施硒對冬小麥鎘吸收、遷移及分配的影響

秦曉明，聶兆君，劉紅恩，趙 鵬， 秦世玉，高 巍，張勝男

(1.河南農業大學 資源與環境學院，鄭州 450002；2.河南省土壤污染防控與修復重點實驗室，鄭州 450002)

鎘(Cd)是農業土壤中危害最大和普遍存在的重金屬之一[1-2]。鎘不是植物必需的營養元素，但該元素會在植物中廣泛積累，并對植物產生有害影響，如可使光合作用減弱，必需元素濃度降低而抑制生長，甚至導致植物死亡[3]。同時，鎘可通過食物鏈傳遞并富集于人體，長期攝入鎘會導致人泌尿系統功能的損傷，影響骨骼的發育，并引發多種疾病[4-6]。土壤鎘污染問題越來越引起人們的廣泛關注。為了減少作物和土壤中重金屬的積累，降低其在土壤中的有效性，研究者已進行許多相關研究。例如，添加土壤改良劑降低玉米和小麥對鎘等重金屬的吸收[7-8]，添加硅抑制細胞中鎘離子的吸收[9]，用多孔水合硅酸鈣有效降低鎘污染土壤中的鎘[10]。

硒(Se)作為人體和動物生命中必需的微量元素之一，對促進生物體內抗氧化與免疫系統的形成發揮著至關重要的作用[11]。人體硒缺乏，不但影響身體健康，甚至可導致超過40種疾病[12]。相關研究表明，中國仍有超過2/3的地區處于缺硒狀態，硒攝入量不足嚴重影響人們的身體健康[12]。人體所需的硒主要來自于食物，在吸收利用效率與安全性方面，植物性硒源高于動物性硒源[13]，因此，通過土壤施硒來提高作物中的硒含量是人體補充硒的主要途徑[14]。適量硒可促進作物生長，提高作物產量，但過量硒則會對作物產生毒害作用[15-16]。硒對植物的有益作用之一是可以緩解非生物(例如鹽和重金屬毒害)和生物(如植物病蟲害或衰老)脅迫[3]。適宜濃度的硒能夠提高植物抗氧化脅迫能力，增加光合作用，緩解重金屬毒害等[17]。研究表明，植物體內的硒與鎘表現為拮抗作用，硒能抑制植物對鎘的吸收，進而緩解鎘對植物的毒害效應[18]。Cary[19]報道施硒能降低小麥中鎘含量。Shanker等[20]和譚周磁等[21]研究發現，菜豆和稻米中鎘等重金屬含量可隨施硒量的增加而降低。小麥是中國重要的糧食作物，也是人體安全補硒的重要途徑，但國內有關硒處理緩解小麥鎘毒害的相關研究仍十分有限，尤其對石灰性土壤冬小麥的研究，因此研究重金屬污染土壤中安全農業生產具有重要意義。

本試驗通過研究施硒對冬小麥鎘吸收、遷移及分配的影響，探討施硒降低冬小麥中鎘質量分數及限制其向籽粒轉運的可行性，以期為污染土壤中小麥合理施用硒肥提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2016年10月至2017年6月在河南農業大學科教園區進行，供試土壤為壤質潮土，其基本理化性狀如下：速效磷5.20 mg·kg-1，速效鉀39.0 mg·kg-1，堿解氮23.6 mg·kg-1，有機質6.18 g·kg-1，pH 7.92，有效硒0.005 mg·kg-1，全硒0.178 mg·kg-1，全鎘0.103 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

供試小麥品種為‘鄭麥379’。采用盆栽試驗，設置鎘0 mg·kg-1(Cd0)、1.5 mg·kg-1(Cd1.5)、6 mg·kg-1(Cd6)3個水平和硒 0 mg·kg-1(Se0)、0.5 mg·kg-1(Se0.5)、 5 mg·kg-1(Se5)3個水平[22]。采用3×3完全交互設計，共9個處理，分別為：Cd0Se0、Cd0Se0.5、Cd0Se5、Cd1.5Se0、Cd1.5Se0.5、Cd1.5Se5、Cd6Se0、Cd6Se0.5、Cd6Se5，每處理3次重復，共計27盆。

試驗以CdCl2·2 1/2H2O為鎘源，Na2SeO3·5H2O為硒源。于2016-09-15進行鎘的老化，以水溶液形式均勻澆入土壤中，老化時間為30 d，期間保持土壤含水量60%左右。基肥用量為N 0.2 g·kg-1、P2O50.15 g·kg-1和K2O 0.2 g·kg-1，分別以尿素、磷酸二氫鉀和氯化鉀作為肥源(試劑皆為分析純)，Se與基肥以水溶液形式于2016-10-01均勻施于土壤中，于2017-03-15(拔節期)追施尿素每盆1 g。

小麥盆栽試驗采用聚乙烯塑料盆，直徑310 mm，深度200 mm，每盆裝土8.0 kg。于2016-10-15播種，每盆播種12棵，出苗后每盆勻苗至6棵。盆栽上邊加蓋透明防雨棚，防止雨水污染，小麥生長期間保持田間持水量為60%～70%，盆栽位置進行隨機排列和局部控制，并且定期調換位置，植株長高后搭支架，以防倒伏，防止鳥鼠患害，收獲期防止落粒。

2017-05-25收獲小麥樣品，完全破壞式采樣，分籽粒、穎殼、莖葉、根四部分，并進行考種，籽粒、穎殼、莖葉、根部位60 ℃烘干、稱量、粉碎，裝入自封袋以備后續測樣。

1.3 測定項目與方法

產量及產量構成要素測定：記錄每盆小麥的所有麥穗數量，為每盆穗數；從每盆小麥中隨機選取10個麥穗，記錄每個麥穗上的籽粒數，最后取平均數，記錄為每盆穗粒數；小麥烘干脫粒后，從所有籽粒中隨機數取1 000粒，稱量記錄，為每盆千粒質量；小麥烘干脫粒后，稱取每盆所有籽粒質量，為每盆產量。

硒、鎘質量分數測定：稱取準備好的小麥樣品0.50 g于100 mL三角瓶中，加入10 mL硝酸∶高氯酸=4∶1(體積比)的酸液，過夜后置于電熱板加熱，溫度調為180～200 ℃；待瓶內黃色褪去加入10 mL 1∶1(體積比)鹽酸，繼續加熱至黃色消褪，用去離子水洗出消化液，過濾定容至25 mL，以原子吸收分光光度法和原子熒光光度法分別測定植株各部位中Cd和Se的質量分數[24]。使用從中國國家標準材料中心購買的認證標準參考材料檢查Se和Cd測定的準確性。

指標計算公式為：穎殼-籽粒Cd遷移系數=籽粒Cd質量分數/穎殼Cd質量分數；莖稈-穎殼Cd遷移系數=穎殼Cd質量分數/莖稈Cd質量分數；根-莖稈Cd遷移系數=莖稈Cd質量分數/根Cd質量分數；Cd分配比例=每盆各部位Cd累積量/每盆Cd總累積量×100%。

1.4 數據處理

采用SAS 8.1對試驗數據進行方差分析和F值檢驗,多重比較采用Duncan’s法(P< 0.05)，采用Sigmaplot 10.0作圖。

2 結果與分析

2.1 施硒對鎘脅迫下冬小麥產量及產量構成要素的影響

如表1所示，隨著鎘脅迫的增加，冬小麥穗數與產量皆呈下降趨勢。在Se0處理下，與Cd0水平相比，Cd6水平下產量降幅最大，為49.4%；在Se0.5與Se5處理下，與Cd0水平相比，產量最大降幅分別為47.7%與36.6%。說明施硒可緩解鎘脅迫造成的產量下降。

在Cd0水平下，Se0.5處理增加冬小麥穗數、千粒質量與產量。在Cd1.5水平下，與Se0處理相比，Se0.5處理增加冬小麥穗數與產量，產量增幅為14.4%。在Cd6水平下，與Se0處理相比，施硒均增加了冬小麥穗數與產量，其中Se5處理對產量的增幅為33.8%。

2.2 施硒對冬小麥各部位鎘質量分數的影響

如圖1所示，不論施硒與否，隨著鎘脅迫的增加，冬小麥各部位中鎘質量分數皆呈增加趨勢。Cd6與Cd1.5水平相比，籽粒、穎殼、莖稈中鎘質量分數在3個Se處理(Se0、Se0.5、Se5)下增幅均呈下降趨勢，這說明施硒可以降低小麥籽粒、穎殼、莖稈中的鎘質量分數。Cd6與Cd1.5水平相比，根中鎘質量分數在3個Se處理(Se0、Se0.5、Se5)下增幅分別為2.6倍、4.3倍和2.6倍。

在Cd1.5水平下，隨著施硒水平的增加，冬小麥籽粒、穎殼、莖稈和根中鎘質量分數皆呈先增加后降低趨勢。在Cd6水平下，籽粒、穎殼和根中鎘質量分數隨施硒量的增加呈先增加后降低。其中，與Se0處理相比，Se5處理下籽粒、穎殼和莖稈鎘質量分數降低，降幅分別為42.0%、35.3%、67.7%。

表1 不同施硒量對鎘污染下冬小麥產量與產量構成要素的影響Table 1 Effects of Se application on grain yield and yield components of winter wheat under Cd stress

注：同列不同字母表示同一Cd處理間差異顯著(P<0.05)。

Note:Different letters indicate significant difference among different Se levels at the same Cd levels (P<0.05).

不同字母表示同一Cd處理間差異顯著(P<0.05) Different letters indicate significant difference among the same Cd treatments (P<0.05)

圖1 不同施硒量對冬小麥各部位鎘質量分數的影響
Fig.1 Effects Se application on Cd mass fraction in different parts of winter wheat

2.3 施硒對冬小麥各部位硒質量分數的影響

如圖2所示，不論鎘脅迫與否，隨著施硒量的增加，冬小麥各部位中硒質量分數呈增加趨勢。在Se0.5水平下，隨著鎘脅迫的增加，冬小麥籽粒、莖稈與根中硒質量分數均呈先降低后增加趨勢。在Se5水平下，冬小麥籽粒與穎殼中硒質量分數均隨著鎘脅迫的增加呈下降趨勢；冬小麥莖稈中硒質量分數隨著鎘脅迫的增加呈增加趨勢；冬小麥根中硒質量分數隨著鎘脅迫的增加呈先下降后增加趨勢。說明施硒改變鎘在冬小麥中的轉運，施硒可能抑制鎘從根或莖稈向穎殼與籽粒中的 遷移。

圖中不同字母表示同一Se處理間差異顯著(P<0.05) Different letters above columns indicate significant difference among the same Se treatments (P<0.05)

圖2 不同施硒量對冬小麥各部位硒質量分數的影響
Fig.2 Effects Se application on Se mass fraction in different parts of winter wheat

2.4 施硒對冬小麥鎘遷移系數的影響

如圖3所示，在同一施硒處理下，Cd6相對于Cd1.5水平均增加了穎殼到籽粒、莖稈到穎殼的鎘遷移系數，其中在Se5處理下莖稈到穎殼的鎘遷移系數增加，增幅為17.5%；在同一施硒處理下，Cd6相對于Cd1.5水平均降低根到莖稈的鎘遷移系數。

在Cd1.5水平下，隨施硒量的增加，穎殼到籽粒、莖稈到穎殼的鎘遷移系數均呈先降低后升高趨勢，與Se0處理相比，Se0.5處理下降幅分別為14.3%、24.5%；隨著施硒水平的增加，根到莖稈的鎘遷移系數在Se0.5處理下達到最大。在Cd6水平下，隨著施硒水平的增加，穎殼到籽粒、根到莖稈的鎘遷移系數均呈下降趨勢，與Se0處理相比，最大降幅分別為8.4%、68.4%；隨著施硒水平的增加，莖稈到穎殼的鎘遷移系數呈上升趨勢，與Se0處理相比，最大增幅為103.0%，說明在Cd6水平下，施硒抑制冬小麥根對土壤中鎘的吸收，并減少鎘向籽粒中的轉運。

2.5 施硒對冬小麥鎘分配比例的影響

如圖4所示，在Cd0水平下，施硒處理顯著降低籽粒中鎘分配比例，增加根中鎘分配比例。Cd6相對于Cd1.5水平，籽粒和穎殼中鎘分配比例在3個Se處理(Se0、Se0.5、Se5)下均呈下降趨勢，其中籽粒中鎘分配比例降幅呈降低趨勢，穎殼中鎘分配比例降幅呈增加趨勢，說明施硒降低了籽粒中鎘分配比例，增加穎殼中鎘分配比例，可能是因為施硒抑制鎘從穎殼向籽粒中的遷移。在Se0處理下，Cd6相對于Cd1.5水平，莖稈中鎘分配比例增幅為18.4%；在Se0.5與Se5處理下，莖稈中鎘分配比例降幅分別為30.8%和53.7%。說明施硒同樣降低莖稈中鎘分配比例，同理，這可能是施硒抑制鎘從根向莖稈的遷移，或者促進鎘從莖稈向穎殼的遷移所致。

在Cd1.5水平下，隨著施硒水平的增加，籽粒和根中鎘分配比例呈下降趨勢，與Se0處理相比，籽粒中鎘分配比例在Se0.5與Se5處理下降幅分別為29.0%、26.5%，根中鎘分配比例在Se0.5與Se5處理下降幅分別為23.5%、2.02%；穎殼和莖稈中鎘分配比例呈增加趨勢，說明施硒抑制鎘從穎殼向籽粒的遷移，以及降低根對土壤中鎘的吸收。在Cd6水平下，隨施硒水平的增加，籽粒和穎殼中鎘分配比例呈先降低后增加趨勢；莖稈中鎘分配比例隨施硒水平增加呈下降趨勢，與Se0處理相比，Se0.5與Se5處理下降幅度分別為 19.4%、52.3%；根中鎘分配比例隨施硒水平增加呈增加趨勢，與Se0處理相比，Se0.5與Se5處理下增幅分別為26.9%和51.7%。

不同字母表示同一Cd處理間差異顯著(P<0.05) Different letters indicate significant difference among the same Cd treatments (P<0.05)

圖3 不同施硒量對冬小麥鎘遷移系數的影響
Fig.3 Effects Se application on Cd migration rate in different parts of winter wheat

圖4 不同施硒量對冬小麥鎘分配比例的影響Fig.4 Effects Se application on distribution ratio of Cd in different parts of winter wheat

3 討 論

3.1 施硒對鎘污染條件下冬小麥產量及產量構成要素的影響

本研究結果表明，Cd脅迫降低冬小麥產量(表1)，穗數和穗粒數均有不同程度下降，這與Huang等[25]的研究結果相似。這可能是由于Cd脅迫引起冬小麥光合速率、細胞間CO2濃度以及蒸騰速率的下降，抑制根的生長發育所致[26]。

在Cd1.5水平下，Se5處理降低冬小麥產量。而Liao等[27]研究結果表明，當在較低鎘污染土壤中添加0.1和1 mg·kg-1硒時，水稻產量分別降低12.8%和9.2%，但5 mg·kg-1的施硒處理則產量增加。施硒降低作物產量，可能是因為在低鎘脅迫下，施硒有效促進植株對鎘的吸收，從而產生更大的毒害作用，其中施硒量的不同則可能是2種作物對硒、鎘質量分數的響應機制不同所致，有待進一步探究。在Cd6水平下，施硒增加冬小麥產量，這與Zhang等[28]的研究結果一致，這表明外源硒的添加能緩解鎘對冬小麥生長的不利影響，提高冬小麥的光合作用，增強光合系統的活性，從而增加冬小麥籽粒產量。

3.2 施硒對冬小麥鎘吸收的影響

本試驗結果表明，在6 mg·kg-1鎘脅迫下，Se5處理顯著降低冬小麥籽粒、穎殼及莖稈中鎘質量分數(圖1)，這與許多研究結果類似[25,29]。而在鎘脅迫條件下，Se0.5處理則提高冬小麥籽粒、穎殼和根中鎘質量分數。Feng等[3]研究結果表明，硒能夠緩解或加劇水稻中鎘毒害，這主要取決于硒和鎘的劑量。Qin等[30]研究發現，低硒處理顯著增加冬小麥幼苗的根長、根體積和根總表面積，從而增加冬小麥幼苗的鎘累積量，對其鎘含量無顯著影響，在一定鎘濃度下有增加趨勢，較高硒處理則顯著降低冬小麥地上部鎘質量分數。Se0.5處理促進冬小麥中的鎘質量分數，其原因可能是由于適宜的硒濃度促進植株根系發育，增強植株的光合作用，從而促進植株生長[27]，根長、根表面積增大，導致冬小麥根系與鎘離子接觸點增多，因此鎘吸收量也隨之增加。

在Cd6水平下，Se5處理顯著降低冬小麥中鎘質量分數，原因之一可能是亞硒酸鹽在土壤中被還原為Se2-，進一步在根際形成Se-Cd復合物，植物無法吸收利用[31]。另一個原因為在一定范圍內，硒可參與能量代謝、蛋白質代謝以及與其他元素的相互作用，從而緩解鎘毒害[32]。因鎘通過ZIP(鋅/鐵調節轉運蛋白)或其他陽離子通道進入根細胞，而亞硒酸鹽則通過磷酸鹽轉運蛋白、硅流入轉運蛋白[33]以及水通道蛋白被植物根吸收[34]。理論上鎘和硒在根表面沒有競爭，因為它們通過不同的運輸渠道被吸收，然而有研究表明，Zn2+和Fe2+可以通過與Cd2+競爭離子通道，從而降低植株對鎘的吸收[35-36]，而施硒則可以促進植株對Zn2+和Fe2+的吸收[29]，故施硒可間接抑制植株對鎘的吸收。

3.3 施硒對冬小麥鎘遷移及分配的影響

本研究結果表明，在Cd6脅迫下，Se5處理較Se0處理顯著降低鎘從根到莖稈的遷移，顯著增加鎘從莖稈到穎殼的遷移(圖3)。并且在Cd6脅迫下，隨著施硒量的增加，冬小麥根中鎘分配比例在逐漸增加(圖4)。關于施硒顯著降低鎘從根到莖稈的遷移以及在增加鎘在根中的分配比例，Liao等[27]和Wan等[31]研究也得到類似結果。可能是因為植物中控制礦物元素分布節點轉運蛋白的影響，施硒增加該轉運蛋白數量或者增強了其活性，從而減少有毒元素向作物中可食用部分的轉移，將有毒元素積累在莖節間或根中[37]。據報道，鎘可以通過質外體和共質體途徑進入植物根細胞，植物再通過一些生理過程包括根系吸收和木質部運輸等將鎘運輸到地上部[38]，在硒的施用下，共質體和質外體部分的鎘組分(濃度和比例)會發生變化，從而影響鎘從根部向地上部的運輸[39]，將更多的鎘積累在根中，減少對植物的毒害。為了防止鎘在植物組織中的積累，植物可通過在根細胞的細胞質中產生鎘螯合物和在液泡中螯合鎘螯合物來限制鎘從共質體向木質部的運輸[40]。這些研究結果都表明硒減少鎘從根部向莖稈的轉移可能就是其減少植株鎘積累的機制之一。而關于施硒顯著增加鎘從莖稈向穎殼的遷移，也許是因為施硒對莖稈中鎘含量的影響大于對穎殼中鎘含量的影響，也許是植物一些保護機制的原因，這有待進一步調查研究。

4 結 論

Se5處理可通過限制鎘從根向地上部的運輸，從而降低籽粒、穎殼和莖稈中的鎘質量分數。施硒水平受鎘水平的影響，在較低鎘水平下，施硒促進了冬小麥鎘吸收，在較高鎘水平下，適宜施硒水平可抑制冬小麥鎘吸收。