子粒鎘低積累型甜糯玉米材料的篩選

收稿日期：2023-12-04

基金項(xiàng)目：重慶市自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（cstc2021jcyj-msxmX0226）；重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院市級(jí)財(cái)政科研項(xiàng)目（cqaas2023sjczsf003；cqaas2023sjczhx009）

作者簡(jiǎn)介：李淑君（1986-），女，四川廣安人，助理研究員，碩士，主要從事玉米遺傳育種研究，（電話）18983692501（電子信箱）

272245217@qq.com；通信作者，袁 亮（1982-），男，重慶人，研究員，碩士，主要從事玉米遺傳育種研究，（電話）18983692382

（電子信箱）353872379@qq.com。

李淑君，付忠軍，祁志云，等. 子粒鎘低積累型甜糯玉米材料的篩選［J］. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2024，63（7）：1-5，199．

摘要：為篩選出在不同土壤鎘（Cd）濃度脅迫下子粒Cd低積累型的甜糯玉米（Zea mays L.）材料，以45份甜糯玉米材料為對(duì)象，采用盆栽試驗(yàn)，設(shè)置2個(gè)土壤添加外源Cd處理，即C1（1.3 mg/kg）和C2（3.2 mg/kg），以不額外添加Cd為對(duì)照（CK），對(duì)甜糯玉米材料子粒Cd的積累差異進(jìn)行研究。結(jié)果表明，甜糯玉米子粒Cd含量隨土壤中Cd濃度的增加而增加，且在材料間存在極顯著差異（P<0.01）。不同Cd濃度下，所有甜糯玉米材料子粒Cd的富集系數(shù)均小于1。聚類分析發(fā)現(xiàn)，有15份材料在不同Cd 濃度下均表現(xiàn)出子粒低積累特性，其中S18、S29、S30、S36和S44這5份材料子粒的Cd含量在不同處理下均小于食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的0.1 mg/kg，說(shuō)明這5份材料可作為子粒Cd低積累型親本材料，為甜糯玉米Cd安全品種的培育提供種質(zhì)資源。

關(guān)鍵詞：甜糯玉米（Zea mays L.）；子粒鎘積累；外源鎘；富集系數(shù)；Cd低積累型材料

中圖分類號(hào)：X53；S513 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2024）07-0001-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.07.001 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Screening of sweet glutinous maize materials with low-Cd accumulation in grains

LI Shu-jun， FU Zhong-jun， QI Zhi-yun， YUAN Liang

（Chongqing Academy of Agricultural Sciences， Chongqing 401329，China）

Abstract： In order to screen the sweet glutinous maize （Zea mays L.） with low-Cd accumulation in grains under different soil cadmium concentrations stress， a pot experiment was conducted to study the difference of the Cd accumulation in grains by 45 sweet glutinous maize materials. 2 soil cadmium concentrations were set， namely C1 （1.3 mg/kg）， C2 （3.2 mg/kg）， and the soil without exogenous-Cd was taken as the control （CK）. The results showed that the Cd concentrations in sweet glutinous maize grains increased with the increase of Cd concentration in soil， and there were significant differences among the 45 sweet glutinous materials （P<0.01）. The enrichment coefficients of Cd in grains of all maize materials were less than 1 under different Cd concentrations. The cluster analysis showed that 15 materials exhibited grain low-Cd accumulation characteristics under different Cd concentrations， and the Cd contents in the grain of S18， S29， S30， S36 and S44 were lower than the National Food Safety Standard （0.1 mg/kg）. Thus， these 5 materials with low-Cd accumulation in grains could be used as parent materials， providing germplasm resources for the cultivation of Cd-safe varieties in sweet glutinous maize.

Key words： sweet glutinous maize （Zea mays L.）； Cd accumulation in grains； exogenous cadmium； enrichment coefficient； low-Cd accumulation material

土壤是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。但隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，加之重金屬污染控制和環(huán)境修復(fù)滯后，土壤重金屬污染形勢(shì)不容樂(lè)觀。鎘（Cd）作為毒性較強(qiáng)的重金屬，污染尤為突出，不僅表現(xiàn)出污染面積大，分布范圍廣，且具有明顯的區(qū)域特征，在南方地區(qū)表現(xiàn)更為嚴(yán)重［1，2］。研究表明，鎘等重金屬能夠通過(guò)食物鏈富集進(jìn)而影響人類健康［3］，在重金屬污染環(huán)境下生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品存在較大的食品安全隱患［4，5］。趙麗娟等［6］的研究表明，重慶市主城區(qū)周邊的重金屬污染主要為Cd污染，其中都市圈西北部污染情況最為嚴(yán)重。黃進(jìn)等［7］對(duì)重慶市商品糧基地的土壤采樣檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，潼南、秀山、綦江、合川等12個(gè)縣（區(qū)）土壤Cd含量超過(guò)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，渝西地區(qū)Cd污染程度較重。唐書(shū)源等［8］對(duì)重慶市郊縣農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)的玉米進(jìn)行抽樣檢測(cè)和評(píng)價(jià)，結(jié)果表明抽樣的農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)玉米都不同程度受到了重金屬鉛、鎘和汞的污染，其中鎘超標(biāo)率為3%。

作為都市季節(jié)性休閑農(nóng)產(chǎn)品，甜糯玉米（Zea mays L.）兼具糧、果、蔬3類農(nóng)產(chǎn)品特點(diǎn)，營(yíng)養(yǎng)全面且均衡，因其口感極佳、營(yíng)養(yǎng)豐富等優(yōu)點(diǎn)深受人們的推崇。重慶市的甜糯玉米年均種植面積約3.3萬(wàn)hm2，然而約60%以上分布在鎘污染相對(duì)較重的主城區(qū)及周邊的西部區(qū)縣。隨著健康飲食觀念的推廣和普及，綠色安全（低有害物殘留）的甜糯玉米品種越來(lái)越受到消費(fèi)者的青睞。因此，篩選子粒Cd低積累型甜糯玉米自交系，培育優(yōu)質(zhì)、安全、綠色的甜糯玉米品種是實(shí)現(xiàn)中輕度Cd污染農(nóng)田玉米安全生產(chǎn)切實(shí)可行的辦法。文秋紅等［9］通過(guò)比較玉米自交系富集鎘的能力，獲得3個(gè)具備Cd超富集特征的玉米自交系。Zhang等［10］對(duì)19份普通玉米自交系的Pb、Cd積累差異進(jìn)行比較，獲得了多個(gè)不同積累特征的玉米材料。張寧等［11］通過(guò)比較50個(gè)玉米品種對(duì)Cd積累和轉(zhuǎn)運(yùn)的差異，篩選出新單58、美加303等29個(gè)Cd低累積型優(yōu)勢(shì)品種。鄢小龍等［12］通過(guò)比較鉛鋅礦區(qū)周邊農(nóng)田不同玉米品種Pb、Cd的累積差異，篩選出5個(gè)Pb、Cd低積累型玉米品種。目前，大多數(shù)研究針對(duì)玉米品種的重金屬富集能力進(jìn)行評(píng)價(jià)從而篩選所需品種，但對(duì)親本自交系在不同濃度下的重金屬累積材料篩選還較少。本研究選用前期篩選出的45份甜糯玉米材料，對(duì)其在不同Cd濃度處理下的累積差異進(jìn)行比較，以期篩選獲得子粒Cd低積累型甜糯玉米種質(zhì)資源，為甜糯玉米子粒Cd安全品種的培育及遺傳改良提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)采用的45份甜糯玉米材料均由重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供，材料編號(hào)及名稱見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所皇田試驗(yàn)站進(jìn)行。供試土壤采自皇田試驗(yàn)站農(nóng)田20 cm深左右土壤，土壤Cd背景值為0.08 mg/kg。土壤基本理化性狀為pH 6.93、有機(jī)質(zhì)含量33.16 g/kg、全氮含量3.01 g/kg、速效磷含量57.35 mg/kg、速效鉀含量148.52 mg/kg。

試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)添加外源Cd處理，濃度分別為1.3、3.2 mg/kg，以C1、C2表示，同時(shí)以未添加外源Cd的處理為對(duì)照（CK）。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，完全隨機(jī)排列。采用盆栽試驗(yàn)，每盆裝土20 kg，Cd以CdCl2溶液形式施入土壤，充分混勻后放置1個(gè)月待用。陳化后C1、C2的土壤全Cd含量分別為1.41、3.32 mg/kg。播種前一周每盆分別加入15 g復(fù)合肥（N∶P∶K=15∶15∶15）作基肥，每盆播種4顆種子，澆透水。定苗后留2株供成熟期采樣。盆栽試驗(yàn)肥水管理、病蟲(chóng)害防治與正常大田生產(chǎn)相同，開(kāi)花期進(jìn)行人工套袋授粉，授粉30 d 后收獲鮮果穗。

1.3 樣品采集與處理

收獲時(shí)，每盆2株果穗子?；旌蠘訛橐粋€(gè)重復(fù)。人工脫粒，將子粒置于干燥箱105 ℃殺青30 min，再于65 ℃下烘干至恒重，研磨過(guò)100目篩，備用。Cd含量測(cè)定參照《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鎘的測(cè)定》（GB 5009.15—2014），采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2017軟件整理，數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示，采用DPS V15.10軟件進(jìn)行方差分析和聚類分析，采用LSD法對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性比較；采用Excel 2017軟件制圖。

富集系數(shù)參照鄧婷等［13］的方法計(jì)算，計(jì)算式：富集系數(shù)=玉米子粒Cd含量/土壤中Cd含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同Cd濃度下甜糯玉米材料子粒Cd積累量的差異比較

由表2可知，45份甜糯玉米子粒Cd含量在不同土壤Cd濃度下均存在極顯著差異（P<0.01）。CK、C1、C2處理的甜糯玉米子粒Cd含量的平均值分別為0.005、0.175和0.369 mg/kg，變幅分別為0.001～0.012（變異系數(shù)為27.45%）、0.028～0.852（變異系數(shù)為14.52%）和0.073～1.386 mg/kg（變異系數(shù)為10.29%）。這說(shuō)明不同處理下，45份甜糯玉米子粒Cd含量差異較大，具備Cd低積累型材料篩選的基本條件。從不同Cd濃度處理下甜糯玉米子粒Cd含量平均值來(lái)看，添加外源Cd濃度從0增加至1.3 mg/kg，甜糯玉米子粒Cd含量從0.005 mg/kg增加到0.175 mg/kg，土壤Cd含量增加16.63倍，子粒Cd含量增加34.00倍；添加外源Cd濃度從1.3 mg/kg增加至3.2 mg/kg，子粒Cd含量從0.175 mg/kg增加到0.369 mg/kg，土壤Cd含量增加1.35倍，子粒Cd含量增加1.11倍。這說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，隨著土壤Cd濃度的增加，甜糯玉米子粒Cd含量增速明顯，而隨著土壤Cd濃度的持續(xù)增加，子粒Cd含量增幅明顯變緩。

按照《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）規(guī)定的限制（Cd≤0.1 mg/kg），CK下45份材料子粒Cd含量均未超標(biāo)，C1下有24份材料子粒Cd含量大于0.1 mg/kg，超標(biāo)率達(dá)53.33%；C2下僅有5份材料（S18、S29、S30、S36、S44）子粒Cd含量小于0.1 mg/kg，其余均超標(biāo)，超標(biāo)率達(dá)88.89%。

2.2 不同Cd濃度下甜糯玉米子粒Cd低積累型材料的篩選結(jié)果

以子粒Cd含量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)45份甜糯玉米材料進(jìn)行聚類分析（圖1）。由圖1可知，在CK、C1、C2土壤Cd脅迫下，當(dāng)歐式距離分別為0.03、1.50、2.00時(shí)，可將甜糯玉米材料劃分為Cd高積累型材料、Cd中積累型材料、Cd低積累型材料三大類。CK、C1、C2下聚類分析分別獲得17、34、27份Cd低積累型材料，21、8、12份Cd中積累型材料，7、3、6份Cd高積累型材料。其中，在3種處理下有15份材料均表現(xiàn)為Cd低積累型，3份材料均表現(xiàn)為Cd高積累型。不同甜糯玉米材料子粒Cd積累類型劃分見(jiàn)表3。

2.3 不同Cd濃度下甜糯玉米材料對(duì)子粒Cd的富集能力比較

富集系數(shù)是評(píng)價(jià)作物重金屬富集能力的重要指標(biāo)，反映了其對(duì)某種重金屬的富集能力。由圖2可以看出，45份甜糯玉米材料在CK、C1、C2下的子粒富集系數(shù)范圍分別為0.008～0.155、0.020～0.604、0.022～0.418。各處理下甜糯玉米子粒Cd的富集系數(shù)均小于1。C1下，材料S21的子粒對(duì)Cd的富集系數(shù)最高，為0.604，其次是S22、S38、S19、S27；C2下，材料S38的子粒對(duì)Cd的富集系數(shù)最高，為0.418，其次是S21、S22、S14、S6，這說(shuō)明S21、S22、S38這3個(gè)材料在2種Cd處理下對(duì)Cd的富集能力均較強(qiáng)。

3 討論

大量研究表明，作物本身的遺傳特性會(huì)影響Cd的吸收，不同基因型的作物對(duì)Cd的積累差異顯著［14-16］。張寧等［11］通過(guò)大田試驗(yàn)對(duì)50個(gè)玉米品種的Cd積累差異進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在外界環(huán)境條件一致的情況下，玉米品種對(duì)Cd的吸收能力主要決定于自身的遺傳因素。趙良俠等［17］對(duì)玉米子粒高/低鎘積累自交系的Cd累積特性研究發(fā)現(xiàn)，子粒Cd低積累自交系受Cd脅迫影響較小，比高積累型自交系具有更強(qiáng)的耐Cd脅迫能力。本研究發(fā)現(xiàn)，同一濃度處理下，45份供試材料子粒Cd含量差異極顯著且變異系數(shù)較大，且在添加外源Cd濃度為1.3、3.2 mg/kg時(shí)，子粒Cd含量最大值分別是最小值的30.43、18.99倍，表明供試材料對(duì)Cd積累的變異較為豐富，有利于甜糯玉米子粒Cd低積累型材料的篩選。

影響作物子粒Cd積累能力的另一重要因素是作物的生長(zhǎng)環(huán)境［18］，如土壤Cd濃度、pH等。董欣欣［19］的研究發(fā)現(xiàn)，玉米品種子粒對(duì)Cd的積累和富集能力表現(xiàn)不一致，存在顯著差異。劉健等［20］通過(guò)盆栽試驗(yàn)，對(duì)2種不同Cd積累類型的品種在5種不同土壤Cd濃度下玉米植株Cd積累的研究表明，玉米植株各器官Cd含量與環(huán)境存在顯著相關(guān)性。本研究發(fā)現(xiàn)，在氣候條件、土壤特性和管理措施一致的盆栽試驗(yàn)中，同一甜糯玉米材料子粒Cd含量隨土壤Cd濃度的升高而增加，當(dāng)土壤Cd含量較低時(shí)，隨土壤Cd含量的增加，甜糯玉米子粒Cd含量迅速增加，但當(dāng)土壤Cd含量達(dá)到一定程度時(shí)，甜糯玉米子粒Cd含量增速明顯降低，這與張璐等［21］的研究一致。

富集系數(shù)代表了作物對(duì)重金屬的積累能力，其值越高，表示作物體內(nèi)積累重金屬的能力就越強(qiáng)［22］。本研究中，45份甜糯玉米材料子粒的富集系數(shù)在3個(gè)處理下均小于1，且整體趨勢(shì)表現(xiàn)為隨著Cd濃度的增加而增大，不同材料子粒Cd富集系數(shù)的最高值表現(xiàn)不一致，部分材料在C2（3.2 mg/kg）處理下反而較C1（1.3 mg/kg）處理下下降，可能是因?yàn)檫@些材料在外界脅迫加大的情況下，產(chǎn)生了保護(hù)機(jī)制來(lái)抑制子粒對(duì)Cd的積累。

甜糯玉米子粒Cd含量的多少直接影響人類的健康。因此，利用不同材料對(duì)Cd吸收積累的差異選擇符合食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的Cd低積累甜糯玉米材料從而選育Cd低積累型甜糯玉米品種，對(duì)保障糧食安全以及人類健康至關(guān)重要。本研究采用不同Cd濃度處理的盆栽試驗(yàn)對(duì)45份甜糯玉米材料進(jìn)行初步篩選，以子粒Cd含量為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行聚類分析，在外源Cd濃度為0、1.3、3.2 mg/kg下分別獲得17、34、27份Cd低積累型材料，21、8、12份Cd中積累型材料，7、3、6份Cd高積累型材料。其中，15份材料均表現(xiàn)為Cd低積累型，3份材料均表現(xiàn)為Cd高積累型。15份Cd低積累型材料中S18、S29、S30、S36和S44共5份材料子粒Cd含量在不同土壤Cd濃度處理下均小于0.1 mg/kg，符合食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB 2762—2017）。

4 小結(jié)

通過(guò)盆栽試驗(yàn)對(duì)45份甜糯玉米材料子粒Cd含量進(jìn)行研究，在不同土壤Cd濃度下存在極顯著差異。隨著土壤Cd含量的不斷增加，甜糯玉米材料子粒Cd含量先增速較快，當(dāng)土壤中Cd含量達(dá)到一定濃度時(shí)，子粒Cd含量增速明顯減慢。以子粒Cd含量為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)45份甜糯玉米材料進(jìn)行聚類分析，最終獲得15份Cd低積累型甜糯玉米材料，其中S18、S29、S30、S36和S44 這5份材料子粒Cd含量在不同土壤Cd濃度處理下均小于0.1 mg/kg，符合食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB 2762—2017），可以為甜糯玉米Cd低積累品種的培育提供基礎(chǔ)材料。

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