不同磷效率小麦品种对镉、铅吸收和积累的差异分析

孙齐状，王 龙*，黄绍敏，肖亚涛，睢福庆，秦世玉，刘红恩，赵 鹏*

（1.河南农业大学 资源与环境学院，郑州 450000；2.河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所，郑州 450002；3.中国农业科学院 农田灌溉研究所/农业水资源高效安全利用重点实验室，河南 新乡 453002）

不同磷效率小麦品种对镉、铅吸收和积累的差异分析

孙齐状1，王 龙1*，黄绍敏2，肖亚涛3，睢福庆1，秦世玉1，刘红恩1，赵 鹏1*

（1.河南农业大学 资源与环境学院，郑州 450000；2.河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所，郑州 450002；3.中国农业科学院 农田灌溉研究所/农业水资源高效安全利用重点实验室，河南 新乡 453002）

【目的】明确不同磷效率小麦品种对磷（P）、镉（Cd）和铅（Pb）吸收、转运和积累的差异及其相互关系。【方法】室内培养下，开展不同物质的量浓度的P、Cd、Pb单因素试验，分析不同磷效率小麦品种对P、Cd和Pb的吸收、转运特性及其相互关系；大田环境条件下，在Cd、Pb中度污染区进行随机区组试验，验证不同磷效率小麦品种对P、Cd和Pb的积累差异。【结果】磷高效小麦品种（HP）根系的平均含P量为7.69 mg/g，显著低于磷低效品种（LP）的8.36 mg/g（Plt;0.05），而HP品种地上部的平均含P量为9.73 mg/g，显著高于LP的8.19 mg/g（Plt;0.05），同时HP品种的P转运系数为1.45，显著高于LP品种的1.19（Plt;0.05）。不同磷效率小麦根系和地上部对Cd和Pb吸收动力学特征都符合米氏方程（R2gt;0.94），其最大吸收速率（Vmax）和米氏常数（Km）在HP和LP品种间存在显著差异（Plt;0.05）。HP品种根系对Cd、Pb的Vmax分别为23.9 μg/(g·d)和411 μg/(g·d)，极显著低于LP品种的80.0 μg/(g·d)和835 μg/(g·d)（Plt;0.01），而HP品种地上部对Cd、Pb的Vmax最大，LP品种的Vmax最小，并且Km在HP和LP品种间的差异与Vmax相一致。相关性分析表明，Cd和Pb转运系数与根系含磷量均呈极显著负相关（r分别为-0.638和-0.714，Plt;0.01），而Cd转运系数与P转运系数呈极显著正相关（r=0.671，Plt;0.01），Pb转运系数与P转运系数无显著相关性（r=0.391，Pgt;0.05），说明根系含P量的增加有助于降低Cd、Pb向地上部的转运，同时，P转运的增加不能有效增加Pb向地上部的转运，却能显著促进Cd的转运。【结论】磷低效品种根系对P、Cd和Pb的吸收量大，但转运量小；而磷高效品种对P、Cd和Pb的吸收量少，但转运量大，表明Cd、Pb安全利用类土壤更适宜种植磷低效小麦品种。

磷效率；小麦；镉；铅；吸收特性

0 引 言

【研究意义】镉（Cd）和铅（Pb）是2种分布广、毒性高和隐蔽性强的重金属元素，其点位超标率分别达7%和1.5%[1]。Cd和Pb在自然环境中很难被降解，过量释放到农田中不仅会影响农作物的生长和发育，而且会影响农产品的产量和品质，最终通过食物链威胁人类健康和生命安全[2-3]。研究表明，施用磷肥是降低Cd和Pb生物有效性最廉价有效的方法，因其具有施工灵活、适用性强和能够实现“边生产边修复”等优点[4-5]。在实际的重金属污染农田中，通常会施用过量的磷肥以实现较好的钝化效果和提高农作物产量。然而，这些磷（P）在土壤中很容易被固定，不能被作物有效吸收，从而导致P的利用率低[6]。为提高土壤中的P利用效率，筛选和培育磷高效作物品种是目前解决植物需磷和土壤供磷不足这一矛盾的重要途径。同时，明确不同磷效率作物品种的Cd和Pb吸收和积累特性，对于促进农业可持续发展和保障粮食质量安全有重要意义。

【研究进展】不同植物类型及同一植物的不同品种间的磷效率存在显著差异。许显虹等[7]研究发现不施磷下7个甘蓝型春油菜品种之间的磷效率差异显著，筛选出‘青杂9号’为磷高效品种；袁园园等[8]以112份小麦品种为材料，筛选出‘旱选H23’、‘旱选H28’和‘徐麦856’为3个磷高效基因型小麦。截至目前，已有许多磷高效作物品种如水稻[9]、小麦[10]、大豆[11]、花生[12]和油菜[13]等被相继报道。然而关于不同磷效率作物品种开展的研究主要围绕磷高效利用的形态特征、生理特性和分子机制等。如刘慧等[14]对不同作物根系的研究表明，植物会形成较大的根系或者分泌较多的酸性磷酸酶，以提高根系对P的吸收；郭程瑾等[15]和吴沂珀等[16]发现磷高效品种在低磷水平下的根系活力、可溶性蛋白量以及抗氧化酶活性显著高于磷低效品种，丙二醛量显著低于磷低效品种；磷转运蛋白基因Pht1、Pht2、Pht3和Pht4的4个家族在植物对磷的吸收、转运及体内再分配具有重要的作用[17]。对于磷高效作物品种对重金属（Cd、Pb）的吸收和积累特性尚未见报道。

【切入点】早在20世纪50年代，Epstein和Hagen将Michaelis-Menten酶促动力学方程应用于植物对离子的吸收过程，其参数（最大吸收速率Vmax和米氏常数Km）可用于定量描述植物对元素吸收的特征，表征环境条件对养分吸收的影响[18-19]。离子吸收动力学模型已成为探讨植物元素吸收特性的有效手段[20]。小麦作为世界上种植最广的谷类作物，对Cd、Pb具有很强的富集特性，有关不同磷效率小麦品种的Cd、Pb吸收动力学特性的研究还很缺乏。【拟解决的关键问题】因此，本研究以前期筛选的不同磷效率小麦品种为试验材料，对其P、Cd和Pb吸收动力学进行差异分析，明确不同磷效率品种对P、Cd和Pb的吸收、转运、积累差异及其相互关系，为加快推进我国农业绿色发展提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

所选用的小麦品种由河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所提供，其中偃高21为磷高效品种（HP），郑品麦8号作为普通品种（NP），西农979为磷低效品种（LP）。

1.2 植株培育

分别于2020年7月19日和9月20日挑选籽粒饱满的小麦种子，先用5%次氯酸钠溶液消毒15 min，用去离子水反复冲洗后浸泡12 h后，将种子在育苗盘网格上均匀铺开，添加适量去离子水后，在28 ℃的恒温培养箱中黑暗催芽48 h。种子萌发后放入人工气候室（空气相对湿度保持在70%，温度25 ℃，每天光照14 h，光强为400 μmol/（m2·s））进行光照培养7 d，每隔12 h更换1次去离子水。待小麦幼苗长至二叶一心时，挑选长势一致的健壮幼苗，将其用海绵固定移栽到装有2 L缺磷改良Hoagland营养液[21]的塑料水培盆（长22 cm×宽14 cm×高7 cm）中，分别添加对应的P、Cd或Pb处理。加入处理开始计时，每隔3 d更换1次营养液，用HCl和NaOH调节营养液的pH值为6。

1.3 试验设计

1）不同磷效率小麦品种对P的吸收和转运差异。该试验于2020年7月19日在河南农业大学土壤污染控制与修复重点实验室开始，设置4个P处理：无磷（0P，0 mmol/L）、低磷（0.1P，0.1 mmol/L）、正常磷（1P，1 mmol/L）和高磷（2P，2 mmol/L），每个处理重复3盆，每盆40株幼苗。

2）不同磷效率小麦品种对Cd、Pb的吸收和转运差异。该试验于2020年9月20日在河南农业大学土壤污染控制与修复重点实验室开始。根据1）部分的研究结果，选用在1 P处理下进行Cd、Pb单因素吸收动力学特性研究，分别设置6个Cd处理（0、0.1、0.5、1、5、10 μmol/L）和7个Pb处理（0、0.05、0.1、0.5、1、2.5、5 mmol/L），每个处理重复3盆，每盆40株幼苗。

3）大田条件下不同磷效率小麦品种成熟期各部位含P、Cd和Pb量的差异。该试验于2020年10月14日种植小麦，每个品种种植3个小区，每小区约种植200株，随机区组排列，常规大田管理。在2021年6月1日进行小麦成熟期取样，分为籽粒（带颖壳）、地上部和根系3部分。试验田位于济源市某村（N35°09′39″，E112°32′13″），其土壤pH值为7.86，有机质、碱解氮、速效磷、速效钾分别为14.7 g/kg、86.8 mg/kg、32.4 mg/kg、186.2 mg/kg，总Cd为2.91 mg/kg，有效态Cd为1.26 mg/kg，总Pb为201.16 mg/kg，有效态Pb为80.7 mg/kg。

1.4 指标测定

1）干物质量

添加处理14 d时每盆收获6株小麦幼苗，将幼苗根部浸入离子交换液（0.5 mmol/L CaCl2和2 mmol/L吗啉乙磺酸）30 min后[21]，用去离子水冲洗3～4次，随后将其根系和地上部分离，放入烘箱，在110 ℃下杀青15 min，75 ℃下烘至恒质量，称量。

2）P、Cd和Pb测定

将烘干称质量后不同处理的水培小麦样品及大田试验小麦样品，进行分别粉碎和混匀。参照鲍士旦[22]的方法，准确称取0.20 g样品放于100 mL消解管中，加浓硫酸2 mL于马弗炉中消解至无色，待消解管冷却后，用去离子水定容至100 mL，过滤后为待测液，用磷钼蓝比色法测定含P量。

参照王龙等[23]的方法，准确称取0.25 g样品放入聚四氟乙烯消解管，加7 mL浓硝酸放置24 h后用石墨消解仪进行消解。消解过程：在110 ℃下加热4 h，在2.5 h时，将消解管拿出冷却至室温后加入1 mLH2O2（30%），190 ℃下赶酸至管内液体约为1 mL左右，冷却至室温后将消化液转移到容量瓶中，定容过滤后用原子吸收光谱仪（PinAAcle 900T，美国）测定含Cd和Pb量。

1.5 数据分析

离子的吸收动力学方程V=Vmax×C/(Km+C)。其中，C为介质中离子浓度（μmol/L或mmol/L）；Vmax为离子最大吸收速率；Km为米氏常数。

元素转运系数（TF）=地上部量/根系量

用Excel 2010进行数据处理和作图，DPS软件进行LSD双因素方差分析、显著性检验及皮尔逊相关分析（αlt;0.05）。图表中数据均为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 不同磷效率小麦品种对P吸收和转运的差异

2.1.1 P处理对小麦含P量及转运系数的影响

不同P处理下，不同磷效率小麦幼苗根系和地上部的含P量及转运系数见图1，图中不同小写字母表示处理间差异显著（Plt;0.05）；*表示同一处理下小麦品种间差异显著（*：Plt;0.05，**：Plt;0.01），下同。随营养液P物质的量浓度的升高，根系和地上部的含P量逐渐升高。LP品种根系的含P量最高，其平均含P量为8.36 mg/g，显著高于HP品种的平均含P量7.69 mg/g（Plt;0.05），而LP品种地上部的含P量（平均值为8.19 mg/g）显著低于HP品种（9.73 mg/g）（Plt;0.05）。随营养液P物质的量浓度的升高，不同磷效率小麦品种的P转运系数逐渐降低，其中HP品种的P转运系数（均值为1.45）显著高于LP（Plt;0.05）。在营养液P物质的量浓度较低（lt;0.1 mmol/L）时，不同磷效率小麦品种地上部含P量差异不显著（Pgt;0.05），而根系含P量差异在0.1P、1P处理和2P处理下均达显著水平（Plt;0.05）。

图1 不同P处理下小麦地上部和根系含P量及其转运系数Fig.1 P content and transport coefficients of shoots and roots of wheat at different P treatments

2.1.2 P处理对小麦幼苗干物质量的影响

从图2可知，随着营养液P物质的量浓度的升高，不同磷效率小麦品种幼苗根系干物质量均逐渐降低，地上部干物质量表现为先升高后降低，在1P处理下，地上部干物质量最大。在不同P处理下，HP品种的根系和地上部的干物质量（均值分别为0.155、0.607 g）均显著高于LP，分别是LP品种的1.34倍和1.38倍。与1P处理下的地上部干物质量相比，0P、0.1P处理和2P处理均影响了小麦的正常生长。

图2 不同P处理下小麦的地上部和根系干质量Fig.2 Shoots and roots dry weight of wheat at different P treatments

2.2 不同磷效率小麦幼苗对Cd和Pb的吸收特性

2.2.1 不同磷效率小麦幼苗对Cd和Pb的吸收动力学差异

由图3可知，随着营养液中Cd、Pb物质的量浓度的升高，根系和地上部对Cd、Pb的吸收速率不断增大并逐渐趋于“饱和”，当溶液中Cd物质的量浓度达到1 μmol/L和Pb物质的量浓度达到0.5 mmol/L时，根系和地上部对Cd、Pb的吸收速率不再随营养液物质的量浓度的增加而显著增加，且根系的平均Cd、Pb吸收速率分别是地上部的9.21倍和20.6倍。从转运系数可知，Cd转运系数随营养液物质的量浓度增加为逐渐升高趋势，Pb转运系数呈阶段式升高趋势，HP品种的Cd、Pb转运系数显著高于LP品种，分别是LP品种的2.69倍和3.58倍。

图3 不同磷效率小麦地上部和根系对Cd、Pb的吸收速率及转运系数Fig.3 Uptake rates and their transport coefficients of Cd and Pb by shoots and roots of wheat varieties with different P efficiencies

不同磷效率小麦根系和地上部对Cd、Pb的吸收动力学均符合米氏方程（R2gt;0.94），其Vmax和Km在HP品种和LP品种间存在显著差异（Plt;0.05）。从表1可知，LP品种根系对Cd、Pb的Vmax（分别为80.0 μg/(g·d)和835 μg/(g·d)）显著高于HP（分别为23.9 μg/(g·d)和411 μg/(g·d)（Plt;0.05），而HP地上部的Vmax高于LP品种，并且根系对Cd、Pb的Vmax显著高于地上部（Plt;0.05）。无论根系还是地上部，Km在HP品种和LP品种间的差异与Vmax相一致。比较不同磷效率小麦根系和地上部的Vmax与含Cd、Pb量发现它们的变化趋势一致，即LP品种根系的含Cd、Pb量及Vmax显著高于HP品种，而地上部的含Cd、Pb量及Vmax显著低于HP品种。

表1 不同磷效率小麦的Cd和Pb吸收动力学参数Table 1 Kinetic parameters of Cd and Pb uptake of wheat varieties with different P efficiencies

2.2.2 Cd、Pb处理对不同磷效率小麦P吸收的影响

从图4可知，Cd、Pb处理会影响不同磷效率小麦对P的吸收和转运。对于Cd处理，随Cd物质的量浓度的升高，根系和地上部的含P量表现一致，均呈先升高后降低趋势，在Cd物质的量浓度为0.5 μmol/L时，其含P量达最大值。对于Pb处理，根系的含P量呈先升高后降低的趋势，但地上部的含P量呈先快速降低后逐渐降低的趋势。相应地，P的转运系数随着Cd、Pb物质的量浓度的升高，均表现为先降低后升高的趋势。在Cd、Pb处理下，LP品种的根系含P量显著高于HP品种，而LP品种地上部的含P量却显著低于HP品种，这就导致LP品种的P转运系数（1.05、0.49）显著低于HP品种的磷转运系数（1.39、0.93）。

2.3 不同磷效率小麦成熟期各部位含P、Cd和Pb量

由表2可知，LP品种根系含P、Cd和Pb量显著高于HP品种，分别是HP品种的1.33、1.30倍和2.19倍；HP品种地上部的含P、Cd和Pb量却显著高于LP品种，分别是LP品种的1.19、1.40倍和1.44倍。相应地，HP品种的P、Cd和Pb转运系数最大，分别为1.50、0.32、0.20，LP品种的最小，分别为1.02、0.17、0.06。另外HP品种籽粒（带颖壳）的含Cd、Pb量（0.44、4.71 mg/kg）显著高于LP品种籽粒的含Cd、Pb量（0.27、2.81 mg/kg）。

2.4 相关性分析

由表3和表4可知，Pb转运系数与根系和地上部含Pb量及P转运系数无显著相关性（r=-0.060、0.397和0.391，Pgt;0.05），却与根系含P量呈极显著负相关（r=-0.714，Plt;0.01）。与Pb不同，Cd的转运系数与根系和地上部含Cd量及P转运系数均呈极显著正相关（r=0.625、0.716和0.671，Plt;0.01），却与根系含P量呈极显著负相关（r=-0.638，Plt;0.01）。相应地，Cd、Pb处理也影响P的吸收和转运。根系含P量与根系含Pb量无相关性（r=0.231，Pgt;0.05），与根系含Cd量却呈极显著负相关（r=-0.890，Plt;0.01）。P的转运系数与根系含Pb量呈极显著负相关（r=-0.700，Plt;0.01），与根系含Cd量无相关性（r=0.213，Pgt;0.05）。

图4 Cd、Pb处理下不同磷效率小麦地上部和根系含P量及其转运系数Fig.4 Content and transport coefficients of P of shoots and roots of wheat verities with different P efficiencies at Cd and Pb treatments

表2 不同磷效率小麦成熟期各部位含P、Cd和Pb量Table 2 P、Cd and Pb contents of wheat verities with different P efficiencies at maturity stage

表3 不同Pb处理下小麦各指标间的相关系数Table 3 Correlation coefficient among various indicators in wheat at different Pb treatment

表4 不同Cd处理下小麦各指标间的相关系数Table 4 Correlation coefficient among various indicators in wheat at different Cd treatment

3 讨 论

3.1 不同磷效率小麦对P的吸收差异

磷效率包括磷素获取效率、利用效率以及再分配效率等[24]，因此，在评价不同作物磷效率所采用的指标也不尽相同，但大部分以干物质量和含磷量这2个关键指标进行评价[25]。本研究表明，随着营养液中P物质的量浓度的升高（0P、0.1P、1P、2P），根系的干物质量在逐渐降低，而地上部干物质量是先升高后降低，且在1P处理下其质量最大，这可能与外界P物质的量浓度改变了小麦根系形态有关，影响其对磷素的吸收和转运，从而影响根系的同化作用[26]。在缺磷或低磷条件下，植物通过增加根长、侧根数量、根毛密度等来增加生物量，以获得较大的根系表面积和体积，使根系吸收的大部分P转运到地上部（TFgt;1）以满足其生长需求，从而提高P利用效率[27-28]。当过量P处理时，根系通过缩短根长、增大根系夹角等降低生物量，以节约获取养分的“成本”，同时吸收的P大部分储存在根部，使得TFlt;1[29]。根系干物质量、地上部和根系含P量及TF均可作为鉴定不同磷效率基因型的指标，但需要注意营养液中P物质的量浓度不宜过低（应大于0.1 mmol/L），这与对水稻和烟草磷效率评价研究中的结果一致[30-31]。结合水培和大田试验的根系和地上部含P量及其转运系数结果，我们认为，HP品种对P吸收少，转运量高；LP品种对P吸收多，转运量少；NP品种的P吸收和转运介于HP品种和LP品种之间，造成品种间差异的原因可能与P吸收、转运相关的基因表达有关。

3.2 不同磷效率小麦对Cd、Pb的吸收差异

本研究发现，不同磷效率小麦根系和地上部对Cd和Pb的吸收动力学特征都符合米氏方程（R2gt;0.94），说明小麦对Cd、Pb的吸收和转运均存在浓度阈值，当外界物质的量浓度超过该值时，根系和地上部对Cd、Pb的吸收及转运受到阻控，这与吴晓丽等[32]研究结果一致。当小麦正常生长受到抑制时，阻控机制会被激活，降低Cd和Pb的吸收和转运，这可能由于小麦根系对低物质的量浓度的Cd和Pb主要通过共质体途径进行主动吸收，需要锌铁转运蛋白（ZIP）、低亲和性阳离子转运蛋白（LCT1）和天然巨噬细胞蛋白（Nramp）等转运蛋白进行调节，而当根系周围Cd或Pb物质的量浓度超过一定阈值后，被动运输便对根系Cd、Pb的积累发挥主导作用[33]。不同品种小麦根系对Cd和Pb的Vmax存在显著差异，其中LP品种根系对Cd、Pb的Vmax显著高于HP品种，而HP品种地上部对Cd、Pb的Vmax最大，LP品种最小。通过比较不同磷效率小麦根系和地上部的Vmax（表1）与含Cd、Pb量（图3），发现LP品种根系的含Cd、Pb量及Vmax值均显著高于HP品种，而HP品种地上部的含Cd、Pb量及Vmax值均显著高于LP品种，该结果说明LP品种根系对Cd、Pb吸收多，但向地上部转运量少，而HP品种根系对Cd、Pb吸收较少，但向地上部转运的较多。

不同的Cd和Pb处理可以影响小麦对P的吸收和转运。在Cd处理中，随Cd物质的量浓度的升高，根系和地上部的含P量表现一致，均呈先升高后降低趋势；在Pb处理中，根系的含P量呈先升高后降低趋势，但地上部含P量随着Pb物质的量浓度的升高呈先快速降低后逐渐降低的趋势。另外，相关性分析表明，P的转运系数与根系含Pb量呈极显著负相关（r=-0.700，Plt;0.01），与根系含Cd量无相关性（r=0.213，Pgt;0.05），说明根系含Pb量的增加显著降低了P向地上部的转运，而根系含Cd量的增加并不影响P向地上部的转运，造成这种差异的原因可能是Pb与P形成了磷酸铅沉淀，使得Pb处理中的P转运系数明显低于Cd处理[34-35]。为了明确Cd、Pb的转运系数与P吸收和转运之间的关系，我们比较了不同磷效率小麦含Cd、Pb和P量及其转运系数间的相关性，发现Pb的转运系数与根系含P量呈极显著负相关（r=-0.714，Plt;0.01），与P的转运系数未达到显著水平（r=0.391，Pgt;0.05），说明根系含P量的增加有助于降低Pb向地上部的转运，P转运的增加并不能增加Pb向地上部的转运；Cd的转运系数与根系含P量呈极显著负相关（r=-0.638，Plt;0.01），与P转运系数呈极显著正相关（r=0.671，Plt;0.01），说明根系含P量的增加也能降低Cd向地上部的转运，但P转运的增加能增加Cd向小麦地上部的转运，从而增加Cd超标的风险。该结果与农田Cd、Pb污染的实际治理结果一致，施用磷肥对Pb污染的农田治理效果十分显著，但对Cd污染农田治理效果不明显，甚至会增加含Cd量超标的风险[36]。

3.3 不同磷效率小麦籽粒Cd、Pb的积累差异

在本试验中，LP品种根系含Cd、Pb量显著高于HP品种，而LP品种地上部含Cd、Pb量显著低于HP品种（Plt;0.05），该结果与苗期水培试验结果一致，均说明HP品种对Cd、Pb积累能力更强。对于籽粒（带颖壳）中含Cd、Pb量，HP品种含Cd、Pb量分别为0.44 mg/kg和4.71 mg/kg，LP品种含Cd、Pb量分别为0.27 mg/kg和2.81 mg/kg，均高于我国食品安全限量标准（Cd的限量标准为0.1 mg/kg，Pb的限量标准为0.2 mg/kg，GB 2762—2017）以及欧盟食品安全限量标准（Cd、Pb的限量标准均为0.2 mg/kg，EU No 488—2014）[4]，这主要是由于该区域土壤Cd、Pb量超标所致（见1.3）。根据我国农用地土壤污染风险管控标准（GB 15618—2018），该田块属于安全利用类，虽然不同磷效率小麦的籽粒含Cd、Pb量均超国家标准，但LP品种籽粒含Cd、Pb量显著低于HP品种，因此，在Cd、Pb安全利用类土壤相对更适宜种植磷低效小麦品种，从而降低籽粒Cd、Pb超标的风险。由于本研究只进行了单年单点的田间试验，尚无法确定品种的稳定性，还需要多年多点的大田试验进一步验证。

4 结 论

1）不同磷效率小麦根系和地上部对Cd、Pb的吸收动力学特征都符合米氏方程（R2gt;0.94），其参数Vmax和Km呈显著基因型差异。

2）磷低效品种小麦根系对P、Cd和Pb的吸收量大，但转运量小；而磷高效品种对P、Cd和Pb的吸收量少，但转运量大。Cd、Pb安全利用类土壤更适宜种植磷低效小麦品种，从而降低籽粒Cd、Pb超标的风险。

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Differential Analysis in the Uptake and Accumulation of Cadmium and Lead by Wheat Varieties with Different Phosphorus Efficiencies

SUN Qizhuang1,WANG Long1*,HUANG Shaomin2,XIAO Yatao3,SUI Fuqing1,QIN Shiyu1,LIU Hongen1,ZHAO Peng1*
(1.College of Resources and Environment,Henan Agricultural University,Zhengzhou 450000,China;2.Institute of Plant Nutrient and Environmental Resources,Henan Academy of Agricultural Sciences,Zhengzhou 450002,China;3.Key Laboratory of High-efficient and Safe Utilization of Agriculture Water Resources,Institute of Farmland Irrigation of CAAS,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Xinxiang 453002,China)

【Objective】Soil contamination by cadmium (Cd) and lead (Pb) is a great environmental concern for food safety,and breeding cultivars that can reduce their uptake is one way to grow crops in Cd-and Pb-contaminated soils.In this paper,we experimentally studied how wheat lines with different phosphorus (P) uptake affect their uptake,translocation and accumulation of P,Cd and Pb in the crops.【Method】The experiment consisted of a lab part and a field part.The lab part considered one factor – wheat varieties,and the field part was arranged randomly in soil that had been moderately contaminated by Cd and Pb.In both parts,we measured Cd and Pb uptake and their subsequent translocation.【Result】The average P content in the roots of lines with high P (HP) use efficiency was 7.69 mg/g,significantly lower than that in the lines with low P (LP) use efficiency,which was 8.36 mg/g (Plt;0.05).The average P content in the shoots of HP varieties was 9.73 mg/g,significantly higher than the 8.19 mg/g in the LP cultivars (Plt;0.05).The transport coefficient of P in HP varieties was 1.45,significantly higher than the 1.19 of the LP varieties (Plt;0.05).The kinetic uptake of Cd and Pb by roots and their translocation to shoots followed Michaelis-Menten equation (R2gt;0.94),with the maximum absorption rates (Vmax) and the Michaelis constants (Km) differing significantly between varieties (Plt;0.05).TheVmaxof the roots of HP varieties was 23.9 and 411 μg/(g·d),respectively,for Cd and Pb,in comparison with 80.0 and 835 μg/(g·d) (Plt;0.01) for the LP lines.In contrast,Vmaxfor Cd and Pb in the shoots of the HP varieties was much higher than that for the LP varieties.The difference inKmbetween the HP and LP varieties was consistent with their difference inVmax.Correlation analysis showed that the transport coefficients of both Cd and Pb were negatively correlated with root P content (r=-0.638 and-0.714,respectively) at significant level.The transport coefficient of Cd was positively correlated with P transport coefficient (r=0.671,Plt;0.01).The Pb transport coefficient was also positively correlated with P transport coefficient though not at significant level (r=0.391,Pgt;0.05).The increase in root P content helps reduce the translocation of Cd and Pb; an increase in translocation coefficient of P did not show a noticeable impact on Pb translocation,but significantly boosted Cd transport from roots to the shoots.【Conclusion】The roots of LP varieties showed high uptake but low translocation of P,Cd and Pb,as opposed the HP varieties which showed a low uptake but high translocation.This suggests that LP varieties are more suitable for growing in soils contaminated by Cd and/or Pb.

phosphorus use efficiency; wheat; cadmium; lead; root uptake

S512.1+1

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021581

1672-3317（2022）04-0049-09

OSID：

孙齐状,王龙,黄绍敏,等.不同磷效率小麦品种对镉、铅吸收和积累的差异分析[J].灌溉排水学报,2022,41(4): 49-57.

SUN Qizhuang,WANG Long,HUANG Shaomin,et al.Differential Analysis in the Uptake and Accumulation of Cadmium and Lead by Wheat Varieties with Different Phosphorus Efficiencies[J].Journal of Irrigation and Drainage,2022,41(4): 49-57.

2021-11-23

国家自然科学基金青年基金项目（42007103）；河南省科技攻关项目（222102110048）；河南省研究生教育改革与质量提升工程项目（HNYJS2020KC17）；河南农业大学科技创新基金项目（KJCX2020A18）；中国农科院农业水资源高效安全利用重点开放实验室（FIRI202003-0101）；河南省大学生创新创业训练计划项目（202110466029）

孙齐状（1997-），男，河南濮阳人。硕士研究生，主要从事养分资源高效利用研究。E-mail: 1050388573@qq.com

王龙（1988-），男。讲师，硕士生导师，主要从事土壤微界面过程与污染控制研究。E-mail: hnndwanglong@163.com

赵鹏（1967-），男。教授，博士生导师，主要从事养分资源高效利用及污染控制研究。E-mail: zhpddy@163.com

责任编辑：白芳芳