不同小麥品種對重金屬鎘吸收及轉(zhuǎn)運的差異研究

高巍等

摘 要：通過小麥盆栽試驗，同時施加不同濃度的鎘進行分組試驗，研究了不同小麥品種對重金屬鎘吸收及轉(zhuǎn)運的差異。研究表明，隨著鎘施加量的增加，土壤中各個形態(tài)鎘含量均有不同程度的增加，且交換態(tài)對外界脅迫響應(yīng)強度最敏感，而在任一鎘脅迫處理下，種植高吸收品種小麥土壤中的交換態(tài)均高于低吸收品種；小麥植株各部位的鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)與外源鎘的添加濃度呈明顯負相關(guān)，且高吸收品種對鎘的轉(zhuǎn)運能力強于低吸收品種；小麥品種籽粒鎘的積累能力與鎘在根莖葉中的吸收、轉(zhuǎn)運能力有關(guān)，低鎘濃度（1 mg·kg-1）時，高吸收品種和低吸收品種對鎘的轉(zhuǎn)運能力差別很小，中、高鎘濃度（5，15 mg·kg-1）時，高吸收品種對鎘的轉(zhuǎn)運能力比低吸收品種強很多。因此，在低度鎘污染的土地上，種植小麥時不必過分區(qū)別品種；中、高度鎘污染的土地上，適合種植低吸收小麥，可以有效抑制土壤中鎘的轉(zhuǎn)移，保證小麥籽粒的污染程度不至于過高，保障人們的身體健康。

關(guān)鍵詞：鎘；小麥；轉(zhuǎn)移系數(shù)；籽粒

中圖分類號：S512.1 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.10.012

Differences of Cadmium Absorption and Transfer between High-Accumulating and Low-Accumulating Wheat Varities

GAO Wei 1， GENG Yue-hua 2， ZHAO Peng1， SUI Fu-qing 1， WANG Qiao-yan 1， GAN Wan-xiang 1

（1.College of Resources and Environmental Sciences， Henan Agricultural University， Zhengzhou， Henan 450002， China； 2.College of Plant Protection， Henan Agricultural University， Zhengzhou， Henan 450002， China）

Abstract： The present research used the pot experiment to study the differences of Cd absorption and transport between two wheat varieties. The results demonstrated that with the increasing concentration of added Cd， the Cd concentration of each different classes increased， and the exchangeable form increased the most. There was a significant negative correlation between the Cd transfer coefficient and the fortified Cd contents in the soil. The Cd accumulation of seed was influenced by the Cd absorption and transfer of wheat plant. When the Cd concentration was 1 mg·kg-1， there was not significant difference； when the Cd concentration was 5 and 15 mg·kg-1， the transfer ability of high-accumulating wheat was stronger than that of low-accumulating wheat. Therefore， selecting the low-accumulating wheat variety was very important for grain production and security.

Key words： cadmium； wheat； transfer coefficient； seed

我國土壤重金屬污染現(xiàn)象十分嚴重。研究表明，我國重金屬污染的農(nóng)田面積約2 500萬m2，每年被重金屬污染的糧食多達1 200萬t，進而導(dǎo)致糧食減產(chǎn)高達l 000多萬t，合計經(jīng)濟損失至少200億元[1-3]。

在所有的污染元素中，鎘的移動性大、毒性高，其對人體、動物、植物的毒害非常大[4]。鎘主要蓄積于動物的肝臟和腎，能損害動物的肝臟、腎臟、脾、骨骼、胃腸道和生殖系統(tǒng)等，并能產(chǎn)生細胞、體液和K細胞的免疫抑制，有強致癌性[5]。鎘對植物的毒害首先是作用于細胞內(nèi)的氧化還原系統(tǒng)， 造成活性氧（ROS）積累-氧化脅迫，進而引起一系列氧化還原反應(yīng)， 使抗氧化系統(tǒng)發(fā)生改變[6]。植物鎘中毒后，通常出現(xiàn)下列明顯的癥狀： 生長受阻、黃萎（葉綠素合成受阻）、根尖變黑等， 最后直至死亡[7]。當鎘超過一定濃度后，就會影響植物的生理生化過程和生長發(fā)育，對葉綠素有很強的破壞作用，促進抗壞血酸分解，并能抑制植物各種功能酶活性，從而影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)。更重要的是，重金屬可以通過食物鏈傳遞富集于人體，引起骨質(zhì)疏松、貧血、高血壓以及腎損傷等疾病[8]。土壤鎘污染使農(nóng)產(chǎn)品的安全性受到嚴重威脅。因此，研究重金屬鎘在植物-土壤系統(tǒng)中的吸收及轉(zhuǎn)運具有積極的重要意義。

小麥是我國重要的糧食作物，也是人們的主要食物來源之一。我國各地小麥品種種類繁多，其產(chǎn)量、質(zhì)量以及其他生產(chǎn)特性都有很大差別[9]。大量研究表明[10-11]，不同基因型作物對重金屬的積累水平差別較大，甚至同一種作物的不同品種間重金屬累積能力也可能有較大差異。因此，針對我國目前重金屬污染日益嚴重的狀況（僅鎘污染耕地就約有1.3萬hm2）[12]，尋找并在重金屬污染地區(qū)大力推廣種植低累積、高產(chǎn)量和高質(zhì)量的小麥品種具有現(xiàn)實的意義。endprint

以往有關(guān)重金屬鎘對作物品質(zhì)的研究，多集中于大豆、水稻、花生等作物，而有關(guān)鎘 對小麥影響的研究多集中于幼苗生長及生理特性的影響以及地上部分與地下部分對鎘吸收的富集特性研究，對小麥植株、籽粒中鎘含量、分布、富集與轉(zhuǎn)移特性的研究以及不同品種小麥對鎘的吸收及轉(zhuǎn)運的研究較少[13]。因此，本研究采用盆栽方式，通過在土壤中添加外源鎘 栽培小麥，研究在鎘 脅迫條件下，不同小麥品種對鎘 的分布、富集及吸收、轉(zhuǎn)運情況，以摸清鎘 污染土壤中適合種植的小麥品種，為糧食作物小麥的安全生產(chǎn)提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材 料

盆栽供試土壤類型為沙質(zhì)土，全鎘含量未檢出，pH值為6.5，氮肥、磷肥、鉀肥分別為尿素（分析純）、過磷酸鈣（分析純）和氯化鉀（分析純）。氮肥基追比為1∶1，追肥于拔節(jié)期施用，磷鉀肥全部作基肥一次性施入。鎘為硫酸鎘（分析純）。供試小麥品種為高吸收品種（A）和低吸收品種（B）。

1.2 試驗設(shè)計方法

采用土壤外源施加鎘的盆栽試驗，于河南農(nóng)業(yè)大學第三生活區(qū)試驗基地進行試驗。供試土壤分為3個處理，各處理Cd（3CdSO4·8H2O）按純鎘量計算，濃度分別為1 mg·kg-1（Cd1）、5 mg·kg-1（Cd5）、15 mg·kg-1（Cd15）。各處理土壤與基肥一起混勻過篩裝盆，埋入劃分好的土中。本試驗分別對小麥的高吸收品種和低吸收品種進行鎘的不同濃度的重復(fù)試驗，于鎘的3個不同濃度Cd1、Cd5、Cd10處對兩個品種進行3次重復(fù)試驗。

于小麥成熟期取完整植株樣，同時采集各盆土樣。對各植株樣進行處理，分出各部分留做測定，包括根、莖（第1節(jié)間、第2節(jié)間、第3節(jié)間及以上）、葉、籽粒，分別進行烘干、粉碎。

1.3 測定項目及方法

土壤鎘含量：包括全鎘含量及有效鎘含量。試驗方法為Forstner七步連續(xù)提取法[14]，用石墨爐法和原子吸收分光光度法測定各級鎘含量。

植株鎘含量：采用硝酸-雙氧水（7∶3）消化后，用原子吸收分光光度計測定鎘含量[15]。

籽粒鎘含量：采用硝酸-雙氧水（7∶3）消化后，原子分光光度法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

結(jié)果分析采用EXCEL 統(tǒng)計分析軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 種植不同小麥品種的土壤中重金屬鎘形態(tài)的含量變化

從圖1可以看出，隨著土壤中鎘脅迫濃度的增加，土壤中各形態(tài)鎘的含量均呈上升趨勢，且上升幅度為交換態(tài)>殘渣態(tài)>碳酸鹽結(jié)合態(tài)>鐵錳氧化物態(tài)>強有機態(tài)。結(jié)果顯示，交換態(tài)和殘渣態(tài)對外界脅迫響應(yīng)強度最大，其次為碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物態(tài)和強有機態(tài)。已有研究表明，重金屬的各形態(tài)中，交換態(tài)的活性最大，對環(huán)境變化最敏感，易遷移轉(zhuǎn)化，為植物所吸收[16]。碳酸鹽結(jié)合態(tài)在pH值降低時易釋放出來被生物利用。由此可以看出，土壤中鎘的各種形態(tài)的含量多少是有很大差異的，而外源鎘脅迫濃度的高低也影響了土壤中各形態(tài)鎘被作物吸收的難易程度。在各脅迫處理下，高吸收品種土壤的全鎘量均要低于低吸收品種，并且除了交換態(tài)鎘以外，高吸收品種A的土壤中其他各種形態(tài)的鎘的含量基本都低于低吸收品種B。土壤重金屬可交換態(tài)部分與其它部分處于動態(tài)平衡之中，可交換態(tài)部分的重金屬一旦被植物吸收而減少時，粘粒和腐殖質(zhì)所吸附的部分鎘將會進行補充[17]。這些數(shù)據(jù)表明：相對于低吸收品種B，高吸收品種A擁有更強的能力將其他形態(tài)的鎘活化為有效態(tài)，如通過分泌有機酸、質(zhì)子等造成土壤pH值的降低[18-19]，導(dǎo)致碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘釋放到土壤溶液中，最終為植物所吸收。這其中的原因?qū)⑹俏覀兿乱徊竭M行研究的目標。

2.2 不同小麥品種莖中鎘的吸收轉(zhuǎn)移的差異

由1表可以看出，隨著土壤中鎘濃度的升高，高吸收品種小麥莖各部位的鎘含量均呈上升趨勢；低吸收品種莖中鎘含量出現(xiàn)一個先升高后下降的趨勢。通過對品種A、B莖中鎘含量的對比，發(fā)現(xiàn)在鎘含量較低的情況下，品種A莖間對鎘的轉(zhuǎn)運能力比品種B強，第1節(jié)間、第2節(jié)間處差異顯著，第3節(jié)間及以上部分差異不顯著；鎘含量適中情況下，品種B的第1節(jié)間、第3節(jié)間及以上部分對鎘的吸收能力比品種A強，第1節(jié)間處差異不顯著，第3節(jié)間處差異顯著，第2節(jié)間處，品種A則又明顯比B強，且差異顯著；高鎘含量情況下，品種A莖間各節(jié)間部分對鎘的吸收能力明顯比品種B強，而且差異顯著。這說明不同小麥品種對鎘的吸收能力是受土壤中鎘含量多少的影響，但影響不大。鎘含量高、低兩種情況下，高吸收品種A莖間對鎘的吸收能力比低吸收品種B強，鎘含量適中時，低吸收品種B莖間對鎘的吸收能力比高吸收品種A強。除此以外，還發(fā)現(xiàn)在任一鎘脅迫處理下，兩個品種小麥莖中鎘含量由第1節(jié)間、第2節(jié)間、第3節(jié)間及以上部分依次遞增。目前關(guān)于莖的分級的研究仍很少，大部分都作為整體進行研究。我們推測這可能是由于在第1節(jié)間和第2節(jié)間處葉片富集了大量的鎘所致。

2.3 不同小麥品種根、葉吸收鎘的差異

由表2可以看出，隨著土壤中鎘濃度的升高，小麥根、葉中的鎘含量呈明顯上升趨勢，但高吸收品種的上升幅度大于低吸收品種，這表明高吸收品種對鎘脅迫的響應(yīng)能力較強，隨著脅迫濃度的增大，根部和葉部可以吸收儲存更多的鎘。Cd1處理時，品種A根部、葉部的鎘含量低于品種B，且差異顯著；Cd5、Cd15濃度時，品種A根部、葉部的鎘含量明顯高于品種B，差異顯著。在低濃度脅迫下（Cd1），低吸收品種A的根和葉可以吸收儲存更多的鎘；而在中高濃度脅迫下（Cd5、Cd15），高吸收品種A的根部、葉部對鎘的吸收能力則比品種B強，這可能是因為低吸收品種的葉片液泡可以富集大量重金屬，從而阻止鎘向上的運輸，而葉片又是作物蒸騰作用吸收養(yǎng)分的重要部位，而鎘對植物葉綠素含量、光合作用、呼吸作用和蒸騰作用有著重要的影響[21]。這說明，在外源鎘脅迫濃度較高時，小麥高吸收品種葉片擁有更強的富集鎘能力。endprint

2.4 不同小麥品種籽粒中鎘積累的差異

小麥是我國重要的糧食作物，籽粒作物最終產(chǎn)物，是人們的主要食物來源之一，關(guān)系到國家的發(fā)展和人群的健康。因此，籽粒中鎘含量是研究的重點。由圖2可以看出，隨著土壤中鎘濃度的升高，不同品種小麥籽粒中的鎘含量也呈上升趨勢。Cd1濃度時，高吸收品種A籽粒中的鎘含量比低吸收品種B多，Cd5、Cd15濃度時也是如此。說明A品種籽粒對鎘的吸收能力比品種B強。同時可以看出隨著鎘濃度的升高，籽粒鎘積累的差異也越顯著。

2.5 小麥植株各部位的鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF）

轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF值）是指植物體內(nèi)地上部與地下部所含重金屬元素濃度的比值[20]，用來評價植物將重金屬從地下向地上的運輸和富集能力。轉(zhuǎn)移系數(shù)越大表明作物從地下部分向地上部分運輸重金屬的能力越強[21]，作物不同部位的鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)可以充分表現(xiàn)出該品種對鎘的轉(zhuǎn)運能力的強弱，能夠判斷其是否適合種植在鎘污染土地上以及適合其種植的土地中鎘含量的多少。

隨著土壤中外源鎘處理濃度的增加，小麥植株地上各部位的轉(zhuǎn)移系數(shù)基本呈下降趨勢。相較于籽粒，莖和葉片的轉(zhuǎn)移系數(shù)較大，說明鎘由根系向莖和葉片轉(zhuǎn)移的較多，向籽粒中轉(zhuǎn)移的較少。對比兩個品種，高吸收品種各部位的轉(zhuǎn)移系數(shù)基本上均大于低吸收品種B。表明，高濃度的鎘抑制了作物各部位對鎘的轉(zhuǎn)移，同時，高吸收品種對鎘的轉(zhuǎn)移能力比低吸收品種強（表3）。

2.6 小麥籽粒鎘含量與小麥根莖葉和土壤中各形態(tài)鎘含量的關(guān)系

為進一步探索導(dǎo)致小麥籽粒積累鎘能力不同的原因，進行小麥籽粒重金屬鎘含量與根系、莖、葉和土壤中重金屬各形態(tài)含量之間的相關(guān)分析，結(jié)果見表4。

由表4可知，小麥籽粒重金屬鎘含量與根系和莖葉中的鎘含量呈顯著的正相關(guān)，說明小麥籽粒中鎘的積累，與根系-莖葉界面對重金屬的遷移以及鎘在莖稈中的運輸有關(guān)。還可以發(fā)現(xiàn)籽粒重金屬鎘含量與土壤中非殘渣態(tài)和總量也呈顯著的正相關(guān)，而且植物根系吸收重金屬的主要形態(tài)是交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)，說明籽粒中鎘的積累與土壤根系界面對重金屬的遷移有關(guān)。

3 結(jié)論與討論

目前關(guān)于重金屬在不同節(jié)間的分布研究很少，大部分都將莖作為整體進行研究。本試驗發(fā)現(xiàn)在任一鎘脅迫處理下，兩個品種小麥莖中鎘含量由第1節(jié)間、第2節(jié)間、第3節(jié)間及以上部分依次遞增。推測這可能是由于在第1節(jié)間和第2節(jié)間處葉片富集了大量的鎘所致。除此以外，還發(fā)現(xiàn)不同小麥品種籽粒鎘積累能力的高低與鎘在莖稈中的運輸有關(guān)，在任一鎘處理下，高吸收小麥品種各節(jié)間中鎘含量均高于低吸收品種。外源鎘在土壤中的存在形態(tài)以交換態(tài)為主，交換態(tài)所占的比例隨施加水平的增高呈增大趨勢。在任一鎘脅迫處理下，高吸收品種土壤的全鎘量均要低于低吸收品種，并且除了交換態(tài)鎘以外，高吸收品種A的土壤中其他各種形態(tài)的鎘的含量基本都低于低吸收品種B。這可能是因為高吸收品種A擁有更強的能力將其他形態(tài)的鎘活化為有效態(tài)，反作用調(diào)節(jié)了重金屬在根際中的化學過程。不同小麥品種籽粒鎘積累能力的高低與根莖葉對鎘的吸收、轉(zhuǎn)運能力有關(guān)。在Cd1處理下，高吸收品種根系和葉部的鎘含量低于低吸收品種；在Cd5和Cd15處理下，高吸收品種根系和葉部的鎘含量則明顯高于低吸收品種。說明高吸收品種對于重金屬鎘脅迫具有更強的響應(yīng)能力，其根系和葉片可以富集更多的鎘。在低度鎘污染的土地上，高吸收品種和低吸收品種的小麥對鎘的吸收轉(zhuǎn)運能力差別不大，種植小麥時不必過分區(qū)別品種；中、高度鎘污染的土地上，高吸收品種的小麥對鎘的吸收轉(zhuǎn)運能力比低吸收品種強很多，籽粒中鎘含量的差別很大，適合種植低吸收小麥，可以有效抑制土壤中鎘的轉(zhuǎn)移，保證小麥籽粒的污染程度不至于過高，保障人們的身體健康。

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