《South African Journal of Botany》：Grafting and exogenous Se application yield low-cadmium, high-selenium tomatoes and eggplants
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降低重金属镉污染的茄子与番茄嫁接及硒肥协同效应研究。采用野生茄子为砧木，通过土壤和叶片硒肥施用，结合嫁接技术，发现联合处理使茄子果实镉含量降低77%-94%，番茄降低79%-95%，且显著提高产量和果实品质。该研究为重金属污染土壤的安全利用提供了新方法。
作者：薛晨阳、张玉辰、刘一茹、孙立宗、邰培东、贾春云、李晓军
中国科学院应用生态研究所，沈阳 110016，中国
摘要
嫁接和外源硒（Se）的应用都能调节植物的硫代谢，从而减少镉（Cd）的积累。许多研究已经探讨了每种方法单独使用如何减轻作物中Cd的积累，但它们联合使用对作物Cd含量的影响尚未得到研究。我们的研究旨在阐明嫁接和农艺硒强化如何减少作物中Cd的转移和积累，为开发作物重金属阻断技术以及利用受Cd污染的农田提供理论基础和方法支持。本研究使用Solanum melongena和S. lycopersicum作为接穗，S. torvum（野生茄子）作为砧木。测量并比较分析了嫁接和外源Se处理对Se和Cd含量、植物生物量、果实品质以及元素吸收的影响。单独处理后，茄子和番茄果实中的Cd含量分别降低了19–73%和44–76%。联合处理使果实中的Cd含量降低了77–94%和79–95%，其中Se通过土壤施用比通过叶片施用更有效地减少了Cd的积累。在单独进行嫁接或Se处理的情况下，茄子果实中Cd含量的降低与硫含量呈显著正相关。相比之下，番茄果实则表现出相反的趋势——这可能是由于Se施用量和接穗-砧木相互作用的不同所致。在联合处理中，茄子果实中较低的Cd浓度与Se含量呈显著负相关。这种模式可能是因为Se利用硫代谢途径合成含Se化合物；随后Cd与这些化合物反应并被封存在根、茎和叶中，从而减少了其向果实的转移。此外，联合处理使茄子果实产量增加了22–25%，番茄果实产量增加了46–48%，同时提高了可溶性糖、可溶性蛋白质和维生素C的含量。嫁接与土壤Se施肥的联合应用使得生产低Cd含量的富硒蔬菜成为可能。
引言
随着经济全球化的加速，工业化和城市化在过去20年里迅速发展，相关产业对化学物质的依赖程度也越来越高（Gu等人，2014年）。快速的经济发展和人口增长对农业和畜牧业提出了更高的要求。公众越来越关注生活环境和食物安全。由于污水灌溉、化学肥料的过度使用以及畜禽粪便的随意排放，农田土壤中的重金属可以通过食物链和食物网进入人体，从而对人类健康构成潜在威胁（Niu等人，2013年）。因此，作为人类生活环境的载体和必需的农产品，农田土壤中的重金属污染值得人们重视（Wu等人，2022年）。
2014年，中华人民共和国生态环境部（MEEP）和自然资源部（MNR）发布的《全国土壤污染调查公报（2005–2013）》指出，中国农田土壤也受到重金属污染的影响，其中镉（Cd）是最常见的超标污染物（Zhao等人，2014年）。土壤中的重金属来源于自然来源或人为活动。其自然浓度主要取决于地质母岩的成分，而城市工业扩张、化石燃料燃烧和农业生产等人为活动加速了土壤中重金属的积累（Yang等人，2019年；Zeng等人，2019年）。金属开采、冶炼、加工和污水灌溉是土壤重金属污染的重要原因（Zhao等人，2014年）。例如，中国广西壮族自治区、河南省和福建省的土壤Cd含量分别可达10.03 mg·kg?1、6.65 mg·kg?1和5.71 mg·kg?1（Wu等人，2022年）。两项关于土壤金属污染的研究表明，从1998年到2019年，中国土壤样本中的Cd和Hg含量有所增加，而其他六种金属元素（As、Cu、Pb、Zn、Cr和Ni）没有显著变化（Huang等人，2019年；Ren等人，2022年）。这些结果表明，随着时间的推移，中国土壤中的Cd富集程度逐渐增加，使其成为需要重点关注的污染物。
从作物的角度来看，谷物和蔬菜作物受土壤Cd污染的影响最为严重（Huang等人，2019年）。蔬菜是中国饮食结构的重要组成部分，人们的蔬菜消费量不亚于谷物和肉类（Chen等人，2021a）。由于蔬菜易腐烂且储存性差，它们通常在郊区种植。受污水灌溉、大气沉降、工业废物排放和畜禽粪便施用的影响，蔬菜受到重金属污染的风险显著增加（Zeng等人，2007年；Zeng等人，2010年）。在山东省寿光县的温室蔬菜种植园中，蔬菜种植土壤中的Cd浓度明显高于棉花田、小麦田和未开垦土壤。此外，土壤Cd含量随种植年限的增加而增加，其积累速率为0.0289 mg·kg?1·y?1（Li等人，2009年）。在中国浙江省收集的343个蔬菜样本中，超过标准的Cd含量比例为4.37%（Huang等人，2014年）。中国的国家标准《农业用地土壤环境污染风险控制标准》（GB 15,618–2018）规定，当土壤Cd含量超过风险筛选值（Cd = 0.6 mg·kg?1，pH > 7.5）但等于或低于风险控制值（Cd = 4.0 mg·kg?1，pH > 7.5）时，可能存在土壤污染风险，导致农产品无法达到质量和安全标准。原则上，应采取农艺调控、替代种植和其他安全利用措施来确保土壤的安全使用。
嫁接是一种古老的园艺技术，用于提高植物产量潜力、接穗质量和抗虫性（Savvas等人，2010年）。大量研究证实嫁接可以改变植物中的镉（Cd）含量。使用葫芦科植物作为砧木可以将甜瓜（Cucumis melo）和西瓜（Citrullus lanatus）果实中的Cd含量分别降低66%和73%（Edelstein和Ben-Hur，2007年；Shirani等人，2018年）。Solanum torvum砧木可以将辣椒（Capsicum annuum）、茄子（Solanum melongena）和番茄（Solanum lycopersicum）果实中的Cd含量降低50%以上（Yuan等人，2019年；Yuan等人，2021年）。在环境生态学和修复领域，嫁接是提高植物修复潜力的关键方法（Lin等人，2020年；Xue等人，2022年）。例如，使用番茄作为砧木可以提高Solanum americanum及其后代的Cd富集能力（Wang等人，2016年）。茄科植物砧木显著增加了树状番茄（Cyphomandra betacea）地上部分的Cd含量（Liu等人，2019年）。将本地近缘种Xanthium sibiricum嫁接到入侵种Xanthium strumarium砧木上可以显著增加接穗中的Cd含量（Xue等人，2022年）。总体而言，嫁接被认为是一种有效的园艺技术，可用于调节植物中的Cd含量，包括可食用蔬菜。它提供了一种安全、方便且高效的Cd含量降低技术，有助于保护公众健康并提高受污染农田的利用率。
硒（Se）是人体必需的微量元素。硒缺乏会导致严重的健康问题，如克山病、克山病、神经退行性疾病和免疫缺陷疾病（Sun等人，2023年）。作为一种人体无法独立合成的矿物质元素，硒只能通过饮食摄入获得。植物是硒的主要食物来源，食用富硒作物是增加人体硒摄入的有效途径之一（Chen等人，2021b；Sun等人，2022a）。然而，中国72%的地区硒缺乏，这在一定程度上阻碍了富硒农产品的生产。因此，通过外源硒施用来增加农产品中的硒含量——从而增加膳食硒摄入量——是改善人体硒营养的有效方法（Sun等人，2017年）。研究表明，外源硒施用可以有效降低作物中的Cd含量（Jahantigh等人，2024年；Tabatabaei等人，2025年；Tian等人，2024年）。例如，叶面喷洒纳米硒可以显著提高番茄的Cd耐受性并减少果实中的Cd积累。类似的研究结果也在小白菜（Tu等人，2024年）、玉米（Wang等人，2023a）和小麦（Wang等人，2024a）中得到验证。此外，水培和土壤实验也证实了硒的Cd降低效果。例如，Se处理（2.5 μM）使Lycopersicon esculentum果实中的Cd含量降低了10%以上（Xie等人，2021年），在Brassica rapa中也观察到了类似的结果（Liu等人，2023a）。虽然嫁接或外源硒对Cd含量降低的单独效应已经得到了充分研究，但它们对作物中Cd含量的协同效应仍需进一步研究。
在这项研究中，我们旨在评估嫁接（以茄子/番茄为接穗，S. torvum为砧木）和外源硒施用（叶面/土壤途径）对所测试茄科作物中Se和Cd含量、生长状况、果实品质以及元素吸收的联合效应。此外，我们还探讨了嫁接和外源硒在调节作物中低Cd积累方面的作用，这可能有助于改进作物中Cd传输和积累的农艺调控策略。我们假设：（1）嫁接和外源硒施用可以协同降低茄科作物可食用部分中的Cd含量；（2）嫁接和外源硒诱导的植物Cd含量降低与Se和S密切相关；（3）嫁接结合外源硒施用将促进植物生长并提高果实品质。这项研究有望有助于加深我们对嫁接和硒农艺增强在农业生产中的可持续有效性的理解，以满足可持续食品生产和环境安全的需求。
实验材料与地点概述
本研究中使用的茄子品种为“Dalongchangqie”，番茄品种为“Dafen”，嫁接用的茄子采用野生茄子S.torvum作为砧木，“Dalongchangqie”和“Dafen”作为接穗，S.torvum也作为砧木。S.torvum是一种广泛用于番茄、辣椒和茄子等茄科作物生产的通用砧木。许多研究证实了其稳定的性状、高抗病性和显著的增产效果
外源硒施用和嫁接对茄子及番茄中Cd和Se含量的影响
嫁接和外源硒施用可以影响植物中的Se和镉（Cd）含量，不同植物物种的反应存在差异（表S1）。外源硒施用显著影响茄子和番茄的根、茎、叶和果实中的Se和Cd含量（P < 0.05，表S1）。嫁接也显著影响茄子的根、茎和叶中的Se含量（P < 0.05，表S1）。此外，它还显著影响根中的Cd含量
外源硒施用和嫁接对茄子及番茄中Se和Cd积累的影响
镉是一种有毒金属，可以在食物链中积累并对人类和公共健康构成严重威胁。因此，需要采取有效措施针对其来源和传输过程来保护公众健康免受Cd相关损害（Godt等人，2006年）。有趣的是，高浓度的硒可能具有损害作用，而硒缺乏则可能严重影响人体的正常代谢和健康，增加克山病和克山病的风险
结论
嫁接和外源硒施用在降低茄科作物可食用部分中的Cd浓度方面具有协同效应，联合处理的Cd水平明显低于单独处理的效果。值得注意的是，土壤施用硒的效果优于叶面施用硒。这种协同效应可能归因于植物-土壤-微生物系统内的协同作用。未来的研究应重点探讨这些耦合机制
数据可用性
数据可向相应作者索取。支持本研究结果的数据可在本文的补充材料中找到。作者贡献声明
薛晨阳：撰写——初稿、方法学、资金获取、概念构思。张玉辰：调查、数据分析。刘一茹：调查、数据分析。孙立宗：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念构思。邰培东：撰写——审稿与编辑。贾春云：调查、数据分析。李晓军：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、概念构思。利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。致谢
本工作得到了辽宁省科技计划联合计划-应用基础研究项目（2023JH2/101700351）、国家自然科学基金（32401391）、中国博士后科学基金（2023M743700）以及辽宁省教育厅大学项目（LJ212411035007）的支持。感谢Bi Cheng在图形表示方面的贡献。作者没有需要披露的相关财务或非财务利益。
