重金屬汞在玉米不同組織內積累差異性分析

王丹丹，李衛華，郭海平，劉坤，閆鵬帥，付忠軍，謝惠玲，白琪林

（1.山西大學生物工程學院，山西太原030006；2.河南農業大學農學院，省部共建小麥玉米作物學國家重點實驗室，河南鄭州450002；3.山西省農業科學院作物科學研究所，山西太原030031）

重金屬汞在玉米不同組織內積累差異性分析

王丹丹1，李衛華2，郭海平2，劉坤2，閆鵬帥2，付忠軍2，謝惠玲2，白琪林3

（1.山西大學生物工程學院，山西太原030006；2.河南農業大學農學院，省部共建小麥玉米作物學國家重點實驗室，河南鄭州450002；3.山西省農業科學院作物科學研究所，山西太原030031）

玉米吸收土壤中的重金屬汞并積累在食用部分，通過食物鏈威脅動物及人類健康。為研究玉米對重金屬汞的吸收、積累的基因型差異，篩選玉米重金屬汞低積累品種，以230份遺傳多樣性豐富的優良玉米自交系為材料，分別對2個環境下玉米不同組織內重金屬汞的積累進行研究。結果表明，基因型、環境及其互作均達到顯著水平；不同組織中汞含量從大到小排序為：葉片＞苞葉＞莖稈＞穗軸＞籽粒；同時鑒定出一批汞低積累材料。該研究結果可為玉米汞低積累品種的選育及相關遺傳研究提供理論參考和材料基礎。

玉米（Zea mays L.）；汞；組織；積累

隨著全球工業化及現代農業的發展，大量重金屬被排放到環境中，嚴重威脅著生態環境以及人類健康。重金屬污染土壤上種植的農作物會吸收積累重金屬，影響其生長發育。同時，重金屬積累在作物食用部分，通過食物鏈遷移，最終進入人體，威脅人類健康。汞（Hg）是植物生長非必需元素，很容易被生物體吸收，被認為是毒性最強的重金屬之一[1]。一般自然土壤中Hg含量背景值為20～150 μg/kg[2]，然而，目前世界許多地區土壤中Hg含量遠遠高于背景值，特別是亞洲，如在日本和菲律賓，平均土壤Hg含量分別達到24，146 mg/kg，我國某些地區的土壤Hg含量高達45.9 mg/kg[3]。土壤中Hg含量較高時，會損害植物細胞，導致生理紊亂，對植物生長及代謝產生毒害作用[4-9]。根部對重金屬Hg的積累，阻礙了對其他礦質元素的吸收和轉運，同時過量Hg會抑制植物的生長[2，10]；Hg毒害影響水分的吸收和蒸發，減少葉綠素含量和光合效率[11-12]。Hg在人體聚集，會損害中樞神經及心血管系統，對胚胎腦發育及兒童生理發育有很大影響[13-14]。

與其他重金屬相比，Hg更容易被作物吸收積累[15-16]。前人研究表明，不同基因型水稻對汞的耐受性存在顯著差異。WANG等[17]采用DH群體，檢測到3個水稻苗期汞抗性QTL。YU等[18]使用DH群體，檢測到3個汞積累QTL。CHEN等[19]研究發現，轉MTH1745基因水稻對汞的抗性增強，積累量減少。玉米上也有一些關于汞耐受性的生理生化研究報道。當暴露在汞濃度為50 ng/m3空氣中時，玉米葉片的凈光合速率和羧化作用顯著下降[20]。汞抑制玉米葉片細胞中5-氨基乙酰丙酸脫水酶的活性，進而影響葉綠素的合成[21]。汞對玉米苗期根部有很強的毒害作用，抑制植株的生長發育[22]。但目前對玉米Hg積累遺傳機制的相關研究還未見報道。

本研究利用包含230份優良玉米自交系的自然群體，對Hg在玉米不同組織中的積累分配規律進行研究，希望發掘一批Hg低積累材料，為玉米汞低積累品種選育提供參考。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試230份玉米自交系分別來自溫帶、熱帶和亞熱帶，遺傳多樣性豐富。

1.2 試驗地概況

試驗材料于2012年夏種植在河南省息縣和長葛。息縣點日平均氣溫15.2℃，年平均降雨量為946 mm，由于污水灌溉，土壤中汞含量為（457.57± 31.30）μg/kg（pH值6.5）；長葛點日平均氣溫14.3℃，年平均降雨量711.1 mm，土壤中汞含量為（345.40± 22.24）μg/kg（pH值6.5）。

1.3 試驗方法

試驗采用隨機區組設計，單行區，3次重復，行長6 m，行距0.67 m，每行15株。

材料在生理成熟時收獲，每個小區連續收獲5株。自然風干后，將整株玉米分為籽粒、穗軸、莖稈、苞葉、葉片5個部分，并研磨成粉末。稱取0.5 g樣品于消煮管中，加入5 mL消化液（優級純硝酸/高氯酸，體積比為80∶20），過夜放置后，于消煮爐上80℃消解1 h，然后升溫至120℃消解24 h，冷卻后用超純水定容至10 mL，過濾后待測。利用試劑空白和標準物質GBW10012（GSB-3）對分析測定過程進行質量控制。Hg濃度采用雙道原子熒光光度計（AFS-3000，北京海光分析儀器公司）進行測定，每個樣品平行測定3次。

1.4 數據統計與分析

利用Excel，SPSS 18.0及DPS數據處理系統對群體表型值進行整理與數據分析。

2 結果與分析

2.1 不同組織內重金屬汞含量分析

由表1可知，玉米不同組織籽粒中的汞含量最低，其次為穗軸、莖稈、苞葉和葉片。在2個環境同一組織中，息縣試驗點的汞含量要高于長葛試驗點，說明土壤中汞含量的高低決定了玉米不同組織中汞含量。不同組織中汞含量有較大的變異，說明關聯群體材料的不同組織中汞積累存在豐富的遺傳變異。

表1 玉米不同組織中重金屬汞含量的統計分析

偏度和峰度分析結果表明，玉米不同組織中汞含量在2個環境下呈正態或偏態連續分布（表1、圖1）。2種環境條件下，大部分材料籽粒中汞含量在0.5～1.5 μg/kg；穗軸汞含量在2.0～3.0 μg/kg；莖稈汞含量在3.0～5.0 μg/kg；苞葉中汞含量在5.0～7.0 μg/kg；而葉片中汞含量在20～32 μg/kg。

2.2 不同組織內重金屬汞含量方差分析

方差分析結果表明，供試材料不同組織汞含量的基因型效應都達到極顯著水平，說明各材料間對汞的吸收與積累存在顯著的遺傳變異（表2）。同時，環境間、基因型與環境互作的差異也達到極顯著水平，說明汞的吸收與積累除了受基因型影響外，環境中汞含量的高低對玉米不同組織中的汞也具有決定性的作用，同時也存在著基因型與環境的相互作用。

表2 不同環境間玉米不同組織中汞含量的方差分析

2.3 不同組織內重金屬汞含量表型相關分析

不同玉米重金屬汞含量相關性分析的結果如表3所示，在息縣點，苞葉汞含量與葉片汞含量間呈顯著相關關系，其他性狀之間不存在顯著的相關關系；在長葛點，莖稈中的汞含量與苞葉、葉片中的汞含量存在顯著相關關系，其余性狀相互之間都不存在顯著相關性。說明汞積累是一個非常復雜的數量性狀，不同組織汞積累可能涉及不同的作用機制，并且受環境等因素的影響。

表3 關聯群體不同組織中的Hg含量表型相關分析

2.4 不同組織內重金屬汞含量最低的自交系篩選

根據材料不同組織中汞積累的含量差異，分別篩選出2個環境中不同組織內汞積累最低的10個自交系，結果如表4所示。從表4可以看出，自然群體在2個環境下同一組織汞含量最低的10個自交系只有個別相同，如穗軸有1個（CML116），葉片有2個（CIMBL11，S37）。相同環境下，不同組織汞含量最低的10個自交系中，也僅有部分相同。這些結果表明，玉米不同組織汞積累受復雜的遺傳機制調控，同時容易受到環境的影響，低積累材料的鑒定需要綜合考慮基因型及環境因素。

表4 玉米不同組織汞含量最低的10個自交系

3 結論與討論

本研究以230份遺傳多樣性豐富的優良玉米自交系為材料，研究了2種環境下玉米不同組織重金屬汞的積累。玉米不同組織內汞含量的方差分析表明，基因型和環境以及它們之間的互作均達到顯著水平；不同組織中汞含量從大到小排序為：葉片＞苞葉＞莖稈＞穗軸＞籽粒；并鑒定了一批玉米不同組織內汞低積累材料。研究結果為玉米汞低積累品種選育及相關遺傳研究提供了理論參考和材料基礎。

汞對生物體有很強的毒性，在環境中持久存在，并能遠程傳輸，因此，汞污染引起全球范圍內的高度關注[23]。在一些汞污染的地區，食品鏈轉移是非常普遍的[24-27]。前人研究發現，許多植物根中汞的含量顯著大于莖稈中汞的含量[28-30]，MENG等[31]研究表明，水稻不同組織中汞含量從大到小排序為：根＞莖稈＞葉片＞稻殼＞籽粒，這與許多前人研究結果一致[32-34]。LIU等[35]研究發現，玉米不同組織汞含量的相對次序是：根＞葉＞莖稈＞籽粒。本研究利用自然群體分析了玉米5個組織中的汞含量，得到相似的結果（葉片＞苞葉＞莖稈＞穗軸＞籽粒）。徐穩定[36]研究發現，重金屬在進入籽粒前，先經過營養器官截留，再經生殖器官非食用部位分流，最后到達籽粒中。盡管不同學者所用研究材料及試驗環境不同，但均發現籽粒中汞含量是最低的，這與本研究中重金屬汞的積累分配規律是一致的。

重金屬污染會引起嚴重的食品安全問題，進而威脅人類健康。通過選擇及培育低積累品種來降低作物食用部分的重金屬含量，從而達到食品安全標準，被認為是一種經濟高效、切實可行的方法，受到國內外廣泛關注[37-38]。本研究發現，汞主要積累在玉米的葉片、苞葉、莖稈中，籽粒中的汞含量最低，遠低于《食品中污染物限量》的限定值20 μg/kg。通過選擇及培育玉米汞低積累品種，可以在保證玉米安全生產的同時，逐漸降低土壤中汞含量，實現邊生產邊修復，具有巨大的經濟效益、社會效益和生態效益。本研究篩選出一批具有低積累汞特性的材料，可為汞低積累品種的篩選培育提供材料基礎，對于重金屬復合污染土壤的修復及作物生產具有重要意義。

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Analysis of Mercury Accumulation in Different Tissues of Maize

WANGDandan1，LI Weihua2，GUOHaiping2，LIUKun2，YANPengshuai2，FUZhongjun2，XIE Huiling2，BAI Qilin3

（1.College ofBioengineering，Shanxi University，Taiyuan 030006，China；2.College ofAgronomy，Henan Agricultural University，State KeyLaboratoryofWheat and Maize Crop Science，Zhengzhou 450002，China；3.Institute ofCrop Sciences，Shanxi AcademyofAgricultural Sciences，Taiyuan 030031，China）

The heavymetal mercury（Hg）in the soil can accumulate in crops,posing a health threat to humans by the food chain. Tostudythe heavymetal mercuryabsorption and accumulation differences in different maize varieties and tissues,and toselect and breed maize lines with lowmercury accumulation,the differences of mercury absorption and accumulation were detected using 230 elite inbred lines as materials planted on two environments.The results showed that the Hg concentrations for the five measured maize tissues in the population were significantly affected by environment（E）,genotype（G）,and G×E factors.The Hg concentrations in different maize tissues followed the order:leaves＞bracts＞stems＞axis＞kernels.Some lowaccumulation materials were identified,which will provide material foundation for breedingmaize varietywith lowaccumulation and genetic research.

maize（Zea mays L.）;mercury（Hg）;tissues；accumulation

S513

：A

：1002-2481（2017）06-0912-06

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.06.13

2016-12-15

國家自然科學基金項目（31201216）；河南省科技攻關項目（152102110062）；山西省自然科學基金項目（2014011004-2）；山西省農業科學院育種工程項目（16yzgc2027）；山西省農業科學院種業發展專項（2016zy02）

王丹丹（1990-），女，山西柳林人，在讀碩士，研究方向：玉米遺傳育種。白琪林為通信作者。