相同的一天而不是果实成熟时收获了它们。相比之下，本研究在统一的土壤条件、一致的镉污染水平和果实成熟阶段下系统地比较了多种生态型，从而更可靠地评估了它们的镉积累潜力，并减少了环境偏差。假设来自中国东北不同地区的11种S. nigrum生态型在镉积累能力上会表现出显著差异，并伴随相应的生理指标变化。

实验方法

本实验中使用的S. nigrum种子来自中国东北11个地理位置的野外，包括辽宁省的抚顺市（LNA）、沈阳市（LNB）、锦州市（LNC）和铁岭市（LND）；吉林省的延边朝鲜族自治州（JLA）、吉林省的长春市（JLC）；黑龙江省的哈尔滨市（HLA）和伊春市（HLB）；内蒙古自治区的通辽市（NMGA）和兴安盟（NMGB）（图1）。

本研究中使用的S. nigrum生态型的特征

与对照组（CK）相比，镉污染（1.4 mg kg⁻¹土壤）并未导致11种S. nigrum生态型在（i）地上部分或根的生物量，（ii）SOD活性和光合色素含量（叶绿素和类胡萝卜素），或（iii）根际pH值方面发生显著变化；因此，相应的对照组数据未在此呈现。

表1总结了盆栽实验中11种S. nigrum生态型的基本特征。不同生态型在果实和叶片颜色或形状上的视觉差异

讨论

镉超积累植物通常具有四个基本特征：（i）茎或叶中的镉浓度超过100 mg kg⁻¹，（ii）与对照组相比生物量没有显著减少，（iii）富集因子（EF）和（iv）转移因子（TF）值大于1 [10]。在本研究中，11种S. nigrum生态型的茎或叶中的镉浓度均未超过100 mg kg⁻¹，因此低于镉超积累的阈值（表2）。这一结果可以

结论

本研究采用盆栽实验和成熟期采样方法，研究了来自中国东北的11种S. nigrum生态型的镉积累特性和修复潜力差异。大多数生态型符合镉超积累植物的基本标准，但LNB生态型除外（TF < 1）。LND和JLC生态型结合了高生物量、高镉积累能力以及强的富集和转移能力，表明它们具有较高的镉修复潜力

环境意义

尽管一些研究探讨了超积累植物Solanum nigrum L. 对镉污染土壤的修复潜力，但关于在相同土壤条件下生长时S. nigrum在果实成熟期的生态型变异信息仍存在空白。本实验比较了来自中国东北的11种S. nigrum生态型在土壤中镉浓度为1.4 mg kg⁻¹条件下的镉修复潜力，发现它们的镉积累能力存在三倍差异。这为进一步研究提供了新的

伦理批准

不适用

CRediT作者贡献声明

魏淑禾：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、数据管理、概念构思。莉迪亚·斯库扎：撰写 – 审稿与编辑、数据管理。王宝玉：撰写 – 初稿撰写、资源提供、数据分析。戴慧萍：撰写 – 审稿与编辑、验证、数据管理、概念构思。胡芳宇：软件使用、资源提供。布雷特·H·罗宾逊：撰写 – 审稿与编辑、数据管理、概念构思。张宇涵：数据可视化、方法设计。