鎘對雜交小麥礦質元素吸收、分布及葉綠素熒光參數的影響

胡鐵柱，胡喜貴，游晴晴，李小軍，馮素偉，姜小苓，王玉泉，茹振鋼

(河南科技學院小麥中心/河南省現代生物育種協同創新中心，河南新鄉 453003)

鎘對雜交小麥礦質元素吸收、分布及葉綠素熒光參數的影響

胡鐵柱，胡喜貴，游晴晴，李小軍，馮素偉，姜小苓，王玉泉，茹振鋼

(河南科技學院小麥中心/河南省現代生物育種協同創新中心，河南新鄉 453003)

為探討鎘(Cd)對雜交小麥必需礦質營養元素吸收及光合作用的影響，利用Hoagland營養液添加和不添加CdCl2·2.5H2O的培養方法，對BNS型小麥雜交F1及其父本矮05、母本BNS366中的Ca、K、Mg和Fe元素含量以及葉綠素熒光參數進行了分析。結果表明，Cd處理下，小麥莖稈的Cd含量依次為F1>矮05>BNS366，葉片和穎殼中Cd含量依次為矮05>F1>BNS366。與對照(不添加Cd)相比，Cd處理的矮05葉片與BNS366穎殼中Ca、K、Fe和Mg的相對含量均降低，除F1與矮05中Mg的相對含量變化模式相同外，F1與親本其他被測元素的相對含量變化模式不同。對照條件下，葉綠素電子傳遞速率依次為F1>BNS366>矮05，F1的光化學猝滅系數顯著高于矮05和BNS366；Cd處理條件下，三者間葉綠素熒光參數差異均不顯著。

鎘；雜交小麥；礦質元素；葉綠素熒光參數

重金屬是農業環境和農產品的重要污染物質。隨著工業化和現代農業的快速發展，我國的環境重金屬污染事件頻繁發生，保守估計我國受重金屬污染的耕地面積超過3億畝，每年因此造成的糧食減產達1 000萬t，重金屬污染的糧食達1 200萬t，合計農業損失至少在200億元以上[1]。土壤中的重金屬分為植物必需的微量元素(Cu、Zn等)和非必需元素(Al、Cd和Hg等)。與其他重金屬相比，Cd更易被植物吸收積累[2]。因其化學行為和生態效應的復雜性以及對人類健康和社會可持續發展危害的嚴重性，已日益成為全球關注的焦點[3-4]。

小麥(Triticumaestivum)是我國重要的糧食作物。目前，優質、高產、生態、安全已成為小麥生產的主要目標，深入研究其對Cd的吸收、轉運以及累積，對于保證人類健康有重要意義。目前，關于Cd對普通小麥影響的研究主要涉及小麥種子及幼苗期地上部分生理變化及Cd在小麥各器官中的分布狀況[5]，而有關Cd對小麥必需礦質元素含量及旗葉葉綠素參數的影響尚未見報道。本研究以BNS型雜交小麥F1及其親本為材料，研究Cd脅迫對小麥Ca、K、Mg和Fe元素吸收、分配以及葉綠素熒光參數的影響，以期更深入了解重金屬對小麥必需礦質元素吸收、運轉的影響，為小麥的優質生產提供技術指導和參考依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料為BNS型雜交小麥F1及其母本溫敏不育系BNS366、父本矮05(由山東農業大學高慶榮教授培育的山東05525系中選出的矮系)，由河南科技學院小麥中心提供。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

將種子用去離子水在發芽機(康麗CN-A320，順德嘉壕)中發芽，3 d后移至2 ℃冰箱中春化，兩周后挑選長勢一致的麥苗移栽至裝有Hoagland營養液[6]的塑料筐(61.0×46.5×16.5 cm)中，用打孔泡沫塑料固定幼苗。17～22 ℃培養6周后進行1 mg·L-1CdCl2·2.5H2O處理，以不加Cd的處理為對照，每處理24株。每2周換一次營養液，換3次后營養液中不再添加CdCl2·2.5H2O，移至溫室(16～35 ℃)培養。

1.2.2 元素含量測定

成熟期取BNS366、矮05和及其F1的莖(地上部2～4節)、葉片(旗葉和倒二葉)、穎殼和籽粒，烘箱中70 ℃烘干至恒重；取0.500 g干燥樣品于40 mL四氟坩堝中，加入12 mL硝酸:高氯酸=3∶1混合液硝解12 h；電熱板(不超170 ℃)上加熱約4 h，冷卻后用3%的硝酸定容至25 mL，以不加樣為空白對照。用美國PE公司Optima 2100DV電感耦合等離子體發射光譜儀測定Cd、Ca、K、Mg和Fe元素含量，并計算元素相對含量。以Ca為例，莖稈中Ca相對含量=莖稈中Ca含量/植株Ca總含量 × 100%。

1.2.3 葉綠素熒光參數的測定

采用德國Walz公司的便攜式葉綠素熒光儀PAM 2500，灌漿期測定小麥旗葉和倒二葉最大光化學效率(Fv/Fm)和電子傳遞速率(ETR)等葉綠素熒光動力學參數。各參數的意義及計算參照使用手冊。

1.3 數據分析

試驗數據用Microsoft Excel和SAS 8.01進行處理和分析。

2 結果與分析

2.1 Cd處理小麥F1及其親本的Cd分布

如表1所示，小麥F1及其親本間葉片和穎殼的Cd含量差異均顯著，均表現為矮05>F1>BNS366。父本矮05和F1的莖稈Cd含量顯著高于母本BNS366，表現雜種優勢。F1與父本矮05籽粒中Cd含量差異不顯著，BNS366因敗育無籽粒而未進行此項分析。同一小麥品種，葉片Cd含量最高。

2.2 Cd對小麥不同組織Ca、K、Mg和Fe含量的影響

與對照相比，Cd處理對F1及其親本不同組織中Ca、Fe、K和Mg的含量有顯著影響(表2)。在Cd處理下，F1的4個被測組織中Ca和Mg含量均顯著增加，其中，Ca增加14.4%～36.7%，Mg增加5.0%～144.4%；籽粒中Ca、Fe、K和Mg分別增加了23.3%、23.2%、8.1%和37.0%；母本BNS366穎殼中Ca、Fe、K和Mg分別降低了7.0%、27.4%、16.9%和37.0%；葉片中，F1的Fe，父本矮05的Ca、Fe和K，BNS366的Fe和Mg均降低，同一品種其他組織中其余元素的含量均升高。

表1 鎘處理下F1及其親本不同組織的鎘含量Table 1 Cd content in tissues of F1 and its parents treated with Cd μg·g-1

同列數據后不同字母表示不同材料間差異顯著(P<0.05)。

Different letters following data in the same column indicate significant difference among different materials(P<0.05).

表2 不同處理小麥不同組織的Ca、Fe、K和Mg含量Table 2 Content of Ca,Fe,K and Mg in different tissues of wheat under different treatments μg·g-1

同行同元素數據后不同字母表示Cd處理與對照之間差異顯著(P<0.05)。

Different letters following data in the same line and element indicate significant difference between Cd treatment and CK(P<0.05).

與對照相比，Cd處理下，父本矮05葉片的Ca、K、Fe和Mg，穎殼中的Fe和Mg，籽粒中的Mg相對含量均降低，其余各部位其他元素的相對含量均升高(圖1 A)。雜交種F1莖稈的Fe，葉片的Ca、Fe和Mg，穎殼的K和Mg以及籽粒中的Mg，相對含量均降低，其余各部位其他元素的相對含量均升高(圖1 B)。母本BNS366莖稈中的K，葉片中的Fe，穎殼中的Ca、K、Fe和Mg，相對含量均降低，其余各部位其他元素的相對含量均升高(圖1 C)?？梢钥闯觯珻d處理后，矮05葉片與BNS366穎殼中Ca、K、Fe和Mg的相對含量均降低，除F1與矮05中Mg的相對含量變化模式相同外，雜交種與親本其他元素相對含量的變化模式不盡相同。

2.3 Cd對葉綠素熒光參數的影響

Cd處理下，矮05、雜交種F1和BNS366最大光化學效率(Fv/Fm)分別為0.814、0.813和0.817，對照條件下分別為0.818、0.820和0.819。在兩種條件下，雜交種F1與親本差異均不顯著(圖2A)。

光合有效輻射(PAR)為447、622、788和1 163 μmol·m-2·s-1時，對照條件下，通過PSII的電子傳遞速率(ETR)依次為F1>BNS366>矮05，三者差異顯著；而Cd處理后，雜交種F1與兩個親本的ETR差異均不顯著。以PAR為447 μmol·m-2·s-1為例(圖2B)，與對照相比，Cd處理后，雜交種F1的ETR降低了3.16%，而父本矮05和母本BNS366則分別升高了39.11%和11.53%，說明Cd對雜交種F1的光合碳同化能力有抑制作用，但對其親本有促進作用。

在對照條件下，雜交種F1的qP顯著高于其父本矮05和母本BNS366(圖2C)；在Cd處理下，雜交種F1與其親本的qP差異不顯著。這可能是因為Cd提高了PSII中開放反應中心比例，參與CO2固定的電子增加，但對三者影響程度不同。如當PAR為447 μmol·m-2·s-1時，雜交種F1的qP增加了3.30%，而其父本矮05和母本BNS366分別增加了30.46%和8.36%。

由圖2D可以看出，在Cd處理與對照兩種條件下，雜交種F1與其親本的qN差異均不顯著。

圖1 對照(-)與Cd處理(+)下F1及其親本不同組織中四種元素相對含量的變化

圖柱上不同字母表示相同處理不同材料間差異顯著(P<0.05)。

Different letters above columns indicate significant difference among materials at the same treatment(P<0.05).

圖2 對照(-)和Cd處理(+)條件下F1及其親本葉綠素熒光參數的比較

Fig.2 Chlorophyll fluorescence parameters of F1and its parents under control(-)and Cd treatment(+)

3 討 論

由于不同地區的污染源、土壤等的差別，土壤污染危害具有顯著的地區差異性。我國土壤環境質量標準(GB15618-1995)中，Ⅱ類一般農田pH<6.5時，Cd含量不超過0.3 mg·kg-1，Ⅲ類農田pH>6.5時，Cd含量不超過1 mg·kg-1。本試驗中Hoagland營養液pH為6.0，考慮到水培條件更利于植物對礦質元素的吸收，將本試驗中Cd脅迫濃度設為0.5 mg·kg-1)。

對于重金屬污染的土壤，根據污染程度，一方面可以通過種植超積累植物、栽培措施和化學調控來改良和應用[7-8]。另一方面，培育和應用對污染物低吸收、低積累的作物品種，也是應對土壤污染、建立作物產品安全生產體系的重要途徑[9-10]。Cd在小麥植株中的分布表現為根>莖>葉>廢棄物>籽粒[11]，大田試驗表明，小麥植株中較易富集Cd的部位是葉、根及廢棄物，而籽粒中的Cd水平較低[12]。本研究中，雜交種F1及親本Cd含量最高的部位是葉片。多個研究結果不完全一致，可能與研究所用小麥品種不同有關。雜交小麥莖稈的Cd含量高于雙親，各部位Cd的含量與所處空間位置無關，Cd對雜交小麥及其親本Ca、K、Mg和Fe元素的吸收以及分配影響不盡相同。此結果進一步說明遺傳重組可以改變小麥對重金屬元素的吸收和分配，培育、應用污染物累積少的作物，將是一條提高土壤利用率、降低農產品重金屬污染風險的可行途徑。

葉綠素吸收的光能主要通過光合電子傳遞、葉綠素熒光和熱耗散三種途徑消耗[13]。葉綠素熒光技術在測定植物光合作用過程中光系統對光能的吸收、傳遞、耗散、分配等方面具有獨特的作用，與"表觀性"的氣體交換指標相比，葉綠素熒光參數更具有反映“內在性”的特點，是診斷植物體內光合機構運轉狀況、分析植物對逆境響應機理的重要方法，能有效區分植物抗逆性的差異[14-16]。研究表明，Cd是植物葉片光合作用的抑制劑[17]，會使葉片氣孔阻力增加[18]，高濃度脅迫時還會引起氣孔關閉[19]。原因主要是當受Cd脅迫后，小麥葉綠素含量發生了重要變化，如葉片葉綠素總量和葉綠素a/b比例下降[20]。此外，Cd還會對冬小麥葉綠體的超微結構產生顯著影響，表現為基粒垛迭減少，且分布不均勻，有些葉綠體外圍雙層膜破裂，同時影響到葉綠體類囊體膜的組成，破壞光系統Ⅰ(PSⅠ)和光合Ⅱ(PSⅡ)的協調功能[5]。在本研究中，培養液添加CdCl2·2.5H2O后，雜交小麥及其親本對Ca2+、Mg2+和Fe2+的吸收和分配均發生了改變，這可能也是葉綠素熒光參數改變的主要原因。由于Cd在葉部積累過多，與葉綠體中蛋白質上的-SH基結合或取代其中的Fe2+、Mg2+，從而使葉綠素蛋白質中心離子組成發生變化而失活。另外，Ca2+是葉綠體PSⅡ不可缺少的組分，在穩定細胞膜結構和維持系統域的中心活性方面均有重要作用[21-22]，因此，Cd2+引起的Ca2+、Mg2+和Fe2+含量的改變將不可避免地對葉綠素熒光參數造成影響。由于雜交種F1的基因來自于矮05和BNS366的雜交重組，Cd對它的影響程度與雙親不同，相應地葉綠素熒光參數的變化模式也不同于雙親，也可能是形成了不同于雙親的光反應系統。

本研究只是涉及雜交小麥及其親本對4種必需礦質元素的吸收和分配，這4種元素之間是否存在彼此促進或抑制的關系尚不清楚，Cd對不同雜交小麥品種礦質元素吸收以及光合反應的影響情況還需要進一步研究。

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Effect of Cadmium on Mineral Elements Concentration, Distribution and Chlorophyll Fluorescence Parameters in Hybrid Wheat

HU Tiezhu,HU Xigui,YOU Qingqing,LI Xiaojun,FENG Suwei,JIANG Xiaoling,WANG Yuquan,RU Zhengang

(Wheat Center of Henan Institute of Science and Technology/Henan Modern Biological Breeding Collaborative Innovation Center,Xinxiang,Henan 453003,China)

Hybrid wheat and its parents Ai 05(male) and BNS366(female),which were cultivated in Hoagland’s nutrient solution added with CdCl2·2.5H2O,were used to determine the concentration and distribution of Ca,K,Mg,Fe and the chlorophyll fluorescence parameters. The results showed that the content of cadmium in the stalks ranked as F1>Ai 05>BNS366,and that in the leaves and the glumes ranked as Ai 05>F1>BNS366 with Cd treatment.The content of Ca,K,Mg and Fe in the stalks,leaves,glumes and grains are significantly affected when the wheat were cultivated in the nutrient solution treated with CdCl2·2.5H2O. The relative content of the mineral elements were reduced both in the leaves of Ai 05 and the glumes of BNS366 and the hybrid wheat has different responding manner with its parents except the relative content of Mg in F1and Ai 05 under Cd treatment.The ETR of the three wheat ranked as F1>BNS366>Ai 05,and theqP of the F1was higher than that of Ai 05 and BNS366 in control,while the ETR and theqP of the F1and its parents were at the same level under CdCl2·2.5H2O treatment. The results will be helpful in understanding the hazard of the heavy mental on mineral elements absorbing and photosynthesis.

Cadmium; Hybrid wheat; Mineral element; Chlorophyll fluorescence parameters

時間：2017-01-03

2016-05-02

2016-05-16

國家自然科學基金項目(31371624)；河南省重大科技專項(121100111400)

E-mail：tiezhuh@163.com

茹振鋼(E-mail:rzgh58@163.com)

S512.1；S311

A

1009-1041(2017)01-0130-06

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20170103.1629.036.html