不同小麦品种对重金属镉吸收及转运的差异研究

高巍等

摘 要：通过小麦盆栽试验，同时施加不同浓度的镉进行分组试验，研究了不同小麦品种对重金属镉吸收及转运的差异。研究表明，随着镉施加量的增加，土壤中各个形态镉含量均有不同程度的增加，且交换态对外界胁迫响应强度最敏感，而在任一镉胁迫处理下，种植高吸收品种小麦土壤中的交换态均高于低吸收品种；小麦植株各部位的镉转移系数与外源镉的添加浓度呈明显负相关，且高吸收品种对镉的转运能力强于低吸收品种；小麦品种籽粒镉的积累能力与镉在根茎叶中的吸收、转运能力有关，低镉浓度（1 mg·kg-1）时，高吸收品种和低吸收品种对镉的转运能力差别很小，中、高镉浓度（5，15 mg·kg-1）时，高吸收品种对镉的转运能力比低吸收品种强很多。因此，在低度镉污染的土地上，种植小麦时不必过分区别品种；中、高度镉污染的土地上，适合种植低吸收小麦，可以有效抑制土壤中镉的转移，保证小麦籽粒的污染程度不至于过高，保障人们的身体健康。

关键词：镉；小麦；转移系数；籽粒

中图分类号：S512.1 文献标识码：A DOI 编码：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

我国土壤重金属污染现象十分严重。研究表明，我国重金属污染的农田面积约2 500万m2，每年被重金属污染的粮食多达1 200万t，进而导致粮食减产高达l 000多万t，合计经济损失至少200亿元[1-3]。

在所有的污染元素中，镉的移动性大、毒性高，其对人体、动物、植物的毒害非常大[4]。镉主要蓄积于动物的肝脏和肾，能损害动物的肝脏、肾脏、脾、骨骼、胃肠道和生殖系统等，并能产生细胞、体液和K细胞的免疫抑制，有强致癌性[5]。镉对植物的毒害首先是作用于细胞内的氧化还原系统， 造成活性氧（ROS）积累-氧化胁迫，进而引起一系列氧化还原反应， 使抗氧化系统发生改变[6]。植物镉中毒后，通常出现下列明显的症状： 生长受阻、黄萎（叶绿素合成受阻）、根尖变黑等， 最后直至死亡[7]。当镉超过一定浓度后，就会影响植物的生理生化过程和生长发育，对叶绿素有很强的破坏作用，促进抗坏血酸分解，并能抑制植物各种功能酶活性，从而影响作物产量和品质。更重要的是，重金属可以通过食物链传递富集于人体，引起骨质疏松、贫血、高血压以及肾损伤等疾病[8]。土壤镉污染使农产品的安全性受到严重威胁。因此，研究重金属镉在植物-土壤系统中的吸收及转运具有积极的重要意义。

小麦是我国重要的粮食作物，也是人们的主要食物来源之一。我国各地小麦品种种类繁多，其产量、质量以及其他生产特性都有很大差别[9]。大量研究表明[10-11]，不同基因型作物对重金属的积累水平差别较大，甚至同一种作物的不同品种间重金属累积能力也可能有较大差异。因此，针对我国目前重金属污染日益严重的状况（仅镉污染耕地就约有1.3万hm2）[12]，寻找并在重金属污染地区大力推广种植低累积、高产量和高质量的小麦品种具有现实的意义。endprint

以往有关重金属镉对作物品质的研究，多集中于大豆、水稻、花生等作物，而有关镉 对小麦影响的研究多集中于幼苗生长及生理特性的影响以及地上部分与地下部分对镉吸收的富集特性研究，对小麦植株、籽粒中镉含量、分布、富集与转移特性的研究以及不同品种小麦对镉的吸收及转运的研究较少[13]。因此，本研究采用盆栽方式，通过在土壤中添加外源镉 栽培小麦，研究在镉 胁迫条件下，不同小麦品种对镉 的分布、富集及吸收、转运情况，以摸清镉 污染土壤中适合种植的小麦品种，为粮食作物小麦的安全生产提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 材 料

盆栽供试土壤类型为沙质土，全镉含量未检出，pH值为6.5，氮肥、磷肥、钾肥分别为尿素（分析纯）、过磷酸钙（分析纯）和氯化钾（分析纯）。氮肥基追比为1∶1，追肥于拔节期施用，磷钾肥全部作基肥一次性施入。镉为硫酸镉（分析纯）。供试小麦品种为高吸收品种（A）和低吸收品种（B）。

1.2 试验设计方法

采用土壤外源施加镉的盆栽试验，于河南农业大学第三生活区试验基地进行试验。供试土壤分为3个处理，各处理Cd（3CdSO4·8H2O）按纯镉量计算，浓度分别为1 mg·kg-1（Cd1）、5 mg·kg-1（Cd5）、15 mg·kg-1（Cd15）。各处理土壤与基肥一起混匀过筛装盆，埋入划分好的土中。本试验分别对小麦的高吸收品种和低吸收品种进行镉的不同浓度的重复试验，于镉的3个不同浓度Cd1、Cd5、Cd10处对两个品种进行3次重复试验。

于小麦成熟期取完整植株样，同时采集各盆土样。对各植株样进行处理，分出各部分留做测定，包括根、茎（第1节间、第2节间、第3节间及以上）、叶、籽粒，分别进行烘干、粉碎。

1.3 测定项目及方法

土壤镉含量：包括全镉含量及有效镉含量。试验方法为Forstner七步连续提取法[14]，用石墨炉法和原子吸收分光光度法测定各级镉含量。

植株镉含量：采用硝酸-双氧水（7∶3）消化后，用原子吸收分光光度计测定镉含量[15]。

籽粒镉含量：采用硝酸-双氧水（7∶3）消化后，原子分光光度法测定。

1.4 数据处理

结果分析采用EXCEL 统计分析软件。

2 结果与分析

2.1 种植不同小麦品种的土壤中重金属镉形态的含量变化

从图1可以看出，随着土壤中镉胁迫浓度的增加，土壤中各形态镉的含量均呈上升趋势，且上升幅度为交换态>残渣态>碳酸盐结合态>铁锰氧化物态>强有机态。结果显示，交换态和残渣态对外界胁迫响应强度最大，其次为碳酸盐结合态、铁锰氧化物态和强有机态。已有研究表明，重金属的各形态中，交换态的活性最大，对环境变化最敏感，易迁移转化，为植物所吸收[16]。碳酸盐结合态在pH值降低时易释放出来被生物利用。由此可以看出，土壤中镉的各种形态的含量多少是有很大差异的，而外源镉胁迫浓度的高低也影响了土壤中各形态镉被作物吸收的难易程度。在各胁迫处理下，高吸收品种土壤的全镉量均要低于低吸收品种，并且除了交换态镉以外，高吸收品种A的土壤中其他各种形态的镉的含量基本都低于低吸收品种B。土壤重金属可交换态部分与其它部分处于动态平衡之中，可交换态部分的重金属一旦被植物吸收而减少时，粘粒和腐殖质所吸附的部分镉将会进行补充[17]。这些数据表明：相对于低吸收品种B，高吸收品种A拥有更强的能力将其他形态的镉活化为有效态，如通过分泌有机酸、质子等造成土壤pH值的降低[18-19]，导致碳酸盐结合态镉释放到土壤溶液中，最终为植物所吸收。这其中的原因将是我们下一步进行研究的目标。

2.2 不同小麦品种茎中镉的吸收转移的差异

由1表可以看出，随着土壤中镉浓度的升高，高吸收品种小麦茎各部位的镉含量均呈上升趋势；低吸收品种茎中镉含量出现一个先升高后下降的趋势。通过对品种A、B茎中镉含量的对比，发现在镉含量较低的情况下，品种A茎间对镉的转运能力比品种B强，第1节间、第2节间处差异显著，第3节间及以上部分差异不显著；镉含量适中情况下，品种B的第1节间、第3节间及以上部分对镉的吸收能力比品种A强，第1节间处差异不显著，第3节间处差异显著，第2节间处，品种A则又明显比B强，且差异显著；高镉含量情况下，品种A茎间各节间部分对镉的吸收能力明显比品种B强，而且差异显著。这说明不同小麦品种对镉的吸收能力是受土壤中镉含量多少的影响，但影响不大。镉含量高、低两种情况下，高吸收品种A茎间对镉的吸收能力比低吸收品种B强，镉含量适中时，低吸收品种B茎间对镉的吸收能力比高吸收品种A强。除此以外，还发现在任一镉胁迫处理下，两个品种小麦茎中镉含量由第1节间、第2节间、第3节间及以上部分依次递增。目前关于茎的分级的研究仍很少，大部分都作为整体进行研究。我们推测这可能是由于在第1节间和第2节间处叶片富集了大量的镉所致。

2.3 不同小麦品种根、叶吸收镉的差异

由表2可以看出，随着土壤中镉浓度的升高，小麦根、叶中的镉含量呈明显上升趋势，但高吸收品种的上升幅度大于低吸收品种，这表明高吸收品种对镉胁迫的响应能力较强，随着胁迫浓度的增大，根部和叶部可以吸收储存更多的镉。Cd1处理时，品种A根部、叶部的镉含量低于品种B，且差异显著；Cd5、Cd15浓度时，品种A根部、叶部的镉含量明显高于品种B，差异显著。在低浓度胁迫下（Cd1），低吸收品种A的根和叶可以吸收储存更多的镉；而在中高浓度胁迫下（Cd5、Cd15），高吸收品种A的根部、叶部对镉的吸收能力则比品种B强，这可能是因为低吸收品种的叶片液泡可以富集大量重金属，从而阻止镉向上的运输，而叶片又是作物蒸腾作用吸收养分的重要部位，而镉对植物叶绿素含量、光合作用、呼吸作用和蒸腾作用有着重要的影响[21]。这说明，在外源镉胁迫浓度较高时，小麦高吸收品种叶片拥有更强的富集镉能力。endprint

2.4 不同小麦品种籽粒中镉积累的差异

小麦是我国重要的粮食作物，籽粒作物最终产物，是人们的主要食物来源之一，关系到国家的发展和人群的健康。因此，籽粒中镉含量是研究的重点。由图2可以看出，随着土壤中镉浓度的升高，不同品种小麦籽粒中的镉含量也呈上升趋势。Cd1浓度时，高吸收品种A籽粒中的镉含量比低吸收品种B多，Cd5、Cd15浓度时也是如此。说明A品种籽粒对镉的吸收能力比品种B强。同时可以看出随着镉浓度的升高，籽粒镉积累的差异也越显著。

2.5 小麦植株各部位的镉转移系数（TF）

转移系数（TF值）是指植物体内地上部与地下部所含重金属元素浓度的比值[20]，用来评价植物将重金属从地下向地上的运输和富集能力。转移系数越大表明作物从地下部分向地上部分运输重金属的能力越强[21]，作物不同部位的镉转移系数可以充分表现出该品种对镉的转运能力的强弱，能够判断其是否适合种植在镉污染土地上以及适合其种植的土地中镉含量的多少。

随着土壤中外源镉处理浓度的增加，小麦植株地上各部位的转移系数基本呈下降趋势。相较于籽粒，茎和叶片的转移系数较大，说明镉由根系向茎和叶片转移的较多，向籽粒中转移的较少。对比两个品种，高吸收品种各部位的转移系数基本上均大于低吸收品种B。表明，高浓度的镉抑制了作物各部位对镉的转移，同时，高吸收品种对镉的转移能力比低吸收品种强（表3）。

2.6 小麦籽粒镉含量与小麦根茎叶和土壤中各形态镉含量的关系

为进一步探索导致小麦籽粒积累镉能力不同的原因，进行小麦籽粒重金属镉含量与根系、茎、叶和土壤中重金属各形态含量之间的相关分析，结果见表4。

由表4可知，小麦籽粒重金属镉含量与根系和茎叶中的镉含量呈显著的正相关，说明小麦籽粒中镉的积累，与根系-茎叶界面对重金属的迁移以及镉在茎秆中的运输有关。还可以发现籽粒重金属镉含量与土壤中非残渣态和总量也呈显著的正相关，而且植物根系吸收重金属的主要形态是交换态和碳酸盐结合态，说明籽粒中镉的积累与土壤根系界面对重金属的迁移有关。

3 结论与讨论

目前关于重金属在不同节间的分布研究很少，大部分都将茎作为整体进行研究。本试验发现在任一镉胁迫处理下，两个品种小麦茎中镉含量由第1节间、第2节间、第3节间及以上部分依次递增。推测这可能是由于在第1节间和第2节间处叶片富集了大量的镉所致。除此以外，还发现不同小麦品种籽粒镉积累能力的高低与镉在茎秆中的运输有关，在任一镉处理下，高吸收小麦品种各节间中镉含量均高于低吸收品种。外源镉在土壤中的存在形态以交换态为主，交换态所占的比例随施加水平的增高呈增大趋势。在任一镉胁迫处理下，高吸收品种土壤的全镉量均要低于低吸收品种，并且除了交换态镉以外，高吸收品种A的土壤中其他各种形态的镉的含量基本都低于低吸收品种B。这可能是因为高吸收品种A拥有更强的能力将其他形态的镉活化为有效态，反作用调节了重金属在根际中的化学过程。不同小麦品种籽粒镉积累能力的高低与根茎叶对镉的吸收、转运能力有关。在Cd1处理下，高吸收品种根系和叶部的镉含量低于低吸收品种；在Cd5和Cd15处理下，高吸收品种根系和叶部的镉含量则明显高于低吸收品种。说明高吸收品种对于重金属镉胁迫具有更强的响应能力，其根系和叶片可以富集更多的镉。在低度镉污染的土地上，高吸收品种和低吸收品种的小麦对镉的吸收转运能力差别不大，种植小麦时不必过分区别品种；中、高度镉污染的土地上，高吸收品种的小麦对镉的吸收转运能力比低吸收品种强很多，籽粒中镉含量的差别很大，适合种植低吸收小麦，可以有效抑制土壤中镉的转移，保证小麦籽粒的污染程度不至于过高，保障人们的身体健康。

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