四川推廣小麥品種在鎘脅迫下籽粒鎘積累和生長響應(yīng)

楊玉敏，陳春秀，雷建容，肖 春，喻 華，秦魚生，陽路芳，鄧光敏，陳一兵*

(1. 四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，四川 成都 610066;2.農(nóng)業(yè)部西南地區(qū)小麥生物學(xué)與遺傳育種重點實驗室，四川 成都 610066;3.農(nóng)業(yè)部西南山地農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，四川 成都 610066)

【研究意義】嚴(yán)重的鎘污染嚴(yán)重影響小麥品質(zhì)和小麥安全生產(chǎn)，利用小麥基因型差異導(dǎo)致籽粒鎘積累和遷移差異，篩選籽粒低鎘積累小麥品種進(jìn)行推廣或進(jìn)一步選育新品種，為小麥安全生產(chǎn)提供材料基礎(chǔ)和理論依據(jù)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】據(jù)2014年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，覆蓋630萬km2的全部耕地，部分林地、草地、未利用地和建設(shè)用地的全國土壤污染調(diào)查結(jié)果顯示，鎘污染點位超標(biāo)7.0 %，是目前土壤最主要的污染物之一，位居所調(diào)查無機(jī)污染物之首。耕地超標(biāo)較嚴(yán)重，耕地土壤點位超標(biāo)率為19.4 %。西南地區(qū)重金屬超標(biāo)范圍較大，鎘污染從西北到東南、從東北到西南呈逐漸升高的態(tài)勢[1]。目前鎘污染成了威脅我國糧食安全和人類健康最重要的無機(jī)污染物之一。鎘作為植物非必需且有害的元素，超量會影響植物生長，導(dǎo)致糧食作物減產(chǎn)甚至死亡，也會影響?zhàn)B分的吸收積累和品質(zhì)下降，以及蛋白質(zhì)、糖等的代謝紊亂等等[2-8]。同時，鎘通過食物鏈或其他方式進(jìn)入人體，導(dǎo)致癌癥、畸形及突變，嚴(yán)重影響人類健康。大量研究表明，作物對鎘的遷移積累存在明顯的基因型差異[7-12]，為作物籽粒低鎘含量材料的篩選奠定了理論基礎(chǔ)，也為解決鎘污染帶來的糧食安全問題提供了一條經(jīng)濟(jì)、有效的途徑。【本研究切入點】小麥?zhǔn)俏覈钪匾募Z食作物之一，四川地區(qū)鎘輕度污染面積較廣，解決好輕度鎘污染土壤下小麥的安全生產(chǎn)意義重大?！緮M解決的關(guān)鍵問題】針對目前鎘污染的現(xiàn)狀，選擇了2個鎘污染程度不同的地點開展四川主要推廣小麥品種的籽粒鎘含量差異研究，以期篩選出籽粒低鎘含量的小麥品種推廣種植或進(jìn)一步選育新品種。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

近年四川審定或推廣的40個小麥品種為供試材料，編號為CD-1至CD-40。供試材料由四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院、四川農(nóng)業(yè)大學(xué)、綿陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院、內(nèi)江市農(nóng)業(yè)科學(xué)院、中國科學(xué)院成都生物研究所提供。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2015-2016年在四川省綿竹市鎘污染程度不同的廣濟(jì)鎮(zhèn)和興隆鎮(zhèn)2個地點實施。廣濟(jì)鎮(zhèn)鎘含量為0.34 mg/kg，有效鎘含量為0.17 mg/kg；興隆鎮(zhèn)鎘含量為0.66 mg/kg，有效鎘含量為0.24 mg/kg。兩塊試驗地具體土壤理化性質(zhì)見表1。2個試驗點的田間試驗采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，每份材料每個處理設(shè)置3次重復(fù)。每個小區(qū)面積為10 m2(5 m×2 m)。播種量為180 kg/hm2，播種行距為20 cm，人工條播。施肥量按N 150 kg/hm2，P2O575 kg/hm2和K2O 105 kg/hm2標(biāo)準(zhǔn)施用。磷肥和鉀肥以底肥形式一次性施入，氮肥基肥使用70 %，追肥30 %(分蘗期追施)。全生育期其他管理保持一致。

1.3 數(shù)據(jù)收集與分析

收獲時調(diào)查2個試驗點不同小麥品種的農(nóng)藝性狀，包括株高、穗長、小穗數(shù)、千粒重、穗粒重、單穗秸稈重、有效穗和單位面積產(chǎn)量。收集小麥籽粒樣品，65 ℃烘干，粉碎過0.3 mm 篩后待測。籽粒鎘含量檢測采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法GB 5009.15-2014(食品中鎘的測定)的HNO3-HClO4濕消化法，待測液鎘含量用德國耶拿ContrAA300型火焰原子吸收光譜儀測定，以國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì) GBW10010 (GSB-1)和GBW10011(GSB-2)控制分析質(zhì)量。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與作圖采用Excel和SPSS17.0完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鎘污染土壤對不同小麥品種籽粒鎘含量影響

以四川近年審定40個小麥品種為研究對象，在德陽綿竹的興隆鎮(zhèn)(pH為5.99，鎘含量為0.66 mg/kg，有效鎘含量為0.24 mg/kg)和廣濟(jì)鎮(zhèn)(pH 6.03，鎘含量為0.34 mg/kg，有效鎘含量為0.17 mg/kg)開展了小麥籽粒鎘含量差異評價和籽粒低鎘含量品種的篩選。

通過試驗發(fā)現(xiàn)，不同小麥品種在不同鎘污染土壤中小麥籽粒鎘含量差異很大。在較低鎘濃度的廣濟(jì)，小麥籽粒鎘含量為0.05～0.45 mg/kg，平均值為0.19 mg/kg；在較高鎘濃度的興隆，小麥籽粒鎘含量為0.03～0.30 mg/kg，平均值為0.16 mg/kg。

表1 驗地的土壤理化性質(zhì)

表2 廣濟(jì)和興隆農(nóng)藝性狀比較

土壤中鎘含量不同導(dǎo)致小麥籽粒鎘含量差異較大。由圖1可知，廣濟(jì)試驗地土壤鎘含量相對較低，但其小麥籽粒鎘含量分布范圍較廣，從0.05～0.45 mg/kg均有分布，82.50 %的材料(33份材料)鎘含量集中在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 %。興隆試驗地土壤鎘含量相對較高，其鎘含量分布范圍相對較窄，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的無。由此可看出，在鎘污染的土壤上絕大多數(shù)小麥品種小麥籽粒鎘含量超標(biāo)，本研究中廣濟(jì)和興隆小麥品種超標(biāo)率為87.50 %。

由此可知，不同小麥品種、土壤鎘濃度、整體的試驗環(huán)境(土壤、氣候等)以及品種×環(huán)境的互作對不同小麥品種籽粒鎘含量影響都很顯著，籽粒鎘含量的多少是受多效基因控制的數(shù)量性狀，且環(huán)境因素對小麥籽粒鎘含量的影響非常大。

圖1 鎘脅迫不同的土壤對小麥籽粒鎘含量分布頻率的影響Fig.1 The distribution frequency of different wheat cultivars with different cadmium content in Guangji and Xinglong

2.2 不同鎘脅迫對不同小麥品種生長的影響

由表2可知，不同小麥品種農(nóng)藝性狀差異顯著，不同農(nóng)藝性狀對鎘脅迫的響應(yīng)也不盡相同。鎘濃度較低的廣濟(jì)和鎘濃度較高的興隆兩個地方，40個小麥品種的株高、千粒重、有效穗和產(chǎn)量變幅較大，廣濟(jì)極差分別為21.6、17.30、372.69和8802.30，興隆的極差分別為18.5、18.07、218.59和8844.75。同時，也可發(fā)現(xiàn)穗長、小穗數(shù)、穗粒重、單穗秸稈重的變幅相對較小，廣濟(jì)極差分別為4.2、4.8、0.85和0.81，興隆的極差分別為4.3、5.7、1.1和0.78。由這些性狀的數(shù)據(jù)可看出，不同小麥品種的農(nóng)藝性狀主要受自身基因的控制，受環(huán)境影響相對較小。

不同小麥品種在鎘污染不同的兩個地方生長農(nóng)藝性狀差異比較見表2。由表2數(shù)據(jù)看出，鎘脅迫對小麥品種的不同農(nóng)藝性狀影響不同。不同鎘脅迫對小麥株高、穗粒重和單穗秸稈重影響差異不顯著，在鎘污染不同的廣濟(jì)和興隆2個試驗地，40個小麥品種的株高最大值、最小值和平均值，以及2個地方最大值、最小值和平均值的變化值差異都不顯著。較低鎘濃度的廣濟(jì)和較高濃度的興隆兩地，40個小麥品種穗長、小穗數(shù)、千粒重、有效穗和產(chǎn)量差異顯著，變化趨勢也各不相同。穗長、小穗數(shù)和千粒重隨著土壤鎘濃度的增加，農(nóng)藝性狀變差；有效穗和產(chǎn)量隨鎘濃度的增加而增加。廣濟(jì)土壤中鎘含量低于興隆土壤中鎘含量，但興隆單位面積小麥產(chǎn)量高于廣濟(jì)單位面積小麥產(chǎn)量， 產(chǎn)量產(chǎn)生差異的主要原因是單位面積有效穗差異顯著。

2.3 不同小麥品種的遷移積累

積累系數(shù)(Phyto-accumulation factor，PAF)反映土壤-作物-人類特定污染物遷移積累的程度，為某部位污染物的濃度除以土壤中相應(yīng)的全量污染物即得PAF值。本試驗研究了不同小麥品種在不同鎘污染下小麥籽粒鎘積累系數(shù)。由表3可知，廣濟(jì)和興隆兩試驗地的小麥籽粒鎘遷移積累系數(shù)存在差異，鎘含量低的廣濟(jì)小麥籽粒鎘遷移積累系數(shù)的最大值、最小值和平均值均高于興隆的。廣濟(jì)鎘遷移積累系數(shù)最大值、最小值和平均值分別為1.32、0.15和0.57，興隆的鎘遷移積累系數(shù)最大值、最小值和平均值分別為0.45、0.04和0.25。由此可看出，鎘污染較輕的廣濟(jì)小麥籽粒鎘遷移積累系數(shù)反而高于鎘污染較重的興隆，也就是說，鎘濃度較低的土壤雖然鎘濃度較低，但轉(zhuǎn)移到小麥籽粒中鎘所占的比例較高。

廣濟(jì)和興隆兩個鎘濃度不同的試驗地，小麥籽粒鎘積累遷移的系數(shù)分布差異很大。鎘濃度較低的廣濟(jì)小麥鎘積累遷移的系數(shù)分布更廣，籽粒鎘遷移積累系數(shù)為0.15～1.32，0.10～1.32，分布較分散，沒有特別集中區(qū)域，材料在不同區(qū)域分布的比例為3.66 %～17.07 %，遷移積累系數(shù)在0.50～0.60有一個峰值，集中在此范圍的材料所占比例為17.07 %。鎘濃度較高的興隆，小麥籽粒鎘遷移積累系數(shù)較集中，主要集中在0.20～0.30，此范圍材料占44.44 %，鎘遷移積累系數(shù)在0.10～0.40間的小麥品種占總試驗材料的93.33 %。由此可知，不同小麥品種籽粒鎘遷移積累系數(shù)差異顯著，為小麥籽粒低鎘含量的品種篩選提供了理論基礎(chǔ)。同時，土壤環(huán)境中的鎘濃度越高，小麥籽粒中鎘遷移積累系數(shù)越低。

2.4 籽粒低鎘含量小麥品種的篩選

同一小麥品種在不同鎘濃度的土壤環(huán)境下籽粒鎘含量和鎘遷移積累系數(shù)差異顯著(表4)。小麥籽粒鎘含量一般隨土壤鎘含量的增加而增加，本試驗所用材料有42.86 %滿足此規(guī)律，同時還有57.14 %的材料在廣濟(jì)籽粒鎘含量高于興隆籽粒鎘含量，即57.14 %的材料隨土壤中鎘含量的升高而籽粒鎘含量降低。籽粒鎘遷移系數(shù)一般隨著土壤鎘含量的增加而遷移系數(shù)降低，本試驗中有88.57 %的試驗材料滿足此規(guī)律，另外11.43 %的試驗材料的籽粒鎘遷移系數(shù)隨土壤鎘含量的增加而鎘遷移系數(shù)升高。比較不同材料在不同鎘污染環(huán)境下小麥籽粒積累和遷移情況發(fā)現(xiàn)，不同土壤鎘濃度下籽粒鎘含量都較少的材料有CD-39、CD-37、CD-22、CD-25和CD-35，這些材料可作為籽粒低鎘含量的小麥品種進(jìn)行推廣或用于進(jìn)一步的遺傳改良，解決目前鎘污染導(dǎo)致的糧食安全問題。

表3 廣濟(jì)和興隆鎘遷移系數(shù)

表4同一材料不同地方鎘含量和鎘遷移系數(shù)變化的樣本分布頻率

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

廣濟(jì)-興隆Guangji-Xinglong樣本變化分布頻率Distribution frequency of changed sample鎘含量Cadmium content鎘遷移系數(shù)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 討 論

小麥籽粒鎘含量一般隨土壤中鎘含量的增加而增加。楊玉敏等[10]對102份不同基因型小麥材料的盆栽試驗研究發(fā)現(xiàn)，小麥籽粒鎘含量與基因型有很大關(guān)系，不同基因型小麥在不同鎘濃度下籽粒鎘含量差異顯著，籽粒鎘含量與土壤中鎘含量呈顯著正相關(guān)，籽粒鎘積累系數(shù)與土壤鎘含量呈負(fù)相關(guān)。本研究通過田間試驗比較相同小麥品種在兩塊鎘含量不同試驗地籽粒鎘含量，發(fā)現(xiàn)在鎘含量較低土壤環(huán)境下小麥籽粒鎘含量平均值(廣濟(jì)的籽粒鎘含量平均值為0.19 mg/kg)反而高于土壤鎘含量較高的籽粒鎘含量的平均值(興隆籽粒鎘積累平均值為0.16 mg/kg)的；試驗中42.86 %材料隨土壤鎘濃度的增加小麥籽粒鎘含量增加，57.14 %的材料隨土壤中鎘含量的升高而籽粒鎘含量降低。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能與試驗材料有關(guān)，也可能與土壤環(huán)境有關(guān)。本研究土壤環(huán)境相對復(fù)雜，兩個試驗地點的土壤環(huán)境除鎘含量不同外，土壤小氣候以及土壤本身除鎘外的其他環(huán)境也存在差異。土壤鎘遷移積累與很多因素有關(guān)，土壤有機(jī)質(zhì)、質(zhì)地、pH等因素都會影響鎘在作物體內(nèi)的遷移積累[13-15]。

不同基因型的小麥品種對鎘的吸收、積累存在很強(qiáng)的基因型差異，這在很多研究中得到證實[7-12]。本研究也得出了相同的結(jié)論。人工選擇影響小麥品種的培育、馴化以及對逆境的適應(yīng)。即使相同環(huán)境，籽粒低鎘含量控制基因表現(xiàn)可能存在一定的適用范圍，籽粒低鎘含量小麥品種不是絕對的低鎘。肖亞濤等[16]將汽油桶埋入田間微區(qū)模擬大田研究2個篩選出的籽粒高鎘含量小麥和2個籽粒低鎘含量小麥的鎘含量差異時發(fā)現(xiàn)，籽粒低鎘含量的品種在鎘濃度為81.64 mg/kg 時，其籽粒鎘含量反而超過了籽粒高鎘含量小麥品種。楊玉敏等[10]也發(fā)現(xiàn)同一基因型小麥在不同濃度鎘土壤中遷移程度差異很大，導(dǎo)致篩選在任何鎘濃度都低鎘含量的材料增加了難度。本研究也發(fā)現(xiàn)小麥品種籽粒鎘含量的高低不是絕對的，隨著試驗環(huán)境的變化，不同小麥品種籽粒鎘含量的變化程度會存在很大差異。

鎘影響小麥生長，一般作物生長隨鎘脅迫程度的加強(qiáng)而顯著降低。但具體到不同研究環(huán)境，研究結(jié)果不盡相同。楊玉敏等[17]通過盆栽試驗發(fā)現(xiàn)鎘濃度與小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因子呈負(fù)相關(guān)，影響的程度為：產(chǎn)量>千粒重>穗粒數(shù)>有效分蘗>小穗數(shù)。產(chǎn)量對鎘脅迫響應(yīng)敏感，隨鎘濃度增加產(chǎn)量極顯著降低，小穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重隨鎘濃度增加逐漸降低。本研究發(fā)現(xiàn)穗長、小穗數(shù)和千粒重隨土壤鎘濃度的增加呈下降趨勢，有效穗和產(chǎn)量穗著鎘濃度增加反而有增加趨勢。作物的生長受很多因素的影響，因試驗條件的不同導(dǎo)致試驗結(jié)果又差異甚至矛盾。

作物籽粒鎘含量產(chǎn)生差異的原因很復(fù)雜，作物對鎘吸收積累轉(zhuǎn)移過程復(fù)雜，受到影響的因素也很多。前人通過對水稻籽粒鎘積累研究發(fā)現(xiàn)其基本過程主要包括[18-24]：①根系對鎘的活化和吸收：水稻根系吸收土壤中的鎘，可以通過質(zhì)外體途徑(鎘離子利用細(xì)胞的細(xì)胞壁、細(xì)胞間隙、胞間層以及導(dǎo)管空腔內(nèi)外濃度差通過擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞后，經(jīng)質(zhì)外空間轉(zhuǎn)移至維管柱內(nèi))和共質(zhì)體途徑(鎘離子主要利用載體蛋白在細(xì)胞內(nèi)原生質(zhì)流動并借助代謝能量轉(zhuǎn)運(yùn)到根系細(xì)胞內(nèi)，之后利用胞間連絲的細(xì)胞質(zhì)通道轉(zhuǎn)移至根系維管柱)進(jìn)入根系維管柱中。②木質(zhì)部的裝載和運(yùn)輸：鎘離子從根系轉(zhuǎn)移到地上部分，首先液泡膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將鎘離子裝載到木質(zhì)部導(dǎo)管中，完成木質(zhì)部裝載；然后，鎘離子受蒸騰作用和根壓在導(dǎo)管中運(yùn)輸。③韌皮部向籽粒的轉(zhuǎn)移：90 %的鎘通過韌皮部進(jìn)入水稻籽粒，一部分鎘經(jīng)木質(zhì)部裝載和運(yùn)輸后直接累積到稻穗，還有一部分在抽穗前運(yùn)至水稻葉片后，再經(jīng)重新活化后轉(zhuǎn)運(yùn)至穗頸韌皮部，在成熟階段累積到水稻籽粒。黃志熊等[25]認(rèn)為OsPCR1基因可能參與調(diào)控水稻體內(nèi)鎘的積累，siRNA的豐度和OsPCR1基因表達(dá)水平呈負(fù)相關(guān)，siRNA和OsPCR1基因外顯子2甲基化可能參與調(diào)控OsPCR1基因的表達(dá)。植物體內(nèi)的金屬硫蛋白OsMT1、富含半胱氨酸多肽基因OsDCT1和螯合肽基因OsPCs等鎘螯合蛋白基因參與了鎘的螯合和轉(zhuǎn)移，對鎘含量影響很大[26-27]。液泡膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OsHMA3可通過隔離鎘減少鎘向籽粒中積累[28]。水稻籽粒鎘積累的基因型差異來源于韌皮部，且在韌皮部質(zhì)膜上鑒定出一個低親和的陽離子鎘轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OsLCT1[29-30]。關(guān)于小麥籽粒鎘積累機(jī)制研究的報道資料較少，它是否與水稻籽粒鎘積累的機(jī)理相同需要進(jìn)一步證實。

4 結(jié) 論

在鎘脅迫環(huán)境下，小麥生長、籽粒鎘含量以及鎘積累遷移存在顯著基因型差異，利用基因型差異篩選出5份籽粒鎘含量較低且表現(xiàn)較穩(wěn)定的小麥品種(材料編號CD-22、CD-25、CD-35、CD-37和CD-39)，可作為籽粒低鎘含量小麥品種直接推廣或進(jìn)一步選育新品種。

鎘脅迫不同程度影響小麥農(nóng)藝性狀。穗長、小穗數(shù)和千粒重隨土壤鎘脅迫濃度的增加呈下降趨勢，有效穗和產(chǎn)量穗鎘脅迫濃度增加反而有增加趨勢。不同小麥品種農(nóng)藝性狀對鎘脅迫響應(yīng)不完全相同，既與基因本身有關(guān)，也與鎘濃度及試驗條件有關(guān)。

在鎘含量相對較低的土壤環(huán)境下，品種間籽粒鎘含量和鎘遷移積累系數(shù)變異幅度較大；土壤鎘含量相對較高的土壤環(huán)境下小麥籽粒鎘含量和鎘遷移積累系數(shù)分布范圍相對較窄。土壤環(huán)境中的鎘濃度越高，小麥籽粒中鎘遷移積累系數(shù)越低。同一品種籽粒鎘含量和鎘遷移積累系數(shù)變化趨勢相同，具有顯著的正相關(guān)性。