不同品种小麦幼苗耐镉差异

张 欣， 王华忠， 王 利， 岳洁瑜

(天津市动植物抗性重点实验室/天津师范大学，天津 300387)

镉是一种毒性较强的重金属元素，与其他重金属相比，镉在土壤中移动性较强，更易被植物吸收积累[1]。而且镉不是植物生长中的必需元素，它不参与生物的代谢活动，当植物过量吸收时，会产生胁迫作用，对植物生长、发育、生理生化等都有影响[2-4]，使植物体内代谢紊乱，生长发育迟缓，产量下降，甚至导致植物死亡[5]。

已有研究表明，镉是目前造成农田受污染的毒性最强、最普遍的重金属污染之一。我国目前正遭受镉污染的农田区域包括11个省25个地区，如江西新余、浙江温州、辽宁沈阳张土灌区、贵州赫章铅锌矿镉污染区面积等，污染面积已超过28万hm2。天津和广东省广州市郊等受镉胁迫的区域，产出的含镉超标的农产品近150万t/年，严重威胁环境、动物和人类健康[6]。对重金属典型污染区冬小麦及土壤重金属进行分析发现，冬小麦田土壤中镉污染最严重，超标4.5倍，且冬小麦果实中镉含量可达2.17 mg/kg，远超过GB2762—2012《食品污染物限量标准》中规定的限值[7]。降低镉在作物中的累积，是保障农产品质量安全的重要途径。因此，阐释镉离子在小麦幼苗体内的转运和累积的规律、解析小麦响应镉胁迫的生理基础，可为找到减少重金属损害小麦的有效措施和提高重金属耐性水平的办法提供理论基础，对保障农作物安全和人类健康，增强农业可持续生产尤为重要。

在已取得的研究成果中，关于镉胁迫对植物形态及生理生化影响的报道居多，而且这些研究主要集中在拟南芥与水稻等传统模式植物、东南景天与龙葵等超富集植物、杨树等木本植物上[8-9]。目前，国内外有关镉胁迫对小麦的研究主要集中在镉胁迫对小麦幼苗生长及抗氧化系统[10]、小麦植株元素分布[11]、小麦细胞染色体等细胞学水平上的影响[12]；不同基因型作物及不同品种作物在响应重金属胁迫中表现出耐性的差异，且这种耐性差异受到植物不同生育期的影响，植物的发芽期和苗期对镉胁迫比较敏感，因为此时植物的防御机制尚未完全建立，因此出苗期和苗期可以作为对镉胁迫进行鉴定的时期[13]。本研究以津农6号、中麦629、扬麦158、92R137、济麦22、山农20、良星66、轮选519、衡观35、河农825、河农6425、轮选987和京冬8号13个小麦常规品种为试材，采用苗期水培法，以空白对照组与添加100 μmol/L Cd2+的试验组进行对比试验，主要分析镉处理下13个小麦品种幼苗期间的生理指标变化，地上部分与地下部分的镉含量、镉富集系数和转移能力，对比13个小麦品种对镉胁迫的耐受性程度，为进一步研究和筛选小麦耐镉品种提供理论依据与数据参考。

1 材料与方法

1.1 不同品种小麦幼苗的培养及处理

本试验于2016年11月7日在天津师范大学进行。选取大小均匀一致、饱满、色泽匀称、表皮光滑、健康无损伤的13个常规小麦品种种子，用自来水冲洗3～4次，再将种子分别单层放于铺有3层湿润纱布的培养盆中，自来水培养(25 ℃)，间隔12 h换1次水，待小麦幼苗长至2叶1心时，从中筛选生长一致的麦苗，分别移栽至带孔泡沫板上，并用脱脂棉固定，13个供试品种的80株麦苗分为对照组和处理组，分别移至含0、100 μmol/L Cd2+的1/10 Hoagland营养液中培养，每3 d更换1次营养液。

1.2 试验方法

1.2.1 形态观察及测定 在镉处理小麦幼苗期间，每天观察小麦幼苗生长状况，每隔2 d测量1次生理指标，每次测量每个品种的对照组和试验组15株小麦幼苗，包括株高、叶长、叶宽、最长根长。数码相机拍照。

1.2.2 小麦幼苗中镉含量的测定 镉胁迫处理小麦幼苗 14 d 后，分别收获对照组和试验组小麦幼苗的地上和地下部分，先后用自来水、蒸馏水和去离子水冲洗干净，晾干表面水分，分别称鲜质量，再放于烘箱中45 ℃烘2 d，之后85 ℃烘干至恒质量，分别称量地上部和地下部干质量，再分别研磨呈粉末状态，用于消化分析。消化前分别称取研磨粉末0.2 g置于洁净的小烧杯中，缓慢加入浓硝酸5 mL浸泡过夜；再依次加入高氯酸2 mL，80 ℃加热3 h后，再120 ℃加热除去剩余硝酸。冷却后再依次加入浓硝酸3 mL、高氯酸2 mL，加热至烧杯中溶液呈橙黄色时再加入高氯酸2 mL，200 ℃加热至烧杯中有白色晶体析出。晶体冷却后，用稀硝酸溶液(10%)溶解和定容后，用电感耦合等离子发射光谱ICP-AES(LEEMAN LABS INC.，New Hampshire，USA)测定镉在小麦幼苗地上部分和地下部分器官中的积累量。每个样品重复测3次。

1.3 数据处理与分析

本试验数据处理过程中所用到的公式如下：

(1)变异系数(CV，%)。

变异系数=标准差/平均值×100%。

(2)转移系数。

转移系数=地上部分(茎叶)镉含量/根部镉含量[14]。

(3)根系耐性指数。

根系耐性指数=处理组根的平均长度/对照组根的平均长度[15]。

(4)含水量(%)。

含水量=(鲜质量-干质量)/鲜质量×100%。

(5)耐镉指数。

耐镉指数=镉处理下的值/对照值[16]。

试验中的数据采用Microsoft Office Excel 2007和IBM SPSS Statistics 22.0软件进行方差分析、相关性分析和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 镉处理对小麦幼苗生长的影响

与对照组相比，镉处理后的小麦叶长和根长均变短(图1)，且随着处理时间变长，抑制效果越明显，叶片黄化并出现黄褐色斑点(图1-b)，观察叶片黄褐色斑点出现时间，其中92R137、中麦629、轮选519在镉处理2 d时出现黄褐色斑点；津农6号、山农20、良星66、京冬8号、衡观35、河农825、河农6425、轮选987在处理4 d时先后出现黄褐色斑点；济麦22、杨麦158在处理6 d后开始出现黄褐色斑点。叶宽几乎没有差异。

试验期间，每隔2 d测量1次小麦的生长指标。对比各小麦生理指标来看，津农6号小麦在镉处理之后一直处于生长状态；轮选519、河农825和轮选987小麦在镉处理后几乎没有生长；其他品种小麦在镉处理4～6 d后停止生长。变异系数分析表明，小麦幼苗叶长的变异系数变化范围最大(表1、表2、表3)。变异程度是衡量一个性状能否作为筛选指标的标准，变异系数越大，说明该指标越灵敏[17]。因此，小麦幼苗叶长可作为分析镉胁迫效应的生理指标。

表1镉处理不同时间对小麦幼苗株高的影响

表2镉处理不同时间对小麦幼苗叶长生长情况

表3镉处理不同时间对小麦幼苗最长根长生长情况

2.2 含水量

水分是植物的重要组成部分，含水量能在一定程度上显示其生长状况，自由水含量越大，代谢越旺盛[18]。对照组小麦幼苗根部平均含水量为93%，地上部分平均含水量89%，均高于其他处理组小麦含水量。由图2可知，扬麦158和92R137这2个品种小麦的根部含水量和地上部分含水量均高于其他品种，生长活性高于其他品种小麦，河农6425的地上部分含水量仅为71%，叶片枯黄，受镉胁迫严重。

2.3 镉含量、镉转移系数与根系耐镉指数

不同品种小麦镉转移能力差异较大，13个品种的镉转移系数总的变化范围为0.31～0.68，13个品种小麦的镉转移能力由高到低依次为济麦22>轮选987>92R137>良星66>轮选519>扬麦158>河农825>中麦629>衡观35>京冬8号>山农20>津农6号，镉转移能力强的品种能将较多的镉转运至茎叶等地上部分，说明其体内可能存在较好的镉运输和解毒方式。济麦22根中镉含量最少，转移系数最高；津农6号、山农20和河农8425的根中镉含量较多但转移系数小；京冬8号根中镉含量最高，但转移系数较低。92R137、扬麦158、济麦22、轮选987和津农6号的耐性较高，但是结合根部吸收镉的总量来看，轮选987、扬麦158和济麦22吸收量较少，而92R137和津农6号在镉吸收量比较多的情况下仍保持较高耐性，所以92R137和津农6号的耐镉性较好，92R137转移系数大于津农6号，而根系耐性指数与转移系数没有表现出相关性(图3、图4)。

2.4 不同品种间小麦幼苗耐镉指数的相关性分析

由表4可知，6个耐镉指数的变异系数为1.98%～15.98%，相对根长的变异系数最大，表明相对根长对镉毒害反应敏感。由表5可知， 相对株高和相对叶长之间存在极显著正相关；相对根长和根含水量之间亦存在极显著正相关；相对地上部分含水量与相对株高和相对根长呈显著正相关。

表4100 μmol/L 镉处理14 d后13个供试品种小麦幼苗耐镉指数的描述性统计

表5100 μmol/L镉处理14 d后13个品种小麦幼苗耐镉指数的相关性分析

注：*、**分别表示在0.05、0.01水平差异显著。

根据相对根长和相对叶长的耐镉指数对13个不同小麦品种进行聚类分析(图5)可知，依据耐镉指数，13个供试小麦品种可分成耐镉型、较耐镉型、镉较敏感型、镉敏感型4种类型。其中耐镉型品种包括中麦629、92R137、扬麦158、河农825、衡观35、良星66和津农6号；较耐镉型品种包括济麦22和轮选987；镉较敏感型品种包括山农20、轮选519、京冬8号；镉敏感型品种包括河农6425。

3 讨论与结论

镉污染是植物生长过程中遭受逆境胁迫中最普遍的重金属污染之一。镉离子在土壤中的高度移动性致使其容易进入植物体内，累积到一定程度，扰乱植物新陈代谢过程，从而对植物产生毒害[19]。镉对植物的毒害首先直观地表现在生物量的降低、植物变矮、叶片黄化、根的生长受到抑制等。本研究表明，100 μmol/L镉处理对13个小麦品种幼苗生长均表现出抑制效应，且镉处理时间越长，抑制效应越明显。不同品种的小麦在镉胁迫下亦表现出明显的差异[20]，通过对13种小麦的耐镉性分析可为进一步筛选耐镉品种提供参考。

在评价植物响应镉胁迫的众多生物学指标中，转移系数可反映镉在植物不同器官中的转移规律。转移系数可以用植物体内重金属含量与培养液中重金属含量的比值来计算。已有研究表明，转移系数可以用来评价植物由下至上转移重金属的能力[21-23]。转移系数高说明植物能在镉胁迫环境下，将吸收的镉较多地运输到地上部位。研究表明，植物能将根部积累的镉运输到地上茎、叶中，植物体在重金属镉胁迫下可能存在较好的运输和解毒机制，可利用自身的解毒机制减少镉产生的危害[14]。本研究中13个小麦品种幼苗对镉的转移能力差异显著，如济麦22根中镉含量最少，转移系数最高；津农6号、山农20和河农825根中镉含量较多，但转移系数小；京冬8号根中镉含量最高，转移系数较低。进一步分析13个品种小麦幼苗的生长、含水量等6个耐性指数，结果表明，92R137、扬麦158、济麦22、轮选987和津农6号的镉耐性较高，但是结合根部吸收镉的总量来看，轮选987、扬麦158和济麦22吸收量较少，而92R137和津农6号在吸收量比较多的情况下仍保持较高耐性，所以92R137和津农6号的耐镉性较好，92R137转移系数大于津农6号，根系耐性指数与转移系数没有表现出相关性。

在重金属胁迫下，植物根系对重金属产生吸收或排斥作用，有研究表明，重金属在植物根中的累积可导致植物根尖分生区细胞有丝分裂过程异常，表现为植物的生理生化过程改变，阻碍其正常生长发育进程[24-25]。敏感型小麦在重金属胁迫下，易受重金属影响，会导致植物生长缓慢，抑制根系生长；耐镉型小麦则受重金属影响较小。可用根系耐性指数来评价植物耐受重金属胁迫能力的大小[26]。本研究中的根系耐性指数与转移系数没有表现出相关性，因此转移系数不能作为筛选耐镉性小麦品种的依据。

植物生长在受到镉胁迫之后，生长指标最先发生变化，如根、茎、叶等生物量都会受到影响[7]。研究表明，13个小麦品种幼苗的生长均受到镉胁迫的抑制，表现为不同程度的损伤。其中相对叶长在生长指标的测量中变异系数最大，表明相对叶长对镉处理反应比较敏感，可以作为筛选耐镉性品种的指标之一。在耐镉指数的相关性分析中表明，相对根长对于镉处理反应敏感，也可作为筛选耐镉品种的指标。本研究结果与蔡保松等研究在镉污染下小麦根的长度对镉毒害反应的结果[27]一致。李惠英等研究也表明，作物根系对重金属元素反应很敏感，也可以在一定程度上反映出对重金属的忍耐能力[19]。因此，本研究中的聚类分析以各品种小麦的相对叶长和相对根长作为分析根据。分析结果表明，根系耐性指数和耐镉指数分析结果基本一致，可以作为筛选依据。

综上所述，在浓度为100 μmol/L的镉处理下，13种小麦幼苗表现出不同程度的耐镉性。根据小麦幼苗耐镉指数，可将13个小麦品种分为4种类型，包括耐镉型、较耐镉型、镉较敏感型和镉敏感型。13个小麦品种中中麦629、92R137耐性较强，河农6425耐性最弱。

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