镉对杂交小麦矿质元素吸收、分布及叶绿素荧光参数的影响

胡铁柱，胡喜贵，游晴晴，李小军，冯素伟，姜小苓，王玉泉，茹振钢

(河南科技学院小麦中心/河南省现代生物育种协同创新中心，河南新乡 453003)

镉对杂交小麦矿质元素吸收、分布及叶绿素荧光参数的影响

胡铁柱，胡喜贵，游晴晴，李小军，冯素伟，姜小苓，王玉泉，茹振钢

(河南科技学院小麦中心/河南省现代生物育种协同创新中心，河南新乡 453003)

为探讨镉(Cd)对杂交小麦必需矿质营养元素吸收及光合作用的影响，利用Hoagland营养液添加和不添加CdCl2·2.5H2O的培养方法，对BNS型小麦杂交F1及其父本矮05、母本BNS366中的Ca、K、Mg和Fe元素含量以及叶绿素荧光参数进行了分析。结果表明，Cd处理下，小麦茎秆的Cd含量依次为F1>矮05>BNS366，叶片和颖壳中Cd含量依次为矮05>F1>BNS366。与对照(不添加Cd)相比，Cd处理的矮05叶片与BNS366颖壳中Ca、K、Fe和Mg的相对含量均降低，除F1与矮05中Mg的相对含量变化模式相同外，F1与亲本其他被测元素的相对含量变化模式不同。对照条件下，叶绿素电子传递速率依次为F1>BNS366>矮05，F1的光化学猝灭系数显著高于矮05和BNS366；Cd处理条件下，三者间叶绿素荧光参数差异均不显著。

镉；杂交小麦；矿质元素；叶绿素荧光参数

重金属是农业环境和农产品的重要污染物质。随着工业化和现代农业的快速发展，我国的环境重金属污染事件频繁发生，保守估计我国受重金属污染的耕地面积超过3亿亩，每年因此造成的粮食减产达1 000万t，重金属污染的粮食达1 200万t，合计农业损失至少在200亿元以上[1]。土壤中的重金属分为植物必需的微量元素(Cu、Zn等)和非必需元素(Al、Cd和Hg等)。与其他重金属相比，Cd更易被植物吸收积累[2]。因其化学行为和生态效应的复杂性以及对人类健康和社会可持续发展危害的严重性，已日益成为全球关注的焦点[3-4]。

小麦(Triticumaestivum)是我国重要的粮食作物。目前，优质、高产、生态、安全已成为小麦生产的主要目标，深入研究其对Cd的吸收、转运以及累积，对于保证人类健康有重要意义。目前，关于Cd对普通小麦影响的研究主要涉及小麦种子及幼苗期地上部分生理变化及Cd在小麦各器官中的分布状况[5]，而有关Cd对小麦必需矿质元素含量及旗叶叶绿素参数的影响尚未见报道。本研究以BNS型杂交小麦F1及其亲本为材料，研究Cd胁迫对小麦Ca、K、Mg和Fe元素吸收、分配以及叶绿素荧光参数的影响，以期更深入了解重金属对小麦必需矿质元素吸收、运转的影响，为小麦的优质生产提供技术指导和参考依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试材料为BNS型杂交小麦F1及其母本温敏不育系BNS366、父本矮05(由山东农业大学高庆荣教授培育的山东05525系中选出的矮系)，由河南科技学院小麦中心提供。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

将种子用去离子水在发芽机(康丽CN-A320，顺德嘉壕)中发芽，3 d后移至2 ℃冰箱中春化，两周后挑选长势一致的麦苗移栽至装有Hoagland营养液[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 ℃培养6周后进行1 mg·L-1CdCl2·2.5H2O处理，以不加Cd的处理为对照，每处理24株。每2周换一次营养液，换3次后营养液中不再添加CdCl2·2.5H2O，移至温室(16～35 ℃)培养。

1.2.2 元素含量测定

成熟期取BNS366、矮05和及其F1的茎(地上部2～4节)、叶片(旗叶和倒二叶)、颖壳和籽粒，烘箱中70 ℃烘干至恒重；取0.500 g干燥样品于40 mL四氟坩埚中，加入12 mL硝酸:高氯酸=3∶1混合液硝解12 h；电热板(不超170 ℃)上加热约4 h，冷却后用3%的硝酸定容至25 mL，以不加样为空白对照。用美国PE公司Optima 2100DV电感耦合等离子体发射光谱仪测定Cd、Ca、K、Mg和Fe元素含量，并计算元素相对含量。以Ca为例，茎秆中Ca相对含量=茎秆中Ca含量/植株Ca总含量 × 100%。

1.2.3 叶绿素荧光参数的测定

采用德国Walz公司的便携式叶绿素荧光仪PAM 2500，灌浆期测定小麦旗叶和倒二叶最大光化学效率(Fv/Fm)和电子传递速率(ETR)等叶绿素荧光动力学参数。各参数的意义及计算参照使用手册。

1.3 数据分析

试验数据用Microsoft Excel和SAS 8.01进行处理和分析。

2 结果与分析

2.1 Cd处理小麦F1及其亲本的Cd分布

如表1所示，小麦F1及其亲本间叶片和颖壳的Cd含量差异均显著，均表现为矮05>F1>BNS366。父本矮05和F1的茎秆Cd含量显著高于母本BNS366，表现杂种优势。F1与父本矮05籽粒中Cd含量差异不显著，BNS366因败育无籽粒而未进行此项分析。同一小麦品种，叶片Cd含量最高。

2.2 Cd对小麦不同组织Ca、K、Mg和Fe含量的影响

与对照相比，Cd处理对F1及其亲本不同组织中Ca、Fe、K和Mg的含量有显著影响(表2)。在Cd处理下，F1的4个被测组织中Ca和Mg含量均显著增加，其中，Ca增加14.4%～36.7%，Mg增加5.0%～144.4%；籽粒中Ca、Fe、K和Mg分别增加了23.3%、23.2%、8.1%和37.0%；母本BNS366颖壳中Ca、Fe、K和Mg分别降低了7.0%、27.4%、16.9%和37.0%；叶片中，F1的Fe，父本矮05的Ca、Fe和K，BNS366的Fe和Mg均降低，同一品种其他组织中其余元素的含量均升高。

表1 镉处理下F1及其亲本不同组织的镉含量Table 1 Cd content in tissues of F1 and its parents treated with Cd μg·g-1

同列数据后不同字母表示不同材料间差异显著(P<0.05)。

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

表2 不同处理小麦不同组织的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

同行同元素数据后不同字母表示Cd处理与对照之间差异显著(P<0.05)。

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

与对照相比，Cd处理下，父本矮05叶片的Ca、K、Fe和Mg，颖壳中的Fe和Mg，籽粒中的Mg相对含量均降低，其余各部位其他元素的相对含量均升高(图1 A)。杂交种F1茎秆的Fe，叶片的Ca、Fe和Mg，颖壳的K和Mg以及籽粒中的Mg，相对含量均降低，其余各部位其他元素的相对含量均升高(图1 B)。母本BNS366茎秆中的K，叶片中的Fe，颖壳中的Ca、K、Fe和Mg，相对含量均降低，其余各部位其他元素的相对含量均升高(图1 C)。可以看出，Cd处理后，矮05叶片与BNS366颖壳中Ca、K、Fe和Mg的相对含量均降低，除F1与矮05中Mg的相对含量变化模式相同外，杂交种与亲本其他元素相对含量的变化模式不尽相同。

2.3 Cd对叶绿素荧光参数的影响

Cd处理下，矮05、杂交种F1和BNS366最大光化学效率(Fv/Fm)分别为0.814、0.813和0.817，对照条件下分别为0.818、0.820和0.819。在两种条件下，杂交种F1与亲本差异均不显著(图2A)。

光合有效辐射(PAR)为447、622、788和1 163 μmol·m-2·s-1时，对照条件下，通过PSII的电子传递速率(ETR)依次为F1>BNS366>矮05，三者差异显著；而Cd处理后，杂交种F1与两个亲本的ETR差异均不显著。以PAR为447 μmol·m-2·s-1为例(图2B)，与对照相比，Cd处理后，杂交种F1的ETR降低了3.16%，而父本矮05和母本BNS366则分别升高了39.11%和11.53%，说明Cd对杂交种F1的光合碳同化能力有抑制作用，但对其亲本有促进作用。

在对照条件下，杂交种F1的qP显著高于其父本矮05和母本BNS366(图2C)；在Cd处理下，杂交种F1与其亲本的qP差异不显著。这可能是因为Cd提高了PSII中开放反应中心比例，参与CO2固定的电子增加，但对三者影响程度不同。如当PAR为447 μmol·m-2·s-1时，杂交种F1的qP增加了3.30%，而其父本矮05和母本BNS366分别增加了30.46%和8.36%。

由图2D可以看出，在Cd处理与对照两种条件下，杂交种F1与其亲本的qN差异均不显著。

图1 对照(-)与Cd处理(+)下F1及其亲本不同组织中四种元素相对含量的变化

图柱上不同字母表示相同处理不同材料间差异显著(P<0.05)。

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

图2 对照(-)和Cd处理(+)条件下F1及其亲本叶绿素荧光参数的比较

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

3 讨 论

由于不同地区的污染源、土壤等的差别，土壤污染危害具有显著的地区差异性。我国土壤环境质量标准(GB15618-1995)中，Ⅱ类一般农田pH<6.5时，Cd含量不超过0.3 mg·kg-1，Ⅲ类农田pH>6.5时，Cd含量不超过1 mg·kg-1。本试验中Hoagland营养液pH为6.0，考虑到水培条件更利于植物对矿质元素的吸收，将本试验中Cd胁迫浓度设为0.5 mg·kg-1)。

对于重金属污染的土壤，根据污染程度，一方面可以通过种植超积累植物、栽培措施和化学调控来改良和应用[7-8]。另一方面，培育和应用对污染物低吸收、低积累的作物品种，也是应对土壤污染、建立作物产品安全生产体系的重要途径[9-10]。Cd在小麦植株中的分布表现为根>茎>叶>废弃物>籽粒[11]，大田试验表明，小麦植株中较易富集Cd的部位是叶、根及废弃物，而籽粒中的Cd水平较低[12]。本研究中，杂交种F1及亲本Cd含量最高的部位是叶片。多个研究结果不完全一致，可能与研究所用小麦品种不同有关。杂交小麦茎秆的Cd含量高于双亲，各部位Cd的含量与所处空间位置无关，Cd对杂交小麦及其亲本Ca、K、Mg和Fe元素的吸收以及分配影响不尽相同。此结果进一步说明遗传重组可以改变小麦对重金属元素的吸收和分配，培育、应用污染物累积少的作物，将是一条提高土壤利用率、降低农产品重金属污染风险的可行途径。

叶绿素吸收的光能主要通过光合电子传递、叶绿素荧光和热耗散三种途径消耗[13]。叶绿素荧光技术在测定植物光合作用过程中光系统对光能的吸收、传递、耗散、分配等方面具有独特的作用，与"表观性"的气体交换指标相比，叶绿素荧光参数更具有反映“内在性”的特点，是诊断植物体内光合机构运转状况、分析植物对逆境响应机理的重要方法，能有效区分植物抗逆性的差异[14-16]。研究表明，Cd是植物叶片光合作用的抑制剂[17]，会使叶片气孔阻力增加[18]，高浓度胁迫时还会引起气孔关闭[19]。原因主要是当受Cd胁迫后，小麦叶绿素含量发生了重要变化，如叶片叶绿素总量和叶绿素a/b比例下降[20]。此外，Cd还会对冬小麦叶绿体的超微结构产生显著影响，表现为基粒垛迭减少，且分布不均匀，有些叶绿体外围双层膜破裂，同时影响到叶绿体类囊体膜的组成，破坏光系统Ⅰ(PSⅠ)和光合Ⅱ(PSⅡ)的协调功能[5]。在本研究中，培养液添加CdCl2·2.5H2O后，杂交小麦及其亲本对Ca2+、Mg2+和Fe2+的吸收和分配均发生了改变，这可能也是叶绿素荧光参数改变的主要原因。由于Cd在叶部积累过多，与叶绿体中蛋白质上的-SH基结合或取代其中的Fe2+、Mg2+，从而使叶绿素蛋白质中心离子组成发生变化而失活。另外，Ca2+是叶绿体PSⅡ不可缺少的组分，在稳定细胞膜结构和维持系统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+含量的改变将不可避免地对叶绿素荧光参数造成影响。由于杂交种F1的基因来自于矮05和BNS366的杂交重组，Cd对它的影响程度与双亲不同，相应地叶绿素荧光参数的变化模式也不同于双亲，也可能是形成了不同于双亲的光反应系统。

本研究只是涉及杂交小麦及其亲本对4种必需矿质元素的吸收和分配，这4种元素之间是否存在彼此促进或抑制的关系尚不清楚，Cd对不同杂交小麦品种矿质元素吸收以及光合反应的影响情况还需要进一步研究。

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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

时间：2017-01-03

2016-05-02

2016-05-16

国家自然科学基金项目(31371624)；河南省重大科技专项(121100111400)

E-mail：tiezhuh@163.com

茹振钢(E-mail:rzgh58@163.com)

S512.1；S311

A

1009-1041(2017)01-0130-06

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