镉与微量元素在小麦吸收过程中的相互影响

2022-07-04姚晨贾睿琪腊贵晓王宁陆夏梓郭子昂龚子阳赵艳阳郭虹妤李烜桢

农业环境科学学报 2022年6期

姚晨，贾睿琪，腊贵晓，王宁，陆夏梓，郭子昂，龚子阳，赵艳阳，郭虹妤，李烜桢*

（1.河南农业大学林学院，郑州 450002；2.河南省农业科学院经济作物研究所，郑州 450002；3.河南农业大学生命科学学院，郑州 450002；4.河南农业大学国际教育学院，郑州 450002）

Cd 是植物的一种非必需元素，通常由污水灌溉、大气沉降以及化肥和农药施用等方式进入土壤环境中，是最具毒性的环境污染物之一。Cd 能够降低植物对微量元素的吸收和转运。过量的Cd 还会抑制植物生长发育，降低作物产量和品质，并蓄积在作物的可食用部分，最终通过食物链对动物和人类构成潜在危害。近年来，我国小麦Cd 超标事件屡有发生，例如，有调查表明新乡市部分地区的农田Cd 污染可达中度乃至重度污染水平，小麦籽粒Cd 含量超标现象严重。因此研究小麦对Cd 的吸收机制，开发阻控材料以降低小麦的Cd 含量，具有重要的现实意义。

Zn 和Mn 均属典型的微量元素，也是作物生长的必需元素。在土壤中施加适宜浓度的微量元素可以促进作物生长和提高粮食产量，而微量元素的缺乏则可导致植物生长缓慢、产量下降等问题。大量研究表明，施加微量元素能够降低农作物对Cd 的吸收，例如HART 等通过盆栽和水培实验发现，在土壤、水培营养液或叶面施Zn，均能够降低小麦籽粒中Cd 的浓度；陶雪莹等研究发现，叶面喷施MnSO或ZnSO均能够显著降低小麦籽粒中的Cd 含量，Zn/Mn复配处理则降Cd效果更为显著。

目前对于水稻等植物的研究较为深入，而对于小麦作物的研究较少。鉴于此，本研究通过水培实验，探究微量元素Zn 和Mn 对小麦Cd 吸收的影响，以及Cd 对小麦中微量元素吸收的影响，旨在阐明微量元素与Cd 在小麦中积累的互作关系，为开发具有降Cd功能的生理阻控材料提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试小麦品种为“郑麦1354”和“郑麦1860”，购于河南秋乐种业科技股份有限公司。

1.2 水培实验

挑选籽粒饱满的小麦种子，在5% 的NaClO 溶液中浸泡20 min，用去离子水反复冲洗后置于去离子水中浸泡5 h，将泡好的种子均匀地摆放在育苗盘上育苗3～4 d。挑选长势一致的小麦幼苗，在1/2 Hoagland营养液中培育至三叶期，将三叶期的小麦转移至以1/2 Hoagland 营养液为基础的不同处理液中培养3 d。水培实验的整个过程均在人工气候室内完成（温度18 ℃，湿度35%，光照12 h）。

为了分析不同浓度微量元素对小麦生长及Cd吸收的影响，进行第一组实验。实验共设10 组处理，其中的 C d 以 C dCl形式加入，浓度均为 5 μmol·L，Zn和Mn 的浓度设置如表1 所示，其他金属元素含量为1/2 Hoagland 营养液的离子浓度。每个处理重复3次，每个培养皿中种植15株小麦幼苗。

表1 实验一各处理中Zn和Mn的浓度（μmol·L-1）Table 1 Concentrations of Zn and Mn in each treatment in Experiment 1（μmol·L-1）

为了分析不同浓度Cd对小麦生长及微量元素吸收的影响，进行第二组实验。实验中Cd以CdCl形式加入，初始浓度设置为0、1、5、10、20、50 μmol·L6个水平，分别记作CK、Cd1、Cd5、Cd10、Cd20、Cd50处理。每个处理重复3次，每个培养皿中种植15株小麦幼苗。

1.3 样品采集

将收取的小麦幼苗先用5 mmol·L的EDTA-Na溶液浸泡20 min，再用去离子水将根系冲洗干净，以去除根系表面吸附的Cd。置于105 ℃烘箱中杀青20 min后，70 ℃烘干至恒质量，测定生物量，然后将样品地上部和地下部分别粉碎，测量各项指标。

1.4 测定项目及方法

Cd、Mn、Zn含量采用高精度X射线荧光光谱仪测定。为确保分析质量，在每批分析中加入小麦标准物质（GBW-E-100494）进行仪器精度测试，每种元素的标准回收率为90%～110%。

1.5 数据处理与分析

采用Excel 2019 和SPSS 20.0 软件进行数据处理分析。采用单因素分析法分析不同处理下小麦Cd、Zn和Mn含量的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同微量元素对小麦生物量的影响

图1 为不同微量元素处理对小麦生物量的影响。随着施Zn浓度的提高，两种小麦的生物量均呈现出先升高后降低的趋势，并在Zn2 处理下达到最高，郑麦1354和郑麦1860分别较对照组升高了21.9%和11.9%（＜0.05）。施Mn处理后郑麦1354生物量均较对照组显著提高，并随着施Mn浓度的提高，呈现出先降低后升高的趋势；而郑麦1860的生物量只在Mn3处理下显著提高，较对照组升高了17.9%（＜0.05）。上述结果表明施加Zn和Mn处理均显著提高了郑麦1354的生物量，而Zn2和Mn3处理显著提高了郑麦1860的生物量。

图1 不同微量元素对小麦生物量的影响Figure 1 Effects of different trace elements on wheat biomass

2.2 不同微量元素对小麦Zn/Mn含量的影响

图2 为不同微量元素处理对两种小麦Zn/Mn 含量的影响。随着施Zn 浓度的提高，两种小麦地上部和地下部的Zn含量均呈逐渐上升的趋势，并均在Zn2和Zn3处理下较对照组显著提高。随着施Mn浓度的提高，两种小麦地上部和地下部的Mn 含量均呈逐渐上升的趋势，其中地上部Mn 含量在Mn2 和Mn3 处理下较对照组显著提高，地下部则在Mn1、Mn2 和Mn3处理下均较对照组显著提高。

图2 不同微量元素对小麦Zn/Mn含量的影响Figure 2 Effects of different trace elements on Zn/Mn content in wheat

2.3 不同微量元素对小麦Cd含量及转运系数的影响

图3a和图3b为不同微量元素处理对小麦地上部Cd 含量的影响。在Zn 和Mn 处理下郑麦1354地上部Cd含量较对照组均显著降低（＜0.05），其中，施Zn处理使Cd 下降了10.1%～13.1%，并随着施Zn 浓度的提高，Cd 含量呈现微弱的上升趋势；施Mn 处理使Cd 含量下降了22.8%～29.4%，并随着施Mn浓度的提高，Cd含量呈现先升高后下降的趋势（图3a）。施加Zn 处理，郑麦1860 地上部的Cd 含量较对照组变化不显著，而施加Mn 处理后，其地上部的Cd 含量较对照组均显著降低（图3b）。综上所述，施加Mn 处理均能降低两种小麦地上部的Cd 含量，施加Zn 处理能降低郑麦1354 地上部的Cd 含量，但对郑麦1860 地上部Cd含量无显著影响。

图3c和图3d为不同微量元素处理对小麦地下部Cd 含量的影响。施加Zn 和Mn 处理均显著降低了郑麦1354 地下部的 Cd 含量（＜0.05）；其中，施Zn 处理使Cd 含量下降了20.3%～34.3%，并随着Zn 浓度的提高，Cd 含量呈现降低趋势；施Mn 处理使Cd 含量下降了25.7%～30.0%，并随着Mn 浓度的提高，Cd 含量呈逐渐降低的趋势（图3c）。施加Zn 和Mn 处理均显著降低了郑麦1860 地下部Cd 含量；其中，施Zn 处理使Cd含量下降了18.9%～43.0%，并随着Zn浓度的提高，Cd 含量呈现降低趋势；施Mn 处理使Cd 含量下降了28.6%～31.6%，并随着Mn浓度的提高，Cd含量呈现先升高后降低的趋势（图3d）。综上所述，施加Zn和Mn处理均能够降低两种小麦地下部的Cd 含量，其中以施加10 μmol·LZn处理效果最为显著。

图3e 和图3f 为不同微量元素处理对小麦转运系数的影响。郑麦1354 在Zn3 处理下Cd 转运系数提高，较对照组提高了31.5%。郑麦1860 在Zn2、Zn3 和Mn3 处理下Cd 转运系数有所提高，较对照组分别提高了19.0%、34.9% 和19.0%。其余处理下小麦的转运系数变化均不显著。

图3 不同微量元素对小麦Cd含量和转运系数的影响Figure 3 Effects of different trace elements on Cd accumulation and translocation factor of wheat

2.4 不同Cd胁迫水平对小麦生物量的影响

图4 为不同Cd 胁迫水平对小麦生物量的影响。随着Cd 胁迫程度的提高，郑麦1354 生物量分别在Cd1、Cd5 和Cd50 处理时较对照组分别显著增加了30.4%、41.3% 和39.1%（＜0.05）。而随着 Cd 胁迫程度的提高，郑麦1860 生物量变化较对照组均不显著（＞0.05）。综上所述，1～50 μmol·LCd 胁迫水平均未显著抑制小麦生长。

图4 不同Cd胁迫水平对小麦生物量的影响Figure 4 Effects of different Cd stress levels on wheat biomass

2.5 不同Cd胁迫水平对小麦Cd含量的影响

图5 为不同Cd 胁迫程度对小麦Cd 含量的影响。在培养基中施加Cd处理后，郑麦1354和郑麦1860的地上部和地下部的Cd 含量均较对照组显著提高（＜0.05），并随着Cd 胁迫程度的提高，呈现出逐渐升高的趋势。

图5 不同Cd胁迫水平对小麦Cd含量的影响Figure 5 Effects of different Cd stress levels on Cd content in wheat

2.6 不同Cd胁迫水平对小麦Zn含量的影响

图6 为Cd 胁迫对小麦Zn 含量的影响。随着Cd胁迫程度的提高，郑麦1354 地上部和地下部的Zn 含量均呈现出先升高后降低的趋势，并在Cd1处理下含量最高，较CK 组分别提高了 43.7% 和32.5%（＜0.05）。随着Cd胁迫程度的提高，郑麦1860地上部和地下部的Zn 含量均呈现出先升高后降低的趋势，其中地上部Zn 含量以Cd5 处理最高，较对照组显著提高了27.5%（＜0.05），地下部Zn 含量以Cd10 处理最高，较对照组提高了42.5%（＜0.05）。综上所述，当培养液中 Cd 浓度为 0～50 μmol·L时，随着培养液中Cd 浓度的升高，郑麦1354 和郑麦1860 地上部和地下部的Zn含量均呈先升高后降低的趋势。

图6 不同Cd胁迫水平对小麦Zn含量的影响Figure 6 Effects of different Cd stress levels on Zn content in wheat

2.7 不同Cd胁迫水平对小麦Mn含量的影响

图7 为Cd 胁迫对小麦Mn 含量的影响。在Cd1、Cd20 和 Cd50 处理下，郑麦 1354 地上部 Mn 含量较对照组均显著降低；随着Cd胁迫程度的提高，郑麦1354地下部Mn含量呈现出逐渐降低的趋势，并在Cd50处理下，小麦地下部Mn 含量降低到最小值，较CK 组降低了94.8%（图7a 和图7c）。郑麦1860 地上部和地下部的Mn 含量较CK 组均降低，且随着Cd 胁迫程度的提高，地上部Mn含量呈现出先降低后升高的趋势，并在Cd20 处理下降低至最小值，较CK 组显著降低了35.8%，其地下部Mn 含量则呈现出逐渐降低的趋势，并在Cd50处理下降至最小值，较CK 组显著降低了约89.5%（图7b 和图7d）。综上所述，当培养液中Cd 浓度为 0～50 μmol·L时，随着培养液中 Cd 浓度的升高，郑麦1354和郑麦1860地下部的Mn含量均呈逐渐降低的趋势。同时，Cd 胁迫均能够抑制郑麦1860 小麦地上部和地下部对Mn 的吸收；1、20 μmol·L和50 μmol·LCd 胁迫能抑制郑麦 1354 地上部对 Mn 的吸收，5～50 μmol·LCd 胁迫能抑制郑麦 1354 地下部对Mn的吸收。

图7 不同Cd胁迫水平对小麦Mn含量的影响Figure 7 Effects of different Cd stress levels on Mn content in wheat

3 讨论

在本研究中，施加一定浓度的Zn/Mn能提高小麦的生物量，其中以 5 μmol·LZn 和 10 μmol·LMn 处理效果较为显著，这与前人的研究结果相似，而该实验结果中施加某些浓度的Zn/Mn 处理却未能显著提高小麦生物量，这可能与施加微量元素的处理时间较短有关。

本研究发现，施加 1～10 μmol·L的Zn 处理均能降低两种小麦地下部的Cd 含量，且随着Zn 供应量的提高Cd 含量呈现出下降趋势，这表明在小麦根部Zn和Cd 之间存在竞争效应，且这种竞争效应会随Zn 浓度的提高而加强，YANG 等通过数据建模也证明了这一点。由此推测，外源施Zn 能抑制小麦根系中与Cd吸收相关的蛋白的表达（例如TaLCT1），从而降低小麦根系对Cd的吸收量。同时，随着施Zn浓度的提高，小麦植株能产生更多与Zn相关的转运载体来促进Zn从地下部到地上部的转运，而这些载体在转运Zn的同时也会提高对Cd的转运，因此小麦对Cd 的转运系数也有所提高。此外，本研究发现，施Zn处理后郑麦1354地上部的Cd含量均降低，而郑麦1860 地上部的Cd 含量并未显著降低，这可能与小麦的基因型有关，因此在施加Zn 处理时应考虑小麦品种差异。

本研究表明施加 1～10 μmol·L的 Mn 处理均能降低两种小麦地下部的Cd含量，且随着Mn供应量的提高Cd 含量呈现出下降趋势，同时，随着外源施Mn浓度的提高，两小麦地上部和地下部的Mn 含量均呈上升趋势。由此推测，在根系环境中Mn 能够通过与Cd 竞争根部的转运蛋白来降低小麦对Cd 的吸收。此外，研究发现施加Mn 处理对郑麦1860地上部Cd 含量未造成显著影响，这表明Mn 对Cd 的抑制效果也会因小麦品种的不同而异。

Cd 能够影响植物的光合作用，同时还能抑制植物体内酶的合成与活性，进而影响植物的生长发育以及对微量元素的吸收，而本研究发现 50 μmol·L的Cd 胁迫处理对两种小麦的生物量没有显著的抑制作用，表明小麦对Cd 具有较强的耐受能力，对此WU等也有类似发现，这可能与植物的“低促高抑”现象有关，即低浓度的Cd 促进植物生长，而高浓度的Cd则抑制植物生长。该现象可能是植物自身产生了应激效应用来中和与Cd相关的毒性。

在本研究中，施加Cd（1～50 μmol·L）胁迫处理均能提高小麦地上部和地下部Cd 含量，并随着Cd 胁迫程度的提高小麦植株Cd含量呈逐渐升高的趋势。低浓度的Cd（1～10 μmol·L）胁迫能一定程度上提高小麦地上部或地下部Zn 含量，但对Zn 的富集能力因小麦品种不同而异，这可能是Cd能够上调小麦中Zn吸收和转运相关基因（如）的表达所致。研究还发现，1～50 μmol·L的Cd胁迫能降低小麦地上部和地下部Mn含量，且随着Cd胁迫水平的提高，这种抑制作用有加强的趋势。这可能是小麦植株内Cd和Mn竞争载体（如）造成的。

最近，夏亦涛发现小麦籽粒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，表明苗期小麦对Cd 的吸收状况可表征籽粒中Cd 的积累状况。并且苗期实验具有快速、廉价、条件可控的优势，是进行生理阻控剂筛选的有效手段。本研究发现Zn 和Mn 可在一定程度上降低苗期小麦对Cd 的富集能力，从而为开发以Zn和Mn为基础的生理阻控材料提供了科学依据。