籽粒镉低积累小麦材料的筛选及稳定性分析

冯亚娟，黄议漫，余海英，张锡洲

(1.四川农业大学资源学院，四川成都 611130； 2.旺苍县农业农村局，四川旺苍 628200)

土壤镉(Cd)污染面积大，易对人类和动物的健康造成危害[1-2]。据统计，我国Cd污染土壤面积已达20万km2，且以中轻度Cd污染为主，并有逐渐恶化的趋势[3]。近年来，河南、北京、天津等地均发现了Cd污染小麦，部分农田上种植的“Cd麦”籽粒Cd含量甚至超过《国家食品卫生标准》(GB 2762-2017)的34.1倍[4-6]。据统计，Cd污染小麦及其衍生品占人体每日Cd污染品摄入量的43%[7]。因此，筛选并培育籽粒Cd低积累小麦材料是实现中轻度Cd污染农田小麦安全生产切实可行的办法[8]。

前人研究表明，不同小麦材料籽粒Cd积累差异较大[9]，小麦籽粒Cd积累除了受自身遗传特性影响外，还会受到环境因素的影响[10]。黄其颖[11]通过大田试验，发现243份小麦材料籽粒Cd积累差异较大，且籽粒Cd含量较低的基因型材料只占12.3%。陆美斌等[12]对8个省(市)采集的393份小麦样品的研究也得到了相似的结论。刘 克等[13]采用盆栽试验对全国14种典型小麦产区土壤种植的小麦籽粒Cd含量进行分析，发现同一材料籽粒Cd积累差异较大，说明土壤特性是影响籽粒Cd积累的重要因素。杨玉敏等[14]在四川绵竹兴隆镇和广济镇的大田筛选试验中发现，不同试验地中籽粒Cd低积累品种存在差异，且有42.86%的材料籽粒Cd含量随土壤Cd含量的增加而增加，57.14 %的材料籽粒Cd含量随土壤Cd含量的增加而降低。因此，小麦材料、试验条件以及材料和环境之间的相互作用均会影响小麦籽粒Cd的积累。

本课题组前期通过连续2年的大田试验，筛选到籽粒Cd低积累型小麦材料，但其籽粒Cd含量存在年际差异[15]，且由于籽粒Cd低积累型材料的筛选环境相对单一，不能较好地反映实际应用中材料-环境相互作用对小麦籽粒Cd积累的影响。因此，本研究以前期试验中籽粒Cd积累存在差异的30份小麦材料为研究对象，通过不同Cd浓度的盆栽试验和不同Cd污染程度的大田试验对其进行筛选和验证，以期筛选得到稳定的籽粒Cd低积累型小麦材料，为中轻度Cd污染农田的安全利用和小麦籽粒Cd安全品种的培育及遗传改良提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

30份小麦材料均由四川农业大学小麦研究所提供，材料编号及名称见表1。

表1 供试小麦材料编号及名称Table 1 Codes and names of the wheat materials

1.2 试验设计与处理

1.2.1 盆栽试验

试验设置Cd浓度分别为0(CK)、0.25(Cd 0.25)和0.50 mg·kg-1(Cd 0.50)3个处理，每个处理重复3次，共270盆，完全随机排列。供试土壤为灰潮土，采于都江堰市蒲阳镇双柏村，土壤基本理化性质为有机质36.34 g·kg-1，全氮 1.36 g·kg-1，碱解氮141.01 mg·kg-1，有效磷14.35 mg·kg-1，速效钾24.65 mg·kg-1，pH 7.21。供试土壤经自然风干、去除杂质、过筛、混匀后备用。每盆(12 L)装土12 kg(以风干土计)，Cd以CdCl2·2.5H2O(分析纯)溶液形式施入土壤，充分混匀后陈化4周待用。陈化后CK、Cd 0.25、Cd 0.50处理下的土壤全Cd含量分别为 0.29、0.56和0.85 mg·kg-1，有效Cd含量分别为0.09、0.21和0.35 mg·kg-1。

选取饱满的小麦种子，经10%过氧化氢溶液浸泡30 min后，用灭菌蒸馏水清洗3遍，移入铺有灭菌滤纸的培养皿中，在25 ℃无光照条件下培养48 h，待胚根长至约2 mm时，移至正常光照通风处培养5 d，选择长势一致的3株幼苗定植于盆中。氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)肥用量分别为200、150和150 mg·kg-1，移栽前一周将氮肥、磷肥和钾肥作为基肥施入土壤。试验于2018年11月至2019年5月在四川农业大学教学科研园区有防雨设施的网室内进行。

成熟期采样，每盆3株混合样为一次重复，每个处理共3个重复。穗部样品经自然风干后，称重，人工脱粒考种混匀后，置于75 ℃条件下烘干至恒重，研磨过100目筛，备用。

1.2.2 大田试验

根据前期调查，选择Cd污染程度不同的两个大田进行试验。试验地点1位于成都平原区，属于中亚热带湿润气候，平均海拔507 m，年平均气温15.2 ℃，年降水量944.6 mm，年日照时数777.8 h。土壤类型为潴育型水稻土，常年水稻-小麦轮作，属于中度Cd污染农田。试验地点2位于川南丘陵区，属于亚热带湿润气候，平均海拔350 m，年平均气温18.1 ℃，年降水量 1 179.4 mm，年日照时数950.3 h，土壤为紫色土发育而成的淹育型水稻土，常年水稻-小麦轮作，属于轻度Cd污染农田。两个试验地土壤基本理化性质如表2所示。

表2 不同试验地点大田土壤的基本理化性质Table 2 Basic physical and chemical properties of field soil at different sites

将试验田块划分为90个2 m×1 m的试验小区，每个小区之间横向设0.5 m的缓冲带，纵向设1 m的间隔区。每份小麦材料重复3次，随机区组排列。选取饱满种子条播，行距0.3 m，株距0.2 m，田块四周种植保护行。试验于2018年10月至2019年5月进行，水肥管理和病虫害防治同当地常规小麦栽培管理方式。

于成熟期采集小麦样品，每个试验小区随机选取长势一致的30个穗作为一个混合样。籽粒风干后人工脱粒，于75 ℃条件下烘干至恒重，研磨过100目筛，备用。

1.3 测定项目与方法

籽粒Cd含量采用HNO3微波消解-电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)进行测定，测定过程中以国家标准物质GBW(E)100495 控制分析质量。

1.4 数据处理

采用SPSS 25.0进行统计分析，选择LSD法进行多重比较，采用Origin 8.0和Excel 2013制作图表。

2 结果与分析

2.1 小麦籽粒Cd积累的差异

2.1.1 小麦籽粒Cd含量的变异性

从表3和表4可以看出，不同Cd浓度(盆栽)和试验地点(大田)对小麦籽粒Cd含量有显著影响。盆栽试验中，CK、Cd 0.25和Cd 0.50处理的小麦籽粒Cd含量的平均值分别为0.30、0.64和 0.92 mg·kg-1，变化范围分别为0.20～0.55、 0.39～1.55和0.62～1.84 mg·kg-1，变异系数分别为25.99%、36.46%和 28.70%。大田试验中，成都平原区小麦籽粒Cd含量变化范围为 0.07～0.94 mg·kg-1，平均为0.26 mg·kg-1，变异系数为79.65%；川南丘陵区小麦籽粒Cd含量变化范围为0.23～ 0.69 mg·kg-1，平均为 0.48 mg·kg-1，变异系数为 30.63%。说明不同试验条件下，小麦籽粒Cd含量差异均较大，符合Cd低积累材料筛选的基本条件。

表3 盆栽试验中不同Cd处理下小麦籽粒Cd含量的差异Table 3 Statistical analysis of Cd concentration in wheat grains with pot experiments under different Cd treatments

表4 不同大田试验点小麦籽粒 Cd 含量的差异Table 4 Statistical analysis of Cd concentration in wheat grains in different field experimental sites

2.1.2 小麦籽粒Cd含量的变化特征

从图1和图2可以看出，同一材料在不同试验环境中籽粒Cd含量存在差异。在土壤环境和管理措施相对一致的盆栽试验中，同一材料籽粒Cd含量均随土壤Cd浓度的增加而升高，且在不同Cd水平下籽粒Cd含量的分布具有一致性，W26的籽粒Cd含量在三个Cd浓度下均最高。大田试验中，除W17、W18和W20外，其他材料籽粒Cd含量和土壤Cd浓度呈现了相反的趋势，即成都平原区土壤Cd浓度高于川南丘陵区，但川南丘陵区小麦籽粒Cd含量却相对较高。

两个试验地点的土壤Cd含量、气候条件、管理措施等存在较大差异，对不同材料、不同试验地点整体环境下的籽粒Cd含量进行方差分析，结果(表5)表明，修正模型的F值为40.87，P< 0.01，说明该模型具有统计学意义。材料、地点、材料×地点的F值分别为31.61、1 057.31、 5.47，均达极显著水平 (P<0.01)。说明不同材料、试验环境以及材料及环境间的相互作用均会对籽粒Cd积累产生显著影响，不同试验环境下籽粒Cd含量差异较大。

表5 不同材料、不同试验地点的籽粒Cd含量方差分析Table 5 ANOVA of the Cd concentration in different materials and experimental sites

2.2 小麦籽粒Cd低积累型材料的筛选结果

本研究以籽粒Cd含量为评价指标，采用瓦尔德法对盆栽试验中的30份小麦材料进行聚类分析(图3)，发现在CK、Cd 0.25和Cd 0.5处理下，当平方欧氏距离分别为13、11和19时，可将小麦材料划分为Cd高积累型材料(I)、Cd中积累型材料(II)和Cd低积累型材料(III)3大类。CK、Cd 0.25和Cd 0.50处理聚类分析分别获得14、17和9份Cd低积累型小麦材料，15、12和20份Cd中积累材料，以及各1份Cd高积累材料。其中30389(W01)、MY1848(W04)、XK066-1(W09)、77782(W10)、HW2-2(W22)、中梁22(W29)和绵麦37(W30)7份材料在三个Cd处理下均为Cd低积累型材料，W26(抗锈3816)在所有处理下均表现为Cd高积累特性。

由图4可知，当平方欧氏距离分别为2和6时，成都平原区聚类可得到8份Cd低积累型小麦材料，19份Cd中积累型材料和3份Cd高积累型材料；川南丘陵区聚类可得到11份Cd低积累型材料，11份Cd中积累型材料和8份Cd高积累型材料。其中30389(W01)、77782(W10)、良麦2号(W19)、12N551(W24)、济麦22(W25)、蜀麦375(W28)、中梁22(W29)、绵麦37(W30)8份材料在两个试验点中均为Cd低积累型材料，表明Cd低积累型材料在不同试验地点具有较好的重现性，但Cd高积累型材料却没有一致性。

依据大田试验和盆栽试验的聚类结果，将在大田试验和盆栽试验中表现为相同Cd积累特性的材料作为典型材料(表6)。在成都平原区、川南丘陵区、以及CK、Cd 0.25、Cd 0.50处理盆栽试验条件下，Cd低积累型典型材料(30389、77782、中梁22和绵麦37)籽粒Cd含量变化范围分别为0.07～ 0.16、0.23～0.36、0.20～ 0.27、0.44～0.57、 0.62～0.65 mg·kg-1；Cd中积累型典型材料(省CXK027-4和L08-969)籽粒Cd含量分别为0.21和0.23、0.50和0.55、0.30和 0.35、0.68和0.78、0.97和0.98 mg·kg-1；Cd高积累型材料(抗锈3816)分别为0.32、0.60、 0.55、 1.55、1.84 mg·kg-1，说明在同一试验地点或试验条件下，小麦Cd低积累型材料籽粒Cd含量均低于Cd中积累型和Cd高积累型材料。综合筛选得到30389、77782、中梁22、绵麦37共4份稳定的小麦籽粒Cd低积累型材料。

表6 不同Cd积累类型小麦材料籽粒Cd含量的差异Table 6 Differences of Cd concentration in different Cd accumulation types of wheat materials mg·kg-1

3 讨 论

3.1 基因型对小麦籽粒Cd积累的影响

研究表明，小麦籽粒Cd积累在一定程度上受4A和5D染色体上两个数量性状位点的控制，不同基因型小麦材料的Cd吸收、转运和积累存在差异[16]。夏亦涛[17]通过2年多点大田试验研究发现，基因型对小麦籽粒Cd积累有显著影响，且小麦籽粒Cd含量与苗期地下部至地上部的Cd迁移系数呈显著正相关。本研究发现，盆栽试验和大田试验中，小麦材料籽粒Cd含量存在显著差异，其中最大值和最小值间的差异可达13.43倍。不同基因型小麦籽粒Cd积累差异为小麦Cd低积累型材料的选育提供了可能。

3.2 环境因素对籽粒Cd含量的影响

作物籽粒Cd积累能力除了取决于自身遗传特性外，环境因素以及基因型与环境因素间的相互作用也是影响籽粒Cd积累的重要因素[18]。Cheng等[19]通过连续两年大田试验，对6个试验地、9个水稻品种籽粒Cd含量研究发现，除基因型对水稻籽粒Cd积累有较大贡献外，环境因素以及环境与基因型的交互作用对籽粒积累也有影响。Lu等[20]对两个大田试验中30份小麦材料籽粒Cd含量的方差分析表明，小麦籽粒Cd含量与基因型、基因型-土壤环境的相互作用均存在极显著的相关性。本研究发现，在土壤特性、气候条件和管理措施一致的盆栽试验中，同一小麦材料籽粒Cd含量随土壤Cd浓度的增加而升高，且在相同Cd浓度中不同小麦材料Cd含量的分布具有一致性；而同一材料籽粒Cd含量在两个大田试验间却存在较大差异，成都平原区土壤Cd含量要高于川南丘陵区，但是对于大多数材料而言，川南丘陵区籽粒Cd含量却高于成都平原区。大田试验和盆栽试验的结果呈现了相反的趋势，方差分析表明，小麦籽粒Cd含量除了受到基因型、土壤Cd含量影响外，土壤特性、气候环境、环境与基因型的相互作用也是影响小麦籽粒Cd含量的重要因素。

目前对小麦籽粒Cd含量影响的研究主要集中在土壤特性上，纪淑娟等[21]研究表明，小麦籽粒Cd含量和土壤Cd含量在一定范围内呈正相关。土壤pH是影响作物Cd积累的重要因素，较低的土壤pH会提高根际土壤重金属的有效性，进而影响植物对Cd的吸收[13]。土壤有机质也是影响Cd积累的重要参数，可以和土壤重金属螯合，进而减少Cd向植物的迁移[22]。本研究两个大田试验中大多数小麦材料籽粒Cd含量和土壤Cd含量、有机质含量呈现相反的趋势，和土壤酸度呈正相关，说明川南丘陵区较低的土壤pH可能是导致两个试验区域小麦籽粒Cd含量差异的主要原因。两个试验地点的环境相对复杂，除了土壤性质以外，气候条件亦是影响小麦籽粒Cd含量的重要影响因素之一[23]。贺 远[24]研究了 5 ℃、20 ℃和30 ℃下烟草幼苗的Cd含量，发现烟草幼苗Cd含量随着温度的升高呈现了先增加后降低的趋势，20 ℃最利于烟草幼苗对Cd的吸收和积累。相比于成都平原区，川南丘陵区的年平均气温更高，降雨更充足，日照时数更长，有利于小麦材料对Cd的吸收和积累。适宜的土壤环境、光合作用、蒸腾作用可能在一定程度上促进了小麦对Cd的吸收积累[25]。以后应进一步探讨特定环境因素对小麦籽粒Cd含量的影响，确定影响籽粒Cd含量的关键环境因素，合理确定Cd低积累型小麦品种的安全种植区和低风险种植区。

3.3 籽粒Cd低积累型小麦材料的稳定性评价

为实现中轻度Cd污染农田的利用及粮食的安全生产，近年来诸多学者开展了Cd低积累型作物的筛选与培育工作，并得到了诸多具有Cd低积累特性的作物[26]。目前，对Cd低积累型品种的筛选多基于矿区附近重度污染农田[27]、室内盆栽试验[28]、室内水培试验[28]以及单一环境大田试验[29]，均不能全面反映小麦在中轻度Cd污染情况下的自然生长状况及稳定性。从粮食安全角度出发，所有筛选得到的Cd低积累型材料都应该在不同条件、不同环境下重复鉴定，以验证籽粒Cd积累的稳定性，以满足实际生产应用的需要[30]。本研究采用不同Cd处理的盆栽试验以及不同试验环境的大田试验对30份小麦材料进行筛选与验证，以籽粒Cd含量为评价指标进行聚类分析，发现盆栽试验在CK、Cd 0.25和Cd 0.50处理下分别获得14、17、9份低积累型材料，其中30389、MY1848、XK066-1、77782、HW2-2、中梁22和绵麦37在三个Cd处理下均属于Cd低积累型材料。而材料30389、77782、良麦2号、12N551、济麦22、蜀麦375、中梁22和绵麦37在不同环境的大田试验中属于Cd低积累型材料。总体来看，30389、77782、中梁22、绵麦37这4份材料在不同Cd污染程度、土壤环境和气候条件下均为Cd低积累型材料，具有稳定的籽粒Cd低积累特性。