不同品种冬小麦幼苗生长对镉响应的差异研究

张堃，许亚芳，刘红恩，赵鹏，秦世玉

(河南农业大学资源与环境学院/河南省土壤污染防控与修复重点实验室，河南 郑州 450002)

小麦为我国第二大粮食作物[1]，河南省种植面积大，对保障国家粮食安全有着重要意义。 由于新乡等地抽检出小麦籽粒镉(Cd)含量超标[2]，Cd 污染小麦问题日益引起人们的重视。Cd 是植物生长发育的非必需元素，在土壤中具有较强的化学活性和很强的生物毒性，易于被植物吸收积累，对植物生长发育造成伤害[3]。 因此了解作物对Cd 的响应变化，对后续研究如何阻控作物吸收及积累Cd 提供理论基础尤为重要。

农田土壤中的Cd 易于被小麦根系吸收，并转移至地上部进入籽粒。 有研究表明，小麦籽粒镉富集系数(均值0.237，n ＝641)高于水稻(均值0.145，n ＝331)[4]。 Cd 通过食物链进入人体，增加人类健康风险[5]。 Cd 对冬小麦的生长发育有一定的影响，可抑制种子萌发，减少小麦叶片数和叶面积，降低根茎长及植株生物量，降低小麦产量[6-10]。 目前，对Cd 胁迫下小麦幼苗的生理生化特性及生长已有大量研究，如Cd 胁迫显著降低小麦种子发芽率和发芽势，降低小麦幼苗叶绿素含量和抑制光合作用，SOD、POD 和CAT 活性均随着Cd 浓度的增加先升高后降低，MDA 含量逐渐增加，小麦地上部和根系大部分的Cd 分布在细胞壁和细胞器中，而在可溶组分中的分布较少[11]。 Cd 胁迫能够显著降低根重、根长和根表面积，高水平下降幅较大，但根体积无显著变化[12]。 Cd 对小麦的影响也因基因型的不同而有所差异。 辉县红和周麦28 小麦品种中铁、钙、镁、钾含量随着培养液中Cd2＋浓度的增加而不同[13]。研究表明，30 个小麦品种在灌浆期株高、生物量均存在显著差异，不同小麦品种之间各部位吸收、积累和转运Cd 的能力也存在明显差异，其中淮麦23、冀麦738、宁麦17 具有最低的根-地上部转运系数，且这3 个品种籽粒Cd 含量均远低于国家限量标准(0.1 mg/kg)[14]。 Cd 胁迫下，对Cd 敏感型小麦品种(河农6425)和耐Cd 型小麦品种(92R137)幼苗生长和生理特性的研究表明，92R137 幼苗长势好，含水量、Cd 含量、Cd 转移系数和叶绿素荧光参数均高于河农6425，根尖中Cd2＋含量低于后者[15]。 不同品种小麦对Cd 的响应存在差异，我们前期研究发现0.5 μmol/L Cd 显著降低百农207 单株干物质积累，而50 μmol/L 浓度Cd 对郑麦379 的单株干物质积累则无显著影响[16，17]。

河南省是我国小麦的重要产区之一，工业化带来的Cd 污染问题威胁着粮食生产安全，因此了解Cd 胁迫下冬小麦的生理生化变化及响应具有重要意义。 本试验以4 个不同基因型冬小麦品种为材料，研究不同浓度Cd 处理对冬小麦各项生长指标的影响，以确定Cd 对小麦幼苗毒性的浓度阈值，为冬小麦对Cd 的耐受性提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2021年9—10月在河南农业大学实验室的光照培养室进行。

供试4 个冬小麦品种分别为郑麦379、平安8号、百农207、矮抗58。

1.2 试验设计

用2%H2O2溶液将小麦种子消毒10 min，去离子水洗净，随后室温发芽。 在小麦长至两叶一心期时挑选长势均匀一致的幼苗移栽至装有2 L营养液的2.5 L 塑料盒中，用打孔泡沫板固定幼苗。

营养液组分及浓度:4.0 mmol/L Ca(NO3)2·4H2O、6 mmol/L KNO3、1 mmol/L NH4H2PO4、2 mmol/L MgSO4·7H2O、46.2 μmol/L H3BO3、9.1 μmol/L MnCl2·4H2O、0.3 μmol/L CuSO4·5H2O、0.8 μmol/L ZnSO4·7H2O、100 μmol/L FeNaEDTA 和0.2 μmol/L(NH4)6Mo7O24·4H2O。 所有试剂均为分析纯，试验用水均为去离子水。

1/2 浓度营养液培养3 天，然后全营养液培养。 全营养液培养第4 天进行不同浓度Cd 处理，分别为0(Cd0)、0.2(Cd0.2)、0.4(Cd0.4)、0.8(Cd0.8)、1.6(Cd1.6)、3.2(Cd3.2)、6.4(Cd6.4)、12.8(Cd12.8)μmol/L 共8 个浓度梯度。 试验采用完全随机设计，每处理重复3 次，每5 天更换一次营养液。 试验期间昼夜光照周期为16/8h，温度为25/22℃。 在Cd 处理20 天后取样，进行各项指标测定。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 生长指标测定 植株收获后，用刻度尺测量鲜样株高(茎基部至幼苗顶端叶尖)和根长(幼苗茎基部到根尖)[18]。 将根系和地上部分开，根系用20 mmol/L Na2-EDTA 浸泡15 min，以除去表面吸附的Cd2＋[19]，然后用去离子水漂洗、沥干后，和地上部分置于烘箱中105℃杀青30 min，70℃下烘干至恒重，然后用百分之一天平称重，记录地上部和根系干质量。

1.3.2 根系参数测定 用根系扫描仪(WinRHIZO 2009，Canada)对根系进行扫描，分析总根长、根平均直径、根表面积、根体积和总根尖数。

1.3.3 光合参数测定 用Li-cor 6400 便携式光合仪测定Cd 处理20 天小麦旗叶净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度和气孔导度，于上午9∶00—11∶00 进行。

1.3.4 Cd 含量测定 参照Zhao 等[20]的方法。植株烘干样品粉碎后用万分之一天平分别称取适量地上部和根干燥样品于消煮管中，每管加入5 mL 混酸(HNO3∶HClO4＝4∶1)，用消煮炉进行消煮，待样品完全消化，且管中溶液剩余1 mL 左右时结束，冷却后用体积分数为0.5% 的HNO3定容到25 mL 容量瓶中，过滤，用火焰原子吸收分光光度计(ZEEnit 700，Analytik Je-na AG，德国)测定Cd 含量。

1.4 灰色关联度分析

灰色关联度分析参照Deng[21]的方法，具体步骤如下:

(1)将原始数据进行无量纲化处理，除地上部Cd 含量和根Cd 含量值越小越好外，其他性状值则越大越好:X′i(k)＝Xi(k)/X0(k)；其中i ＝0，1，2，…，m；k ＝1，2，…，n；i 为小麦品种数量，k为性状数量；

(2)计算绝对值。 计算参考序列X0和比较序列Xi之间差的绝对值ΔX′i(k)＝｜X0(k)-Xi(k)｜；

(3)根据灰色系统理论和方法计算关联系数:

其中ρ 是分辨率，通常ρ ＝0.5[21]。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2003 和DPS 数据处理系统进行方差分析及相关性分析，采用LSD 法(P＜0.05)进行显著性检验，SigmaPlot 10 软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同浓度Cd 处理对小麦生长指标的影响

地上部和根干质量、株高和根长是衡量小麦幼苗生长状况的重要指标。 由图1 可以看出，与Cd0相比，不同浓度Cd 处理均增加各品种小麦根系和地上部干物质积累量，且在Cd6.4处理下达到最大值，矮抗58、郑麦379、平安8 号、百农207 地上部和根干质量分别增加87.69%、52.60%、45.86%、67.63%和132.14%、67.57%、89.19%、63.16%。当Cd 浓度大于6.4 μmol/L 时，小麦幼苗干质量则逐渐降低，Cd12.8处理矮抗58、郑麦379、平安8 号、百农207 地上部和根干质量较Cd6.4处理分别减少17.21%、12.77%、17.80%、19.31%和16.92%、6.45%、20.00%、6.45%。 这说明低浓度Cd 促进冬小麦干物质积累，且不同品种干物质积累对Cd 的响应不同，其中矮抗58 在低浓度时变幅最大，高浓度Cd 显著抑制干物质积累，平安8号在高浓度Cd 处理时变幅最大。

图1 不同浓度Cd 处理下4 个冬小麦品种根系和地上部干质量、根长和株高

根长随着Cd 浓度增加呈现先增加后降低趋势，且在Cd1.6处理下达到最大值。 与Cd0相比，Cd1.6处理下矮抗58、郑麦379、平安8 号、百农207的根长分别增加29.88%、21.45%、11.31%和8.19%。小麦幼苗株高则随着Cd 浓度的增加整体呈逐渐降低趋势，与Cd0相比，Cd12.8处理下矮抗58、郑麦379、平安8 号、百农207 株高分别降低12.27%、14.51%、18.67%、15.49%。 这说明不同品种小麦根系和地上部生长对Cd 的响应不同，低浓度Cd 可促进根系生长，但抑制株高增长，Cd浓度为1.6～6.4 μmol/L 有效促进小麦幼苗侧根生长及地上部分蘖。 对不同浓度Cd 处理的4 个冬小麦品种干质量数据进行曲线拟合，得出4 个二次函数图像(图2)，拟合达显著或极显著水平，其中郑麦379和平安8 号的曲线拟合达极显著水平。 根据拟合曲线求得矮抗58、郑麦379、平安8 号和百农207的干质量达到最大值时Cd 处理浓度分别为7.31、7.87、7.28、7.43 μmol/L。

图2 不同浓度Cd 处理下4 个冬小麦品种干质量拟合曲线

2.2 不同浓度Cd 处理对小麦根系形态参数的影响

如表1 所示，从整体来看，随着Cd 浓度增加，总根长、根平均直径呈先升高后降低趋势。 百农207 和平安8 号在Cd 浓度1.6 μmol/L 时总根长达到最大值，而矮抗58 和郑麦379 则在Cd 浓度0.8 μmol/L 时达到最大值。 与Cd0处理相比，矮抗58、郑麦379、平安8 号和百农207 达到峰值时总根长分别增加43. 33%、 7. 29%、 13. 29%、106.07%。

表1 不同浓度Cd 处理4 个冬小麦品种的根系形态参数

根平均直径也有相同趋势，郑麦379 的根平均直径在Cd 浓度12.8 μmol/L 时达到最大值，而另外3 个小麦品种则在Cd 浓度6.4 μmol/L 处理下达到最大值，矮抗58、郑麦379、平安8号和百农207 的根平均直径最大值较Cd0分别增加47.51%、47.30%、35.19%、73.83%。

根表面积和根体积也出现相似的变化，除平安8 号在Cd 浓度0.8 μmol/L 时根表面积达到最大值外，另外3 个品种的根表面积都在Cd 浓度1.6 μmol/L 时达到最大值。 与Cd0相比，矮抗58、郑麦379、平安8 号和百农207 的根表面积和根体积达到峰值时分别增加58.98%、43.42%、24.83%、183.29%和96.16%、20.37、69.95%、292.64%。

根尖数则随着Cd 浓度的增加呈逐渐减少趋势，与Cd0相比，Cd12.8处理矮抗58、郑麦379、平安8 号和百农207 的根尖数分别减少42.94%、51.62%、46.00%、29.90%。

以上这说明小麦幼苗根系形态参数因基因型不同而存在差异，但总体而言，不同浓度Cd 处理下百农207 的根系形态变化最大，而郑麦379 和矮抗58 变化相对较小。

2.3 不同浓度Cd 处理对小麦光合参数的影响

由图3 看出，随着Cd 浓度增加，净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs)均呈先升高后降低趋势，且均在Cd 浓度1.6 μmol/L 时达到最大值，胞间CO2浓度则逐渐增加，与Cd0相比，矮抗58、郑麦379、平安8 号和百农207 的Pn、Tr、Gs 在峰值时分别增加96.37%、66.59%、121.42%、251.09%和33.55%、31.90%、42.54%、79.25% 和43.75%、62.95%、107.72%、156.09%。 从整体来看，在Cd 浓度0 ～1.6 μmol/L 范围内，百农207 表现出更大的光合参数变化量，除净光合速率外，郑麦379 拥有最高的光合参数值。

图3 不同浓度Cd 处理下4 个冬小麦品种的光合参数

2.4 不同浓度Cd 处理对小麦植株Cd 含量的影响

小麦幼苗地上部和根系Cd 含量随着Cd 浓度的增加而显著增加(图4)。 Cd12.8处理下矮抗58、郑麦379、平安8 号和百农207 地上部Cd 含量分别是Cd0.2处理的9.73、6.79、8.93 倍和12.85倍。 根系中，Cd12.8处理下4 个品种的Cd 浓度分别是Cd0.2处理的19.11、13.56、11.82 倍和14.64倍。 这说明施Cd 可以显著提高根系和地上部Cd含量，且根系具有更高的Cd 累积量。 不同浓度Cd 处理下，郑麦379 和平安8 号Cd 累积变化更小。

图4 不同浓度Cd 处理4 个冬小麦品种的地上部及根Cd 累积浓度

2.5 4 个小麦品种不同性状的灰色关联度分析

4 个小麦品种不同性状的关联度分析结果如表2 所示。 关联度值越大，说明小麦在Cd 处理下的生长表现越好。 小麦品种的优劣顺序依次为郑麦379＞百农207＞平安8 号＞矮抗58。

表2 4个冬小麦品种不同性状的关联度比较

3 讨论

株高、根长及干物质积累量是非生物胁迫下表征植物生长的重要指标[22]。 一些研究发现小麦幼苗在Cd 胁迫下最直观的表现是植株生长缓慢、发育迟缓、萎蔫枯黄，甚至死亡[23]。 另外也有研究表明，Cd 对植物具有刺激性和抑制性，其中刺激效应可以加速植物的生长，低浓度Cd 可能通过影响植物激素等而调节小麦的生长[24]。 本试验中，低浓度Cd 能够增加小麦幼苗生物量，在高浓度Cd 胁迫下，小麦幼苗生物量则减少。 欧丽等[25]研究表明低浓度Cd2＋胁迫促进野茼蒿种子萌发，高浓度Cd2＋胁迫显著抑制其种子萌发。李朝阳等[26]研究认为，低浓度(≤1 mg/L)Cd 对小麦幼苗芽长有促进作用，高浓度(＞1 mg/L)Cd 抑制幼苗芽的伸长。 一些研究认为，低浓度Cd 可以提高胚的生理活性[27]，促进种子萌发和胚轴伸长，而高浓度Cd 抑制淀粉酶[28]、蛋白酶[27]活性，影响幼苗生长所需物质和能量的供给[28]，从而抑制幼苗的生长。 本研究认为，Cd 浓度在0 ～6.4 μmol/L 时，对小麦干物质的积累有促进作用，浓度为12.8 μmol/L 则产生相反的结果。 出现这种现象的原因可能是低浓度Cd 毒性可以依靠小麦的自身调节系统来缓解，而当Cd 胁迫超过小麦的耐受能力时，就会抑制小麦的生长[29]，且小麦对Cd 胁迫的响应差异可能因品种的不同或是添加Cd 处理的时期不同所致。

Cd 具有较强的潜在危害，在对作物不造成严重危害的情况下可使作物组织内积累大量的Cd。研究表明，小麦组织Cd 含量会随着Cd 浓度的增加而增加，且Cd 在小麦各部位的积累量表现为根＞茎＞叶＞籽粒[30]。 本试验中，不同浓度Cd 处理下，根中Cd 积累量均高于地上部。 随着Cd 处理浓度的增加，小麦根长、总根长、根平均直径、根表面积和根体积均呈现出先增加后减小趋势。 根系长度受到抑制是Cd2＋胁迫下植物最早和最明显的症状之一[31]，Cd2＋诱导下根长受抑制可能归因于细胞骨架微管的解聚和染色体畸变的形成，进而导致分生细胞有丝分裂活性的降低[32]。 Cd胁迫通过影响根细胞分裂，抑制根系的生长发育，导致根系体积和生物量降低[33]。 田小霞等[34]研究认为，随Cd2＋浓度增加，马蔺根长、根表面积和根体积均呈先升后降的变化趋势。 何俊瑜等[35]研究表明，随着Cd 胁迫浓度的增加，水稻总根长、根表面积、根体积均呈先升高后降低的趋势。张玲等[36]对小麦的研究也有相似的结果。 这些结果都与本试验结果相同。 说明重金属胁迫下植物根系是最先感受到逆境胁迫的器官，可通过改变根长、根体积、根表面积和增强根系活力等适应逆境胁迫[37]。

光合作用是作物干物质积累的基础，而过量的Cd 会干扰作物进行光合作用[38]。 净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度和气孔导度是描述植物光合作用的重要参数。 气孔是CO2和H2O分子进出细胞的主要通道，其开放程度直接影响胞间CO2浓度和蒸腾速率，从而影响净光合速率[39]。 唐星林等[40]的研究表明，龙葵叶片光合速率与生物量呈显著相关关系。 本研究中，Cd 浓度为0～1.6 μmol/L 时，净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度和气孔导度与小麦幼苗生物量均呈正相关关系。 Farguhar 等[41]提出净光合速率的变化可能由气孔导度或叶肉导度所决定。 随着Cd 浓度的增加，净光合速率、蒸腾速率和气孔导度变化趋势一致，其峰值都在Cd 浓度为1.6 μmol/L 时出现，而4 个小麦品种胞间CO2浓度的峰值出现在6.4 ～12.8 μmol/L 之间。 说明当Cd浓度在1.6～6.4 μmol/L 之间时，净光合速率的下降是由气孔限制造成的，当Cd 浓度≥6.4 μmol/L时，净光合速率的下降可能是由于高浓度Cd 对气孔造成损伤和叶肉细胞光合活性下降所致。

4 结论

冬小麦对Cd 的耐性因基因型不同存在差异。 Cd 浓度为0 ～0.8 μmol/L 时，矮抗58、郑麦379、平安8 号和百农207 幼苗生物量、根系形态指标和光合参数的变化趋势均随着浓度的增加而增加，在6.4 ～12.8 μmol/L 之间均减少，在0.8 ～6.4 μmol/L 范围内则因小麦基因型的不同而有所差异，4 个小麦品种根系形态参数中的差异变化最明显。 对4 个小麦品种植株干质量进行曲线拟合可知，Cd 阈值为郑麦379(7.87 μmol/L)＞百农207(7.43 μmol/L)＞矮抗58(7.31 μmol/L)＞平安8 号(7.28 μmol/L)。 一定浓度Cd 刺激可以促进小麦幼苗生长，郑麦379 的Cd 阈值最大，因此郑麦379 相对于其他3 个小麦品种的耐Cd 效果更好。 灰色关联度分析是对4 个小麦品种在Cd 处理下生长状况的综合评价，值越大，表明小麦品种的生长状况越好。本研究表明4 个小麦品种的灰色关联度分析值依次为郑麦379(0.8150)＞百农207(0.7738)＞平安8 号(0.7619)＞矮抗58(0.7515)。 综上所述，郑麦379在Cd 胁迫下的生长状况最好，相对于其他3 个小麦品种其耐Cd 效果更好。