四川推广小麦品种在镉胁迫下籽粒镉积累和生长响应

2018-10-19杨玉敏陈春秀雷建容秦鱼生阳路芳邓光敏陈一兵

西南农业学报 2018年9期

杨玉敏，陈春秀，雷建容，肖春，喻华，秦鱼生，阳路芳，邓光敏，陈一兵*

(1. 四川省农业科学院土壤肥料研究所，四川成都 610066;2.农业部西南地区小麦生物学与遗传育种重点实验室，四川成都 610066;3.农业部西南山地农业环境重点实验室，四川成都 610066)

【研究意义】严重的镉污染严重影响小麦品质和小麦安全生产，利用小麦基因型差异导致籽粒镉积累和迁移差异，筛选籽粒低镉积累小麦品种进行推广或进一步选育新品种，为小麦安全生产提供材料基础和理论依据。【前人研究进展】据2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示，覆盖630万km2的全部耕地，部分林地、草地、未利用地和建设用地的全国土壤污染调查结果显示，镉污染点位超标7.0 %，是目前土壤最主要的污染物之一，位居所调查无机污染物之首。耕地超标较严重，耕地土壤点位超标率为19.4 %。西南地区重金属超标范围较大，镉污染从西北到东南、从东北到西南呈逐渐升高的态势[1]。目前镉污染成了威胁我国粮食安全和人类健康最重要的无机污染物之一。镉作为植物非必需且有害的元素，超量会影响植物生长，导致粮食作物减产甚至死亡，也会影响养分的吸收积累和品质下降，以及蛋白质、糖等的代谢紊乱等等[2-8]。同时，镉通过食物链或其他方式进入人体，导致癌症、畸形及突变，严重影响人类健康。大量研究表明，作物对镉的迁移积累存在明显的基因型差异[7-12]，为作物籽粒低镉含量材料的筛选奠定了理论基础，也为解决镉污染带来的粮食安全问题提供了一条经济、有效的途径。【本研究切入点】小麦是我国最重要的粮食作物之一，四川地区镉轻度污染面积较广，解决好轻度镉污染土壤下小麦的安全生产意义重大。【拟解决的关键问题】针对目前镉污染的现状，选择了2个镉污染程度不同的地点开展四川主要推广小麦品种的籽粒镉含量差异研究，以期筛选出籽粒低镉含量的小麦品种推广种植或进一步选育新品种。

1 材料与方法

1.1 试验材料

近年四川审定或推广的40个小麦品种为供试材料，编号为CD-1至CD-40。供试材料由四川省农业科学院、四川农业大学、绵阳市农业科学研究院、内江市农业科学院、中国科学院成都生物研究所提供。

1.2 试验设计

试验于2015-2016年在四川省绵竹市镉污染程度不同的广济镇和兴隆镇2个地点实施。广济镇镉含量为0.34 mg/kg，有效镉含量为0.17 mg/kg；兴隆镇镉含量为0.66 mg/kg，有效镉含量为0.24 mg/kg。两块试验地具体土壤理化性质见表1。2个试验点的田间试验采用随机区组设计，每份材料每个处理设置3次重复。每个小区面积为10 m2(5 m×2 m)。播种量为180 kg/hm2，播种行距为20 cm，人工条播。施肥量按N 150 kg/hm2，P2O575 kg/hm2和K2O 105 kg/hm2标准施用。磷肥和钾肥以底肥形式一次性施入，氮肥基肥使用70 %，追肥30 %(分蘖期追施)。全生育期其他管理保持一致。

1.3 数据收集与分析

收获时调查2个试验点不同小麦品种的农艺性状，包括株高、穗长、小穗数、千粒重、穗粒重、单穗秸秆重、有效穗和单位面积产量。收集小麦籽粒样品，65 ℃烘干，粉碎过0.3 mm 筛后待测。籽粒镉含量检测采用国家标准方法GB 5009.15-2014(食品中镉的测定)的HNO3-HClO4湿消化法，待测液镉含量用德国耶拿ContrAA300型火焰原子吸收光谱仪测定，以国家标准物质 GBW10010 (GSB-1)和GBW10011(GSB-2)控制分析质量。

数据统计分析与作图采用Excel和SPSS17.0完成。

2 结果与分析

2.1 不同镉污染土壤对不同小麦品种籽粒镉含量影响

以四川近年审定40个小麦品种为研究对象，在德阳绵竹的兴隆镇(pH为5.99，镉含量为0.66 mg/kg，有效镉含量为0.24 mg/kg)和广济镇(pH 6.03，镉含量为0.34 mg/kg，有效镉含量为0.17 mg/kg)开展了小麦籽粒镉含量差异评价和籽粒低镉含量品种的筛选。

通过试验发现，不同小麦品种在不同镉污染土壤中小麦籽粒镉含量差异很大。在较低镉浓度的广济，小麦籽粒镉含量为0.05～0.45 mg/kg，平均值为0.19 mg/kg；在较高镉浓度的兴隆，小麦籽粒镉含量为0.03～0.30 mg/kg，平均值为0.16 mg/kg。

表1 验地的土壤理化性质

表2 广济和兴隆农艺性状比较

土壤中镉含量不同导致小麦籽粒镉含量差异较大。由图1可知，广济试验地土壤镉含量相对较低，但其小麦籽粒镉含量分布范围较广，从0.05～0.45 mg/kg均有分布，82.50 %的材料(33份材料)镉含量集中在0.10～0.30 mg/kg(47.50 %集中在0.10～0.20 mg/kg，35.00 %的材料集中在0.20～0.30 mg/kg)，小于0.10 mg/kg的材料占12.50 %，大于0.30 mg/kg的材料占5.00 %。兴隆试验地土壤镉含量相对较高，其镉含量分布范围相对较窄，65.00 %的材料集中在0.10～0.20 mg/kg，22.50 %集中在0.20～0.30 mg/kg，小于0.10 mg/kg的占12.50 %，大于0.30 mg/kg的无。由此可看出，在镉污染的土壤上绝大多数小麦品种小麦籽粒镉含量超标，本研究中广济和兴隆小麦品种超标率为87.50 %。

由此可知，不同小麦品种、土壤镉浓度、整体的试验环境(土壤、气候等)以及品种×环境的互作对不同小麦品种籽粒镉含量影响都很显著，籽粒镉含量的多少是受多效基因控制的数量性状，且环境因素对小麦籽粒镉含量的影响非常大。

图1 镉胁迫不同的土壤对小麦籽粒镉含量分布频率的影响Fig.1 The distribution frequency of different wheat cultivars with different cadmium content in Guangji and Xinglong

2.2 不同镉胁迫对不同小麦品种生长的影响

由表2可知，不同小麦品种农艺性状差异显著，不同农艺性状对镉胁迫的响应也不尽相同。镉浓度较低的广济和镉浓度较高的兴隆两个地方，40个小麦品种的株高、千粒重、有效穗和产量变幅较大，广济极差分别为21.6、17.30、372.69和8802.30，兴隆的极差分别为18.5、18.07、218.59和8844.75。同时，也可发现穗长、小穗数、穗粒重、单穗秸秆重的变幅相对较小，广济极差分别为4.2、4.8、0.85和0.81，兴隆的极差分别为4.3、5.7、1.1和0.78。由这些性状的数据可看出，不同小麦品种的农艺性状主要受自身基因的控制，受环境影响相对较小。

不同小麦品种在镉污染不同的两个地方生长农艺性状差异比较见表2。由表2数据看出，镉胁迫对小麦品种的不同农艺性状影响不同。不同镉胁迫对小麦株高、穗粒重和单穗秸秆重影响差异不显著，在镉污染不同的广济和兴隆2个试验地，40个小麦品种的株高最大值、最小值和平均值，以及2个地方最大值、最小值和平均值的变化值差异都不显著。较低镉浓度的广济和较高浓度的兴隆两地，40个小麦品种穗长、小穗数、千粒重、有效穗和产量差异显著，变化趋势也各不相同。穗长、小穗数和千粒重随着土壤镉浓度的增加，农艺性状变差；有效穗和产量随镉浓度的增加而增加。广济土壤中镉含量低于兴隆土壤中镉含量，但兴隆单位面积小麦产量高于广济单位面积小麦产量，产量产生差异的主要原因是单位面积有效穗差异显著。

2.3 不同小麦品种的迁移积累

积累系数(Phyto-accumulation factor，PAF)反映土壤-作物-人类特定污染物迁移积累的程度，为某部位污染物的浓度除以土壤中相应的全量污染物即得PAF值。本试验研究了不同小麦品种在不同镉污染下小麦籽粒镉积累系数。由表3可知，广济和兴隆两试验地的小麦籽粒镉迁移积累系数存在差异，镉含量低的广济小麦籽粒镉迁移积累系数的最大值、最小值和平均值均高于兴隆的。广济镉迁移积累系数最大值、最小值和平均值分别为1.32、0.15和0.57，兴隆的镉迁移积累系数最大值、最小值和平均值分别为0.45、0.04和0.25。由此可看出，镉污染较轻的广济小麦籽粒镉迁移积累系数反而高于镉污染较重的兴隆，也就是说，镉浓度较低的土壤虽然镉浓度较低，但转移到小麦籽粒中镉所占的比例较高。

广济和兴隆两个镉浓度不同的试验地，小麦籽粒镉积累迁移的系数分布差异很大。镉浓度较低的广济小麦镉积累迁移的系数分布更广，籽粒镉迁移积累系数为0.15～1.32，0.10～1.32，分布较分散，没有特别集中区域，材料在不同区域分布的比例为3.66 %～17.07 %，迁移积累系数在0.50～0.60有一个峰值，集中在此范围的材料所占比例为17.07 %。镉浓度较高的兴隆，小麦籽粒镉迁移积累系数较集中，主要集中在0.20～0.30，此范围材料占44.44 %，镉迁移积累系数在0.10～0.40间的小麦品种占总试验材料的93.33 %。由此可知，不同小麦品种籽粒镉迁移积累系数差异显著，为小麦籽粒低镉含量的品种筛选提供了理论基础。同时，土壤环境中的镉浓度越高，小麦籽粒中镉迁移积累系数越低。

2.4 籽粒低镉含量小麦品种的筛选

同一小麦品种在不同镉浓度的土壤环境下籽粒镉含量和镉迁移积累系数差异显著(表4)。小麦籽粒镉含量一般随土壤镉含量的增加而增加，本试验所用材料有42.86 %满足此规律，同时还有57.14 %的材料在广济籽粒镉含量高于兴隆籽粒镉含量，即57.14 %的材料随土壤中镉含量的升高而籽粒镉含量降低。籽粒镉迁移系数一般随着土壤镉含量的增加而迁移系数降低，本试验中有88.57 %的试验材料满足此规律，另外11.43 %的试验材料的籽粒镉迁移系数随土壤镉含量的增加而镉迁移系数升高。比较不同材料在不同镉污染环境下小麦籽粒积累和迁移情况发现，不同土壤镉浓度下籽粒镉含量都较少的材料有CD-39、CD-37、CD-22、CD-25和CD-35，这些材料可作为籽粒低镉含量的小麦品种进行推广或用于进一步的遗传改良，解决目前镉污染导致的粮食安全问题。

表3 广济和兴隆镉迁移系数

表4同一材料不同地方镉含量和镉迁移系数变化的样本分布频率

Table 4 The sample distribution frequency of cadmium content and cadmium phyto-accumulation factor of the same wheat cultivars in Guangji and Xinglong

广济-兴隆Guangji-Xinglong样本变化分布频率Distribution frequency of changed sample镉含量Cadmium content镉迁移系数Cadmium phyto-accumulation factor(-0.20)～(-0.10)11.43 0.00 (-0.10)～0.0031.43 11.43 0.00～0.1048.57 25.71 0.10～0.208.57 5.71 0.20～0.300.00 17.14 0.30～0.400.00 8.57 0.40～0.500.00 20.00 0.50～0.600.00 11.43

3 讨论

小麦籽粒镉含量一般随土壤中镉含量的增加而增加。杨玉敏等[10]对102份不同基因型小麦材料的盆栽试验研究发现，小麦籽粒镉含量与基因型有很大关系，不同基因型小麦在不同镉浓度下籽粒镉含量差异显著，籽粒镉含量与土壤中镉含量呈显著正相关，籽粒镉积累系数与土壤镉含量呈负相关。本研究通过田间试验比较相同小麦品种在两块镉含量不同试验地籽粒镉含量，发现在镉含量较低土壤环境下小麦籽粒镉含量平均值(广济的籽粒镉含量平均值为0.19 mg/kg)反而高于土壤镉含量较高的籽粒镉含量的平均值(兴隆籽粒镉积累平均值为0.16 mg/kg)的；试验中42.86 %材料随土壤镉浓度的增加小麦籽粒镉含量增加，57.14 %的材料随土壤中镉含量的升高而籽粒镉含量降低。产生此现象的原因可能与试验材料有关，也可能与土壤环境有关。本研究土壤环境相对复杂，两个试验地点的土壤环境除镉含量不同外，土壤小气候以及土壤本身除镉外的其他环境也存在差异。土壤镉迁移积累与很多因素有关，土壤有机质、质地、pH等因素都会影响镉在作物体内的迁移积累[13-15]。

不同基因型的小麦品种对镉的吸收、积累存在很强的基因型差异，这在很多研究中得到证实[7-12]。本研究也得出了相同的结论。人工选择影响小麦品种的培育、驯化以及对逆境的适应。即使相同环境，籽粒低镉含量控制基因表现可能存在一定的适用范围，籽粒低镉含量小麦品种不是绝对的低镉。肖亚涛等[16]将汽油桶埋入田间微区模拟大田研究2个筛选出的籽粒高镉含量小麦和2个籽粒低镉含量小麦的镉含量差异时发现，籽粒低镉含量的品种在镉浓度为81.64 mg/kg 时，其籽粒镉含量反而超过了籽粒高镉含量小麦品种。杨玉敏等[10]也发现同一基因型小麦在不同浓度镉土壤中迁移程度差异很大，导致筛选在任何镉浓度都低镉含量的材料增加了难度。本研究也发现小麦品种籽粒镉含量的高低不是绝对的，随着试验环境的变化，不同小麦品种籽粒镉含量的变化程度会存在很大差异。

镉影响小麦生长，一般作物生长随镉胁迫程度的加强而显著降低。但具体到不同研究环境，研究结果不尽相同。杨玉敏等[17]通过盆栽试验发现镉浓度与小麦产量及其构成因子呈负相关，影响的程度为：产量>千粒重>穗粒数>有效分蘖>小穗数。产量对镉胁迫响应敏感，随镉浓度增加产量极显著降低，小穗数、穗粒数和千粒重随镉浓度增加逐渐降低。本研究发现穗长、小穗数和千粒重随土壤镉浓度的增加呈下降趋势，有效穗和产量穗着镉浓度增加反而有增加趋势。作物的生长受很多因素的影响，因试验条件的不同导致试验结果又差异甚至矛盾。

作物籽粒镉含量产生差异的原因很复杂，作物对镉吸收积累转移过程复杂，受到影响的因素也很多。前人通过对水稻籽粒镉积累研究发现其基本过程主要包括[18-24]：①根系对镉的活化和吸收：水稻根系吸收土壤中的镉，可以通过质外体途径(镉离子利用细胞的细胞壁、细胞间隙、胞间层以及导管空腔内外浓度差通过扩散进入细胞后，经质外空间转移至维管柱内)和共质体途径(镉离子主要利用载体蛋白在细胞内原生质流动并借助代谢能量转运到根系细胞内，之后利用胞间连丝的细胞质通道转移至根系维管柱)进入根系维管柱中。②木质部的装载和运输：镉离子从根系转移到地上部分，首先液泡膜上的转运蛋白将镉离子装载到木质部导管中，完成木质部装载；然后，镉离子受蒸腾作用和根压在导管中运输。③韧皮部向籽粒的转移：90 %的镉通过韧皮部进入水稻籽粒，一部分镉经木质部装载和运输后直接累积到稻穗，还有一部分在抽穗前运至水稻叶片后，再经重新活化后转运至穗颈韧皮部，在成熟阶段累积到水稻籽粒。黄志熊等[25]认为OsPCR1基因可能参与调控水稻体内镉的积累，siRNA的丰度和OsPCR1基因表达水平呈负相关，siRNA和OsPCR1基因外显子2甲基化可能参与调控OsPCR1基因的表达。植物体内的金属硫蛋白OsMT1、富含半胱氨酸多肽基因OsDCT1和螯合肽基因OsPCs等镉螯合蛋白基因参与了镉的螯合和转移，对镉含量影响很大[26-27]。液泡膜上的转运蛋白OsHMA3可通过隔离镉减少镉向籽粒中积累[28]。水稻籽粒镉积累的基因型差异来源于韧皮部，且在韧皮部质膜上鉴定出一个低亲和的阳离子镉转运蛋白OsLCT1[29-30]。关于小麦籽粒镉积累机制研究的报道资料较少，它是否与水稻籽粒镉积累的机理相同需要进一步证实。