不同玉米品种镉积累及运移差异性研究

张 彪，段恩忠，师振亚，程海宽，周志云，周 振，孙晓雪，苗丽娟，杨素勤*

(1.河南农业大学 资源与环境学院，河南 郑州 450002； 2.驻马店市农村能源环境保护站，河南 驻马店 463000;3.河南省农业科学院 经济作物研究所，河南 郑州 450002)

不同玉米品种镉积累及运移差异性研究

张 彪1，段恩忠2，师振亚1，程海宽1，周志云1，周 振1，孙晓雪1，苗丽娟3，杨素勤1*

(1.河南农业大学 资源与环境学院，河南 郑州 450002； 2.驻马店市农村能源环境保护站，河南 驻马店 463000;3.河南省农业科学院 经济作物研究所，河南 郑州 450002)

为筛选出低积累镉(Cd)的玉米品种，选取25个玉米品种，在Cd污染耕地上进行田间试验，研究Cd在不同玉米品种植株内的积累、转运和富集差异性。结果表明，21个玉米品种籽粒Cd含量符合GB 2715—2005《粮食卫生标准》(≤0.1 mg/kg)，但只有济单7号、农华101、郑单136、郑韩358、郑单958、蠡玉37、蠡玉13、先玉335八个品种符合NY 861—2004《粮食及制品中铅、铬、镉、汞、硒、砷、铜、锌等8种元素限量》(≤0.05 mg/kg)。玉米不同器官Cd含量由高到低依次为根、茎叶、籽粒。玉米对重金属的运移及积累研究结果进一步证实，籽粒Cd积累的品种差异主要在于Cd从茎叶向籽粒中转移的能力。8个Cd低积累特性品种从根系向籽粒的Cd转运系数平均为0.002 9，籽粒对土壤中Cd的富集系数平均为0.007 1。其中，济单7号和农华101具有成为Cd低积累特性品种的潜力。

玉米； 镉； 低积累； 吸收； 转运

根据《全国土壤污染状况调查公报》[1]，全国土壤污染超标率达16.1%，耕地点位超标率达19.4%。其中，镉(Cd)元素的点位超标率达7.0%，在所有污染物中比例最高。Cd容易进入食物链，在人体内蓄积对健康产生严重威胁[2]。土壤Cd污染已成为人类生存环境与健康的主要威胁之一。因此，针对耕地Cd污染条件下农产品安全进行研究具有重要的理论意义和实践价值。目前，筛选对重金属低积累的作物品种，使可食用部位重金属含量达到安全食用标准，降低重金属向食物链转移，是一个行之有效的方法。该方法既可以充分利用耕地，又可以保证粮食安全[3]，同时也能为联合其他技术修复土壤提供种质资源。

目前，作物对重金属吸收的种内差异研究主要集中于玉米[4-5]、水稻[6-8]、小麦[9]、白菜[10]等。玉米具有种植面积广、生长周期短、生物量大等特点，且其籽粒对重金属的累积能力较低，筛选出适宜的具有重金属低积累特性的玉米品种，将成为土壤修复的重要手段。重金属从土壤进入玉米籽粒经历了土壤—根系、根系—茎、茎—叶—籽粒等过程，若要进一步确定重金属的关键运输环节则需通过测算转运系数、富集系数[4-5]，然而，目前，针对河南地区广泛种植的玉米品种的Cd转运和富集差异性研究较为缺乏。此外，不同积累特性的玉米品种籽粒Cd含量尤其是在豫北石灰性污染土壤条件下的Cd积累水平研究也较少。鉴于此，选用河南省种植的25个玉米品种，以籽粒Cd积累水平为切入点，研究Cd在玉米体内的积累、转运和富集差异性，力图筛选出具有Cd低积累特性的玉米品种，为安全利用重金属污染耕地提供科学依据。

1 材料和方法

1.1试验地概况与供试材料

试验地选择豫西某冶炼企业西1.5 km的耕地，该地土壤理化性质：pH值 7.8，有机质含量19.99 g/kg，速效磷含量22.95 mg/kg，速效钾含量177.4 mg/kg，碱解氮含量177.64 mg/kg，全镉含量4.9 mg/kg，DTPA提取态 Cd含量 1.73 mg/kg。河南省“七五”期间调查该地区土壤Cd背景值为 0.074 mg/kg[11]。

供试玉米品种：济单7号、农华101、郑单136、郑韩358、郑单958、蠡玉37、蠡玉13、先玉335、囤玉118、漯玉336、中科11、豫禾858、京科220、漯单9号、浚单20、郑韩9号、金骆驼335、德利农988、新单33、豫单811、张玉9号、登海605、金丹3号、淦玉178和阳光98，共计25个。

1.2试验设计

采用完全随机区组设计，试验共分3个区组，每个区组均分为25个小区，每个区组内随机种植25个品种。每个小区种4行，行距50 cm，株距35 cm，按当地传统模式进行田间管理。

1.3测定项目及方法

植株Cd含量：随机选取5株成熟玉米植株，分根、茎叶、籽粒三部分。105 ℃杀青后，85 ℃烘至恒质量，粉碎，充分混匀。用混合酸(VHNO3∶VHClO4=4∶1)进行消煮，采用原子吸收分光光度法(ZEEnit 700)测定。

Cd富集系数(BCF)及转运系数(TF)[12]计算：

BCF茎叶=茎叶Cd含量/土壤中Cd含量；

BCF籽粒=籽粒Cd含量/土壤中Cd含量；

TF(籽粒/根)=籽粒Cd含量/根Cd含量；

TF(茎叶/根)=茎叶Cd含量/根Cd含量；

TF(籽粒/茎叶)=籽粒Cd含量/茎叶Cd含量。

1.4数据处理与分析

采用Excel 2010和DPS软件进行数据处理与分析。

2 结果与分析

2.1不同玉米品种籽粒的Cd含量分析

由表1可见，25个玉米品种籽粒的Cd含量为0.023～0.123 mg/kg，平均含量为0.065 mg/kg，其中，济单7号籽粒Cd含量最低，阳光98籽粒Cd含量最高。整体上，玉米品种间籽粒Cd含量存在较大差异(图1)。GB 2715—2005《粮食卫生标准》规定，玉米籽粒Cd限量为0.1 mg/kg；NY 861—2004《粮食及制品中铅、铬、镉、汞、硒、砷、铜、锌等8种元素限量》(以下简称《粮食限量标准》)规定，玉米籽粒限量为0.05 mg/kg。参照此标准发现，有21个玉米品种的籽粒Cd含量符合GB 2715—2005《粮食卫生标准》，但仅有8个品种符合NY 861—2004《粮食限量标准》。

表1 玉米籽粒Cd含量分析

不同小写字母表示品种间差异显著(P<0.05)，下同图1 不同玉米品种籽粒的Cd含量

为便于数据比较，将25个玉米品种籽粒Cd含量分成3类，第1类为Cd积累相对较弱品种(≤0.05 mg/kg)，这类籽粒Cd含量符合《粮食限量标准》；第2类为Cd积累一般品种(>0.05 mg/kg但≤0.1 mg/kg)，品种籽粒Cd含量符合《粮食卫生标准》但不符合《粮食限量标准》；第3类为Cd积累较强品种(>0.1 mg/kg)，品种籽粒Cd含量不符合《粮食卫生标准》。本研究重点分析第1类玉米和第3类玉米对Cd的吸收富集差异。

2.2不同Cd积累强度玉米品种籽粒、茎叶、根的Cd含量

由表2可知，玉米品种不同部位Cd含量表现为根>茎叶>籽粒。由此分析，根是玉米吸收和储存重金属的主要器官，对Cd向地上部运输起到限制作用。

Cd积累作用相对较弱的8个玉米品种中，籽粒Cd含量平均为0.035 mg/kg，其中，济单7号、农华101的籽粒Cd含量显著低于其他6个品种，但这6个品种间的籽粒Cd含量差异不显著。Cd积累作用相对较强的4个品种中，籽粒Cd含量平均为0.111 mg/kg，为《粮食卫生标准》规定玉米籽粒Cd限量的1.11倍。其中，阳光98、淦玉178的籽粒Cd含量显著高于金丹3号和登海605。Cd积累相对较强的玉米品种平均籽粒Cd含量是Cd积累相对较弱品种的3.17倍。

Cd积累作用相对较弱的8个玉米品种茎叶Cd含量平均为6.534 mg/kg，Cd积累作用相对较强的4个品种茎叶Cd含量平均为6.120 mg/kg，Cd积累相对较弱品种平均茎叶Cd含量略高于Cd积累相对较强的品种。Cd积累作用相对较弱的8个品种根Cd含量平均为12.156 mg/kg，Cd积累作用相对较强的4个品种根Cd含量平均为12.232 mg/kg。

表2 不同Cd积累强度玉米品种籽粒、茎叶、根的Cd含量 mg/kg

注：同列不同小写字母表示品种间差异显著(P<0.05)，下同。

2.3不同Cd积累强度玉米品种的Cd转运系数及富集系数

TF籽粒/根表示重金属从根部向籽粒中的转运程度，TF茎叶/根是重金属从根部向茎叶中的转运程度，二者比例越小，表明重金属从根部向籽粒和茎叶中转运越困难；TF籽粒/茎叶表示重金属从茎叶向籽粒中转运的能力，比值越大，表明重金属越容易从茎叶中向籽粒中转运。由表3可知，2类玉米品种不同部位转运系数表现为TF茎叶/根>TF籽粒/茎叶>TF籽粒/根。Cd积累作用相对较强的玉米品种TF籽粒/根和TF籽粒/茎叶均高于Cd积累作用相对较弱的品种，Cd积累作用相对较强的品种其平均TF籽粒/根为0.009 2，是Cd积累作用相对较弱品种(0.002 9)的3.17倍；Cd积累作用相对较强的玉米品种其平均TF籽粒/茎叶为0.020 1，是Cd积累作用相对较弱品种(0.005 6)的3.59倍。Cd积累作用相对较强的玉米品种TF茎叶/根为0.486 2，仅为Cd积累作用相对较弱品种(0.554 0)的0.877。据此分析，相比于Cd从根部向茎叶的转移能力(TF茎叶/根)，Cd从茎叶向籽粒转移的能力(TF籽粒/茎叶)较弱。此外，Cd从根系进入籽粒的过程中，Cd积累作用相对较弱和较强的品种主要区别在于Cd从茎叶向籽粒中转移的能力(TF籽粒/茎叶)。

表3 玉米不同部位Cd转运系数

BCF籽粒表示籽粒对Cd的富集能力，BCF茎叶则代表茎叶对Cd的富集能力。由图2可知，2类玉米品种不同部位的富集系数均表现为BCF茎叶>BCF籽粒。Cd积累作用相对较弱的玉米品种平均BCF籽粒为0.007 1，其中，济单7号和农华101的最低，分别为0.004 6和0.005 0；Cd积累作用相对较强的玉米品种平均BCF籽粒为0.022 6，是Cd积累作用相对较弱品种的3.18倍，Cd积累作用相对较强的玉米品种，其籽粒更易富集Cd。Cd积累作用相对较强的玉米品种平均BCF茎叶为1.198，是Cd积累作用相对较弱品种(1.333)的0.90倍。可见，玉米对Cd富集能力的差异在于籽粒对Cd富集能力的强弱程度。

图2 不同玉米品种籽粒与茎叶的Cd富集系数

3 结论与讨论

本研究供试25个玉米品种中，21个品种的籽粒Cd含量符合GB 2715—2005《粮食卫生标准》(≤0.1 mg/kg)，但其中只有8个品种符合NY 861—2004《粮食限量标准》(≤0.05 mg/kg)，分别是济单7号、农华101、郑单136、郑韩358、郑单958、蠡玉37、蠡玉13、先玉335。这些品种由根系向籽粒的Cd转运系数平均为0.002 9，籽粒Cd富集系数平均为0.007 1，远小于1。

重金属在植物体内富集经过3个过程：(1)重金属从土壤进入植物根部；(2)借助木质部从根部到茎部，即本研究中TF(茎叶/根)；(3)从茎到籽粒[13]，即本研究中TF(籽粒/茎叶)。笔者发现，污染耕地中Cd积累作用相对较弱与相对较强的玉米品种对Cd的吸收差异主要在于后面2个过程。Florijn等[14]研究证明，Cd在植物体内主要以自由离子形式在木质部流液中运输。另外，重金属向地上部运输还受蒸腾作用的影响，研究认为，蒸腾作用越强，重金属向茎叶中运输的越多[15]。不同基因型玉米的凯氏带结构及木质部、韧皮部内部化合物种类和含量不同，造成蒸腾作用存在差异，这些差异导致不同玉米品种对重金属的吸收存在显著差异，为筛选重金属低积累玉米品种提供了理论基础。

受重金属胁迫时，作物的耐性必然受体内重金属不同化学形态含量及体内重金属亚细胞分布的影响。研究发现，玉米Cd积累的品种差异可能与其体内Cd的化学形态、亚细胞形态分布差异有关[16]。高积累Cd水稻品种体内的可溶性Cd含量显著高于低Cd品种，乙醇提取态和去离子水提取态Cd含量所占比例同样高于低Cd水稻品种[17]。受Cd胁迫时，Cd敏感型大麦中的Cd主要分布在叶绿体等细胞器中，其含量明显高于耐Cd型大麦品种，且体内的活性态Cd含量同样高于耐Cd型品种[18]。因此，今后可进一步研究不同Cd吸收类型玉米品种体内Cd化学形态及亚细胞分布的差异，为Cd低积累品种的筛选提供进一步的理论基础。

关于低积累、低吸收重金属的农作物品种筛选，国内外已经做了较为广泛的研究[19]，但低积累品种没有详细的统一标准，任何标准其最重要的特征均是植物可食部位的重金属含量符合安全标准。刘维涛等[20]对低积累重金属的植物概括得比较全面，认为理想的低积累重金属的植物应同时具备4个特征：(1)植物地上部和根部重金属积累很低或可食部位低于有关标准；(2)植物尤其是可食部位对重金属的富集系数<1；(3)重金属由根系向茎叶的转运系数<1；(4)在较高的重金属污染下能够正常生长且生物量无明显下降。这一观点，从作物品种对重金属的吸收累积能力、可食部位重金属积累以及作物产量多个方面进行划分，比较全面详细，但在实际工作中，所需测定数据量大、耗费时间长。且通过本研究发现，所选25个玉米品种的籽粒Cd富集系数和Cd从根系向茎叶的转移系数均小于1，因此关于对重金属转运系数、富集系数小于1的划分标准较为宽松。笔者认为，具有重金属低积累特性的玉米品种应具备可食部位重金属含量低于有关标准，产量没有明显减少，转运系数、富集系数还应通过大量的试验数据进行研究确定。

总体而言，本研究中参试玉米品种不同器官Cd含量由高到低依次均为根、茎叶、籽粒，籽粒Cd富集系数均小于1，不同玉米品种对Cd的吸收差异较大。Cd积累作用较强和较弱的2类品种主要区别在于Cd从茎叶向籽粒中转移的能力，本研究中济单7号和农华101具有成为Cd低积累特性品种的潜力。

[1] 环境保护部,国土资源部.全国土壤污染状况调查公报[EB/OL].(2014-04-17)[2017-01-02].http://www.mep.gov.cn/gkml/hbb/qt/t20140417_270670.htm.

[2] 崔岩山,陈晓晨.土壤中镉的生物可给性及其对人体的健康风险评估[J].环境科学,2010,31(2):403-408.

[3] Yan Y F,Choi D H,Kim D S,etal.Genotypic variation of vadmium accumulation and distribution in rice[J].Journal of Crop Science and Biotechnology,2010,13(2):69-73.

[4] 李月芳,刘领,陈欣,等.模拟铅胁迫下玉米不同基因型生长与铅积累及各器官间分配规律[J].农业环境科学学报,2010,29(12):2260-2267.

[5] 郭晓方,卫泽斌,丘锦荣,等.玉米对重金属累积与转运的品种间差异[J].生态与农村环境学报,2010,26(4):367-371.

[6] Arao T,Ae N.Genotypic variations in cadmium levels of rice grain[J].Soil Science and Plant Nutrition,2003,49(4):473-479.

[7] Liu J G,Qian M,Cai G L,etal.Uptake and translocation of Cd in different rice cultivars and the relation with Cd accumulation in rice grain[J].Journal of Hazardous Materials,2007,143(2):443-447.

[8] Zeng F R,Mao Y,Cheng W D,etal.Genotypic and environmental variation in chromium,cadmium and lead concentrations in rice[J].Environmental Pollution,2008,153:309-314.

[9] 高巍，耿月华，赵鹏，等.不同小麦品种对重金属镉吸收及转运的差异研究[J].天津农业科学,2014,20(10):55-59.

[10] Liu W T,Zhou Q X,Sun Y E,etal.Identification of chinese cabbage genotypes with low cadmium accumulation for food safety[J].Environmental Pollution,2009,157(6):1961-1967.

[11] 中国环境保护总局,中国环境监测总站.土壤污染与人体健康[M].北京:中国环境科学出版社,1990:366.

[12] 聂发辉.关于超富集植物的新理解[J].生态环境,2005,14(1):136-138.

[13] Clemens S,Palmgren M G Kramer U.A long way ahead:Understanding and engineering plant metal accumulation[J].Trends in Plant Science,2002，7:309-315.

[14] Florijn P J,Nelemans J A,Van Beusichem M L.The influence of the form of nitrogen nutrition on uptake and distribution of cadmium in lettuce varieties[J].Journal of Plant Nutrition,1992,15(11):2405-2416.

[15] 张玉秀,于飞,张媛雅,等.植物对重金属镉的吸收转运和累积机制[J].中国生态农业学报,2008,16(5):1317-1321.

[16] Vatehova Z,Malovikova A,Kollarova K,etal.Impact of cadmium stress on two maize hybrids[J].Plant Physiology and Biochemistry,2016,108(11):90-98.

[17] 于辉,杨中艺,杨知建,等.不同类型镉积累水稻细胞镉化学形态及亚细胞和分子分布[J].应用生态学报,2008,19(10):2221-2226.

[18] Wu F B,Dong J,Qian Q Q,etal.Subcellular distribution and chemical form of Cd and Cd-Zn interaction in different barley genotypes[J].Chemosphere,2005,60(10):1437-1446.

[19] Murakami M,Ae N,Ishikawa S.Phytoextraction of cadmium by rice(OryzasativaL.),soybean(Glycinemax(L.) Merr.),and maize(ZeamaysL.)[J].Environmental Pollution,2007,145(1):96-103.

[20] 刘维涛,周启星,孙约兵,等.大白菜对铅积累与转运的品种差异研究[J].中国环境科学,2009,29(1):63-67.

Study on the Differences in Cadmium Accumulation and Transport among Maize Cultivars

ZHANG Biao1,DUAN Enzhong2,SHI Zhenya1,CHENG Haikuan1,ZHOU Zhiyun1,ZHOU Zhen1,SUN Xiaoxue1,MIAO Lijuan3,YANG Suqin1*

(1.College of Resources and Environment,Henan Agricultural University,Zhengzhou 450002,China;2.Zhumadian Rural Energy Environmental Protection Station,Zhumadian 463000,China;3.Industrial Crops Research Institute,Henan Academy of Agricultural Sciences,Zhengzhou 450002,China)

Field experiment in cadmium(Cd) polluted farmland was conducted to study differences in Cd transportation and accumulation among cultivars by using twenty-five maize cultivars.The results showed that twenty-one cultivars of grain Cd content could meet the hygienic standard for grains GB 2715—2005(0.1 mg/kg or less),but only eight cultivars(Jidan 7 and Nonghua 101,Zhengdan 136,Zhenghan 358,Zhengdan 958,Liyu 37,Liyu 13,Xianyu 335) could reach the hygienic limit standard for grains NY 861—2004(0.05 mg/kg or less).The contents of the Cd for different maize organs in descending order were the root,the stem leaf,and the grain.Further study on the transportation and accumulation of heavy metal confirmed that the differences among cultivars in grain Cd content mainly depended on the Cd transfer capacity from the stem leaf to the grain.These eight cultivars had an average transport coefficient from root to seed of 0.002 9 and enrichment coefficient for seed of 0.007 1.Among them,Jidan 7 and Nonghua 101 have low-accumulation characteristics.

maize; Cd; low accumulation; uptake; transport

2017-02-07

河南省科技攻关计划项目(162102110127)；国家自然科学基金项目(41571320)；河南农业大学科技创新基金项目(KJCX2016A15)

张 彪(1984-)，男，河南焦作人，讲师，博士，主要从事土壤污染修复研究。E-mail:zhangbiao6136@163.com

*通讯作者：杨素勤(1962-)，女，河南郑州人，教授，本科，主要从事农田重金属污染防控与修复研究。 E-mail:yang_suqin@126.com

S513

： A

： 1004-3268(2017)09-0025-05