《Journal of Hazardous Materials》：Threefold difference in cadmium accumulation among
Solanum nigrum L. ecotypes at fruit maturity in Northeast China
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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
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。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：32471703）、陕西省科技创新团队“陕西理工大学污染土壤修复与资源利用创新团队”（项目编号：SXZJ-2301）、陕西省“科学家+工程师”团队建设项目（项目编号：2024QCY-KXJ-104）以及陕西理工大学的支持
