籽粒鎘低積累小麥材料的篩選及穩(wěn)定性分析

馮亞娟，黃議漫，余海英，張錫洲

(1.四川農(nóng)業(yè)大學資源學院，四川成都 611130； 2.旺蒼縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，四川旺蒼 628200)

土壤鎘(Cd)污染面積大，易對人類和動物的健康造成危害[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，我國Cd污染土壤面積已達20萬km2，且以中輕度Cd污染為主，并有逐漸惡化的趨勢[3]。近年來，河南、北京、天津等地均發(fā)現(xiàn)了Cd污染小麥，部分農(nóng)田上種植的“Cd麥”籽粒Cd含量甚至超過《國家食品衛(wèi)生標準》(GB 2762-2017)的34.1倍[4-6]。據(jù)統(tǒng)計，Cd污染小麥及其衍生品占人體每日Cd污染品攝入量的43%[7]。因此，篩選并培育籽粒Cd低積累小麥材料是實現(xiàn)中輕度Cd污染農(nóng)田小麥安全生產(chǎn)切實可行的辦法[8]。

前人研究表明，不同小麥材料籽粒Cd積累差異較大[9]，小麥籽粒Cd積累除了受自身遺傳特性影響外，還會受到環(huán)境因素的影響[10]。黃其穎[11]通過大田試驗，發(fā)現(xiàn)243份小麥材料籽粒Cd積累差異較大，且籽粒Cd含量較低的基因型材料只占12.3%。陸美斌等[12]對8個省(市)采集的393份小麥樣品的研究也得到了相似的結(jié)論。劉 克等[13]采用盆栽試驗對全國14種典型小麥產(chǎn)區(qū)土壤種植的小麥籽粒Cd含量進行分析，發(fā)現(xiàn)同一材料籽粒Cd積累差異較大，說明土壤特性是影響籽粒Cd積累的重要因素。楊玉敏等[14]在四川綿竹興隆鎮(zhèn)和廣濟鎮(zhèn)的大田篩選試驗中發(fā)現(xiàn)，不同試驗地中籽粒Cd低積累品種存在差異，且有42.86%的材料籽粒Cd含量隨土壤Cd含量的增加而增加，57.14 %的材料籽粒Cd含量隨土壤Cd含量的增加而降低。因此，小麥材料、試驗條件以及材料和環(huán)境之間的相互作用均會影響小麥籽粒Cd的積累。

本課題組前期通過連續(xù)2年的大田試驗，篩選到籽粒Cd低積累型小麥材料，但其籽粒Cd含量存在年際差異[15]，且由于籽粒Cd低積累型材料的篩選環(huán)境相對單一，不能較好地反映實際應用中材料-環(huán)境相互作用對小麥籽粒Cd積累的影響。因此，本研究以前期試驗中籽粒Cd積累存在差異的30份小麥材料為研究對象，通過不同Cd濃度的盆栽試驗和不同Cd污染程度的大田試驗對其進行篩選和驗證，以期篩選得到穩(wěn)定的籽粒Cd低積累型小麥材料，為中輕度Cd污染農(nóng)田的安全利用和小麥籽粒Cd安全品種的培育及遺傳改良提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

30份小麥材料均由四川農(nóng)業(yè)大學小麥研究所提供，材料編號及名稱見表1。

表1 供試小麥材料編號及名稱Table 1 Codes and names of the wheat materials

1.2 試驗設計與處理

1.2.1 盆栽試驗

試驗設置Cd濃度分別為0(CK)、0.25(Cd 0.25)和0.50 mg·kg-1(Cd 0.50)3個處理，每個處理重復3次，共270盆，完全隨機排列。供試土壤為灰潮土，采于都江堰市蒲陽鎮(zhèn)雙柏村，土壤基本理化性質(zhì)為有機質(zhì)36.34 g·kg-1，全氮 1.36 g·kg-1，堿解氮141.01 mg·kg-1，有效磷14.35 mg·kg-1，速效鉀24.65 mg·kg-1，pH 7.21。供試土壤經(jīng)自然風干、去除雜質(zhì)、過篩、混勻后備用。每盆(12 L)裝土12 kg(以風干土計)，Cd以CdCl2·2.5H2O(分析純)溶液形式施入土壤，充分混勻后陳化4周待用。陳化后CK、Cd 0.25、Cd 0.50處理下的土壤全Cd含量分別為 0.29、0.56和0.85 mg·kg-1，有效Cd含量分別為0.09、0.21和0.35 mg·kg-1。

選取飽滿的小麥種子，經(jīng)10%過氧化氫溶液浸泡30 min后，用滅菌蒸餾水清洗3遍，移入鋪有滅菌濾紙的培養(yǎng)皿中，在25 ℃無光照條件下培養(yǎng)48 h，待胚根長至約2 mm時，移至正常光照通風處培養(yǎng)5 d，選擇長勢一致的3株幼苗定植于盆中。氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)肥用量分別為200、150和150 mg·kg-1，移栽前一周將氮肥、磷肥和鉀肥作為基肥施入土壤。試驗于2018年11月至2019年5月在四川農(nóng)業(yè)大學教學科研園區(qū)有防雨設施的網(wǎng)室內(nèi)進行。

成熟期采樣，每盆3株混合樣為一次重復，每個處理共3個重復。穗部樣品經(jīng)自然風干后，稱重，人工脫粒考種混勻后，置于75 ℃條件下烘干至恒重，研磨過100目篩，備用。

1.2.2 大田試驗

根據(jù)前期調(diào)查，選擇Cd污染程度不同的兩個大田進行試驗。試驗地點1位于成都平原區(qū)，屬于中亞熱帶濕潤氣候，平均海拔507 m，年平均氣溫15.2 ℃，年降水量944.6 mm，年日照時數(shù)777.8 h。土壤類型為潴育型水稻土，常年水稻-小麥輪作，屬于中度Cd污染農(nóng)田。試驗地點2位于川南丘陵區(qū)，屬于亞熱帶濕潤氣候，平均海拔350 m，年平均氣溫18.1 ℃，年降水量 1 179.4 mm，年日照時數(shù)950.3 h，土壤為紫色土發(fā)育而成的淹育型水稻土，常年水稻-小麥輪作，屬于輕度Cd污染農(nóng)田。兩個試驗地土壤基本理化性質(zhì)如表2所示。

表2 不同試驗地點大田土壤的基本理化性質(zhì)Table 2 Basic physical and chemical properties of field soil at different sites

將試驗田塊劃分為90個2 m×1 m的試驗小區(qū)，每個小區(qū)之間橫向設0.5 m的緩沖帶，縱向設1 m的間隔區(qū)。每份小麥材料重復3次，隨機區(qū)組排列。選取飽滿種子條播，行距0.3 m，株距0.2 m，田塊四周種植保護行。試驗于2018年10月至2019年5月進行，水肥管理和病蟲害防治同當?shù)爻Ｒ?guī)小麥栽培管理方式。

于成熟期采集小麥樣品，每個試驗小區(qū)隨機選取長勢一致的30個穗作為一個混合樣。籽粒風干后人工脫粒，于75 ℃條件下烘干至恒重，研磨過100目篩，備用。

1.3 測定項目與方法

籽粒Cd含量采用HNO3微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)進行測定，測定過程中以國家標準物質(zhì)GBW(E)100495 控制分析質(zhì)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 25.0進行統(tǒng)計分析，選擇LSD法進行多重比較，采用Origin 8.0和Excel 2013制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥籽粒Cd積累的差異

2.1.1 小麥籽粒Cd含量的變異性

從表3和表4可以看出，不同Cd濃度(盆栽)和試驗地點(大田)對小麥籽粒Cd含量有顯著影響。盆栽試驗中，CK、Cd 0.25和Cd 0.50處理的小麥籽粒Cd含量的平均值分別為0.30、0.64和 0.92 mg·kg-1，變化范圍分別為0.20～0.55、 0.39～1.55和0.62～1.84 mg·kg-1，變異系數(shù)分別為25.99%、36.46%和 28.70%。大田試驗中，成都平原區(qū)小麥籽粒Cd含量變化范圍為 0.07～0.94 mg·kg-1，平均為0.26 mg·kg-1，變異系數(shù)為79.65%；川南丘陵區(qū)小麥籽粒Cd含量變化范圍為0.23～ 0.69 mg·kg-1，平均為 0.48 mg·kg-1，變異系數(shù)為 30.63%。說明不同試驗條件下，小麥籽粒Cd含量差異均較大，符合Cd低積累材料篩選的基本條件。

表3 盆栽試驗中不同Cd處理下小麥籽粒Cd含量的差異Table 3 Statistical analysis of Cd concentration in wheat grains with pot experiments under different Cd treatments

表4 不同大田試驗點小麥籽粒 Cd 含量的差異Table 4 Statistical analysis of Cd concentration in wheat grains in different field experimental sites

2.1.2 小麥籽粒Cd含量的變化特征

從圖1和圖2可以看出，同一材料在不同試驗環(huán)境中籽粒Cd含量存在差異。在土壤環(huán)境和管理措施相對一致的盆栽試驗中，同一材料籽粒Cd含量均隨土壤Cd濃度的增加而升高，且在不同Cd水平下籽粒Cd含量的分布具有一致性，W26的籽粒Cd含量在三個Cd濃度下均最高。大田試驗中，除W17、W18和W20外，其他材料籽粒Cd含量和土壤Cd濃度呈現(xiàn)了相反的趨勢，即成都平原區(qū)土壤Cd濃度高于川南丘陵區(qū)，但川南丘陵區(qū)小麥籽粒Cd含量卻相對較高。

兩個試驗地點的土壤Cd含量、氣候條件、管理措施等存在較大差異，對不同材料、不同試驗地點整體環(huán)境下的籽粒Cd含量進行方差分析，結(jié)果(表5)表明，修正模型的F值為40.87，P< 0.01，說明該模型具有統(tǒng)計學意義。材料、地點、材料×地點的F值分別為31.61、1 057.31、 5.47，均達極顯著水平 (P<0.01)。說明不同材料、試驗環(huán)境以及材料及環(huán)境間的相互作用均會對籽粒Cd積累產(chǎn)生顯著影響，不同試驗環(huán)境下籽粒Cd含量差異較大。

表5 不同材料、不同試驗地點的籽粒Cd含量方差分析Table 5 ANOVA of the Cd concentration in different materials and experimental sites

2.2 小麥籽粒Cd低積累型材料的篩選結(jié)果

本研究以籽粒Cd含量為評價指標，采用瓦爾德法對盆栽試驗中的30份小麥材料進行聚類分析(圖3)，發(fā)現(xiàn)在CK、Cd 0.25和Cd 0.5處理下，當平方歐氏距離分別為13、11和19時，可將小麥材料劃分為Cd高積累型材料(I)、Cd中積累型材料(II)和Cd低積累型材料(III)3大類。CK、Cd 0.25和Cd 0.50處理聚類分析分別獲得14、17和9份Cd低積累型小麥材料，15、12和20份Cd中積累材料，以及各1份Cd高積累材料。其中30389(W01)、MY1848(W04)、XK066-1(W09)、77782(W10)、HW2-2(W22)、中梁22(W29)和綿麥37(W30)7份材料在三個Cd處理下均為Cd低積累型材料，W26(抗銹3816)在所有處理下均表現(xiàn)為Cd高積累特性。

由圖4可知，當平方歐氏距離分別為2和6時，成都平原區(qū)聚類可得到8份Cd低積累型小麥材料，19份Cd中積累型材料和3份Cd高積累型材料；川南丘陵區(qū)聚類可得到11份Cd低積累型材料，11份Cd中積累型材料和8份Cd高積累型材料。其中30389(W01)、77782(W10)、良麥2號(W19)、12N551(W24)、濟麥22(W25)、蜀麥375(W28)、中梁22(W29)、綿麥37(W30)8份材料在兩個試驗點中均為Cd低積累型材料，表明Cd低積累型材料在不同試驗地點具有較好的重現(xiàn)性，但Cd高積累型材料卻沒有一致性。

依據(jù)大田試驗和盆栽試驗的聚類結(jié)果，將在大田試驗和盆栽試驗中表現(xiàn)為相同Cd積累特性的材料作為典型材料(表6)。在成都平原區(qū)、川南丘陵區(qū)、以及CK、Cd 0.25、Cd 0.50處理盆栽試驗條件下，Cd低積累型典型材料(30389、77782、中梁22和綿麥37)籽粒Cd含量變化范圍分別為0.07～ 0.16、0.23～0.36、0.20～ 0.27、0.44～0.57、 0.62～0.65 mg·kg-1；Cd中積累型典型材料(省CXK027-4和L08-969)籽粒Cd含量分別為0.21和0.23、0.50和0.55、0.30和 0.35、0.68和0.78、0.97和0.98 mg·kg-1；Cd高積累型材料(抗銹3816)分別為0.32、0.60、 0.55、 1.55、1.84 mg·kg-1，說明在同一試驗地點或試驗條件下，小麥Cd低積累型材料籽粒Cd含量均低于Cd中積累型和Cd高積累型材料。綜合篩選得到30389、77782、中梁22、綿麥37共4份穩(wěn)定的小麥籽粒Cd低積累型材料。

表6 不同Cd積累類型小麥材料籽粒Cd含量的差異Table 6 Differences of Cd concentration in different Cd accumulation types of wheat materials mg·kg-1

3 討 論

3.1 基因型對小麥籽粒Cd積累的影響

研究表明，小麥籽粒Cd積累在一定程度上受4A和5D染色體上兩個數(shù)量性狀位點的控制，不同基因型小麥材料的Cd吸收、轉(zhuǎn)運和積累存在差異[16]。夏亦濤[17]通過2年多點大田試驗研究發(fā)現(xiàn)，基因型對小麥籽粒Cd積累有顯著影響，且小麥籽粒Cd含量與苗期地下部至地上部的Cd遷移系數(shù)呈顯著正相關。本研究發(fā)現(xiàn)，盆栽試驗和大田試驗中，小麥材料籽粒Cd含量存在顯著差異，其中最大值和最小值間的差異可達13.43倍。不同基因型小麥籽粒Cd積累差異為小麥Cd低積累型材料的選育提供了可能。

3.2 環(huán)境因素對籽粒Cd含量的影響

作物籽粒Cd積累能力除了取決于自身遺傳特性外，環(huán)境因素以及基因型與環(huán)境因素間的相互作用也是影響籽粒Cd積累的重要因素[18]。Cheng等[19]通過連續(xù)兩年大田試驗，對6個試驗地、9個水稻品種籽粒Cd含量研究發(fā)現(xiàn)，除基因型對水稻籽粒Cd積累有較大貢獻外，環(huán)境因素以及環(huán)境與基因型的交互作用對籽粒積累也有影響。Lu等[20]對兩個大田試驗中30份小麥材料籽粒Cd含量的方差分析表明，小麥籽粒Cd含量與基因型、基因型-土壤環(huán)境的相互作用均存在極顯著的相關性。本研究發(fā)現(xiàn)，在土壤特性、氣候條件和管理措施一致的盆栽試驗中，同一小麥材料籽粒Cd含量隨土壤Cd濃度的增加而升高，且在相同Cd濃度中不同小麥材料Cd含量的分布具有一致性；而同一材料籽粒Cd含量在兩個大田試驗間卻存在較大差異，成都平原區(qū)土壤Cd含量要高于川南丘陵區(qū)，但是對于大多數(shù)材料而言，川南丘陵區(qū)籽粒Cd含量卻高于成都平原區(qū)。大田試驗和盆栽試驗的結(jié)果呈現(xiàn)了相反的趨勢，方差分析表明，小麥籽粒Cd含量除了受到基因型、土壤Cd含量影響外，土壤特性、氣候環(huán)境、環(huán)境與基因型的相互作用也是影響小麥籽粒Cd含量的重要因素。

目前對小麥籽粒Cd含量影響的研究主要集中在土壤特性上，紀淑娟等[21]研究表明，小麥籽粒Cd含量和土壤Cd含量在一定范圍內(nèi)呈正相關。土壤pH是影響作物Cd積累的重要因素，較低的土壤pH會提高根際土壤重金屬的有效性，進而影響植物對Cd的吸收[13]。土壤有機質(zhì)也是影響Cd積累的重要參數(shù)，可以和土壤重金屬螯合，進而減少Cd向植物的遷移[22]。本研究兩個大田試驗中大多數(shù)小麥材料籽粒Cd含量和土壤Cd含量、有機質(zhì)含量呈現(xiàn)相反的趨勢，和土壤酸度呈正相關，說明川南丘陵區(qū)較低的土壤pH可能是導致兩個試驗區(qū)域小麥籽粒Cd含量差異的主要原因。兩個試驗地點的環(huán)境相對復雜，除了土壤性質(zhì)以外，氣候條件亦是影響小麥籽粒Cd含量的重要影響因素之一[23]。賀 遠[24]研究了 5 ℃、20 ℃和30 ℃下煙草幼苗的Cd含量，發(fā)現(xiàn)煙草幼苗Cd含量隨著溫度的升高呈現(xiàn)了先增加后降低的趨勢，20 ℃最利于煙草幼苗對Cd的吸收和積累。相比于成都平原區(qū)，川南丘陵區(qū)的年平均氣溫更高，降雨更充足，日照時數(shù)更長，有利于小麥材料對Cd的吸收和積累。適宜的土壤環(huán)境、光合作用、蒸騰作用可能在一定程度上促進了小麥對Cd的吸收積累[25]。以后應進一步探討特定環(huán)境因素對小麥籽粒Cd含量的影響，確定影響籽粒Cd含量的關鍵環(huán)境因素，合理確定Cd低積累型小麥品種的安全種植區(qū)和低風險種植區(qū)。

3.3 籽粒Cd低積累型小麥材料的穩(wěn)定性評價

為實現(xiàn)中輕度Cd污染農(nóng)田的利用及糧食的安全生產(chǎn)，近年來諸多學者開展了Cd低積累型作物的篩選與培育工作，并得到了諸多具有Cd低積累特性的作物[26]。目前，對Cd低積累型品種的篩選多基于礦區(qū)附近重度污染農(nóng)田[27]、室內(nèi)盆栽試驗[28]、室內(nèi)水培試驗[28]以及單一環(huán)境大田試驗[29]，均不能全面反映小麥在中輕度Cd污染情況下的自然生長狀況及穩(wěn)定性。從糧食安全角度出發(fā)，所有篩選得到的Cd低積累型材料都應該在不同條件、不同環(huán)境下重復鑒定，以驗證籽粒Cd積累的穩(wěn)定性，以滿足實際生產(chǎn)應用的需要[30]。本研究采用不同Cd處理的盆栽試驗以及不同試驗環(huán)境的大田試驗對30份小麥材料進行篩選與驗證，以籽粒Cd含量為評價指標進行聚類分析，發(fā)現(xiàn)盆栽試驗在CK、Cd 0.25和Cd 0.50處理下分別獲得14、17、9份低積累型材料，其中30389、MY1848、XK066-1、77782、HW2-2、中梁22和綿麥37在三個Cd處理下均屬于Cd低積累型材料。而材料30389、77782、良麥2號、12N551、濟麥22、蜀麥375、中梁22和綿麥37在不同環(huán)境的大田試驗中屬于Cd低積累型材料。總體來看，30389、77782、中梁22、綿麥37這4份材料在不同Cd污染程度、土壤環(huán)境和氣候條件下均為Cd低積累型材料，具有穩(wěn)定的籽粒Cd低積累特性。