施硒对冬小麦镉吸收、迁移及分配的影响

2019-07-17秦晓明聂兆君刘红恩秦世玉张胜男

西北农业学报 2019年6期

秦晓明，聂兆君，刘红恩，赵鹏，秦世玉，高巍，张胜男

(1.河南农业大学资源与环境学院，郑州 450002；2.河南省土壤污染防控与修复重点实验室，郑州 450002)

镉(Cd)是农业土壤中危害最大和普遍存在的重金属之一[1-2]。镉不是植物必需的营养元素，但该元素会在植物中广泛积累，并对植物产生有害影响，如可使光合作用减弱，必需元素浓度降低而抑制生长，甚至导致植物死亡[3]。同时，镉可通过食物链传递并富集于人体，长期摄入镉会导致人泌尿系统功能的损伤，影响骨骼的发育，并引发多种疾病[4-6]。土壤镉污染问题越来越引起人们的广泛关注。为了减少作物和土壤中重金属的积累，降低其在土壤中的有效性，研究者已进行许多相关研究。例如，添加土壤改良剂降低玉米和小麦对镉等重金属的吸收[7-8]，添加硅抑制细胞中镉离子的吸收[9]，用多孔水合硅酸钙有效降低镉污染土壤中的镉[10]。

硒(Se)作为人体和动物生命中必需的微量元素之一，对促进生物体内抗氧化与免疫系统的形成发挥着至关重要的作用[11]。人体硒缺乏，不但影响身体健康，甚至可导致超过40种疾病[12]。相关研究表明，中国仍有超过2/3的地区处于缺硒状态，硒摄入量不足严重影响人们的身体健康[12]。人体所需的硒主要来自于食物，在吸收利用效率与安全性方面，植物性硒源高于动物性硒源[13]，因此，通过土壤施硒来提高作物中的硒含量是人体补充硒的主要途径[14]。适量硒可促进作物生长，提高作物产量，但过量硒则会对作物产生毒害作用[15-16]。硒对植物的有益作用之一是可以缓解非生物(例如盐和重金属毒害)和生物(如植物病虫害或衰老)胁迫[3]。适宜浓度的硒能够提高植物抗氧化胁迫能力，增加光合作用，缓解重金属毒害等[17]。研究表明，植物体内的硒与镉表现为拮抗作用，硒能抑制植物对镉的吸收，进而缓解镉对植物的毒害效应[18]。Cary[19]报道施硒能降低小麦中镉含量。Shanker等[20]和谭周磁等[21]研究发现，菜豆和稻米中镉等重金属含量可随施硒量的增加而降低。小麦是中国重要的粮食作物，也是人体安全补硒的重要途径，但国内有关硒处理缓解小麦镉毒害的相关研究仍十分有限，尤其对石灰性土壤冬小麦的研究，因此研究重金属污染土壤中安全农业生产具有重要意义。

本试验通过研究施硒对冬小麦镉吸收、迁移及分配的影响，探讨施硒降低冬小麦中镉质量分数及限制其向籽粒转运的可行性，以期为污染土壤中小麦合理施用硒肥提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016年10月至2017年6月在河南农业大学科教园区进行，供试土壤为壤质潮土，其基本理化性状如下：速效磷5.20 mg·kg-1，速效钾39.0 mg·kg-1，碱解氮23.6 mg·kg-1，有机质6.18 g·kg-1，pH 7.92，有效硒0.005 mg·kg-1，全硒0.178 mg·kg-1，全镉0.103 mg·kg-1。

1.2 试验设计

供试小麦品种为‘郑麦379’。采用盆栽试验，设置镉0 mg·kg-1(Cd0)、1.5 mg·kg-1(Cd1.5)、6 mg·kg-1(Cd6)3个水平和硒 0 mg·kg-1(Se0)、0.5 mg·kg-1(Se0.5)、 5 mg·kg-1(Se5)3个水平[22]。采用3×3完全交互设计，共9个处理，分别为：Cd0Se0、Cd0Se0.5、Cd0Se5、Cd1.5Se0、Cd1.5Se0.5、Cd1.5Se5、Cd6Se0、Cd6Se0.5、Cd6Se5，每处理3次重复，共计27盆。

试验以CdCl2·2 1/2H2O为镉源，Na2SeO3·5H2O为硒源。于2016-09-15进行镉的老化，以水溶液形式均匀浇入土壤中，老化时间为30 d，期间保持土壤含水量60%左右。基肥用量为N 0.2 g·kg-1、P2O50.15 g·kg-1和K2O 0.2 g·kg-1，分别以尿素、磷酸二氢钾和氯化钾作为肥源(试剂皆为分析纯)，Se与基肥以水溶液形式于2016-10-01均匀施于土壤中，于2017-03-15(拔节期)追施尿素每盆1 g。

小麦盆栽试验采用聚乙烯塑料盆，直径310 mm，深度200 mm，每盆装土8.0 kg。于2016-10-15播种，每盆播种12棵，出苗后每盆匀苗至6棵。盆栽上边加盖透明防雨棚，防止雨水污染，小麦生长期间保持田间持水量为60%～70%，盆栽位置进行随机排列和局部控制，并且定期调换位置，植株长高后搭支架，以防倒伏，防止鸟鼠患害，收获期防止落粒。

2017-05-25收获小麦样品，完全破坏式采样，分籽粒、颖壳、茎叶、根四部分，并进行考种，籽粒、颖壳、茎叶、根部位60 ℃烘干、称量、粉碎，装入自封袋以备后续测样。

1.3 测定项目与方法

产量及产量构成要素测定：记录每盆小麦的所有麦穗数量，为每盆穗数；从每盆小麦中随机选取10个麦穗，记录每个麦穗上的籽粒数，最后取平均数，记录为每盆穗粒数；小麦烘干脱粒后，从所有籽粒中随机数取1 000粒，称量记录，为每盆千粒质量；小麦烘干脱粒后，称取每盆所有籽粒质量，为每盆产量。

硒、镉质量分数测定：称取准备好的小麦样品0.50 g于100 mL三角瓶中，加入10 mL硝酸∶高氯酸=4∶1(体积比)的酸液，过夜后置于电热板加热，温度调为180～200 ℃；待瓶内黄色褪去加入10 mL 1∶1(体积比)盐酸，继续加热至黄色消褪，用去离子水洗出消化液，过滤定容至25 mL，以原子吸收分光光度法和原子荧光光度法分别测定植株各部位中Cd和Se的质量分数[24]。使用从中国国家标准材料中心购买的认证标准参考材料检查Se和Cd测定的准确性。

指标计算公式为：颖壳-籽粒Cd迁移系数=籽粒Cd质量分数/颖壳Cd质量分数；茎秆-颖壳Cd迁移系数=颖壳Cd质量分数/茎秆Cd质量分数；根-茎秆Cd迁移系数=茎秆Cd质量分数/根Cd质量分数；Cd分配比例=每盆各部位Cd累积量/每盆Cd总累积量×100%。

1.4 数据处理

采用SAS 8.1对试验数据进行方差分析和F值检验,多重比较采用Duncan’s法(P< 0.05)，采用Sigmaplot 10.0作图。

2 结果与分析

2.1 施硒对镉胁迫下冬小麦产量及产量构成要素的影响

如表1所示，随着镉胁迫的增加，冬小麦穗数与产量皆呈下降趋势。在Se0处理下，与Cd0水平相比，Cd6水平下产量降幅最大，为49.4%；在Se0.5与Se5处理下，与Cd0水平相比，产量最大降幅分别为47.7%与36.6%。说明施硒可缓解镉胁迫造成的产量下降。

在Cd0水平下，Se0.5处理增加冬小麦穗数、千粒质量与产量。在Cd1.5水平下，与Se0处理相比，Se0.5处理增加冬小麦穗数与产量，产量增幅为14.4%。在Cd6水平下，与Se0处理相比，施硒均增加了冬小麦穗数与产量，其中Se5处理对产量的增幅为33.8%。

2.2 施硒对冬小麦各部位镉质量分数的影响

如图1所示，不论施硒与否，随着镉胁迫的增加，冬小麦各部位中镉质量分数皆呈增加趋势。Cd6与Cd1.5水平相比，籽粒、颖壳、茎秆中镉质量分数在3个Se处理(Se0、Se0.5、Se5)下增幅均呈下降趋势，这说明施硒可以降低小麦籽粒、颖壳、茎秆中的镉质量分数。Cd6与Cd1.5水平相比，根中镉质量分数在3个Se处理(Se0、Se0.5、Se5)下增幅分别为2.6倍、4.3倍和2.6倍。

在Cd1.5水平下，随着施硒水平的增加，冬小麦籽粒、颖壳、茎秆和根中镉质量分数皆呈先增加后降低趋势。在Cd6水平下，籽粒、颖壳和根中镉质量分数随施硒量的增加呈先增加后降低。其中，与Se0处理相比，Se5处理下籽粒、颖壳和茎秆镉质量分数降低，降幅分别为42.0%、35.3%、67.7%。

表1 不同施硒量对镉污染下冬小麦产量与产量构成要素的影响Table 1 Effects of Se application on grain yield and yield components of winter wheat under Cd stress

注：同列不同字母表示同一Cd处理间差异显著(P<0.05)。

Note:Different letters indicate significant difference among different Se levels at the same Cd levels (P<0.05).

不同字母表示同一Cd处理间差异显著(P<0.05) Different letters indicate significant difference among the same Cd treatments (P<0.05)

图1 不同施硒量对冬小麦各部位镉质量分数的影响
Fig.1 Effects Se application on Cd mass fraction in different parts of winter wheat

2.3 施硒对冬小麦各部位硒质量分数的影响

如图2所示，不论镉胁迫与否，随着施硒量的增加，冬小麦各部位中硒质量分数呈增加趋势。在Se0.5水平下，随着镉胁迫的增加，冬小麦籽粒、茎秆与根中硒质量分数均呈先降低后增加趋势。在Se5水平下，冬小麦籽粒与颖壳中硒质量分数均随着镉胁迫的增加呈下降趋势；冬小麦茎秆中硒质量分数随着镉胁迫的增加呈增加趋势；冬小麦根中硒质量分数随着镉胁迫的增加呈先下降后增加趋势。说明施硒改变镉在冬小麦中的转运，施硒可能抑制镉从根或茎秆向颖壳与籽粒中的迁移。

图中不同字母表示同一Se处理间差异显著(P<0.05) Different letters above columns indicate significant difference among the same Se treatments (P<0.05)

图2 不同施硒量对冬小麦各部位硒质量分数的影响
Fig.2 Effects Se application on Se mass fraction in different parts of winter wheat

2.4 施硒对冬小麦镉迁移系数的影响

如图3所示，在同一施硒处理下，Cd6相对于Cd1.5水平均增加了颖壳到籽粒、茎秆到颖壳的镉迁移系数，其中在Se5处理下茎秆到颖壳的镉迁移系数增加，增幅为17.5%；在同一施硒处理下，Cd6相对于Cd1.5水平均降低根到茎秆的镉迁移系数。

在Cd1.5水平下，随施硒量的增加，颖壳到籽粒、茎秆到颖壳的镉迁移系数均呈先降低后升高趋势，与Se0处理相比，Se0.5处理下降幅分别为14.3%、24.5%；随着施硒水平的增加，根到茎秆的镉迁移系数在Se0.5处理下达到最大。在Cd6水平下，随着施硒水平的增加，颖壳到籽粒、根到茎秆的镉迁移系数均呈下降趋势，与Se0处理相比，最大降幅分别为8.4%、68.4%；随着施硒水平的增加，茎秆到颖壳的镉迁移系数呈上升趋势，与Se0处理相比，最大增幅为103.0%，说明在Cd6水平下，施硒抑制冬小麦根对土壤中镉的吸收，并减少镉向籽粒中的转运。

2.5 施硒对冬小麦镉分配比例的影响

如图4所示，在Cd0水平下，施硒处理显著降低籽粒中镉分配比例，增加根中镉分配比例。Cd6相对于Cd1.5水平，籽粒和颖壳中镉分配比例在3个Se处理(Se0、Se0.5、Se5)下均呈下降趋势，其中籽粒中镉分配比例降幅呈降低趋势，颖壳中镉分配比例降幅呈增加趋势，说明施硒降低了籽粒中镉分配比例，增加颖壳中镉分配比例，可能是因为施硒抑制镉从颖壳向籽粒中的迁移。在Se0处理下，Cd6相对于Cd1.5水平，茎秆中镉分配比例增幅为18.4%；在Se0.5与Se5处理下，茎秆中镉分配比例降幅分别为30.8%和53.7%。说明施硒同样降低茎秆中镉分配比例，同理，这可能是施硒抑制镉从根向茎秆的迁移，或者促进镉从茎秆向颖壳的迁移所致。

在Cd1.5水平下，随着施硒水平的增加，籽粒和根中镉分配比例呈下降趋势，与Se0处理相比，籽粒中镉分配比例在Se0.5与Se5处理下降幅分别为29.0%、26.5%，根中镉分配比例在Se0.5与Se5处理下降幅分别为23.5%、2.02%；颖壳和茎秆中镉分配比例呈增加趋势，说明施硒抑制镉从颖壳向籽粒的迁移，以及降低根对土壤中镉的吸收。在Cd6水平下，随施硒水平的增加，籽粒和颖壳中镉分配比例呈先降低后增加趋势；茎秆中镉分配比例随施硒水平增加呈下降趋势，与Se0处理相比，Se0.5与Se5处理下降幅度分别为 19.4%、52.3%；根中镉分配比例随施硒水平增加呈增加趋势，与Se0处理相比，Se0.5与Se5处理下增幅分别为26.9%和51.7%。

不同字母表示同一Cd处理间差异显著(P<0.05) Different letters indicate significant difference among the same Cd treatments (P<0.05)

图3 不同施硒量对冬小麦镉迁移系数的影响
Fig.3 Effects Se application on Cd migration rate in different parts of winter wheat

图4 不同施硒量对冬小麦镉分配比例的影响Fig.4 Effects Se application on distribution ratio of Cd in different parts of winter wheat

3 讨论

3.1 施硒对镉污染条件下冬小麦产量及产量构成要素的影响

本研究结果表明，Cd胁迫降低冬小麦产量(表1)，穗数和穗粒数均有不同程度下降，这与Huang等[25]的研究结果相似。这可能是由于Cd胁迫引起冬小麦光合速率、细胞间CO2浓度以及蒸腾速率的下降，抑制根的生长发育所致[26]。

在Cd1.5水平下，Se5处理降低冬小麦产量。而Liao等[27]研究结果表明，当在较低镉污染土壤中添加0.1和1 mg·kg-1硒时，水稻产量分别降低12.8%和9.2%，但5 mg·kg-1的施硒处理则产量增加。施硒降低作物产量，可能是因为在低镉胁迫下，施硒有效促进植株对镉的吸收，从而产生更大的毒害作用，其中施硒量的不同则可能是2种作物对硒、镉质量分数的响应机制不同所致，有待进一步探究。在Cd6水平下，施硒增加冬小麦产量，这与Zhang等[28]的研究结果一致，这表明外源硒的添加能缓解镉对冬小麦生长的不利影响，提高冬小麦的光合作用，增强光合系统的活性，从而增加冬小麦籽粒产量。

3.2 施硒对冬小麦镉吸收的影响

本试验结果表明，在6 mg·kg-1镉胁迫下，Se5处理显著降低冬小麦籽粒、颖壳及茎秆中镉质量分数(图1)，这与许多研究结果类似[25,29]。而在镉胁迫条件下，Se0.5处理则提高冬小麦籽粒、颖壳和根中镉质量分数。Feng等[3]研究结果表明，硒能够缓解或加剧水稻中镉毒害，这主要取决于硒和镉的剂量。Qin等[30]研究发现，低硒处理显著增加冬小麦幼苗的根长、根体积和根总表面积，从而增加冬小麦幼苗的镉累积量，对其镉含量无显著影响，在一定镉浓度下有增加趋势，较高硒处理则显著降低冬小麦地上部镉质量分数。Se0.5处理促进冬小麦中的镉质量分数，其原因可能是由于适宜的硒浓度促进植株根系发育，增强植株的光合作用，从而促进植株生长[27]，根长、根表面积增大，导致冬小麦根系与镉离子接触点增多，因此镉吸收量也随之增加。

在Cd6水平下，Se5处理显著降低冬小麦中镉质量分数，原因之一可能是亚硒酸盐在土壤中被还原为Se2-，进一步在根际形成Se-Cd复合物，植物无法吸收利用[31]。另一个原因为在一定范围内，硒可参与能量代谢、蛋白质代谢以及与其他元素的相互作用，从而缓解镉毒害[32]。因镉通过ZIP(锌/铁调节转运蛋白)或其他阳离子通道进入根细胞，而亚硒酸盐则通过磷酸盐转运蛋白、硅流入转运蛋白[33]以及水通道蛋白被植物根吸收[34]。理论上镉和硒在根表面没有竞争，因为它们通过不同的运输渠道被吸收，然而有研究表明，Zn2+和Fe2+可以通过与Cd2+竞争离子通道，从而降低植株对镉的吸收[35-36]，而施硒则可以促进植株对Zn2+和Fe2+的吸收[29]，故施硒可间接抑制植株对镉的吸收。

3.3 施硒对冬小麦镉迁移及分配的影响

本研究结果表明，在Cd6胁迫下，Se5处理较Se0处理显著降低镉从根到茎秆的迁移，显著增加镉从茎秆到颖壳的迁移(图3)。并且在Cd6胁迫下，随着施硒量的增加，冬小麦根中镉分配比例在逐渐增加(图4)。关于施硒显著降低镉从根到茎秆的迁移以及在增加镉在根中的分配比例，Liao等[27]和Wan等[31]研究也得到类似结果。可能是因为植物中控制矿物元素分布节点转运蛋白的影响，施硒增加该转运蛋白数量或者增强了其活性，从而减少有毒元素向作物中可食用部分的转移，将有毒元素积累在茎节间或根中[37]。据报道，镉可以通过质外体和共质体途径进入植物根细胞，植物再通过一些生理过程包括根系吸收和木质部运输等将镉运输到地上部[38]，在硒的施用下，共质体和质外体部分的镉组分(浓度和比例)会发生变化，从而影响镉从根部向地上部的运输[39]，将更多的镉积累在根中，减少对植物的毒害。为了防止镉在植物组织中的积累，植物可通过在根细胞的细胞质中产生镉螯合物和在液泡中螯合镉螯合物来限制镉从共质体向木质部的运输[40]。这些研究结果都表明硒减少镉从根部向茎秆的转移可能就是其减少植株镉积累的机制之一。而关于施硒显著增加镉从茎秆向颖壳的迁移，也许是因为施硒对茎秆中镉含量的影响大于对颖壳中镉含量的影响，也许是植物一些保护机制的原因，这有待进一步调查研究。