鎘與微量元素在小麥吸收過程中的相互影響

姚晨，賈睿琪，臘貴曉，王寧，陸夏梓，郭子昂，龔子陽，趙艷陽，郭虹妤，李烜楨*

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，鄭州 450002；2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，鄭州 450002；3.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，鄭州 450002；4.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)國際教育學(xué)院，鄭州 450002）

Cd 是植物的一種非必需元素，通常由污水灌溉、大氣沉降以及化肥和農(nóng)藥施用等方式進(jìn)入土壤環(huán)境中，是最具毒性的環(huán)境污染物之一。Cd 能夠降低植物對微量元素的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。過量的Cd 還會抑制植物生長發(fā)育，降低作物產(chǎn)量和品質(zhì)，并蓄積在作物的可食用部分，最終通過食物鏈對動物和人類構(gòu)成潛在危害。近年來，我國小麥Cd 超標(biāo)事件屢有發(fā)生，例如，有調(diào)查表明新鄉(xiāng)市部分地區(qū)的農(nóng)田Cd 污染可達(dá)中度乃至重度污染水平，小麥籽粒Cd 含量超標(biāo)現(xiàn)象嚴(yán)重。因此研究小麥對Cd 的吸收機(jī)制，開發(fā)阻控材料以降低小麥的Cd 含量，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

Zn 和Mn 均屬典型的微量元素，也是作物生長的必需元素。在土壤中施加適宜濃度的微量元素可以促進(jìn)作物生長和提高糧食產(chǎn)量，而微量元素的缺乏則可導(dǎo)致植物生長緩慢、產(chǎn)量下降等問題。大量研究表明，施加微量元素能夠降低農(nóng)作物對Cd 的吸收，例如HART 等通過盆栽和水培實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在土壤、水培營養(yǎng)液或葉面施Zn，均能夠降低小麥籽粒中Cd 的濃度；陶雪瑩等研究發(fā)現(xiàn)，葉面噴施MnSO或ZnSO均能夠顯著降低小麥籽粒中的Cd 含量，Zn/Mn復(fù)配處理則降Cd效果更為顯著。

目前對于水稻等植物的研究較為深入，而對于小麥作物的研究較少。鑒于此，本研究通過水培實(shí)驗(yàn)，探究微量元素Zn 和Mn 對小麥Cd 吸收的影響，以及Cd 對小麥中微量元素吸收的影響，旨在闡明微量元素與Cd 在小麥中積累的互作關(guān)系，為開發(fā)具有降Cd功能的生理阻控材料提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試小麥品種為“鄭麥1354”和“鄭麥1860”，購于河南秋樂種業(yè)科技股份有限公司。

1.2 水培實(shí)驗(yàn)

挑選籽粒飽滿的小麥種子，在5% 的NaClO 溶液中浸泡20 min，用去離子水反復(fù)沖洗后置于去離子水中浸泡5 h，將泡好的種子均勻地擺放在育苗盤上育苗3～4 d。挑選長勢一致的小麥幼苗，在1/2 Hoagland營養(yǎng)液中培育至三葉期，將三葉期的小麥轉(zhuǎn)移至以1/2 Hoagland 營養(yǎng)液為基礎(chǔ)的不同處理液中培養(yǎng)3 d。水培實(shí)驗(yàn)的整個過程均在人工氣候室內(nèi)完成（溫度18 ℃，濕度35%，光照12 h）。

為了分析不同濃度微量元素對小麥生長及Cd吸收的影響，進(jìn)行第一組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)共設(shè)10 組處理，其中的 C d 以 C dCl形式加入，濃度均為 5 μmol·L，Zn和Mn 的濃度設(shè)置如表1 所示，其他金屬元素含量為1/2 Hoagland 營養(yǎng)液的離子濃度。每個處理重復(fù)3次，每個培養(yǎng)皿中種植15株小麥幼苗。

表1 實(shí)驗(yàn)一各處理中Zn和Mn的濃度（μmol·L-1）Table 1 Concentrations of Zn and Mn in each treatment in Experiment 1（μmol·L-1）

為了分析不同濃度Cd對小麥生長及微量元素吸收的影響，進(jìn)行第二組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中Cd以CdCl形式加入，初始濃度設(shè)置為0、1、5、10、20、50 μmol·L6個水平，分別記作CK、Cd1、Cd5、Cd10、Cd20、Cd50處理。每個處理重復(fù)3次，每個培養(yǎng)皿中種植15株小麥幼苗。

1.3 樣品采集

將收取的小麥幼苗先用5 mmol·L的EDTA-Na溶液浸泡20 min，再用去離子水將根系沖洗干凈，以去除根系表面吸附的Cd。置于105 ℃烘箱中殺青20 min后，70 ℃烘干至恒質(zhì)量，測定生物量，然后將樣品地上部和地下部分別粉碎，測量各項(xiàng)指標(biāo)。

1.4 測定項(xiàng)目及方法

Cd、Mn、Zn含量采用高精度X射線熒光光譜儀測定。為確保分析質(zhì)量，在每批分析中加入小麥標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW-E-100494）進(jìn)行儀器精度測試，每種元素的標(biāo)準(zhǔn)回收率為90%～110%。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2019 和SPSS 20.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。采用單因素分析法分析不同處理下小麥Cd、Zn和Mn含量的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同微量元素對小麥生物量的影響

圖1 為不同微量元素處理對小麥生物量的影響。隨著施Zn濃度的提高，兩種小麥的生物量均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，并在Zn2 處理下達(dá)到最高，鄭麥1354和鄭麥1860分別較對照組升高了21.9%和11.9%（＜0.05）。施Mn處理后鄭麥1354生物量均較對照組顯著提高，并隨著施Mn濃度的提高，呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢；而鄭麥1860的生物量只在Mn3處理下顯著提高，較對照組升高了17.9%（＜0.05）。上述結(jié)果表明施加Zn和Mn處理均顯著提高了鄭麥1354的生物量，而Zn2和Mn3處理顯著提高了鄭麥1860的生物量。

圖1 不同微量元素對小麥生物量的影響Figure 1 Effects of different trace elements on wheat biomass

2.2 不同微量元素對小麥Zn/Mn含量的影響

圖2 為不同微量元素處理對兩種小麥Zn/Mn 含量的影響。隨著施Zn 濃度的提高，兩種小麥地上部和地下部的Zn含量均呈逐漸上升的趨勢，并均在Zn2和Zn3處理下較對照組顯著提高。隨著施Mn濃度的提高，兩種小麥地上部和地下部的Mn 含量均呈逐漸上升的趨勢，其中地上部Mn 含量在Mn2 和Mn3 處理下較對照組顯著提高，地下部則在Mn1、Mn2 和Mn3處理下均較對照組顯著提高。

圖2 不同微量元素對小麥Zn/Mn含量的影響Figure 2 Effects of different trace elements on Zn/Mn content in wheat

2.3 不同微量元素對小麥Cd含量及轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響

圖3a和圖3b為不同微量元素處理對小麥地上部Cd 含量的影響。在Zn 和Mn 處理下鄭麥1354地上部Cd含量較對照組均顯著降低（＜0.05），其中，施Zn處理使Cd 下降了10.1%～13.1%，并隨著施Zn 濃度的提高，Cd 含量呈現(xiàn)微弱的上升趨勢；施Mn 處理使Cd 含量下降了22.8%～29.4%，并隨著施Mn濃度的提高，Cd含量呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢（圖3a）。施加Zn 處理，鄭麥1860 地上部的Cd 含量較對照組變化不顯著，而施加Mn 處理后，其地上部的Cd 含量較對照組均顯著降低（圖3b）。綜上所述，施加Mn 處理均能降低兩種小麥地上部的Cd 含量，施加Zn 處理能降低鄭麥1354 地上部的Cd 含量，但對鄭麥1860 地上部Cd含量無顯著影響。

圖3c和圖3d為不同微量元素處理對小麥地下部Cd 含量的影響。施加Zn 和Mn 處理均顯著降低了鄭麥1354 地下部的 Cd 含量（＜0.05）；其中，施Zn 處理使Cd 含量下降了20.3%～34.3%，并隨著Zn 濃度的提高，Cd 含量呈現(xiàn)降低趨勢；施Mn 處理使Cd 含量下降了25.7%～30.0%，并隨著Mn 濃度的提高，Cd 含量呈逐漸降低的趨勢（圖3c）。施加Zn 和Mn 處理均顯著降低了鄭麥1860 地下部Cd 含量；其中，施Zn 處理使Cd含量下降了18.9%～43.0%，并隨著Zn濃度的提高，Cd 含量呈現(xiàn)降低趨勢；施Mn 處理使Cd 含量下降了28.6%～31.6%，并隨著Mn濃度的提高，Cd含量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢（圖3d）。綜上所述，施加Zn和Mn處理均能夠降低兩種小麥地下部的Cd 含量，其中以施加10 μmol·LZn處理效果最為顯著。

圖3e 和圖3f 為不同微量元素處理對小麥轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響。鄭麥1354 在Zn3 處理下Cd 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)提高，較對照組提高了31.5%。鄭麥1860 在Zn2、Zn3 和Mn3 處理下Cd 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)有所提高，較對照組分別提高了19.0%、34.9% 和19.0%。其余處理下小麥的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)變化均不顯著。

圖3 不同微量元素對小麥Cd含量和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響Figure 3 Effects of different trace elements on Cd accumulation and translocation factor of wheat

2.4 不同Cd脅迫水平對小麥生物量的影響

圖4 為不同Cd 脅迫水平對小麥生物量的影響。隨著Cd 脅迫程度的提高，鄭麥1354 生物量分別在Cd1、Cd5 和Cd50 處理時較對照組分別顯著增加了30.4%、41.3% 和39.1%（＜0.05）。而隨著 Cd 脅迫程度的提高，鄭麥1860 生物量變化較對照組均不顯著（＞0.05）。綜上所述，1～50 μmol·LCd 脅迫水平均未顯著抑制小麥生長。

圖4 不同Cd脅迫水平對小麥生物量的影響Figure 4 Effects of different Cd stress levels on wheat biomass

2.5 不同Cd脅迫水平對小麥Cd含量的影響

圖5 為不同Cd 脅迫程度對小麥Cd 含量的影響。在培養(yǎng)基中施加Cd處理后，鄭麥1354和鄭麥1860的地上部和地下部的Cd 含量均較對照組顯著提高（＜0.05），并隨著Cd 脅迫程度的提高，呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢。

圖5 不同Cd脅迫水平對小麥Cd含量的影響Figure 5 Effects of different Cd stress levels on Cd content in wheat

2.6 不同Cd脅迫水平對小麥Zn含量的影響

圖6 為Cd 脅迫對小麥Zn 含量的影響。隨著Cd脅迫程度的提高，鄭麥1354 地上部和地下部的Zn 含量均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，并在Cd1處理下含量最高，較CK 組分別提高了 43.7% 和32.5%（＜0.05）。隨著Cd脅迫程度的提高，鄭麥1860地上部和地下部的Zn 含量均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，其中地上部Zn 含量以Cd5 處理最高，較對照組顯著提高了27.5%（＜0.05），地下部Zn 含量以Cd10 處理最高，較對照組提高了42.5%（＜0.05）。綜上所述，當(dāng)培養(yǎng)液中 Cd 濃度為 0～50 μmol·L時，隨著培養(yǎng)液中Cd 濃度的升高，鄭麥1354 和鄭麥1860 地上部和地下部的Zn含量均呈先升高后降低的趨勢。

圖6 不同Cd脅迫水平對小麥Zn含量的影響Figure 6 Effects of different Cd stress levels on Zn content in wheat

2.7 不同Cd脅迫水平對小麥Mn含量的影響

圖7 為Cd 脅迫對小麥Mn 含量的影響。在Cd1、Cd20 和 Cd50 處理下，鄭麥 1354 地上部 Mn 含量較對照組均顯著降低；隨著Cd脅迫程度的提高，鄭麥1354地下部Mn含量呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，并在Cd50處理下，小麥地下部Mn 含量降低到最小值，較CK 組降低了94.8%（圖7a 和圖7c）。鄭麥1860 地上部和地下部的Mn 含量較CK 組均降低，且隨著Cd 脅迫程度的提高，地上部Mn含量呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢，并在Cd20 處理下降低至最小值，較CK 組顯著降低了35.8%，其地下部Mn 含量則呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，并在Cd50處理下降至最小值，較CK 組顯著降低了約89.5%（圖7b 和圖7d）。綜上所述，當(dāng)培養(yǎng)液中Cd 濃度為 0～50 μmol·L時，隨著培養(yǎng)液中 Cd 濃度的升高，鄭麥1354和鄭麥1860地下部的Mn含量均呈逐漸降低的趨勢。同時，Cd 脅迫均能夠抑制鄭麥1860 小麥地上部和地下部對Mn 的吸收；1、20 μmol·L和50 μmol·LCd 脅迫能抑制鄭麥 1354 地上部對 Mn 的吸收，5～50 μmol·LCd 脅迫能抑制鄭麥 1354 地下部對Mn的吸收。

圖7 不同Cd脅迫水平對小麥Mn含量的影響Figure 7 Effects of different Cd stress levels on Mn content in wheat

3 討論

在本研究中，施加一定濃度的Zn/Mn能提高小麥的生物量，其中以 5 μmol·LZn 和 10 μmol·LMn 處理效果較為顯著，這與前人的研究結(jié)果相似，而該實(shí)驗(yàn)結(jié)果中施加某些濃度的Zn/Mn 處理卻未能顯著提高小麥生物量，這可能與施加微量元素的處理時間較短有關(guān)。

本研究發(fā)現(xiàn)，施加 1～10 μmol·L的Zn 處理均能降低兩種小麥地下部的Cd 含量，且隨著Zn 供應(yīng)量的提高Cd 含量呈現(xiàn)出下降趨勢，這表明在小麥根部Zn和Cd 之間存在競爭效應(yīng)，且這種競爭效應(yīng)會隨Zn 濃度的提高而加強(qiáng)，YANG 等通過數(shù)據(jù)建模也證明了這一點(diǎn)。由此推測，外源施Zn 能抑制小麥根系中與Cd吸收相關(guān)的蛋白的表達(dá)（例如TaLCT1），從而降低小麥根系對Cd的吸收量。同時，隨著施Zn濃度的提高，小麥植株能產(chǎn)生更多與Zn相關(guān)的轉(zhuǎn)運(yùn)載體來促進(jìn)Zn從地下部到地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)，而這些載體在轉(zhuǎn)運(yùn)Zn的同時也會提高對Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)，因此小麥對Cd 的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)也有所提高。此外，本研究發(fā)現(xiàn)，施Zn處理后鄭麥1354地上部的Cd含量均降低，而鄭麥1860 地上部的Cd 含量并未顯著降低，這可能與小麥的基因型有關(guān)，因此在施加Zn 處理時應(yīng)考慮小麥品種差異。

本研究表明施加 1～10 μmol·L的 Mn 處理均能降低兩種小麥地下部的Cd含量，且隨著Mn供應(yīng)量的提高Cd 含量呈現(xiàn)出下降趨勢，同時，隨著外源施Mn濃度的提高，兩小麥地上部和地下部的Mn 含量均呈上升趨勢。由此推測，在根系環(huán)境中Mn 能夠通過與Cd 競爭根部的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白來降低小麥對Cd 的吸收。此外，研究發(fā)現(xiàn)施加Mn 處理對鄭麥1860地上部Cd 含量未造成顯著影響，這表明Mn 對Cd 的抑制效果也會因小麥品種的不同而異。

Cd 能夠影響植物的光合作用，同時還能抑制植物體內(nèi)酶的合成與活性，進(jìn)而影響植物的生長發(fā)育以及對微量元素的吸收，而本研究發(fā)現(xiàn) 50 μmol·L的Cd 脅迫處理對兩種小麥的生物量沒有顯著的抑制作用，表明小麥對Cd 具有較強(qiáng)的耐受能力，對此WU等也有類似發(fā)現(xiàn)，這可能與植物的“低促高抑”現(xiàn)象有關(guān)，即低濃度的Cd 促進(jìn)植物生長，而高濃度的Cd則抑制植物生長。該現(xiàn)象可能是植物自身產(chǎn)生了應(yīng)激效應(yīng)用來中和與Cd相關(guān)的毒性。

在本研究中，施加Cd（1～50 μmol·L）脅迫處理均能提高小麥地上部和地下部Cd 含量，并隨著Cd 脅迫程度的提高小麥植株Cd含量呈逐漸升高的趨勢。低濃度的Cd（1～10 μmol·L）脅迫能一定程度上提高小麥地上部或地下部Zn 含量，但對Zn 的富集能力因小麥品種不同而異，這可能是Cd能夠上調(diào)小麥中Zn吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因（如）的表達(dá)所致。研究還發(fā)現(xiàn)，1～50 μmol·L的Cd脅迫能降低小麥地上部和地下部Mn含量，且隨著Cd脅迫水平的提高，這種抑制作用有加強(qiáng)的趨勢。這可能是小麥植株內(nèi)Cd和Mn競爭載體（如）造成的。

最近，夏亦濤發(fā)現(xiàn)小麥籽粒Cd 含量與苗期地下部至地上部的Cd 遷移系數(shù)呈顯著正相關(guān)，表明苗期小麥對Cd 的吸收狀況可表征籽粒中Cd 的積累狀況。并且苗期實(shí)驗(yàn)具有快速、廉價、條件可控的優(yōu)勢，是進(jìn)行生理阻控劑篩選的有效手段。本研究發(fā)現(xiàn)Zn 和Mn 可在一定程度上降低苗期小麥對Cd 的富集能力，從而為開發(fā)以Zn和Mn為基礎(chǔ)的生理阻控材料提供了科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）適度提高M(jìn)n和Zn供應(yīng)能顯著降低鄭麥1354和鄭麥 1860 植株 Cd 含量。因此，Mn 和 Zn 是實(shí)現(xiàn)小麥降Cd的有效生理阻控材料。

（2）Cd 脅迫對小麥生長具有“低促高抑”現(xiàn)象。隨著Cd 脅迫水平的提高，兩種小麥各部分Cd 含量均呈逐漸上升的趨勢。

（3）Cd 脅迫使小麥植株的Zn 含量有所提高，但隨著Cd 脅迫程度的提高，小麥植株Zn 含量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。而Cd 脅迫基本降低了小麥植株Mn含量。由此可見，在小麥吸收金屬元素過程中，Cd與Mn存在著競爭關(guān)系，而與Zn的關(guān)系則較為復(fù)雜。