不同玉米品种苗期对镉及营养元素的吸收转运特性

樊玉，庄重，赵丽洁，张晨，王琪，李花粉，万亚男

（中国农业大学资源与环境学院，农田土壤污染防控与修复北京市重点实验室，北京 100193）

镉是生物毒性较强且分布较广的重金属元素之一，对人类健康具有较大威胁。伴随着采矿、冶金以及工农业的发展，使镉进入到农田生态系统中，导致镉污染日益严重。近年来，我国土壤，特别是耕地土壤，部分受到了镉污染[1-3]。镉进入人体后可对肾、肝、骨骼等多种器官、生殖系统及血液系统、神经系统产生伤害[4]，而人类摄入的大部分镉主要来自农作物。因此，减少人体对镉的摄入量需要减少农作物对镉的累积。目前主要通过以下途径实现农田镉的阻控：控制农业投入品中重金属的含量以减少投入；施加土壤钝化剂[5]以降低土壤中镉的有效性；种植镉超累积植物[6]等以减少土壤中的镉总量；通过筛选对镉耐性高、累积量低的优势农作物品种推广种植，以减少农作物对镉的吸收累积[7-9]。

玉米作为我国广泛种植的农作物之一，具有生物量大、生长周期短等特点[10]。有研究表明不同玉米品种对镉的吸收和富集能力存在差异性[11-12]。杜彩艳等[13]分析了20 种玉米在镉污染条件下的生物量、产量以及玉米根、茎、叶和籽粒中镉含量发现，不同品种间均表现出显著差异。因此可以通过筛选镉低累积品种，用于污染土地推广种植，达到安全生产的目的。

微量元素摄入不足已成为影响人体健康的普遍性问题。据调查显示，目前世界约有60%的人缺铁，30%的人缺锌，还有钙、镁和铜等元素的摄入不足在发展中国家也比较普遍[14]。人体主要通过食物摄入来补充所必需的营养元素，饮食的单一化导致营养元素的缺乏，尤其是以玉米、小麦等谷物作物为主食的发展中国家[15]。国际玉米小麦改良中心（CIMMYT）通过分析矿物质元素含量高的作物材料，筛选富含微量营养元素的玉米品种进行推广[16]。因此，提高玉米籽粒锌、铁等营养元素的含量，促进人体对营养元素的吸收具有重要意义。目前关于玉米的品种筛选已有一定的研究基础，但是更多地侧重于筛选产量高、养分利用效率高、抗逆性强以及重金属累积量低的品种，但在污染条件下不同品种玉米矿质元素的含量差异以及镉与其他矿物质营养元素互作的研究少有报道。本研究选取24 个玉米品种，通过水培试验探究不同品种玉米对镉吸收、转运的差异，以及镉与其他元素的互作影响，根据地上部镉含量以及营养元素含量筛选出镉低累积以及营养元素高累积的优势玉米品种，以期为玉米优质、高效生产提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试玉米品种

本研究从我国玉米主产区的主要推广品种中选取了24 个玉米品种作为研究对象（表1）。这24 种玉米为普通品种，属于粮食型玉米，主要用作饲料储备。

表1 供试玉米品种Table 1 Tested varieties of maize

1.2 试验设计

水培试验在中国农业大学温室中进行。每个品种玉米各挑选14粒种子在10%双氧水（H2O2，m/m）中表面灭菌10 min，漂洗，用蒸馏水浸泡过夜，然后在20 ℃的黑夜潮湿条件下萌发24 h。挑选发芽一致的种子用滤纸卷起，在塑料小盆中用蒸馏水培养6 d。培养长至两叶一心后，挑选长势一致的幼苗移栽至水培箱中，采用含镉的营养液（表2）一起培养。营养液组分：Ca（NO3）2·4H2O 2 000 μmol·L-1，KH2PO4250 μmol·L-1，K2SO4750 μmol·L-1，MgSO4·7H2O 650 μmol·L-1，KCl 100 μmol·L-1，H3BO31 μmol·L-1，Mn-SO4·H2O 1 μmol·L-1，CuSO4·5H2O 0.1 μmol·L-1，Zn-SO4·7H2O 1 μmol·L-1，（NH4）6Mo7O24·4H2O 0.005 μmol·L-1，Fe（Ⅱ）-EDTA 100 μmol·L-1。设置的镉处理以Cd（NO3）2·4H2O 的形式添加在营养液中，浓度为10 μmol·L-1。用0.1 mol·L的KOH 或HCl调节营养液pH 为6.0。每个品种5 个重复。每7 d 更换一次营养液，供气泵保证培养液正常供氧。培养19 d后收获。

收获的玉米幼苗根系浸至200 mL pH 为5.5 的洗脱液（1 mmo1·L-1CaSO4，2 mmo1·L-1MES）中，洗脱吸附在根表的镉。用滤纸吸干表面水分，分离地上部和根部，在60 ℃的烘箱中烘干。将烘干后的玉米粉碎、消解，用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES，PerkinElmer Avio 200）测定消解液中镉、磷、钙、镁、铜、锌、铁、锰的含量。以国家标准参比物质植物样品（GBW10049 大葱）进行质量控制，国标样品分析结果均在允许误差范围内（回收率在80%～115%之间）。

1.3 数据处理

使用Excel 2003、SPSS 26.0、R 4.1.3 进行数据处理和分析，SigmaPlot 12.5 制图。采用单因素方差分析（ANOVA）和Duncan 多重比较检验（P＜0.05）进行统计学处理。变量间的关系通过Pearson 相关分析确定。采用欧氏距离和离差平方和法进行聚类分析。

每克根镉吸收量（μg·g-1）=[地上部镉含量（μg·g-1）×地上部干物质量（g）+根系镉含量（μg·g-1）×根系干物质量（g）]/根系干物质量（g）

转运系数=地上部镉含量（μg·g-1）/根系镉含量（μg·g-1）[17]。

2 结果与分析

2.1 不同玉米品种的生物量

在10 μmol·L-1的镉处理水平下，不同品种玉米的生物量具有显著性差异（表2）。玉米地上部干质量变化范围从3 号（良玉99）0.357 g·株-1到18 号（中单909）0.767 g·株-1，平均值为0.590 g·株-1。根系干质量变化范围从3 号（良玉99）0.073 g·株-1到21 号（登海518）0.147 g·株-1，平均值为0.112 g·株-1。不同玉米品种间生物量的差异可能是由于不同品种生长特性的差异造成的。

表2 不同玉米品种不同部位干质量Table 2 Dry biomass of different parts of different maize varieties单位：g·plant-1

2.2 不同玉米品种对镉的吸收和转运

24 个玉米品种地上部镉含量（以干质量计）和根系对镉的吸收量（以干质量计）如图1 所示。不同品种玉米地上部镉含量差异显著。镉含量变化范围从1号（伟科702）40.8 μg·g-1到24号（金庆202）83.8 μg·g-1，最高品种的地上部镉含量是最低品种的2.05 倍，平均值为62.6 μg·g-1（图1a）。

玉米地上部对镉的累积主要是由根系吸收镉能力和镉转运能力决定的。玉米根系镉吸收能力可以用每克根镉吸收量体现。试验结果表明，24 个品种玉米每克根镉吸收量也具有显著性差异，且品种间的含量高低与地上部呈现出不一致的顺序（图1b）。最低的品种为10 号（登海652）544 μg·g-1，最高的品种为15号（郑单958）1 204 μg·g-1，最高品种的根系镉吸收量是最低品种的2.21 倍，根系吸收量平均值为876 μg·g-1。

图1 不同品种玉米地上部镉含量（a）、每克根镉吸收量（b）和转运系数（c）Figure 1 Cd content in shoot（a），Cd uptake by root（b）and transport factor（c）of different maize varieties

转运系数是地上部镉含量与根系镉含量的比值，可用来评价植物将镉从根系向地上部的运输能力。不同品种玉米的转运系数存在显著性差异（图1c）。变化范围从1 号（伟科702）0.060 到14 号（金海5）0.297，平均值为0.130。除了5 号（登海618）、10 号（登海652）、14 号（金海5）这些转运系数比较高的品种，其他品种的转运系数排序规律与地上部镉含量的排序规律相似，地上部含量高的品种转运系数也高。

分析24 个品种的玉米幼苗地上部镉含量和根系镉吸收量以及镉转运系数的相关性（图2），结果表明地上部镉含量与根镉吸收量存在显著正相关关系（r=0.305，P＜0.01）与镉转运系数存在显著正相关关系（r=0.530，P＜0.01）。这说明在玉米苗期阶段，玉米根系对镉的吸收以及玉米对镉从根向地上部的转运共同影响地上部镉含量。

图2 玉米地上部镉含量与每克根吸收量（a）和转运系数（b）的相关性（n=107）Figure 2 Correlation between Cd content in shoot and Cd content absorbed per gram（a）and transport factor（b）in maize（n=107）

2.3 优势玉米品种筛选

为明确不同玉米品种镉累积的差异，采用聚类分析的方法，通过计算欧式距离和离差平方和法对24个玉米品种的地上部镉进行定量化归类，确定不同镉累积类型的玉米品种（图3）。当聚类距离处于10～15时，可将24个品种分为3类：第一类为镉低累积类型，包含11 个品种，占所有品种数的46%。低累积类型地上部镉含量范围为40.8～58.2 μg·g-1，具体的品种镉含量由低到高排序为伟科702＜北农青贮368＜良玉99＜中科11＜登海618＜良玉918＜远科105＜京农科728＜京科828＜登海652＜农华101。第二类为镉中累积类型，包含11 个品种，占所有品种数的46%。中累积类型地上部镉含量范围为62.5～77.2 μg·g-1。11 个品种地上部镉含量由低到高排序为东单6531＜京科968＜金海5＜郑单958＜宇玉30＜迪犬517＜中单909＜隆平206＜绥玉23＜登海518＜先锋047。第三类为镉高累积类型，只有2 个品种：登海605（81.5 μg·g-1）和金庆202（83.8 μg·g-1），占总品种数的2%。低、中、高累积类型之间玉米地上部镉含量存在显著性差异。高累积品种玉米地上部的镉含量是伟科702（低累积类型）的1.6～2.0倍。

图3 不同品种玉米地上部镉含量聚类分析Figure 3 Cluster of Cd content in shoot of different maize varieties

为探究玉米地上部对镉的累积与其他营养元素之间的关系，对24 种玉米地上部镉、磷、钙、镁、铜、锌、锰、铁含量进行相关性分析（表3），结果表明，地上部镉与磷（r=-0.225，P＜0.05）、锰（r=-0.386，P＜0.01）、铁（r=-0.233，P＜0.05）具有显著负相关关系，表明地上部镉含量累积较少的品种对磷、锰、铁的累积较多。因此上述筛选的镉低累积类型的品种中，可能存在磷、锰、铁累积量高的品种。而地上部镉与钙、镁、铜、锌之间相关性不显著，则有可能筛选出兼具地上部镉含量低和钙、镁、铜、锌含量高的品种。因此，地上部镉与营养元素的相关性结果，为筛选地上部镉含量低，磷、钙、镁、铜、锌、锰、铁营养元素含量高的玉米品种提供了参考。

表3 不同品种玉米地上部镉、磷、钙、镁、铜、锌、锰、铁含量相关性系数（r）Table 3 Correlation of Cd，P，Ca，Mg，Cu，Zn，Mn and Fe contents in shoot of different maize varieties（r）

对24 种玉米地上部钙、镁、铜、锌含量进行聚类分析，获得钙、镁、铜、锌易累积类型玉米（图4）。根据聚类结果显示，易累积钙类型有3 种（图4a）：金庆202、登海518、登海652。易累积镁类型有8 种（图4b）：伟科702、绥玉23、登海518、隆平206、京科968、良玉99、金庆202、登海652。易累积铜类型只有7 种（图4c）：绥玉23、金海5、良玉918、金庆202、中单909、登海605、伟科702。易累积锌类型只有1 种（图4d）：京科968。

图4 不同品种玉米地上部钙（a）、镁（b）、铜（c）、锌（d）含量聚类分析Figure 4 Cluster of Ca（a），Mg（b），Cu（c）and Zn（d）contents in shoot of different maize varieties

对筛选出的11 种镉低累积玉米和3 种钙较易累积、8种镁易累积、7种铜易累积、1种锌易累积的玉米品种进行分析，筛选出了2个品种的玉米：伟科702和登海652，属于24 个品种中的优势玉米品种（图5）。伟科702 是兼具镉低累积和镁、铜易累积特性的玉米品种。登海652 是同时具有镉低累积和钙、镁易累积特性的玉米品种。在地上部镉与不同营养元素的相关性分析结果表明，地上部镉与磷、锰、铁具有显著负相关关系。伟科702 和登海652 在24 个品种中属于镉低累积类型品种，其磷、铁、锰含量可能较高。因此对伟科702和登海652地上部磷、锰、铁含量进行聚类分析，结果表明伟科702 属于磷、锰、铁易累积类型，登海652 属于磷、锰易累积类型。因此伟科702 是兼具镉低累积和磷、镁、铜、锰、铁易累积特性的玉米品种，登海652 是同时具有镉低累积和磷、钙、镁、锰易累积特性的玉米品种。

图5 优势玉米品种筛选Figure 5 Dominant varieties of 24 maize varieties

3 讨论

玉米对元素的吸收和转运是由生长的环境条件和本身的遗传特性共同决定的。不同品种的玉米有着不同的遗传特性[17-21]。本研究结果显示，不同玉米品种对镉的吸收、转运和积累具有明显的差异性，这主要是由于品种间的基因型差异造成的[12-13，21-22]。邓伟等[23]研究了4 个品种水稻在苗期对镉吸收的差异发现，镉胁迫72 h 之后4 个品种根和地上部镉累积量不同，差异显著。张宁等[24]以50 个玉米品种开展田间试验，结果表明各玉米品种对镉的吸收主要由本身的遗传因素决定。邓婷等[11]对筛选出的6 个镉高、低积累玉米品种的镉富集和转运的差异性进行田间试验验证，结果表明6 个玉米品种在抽丝期和成熟期的根系、地上部生物量以及根、茎、籽粒中镉含量均存在显著的品种间差异。

玉米在不同生育期累积镉的能力不同，在苗期吸收到的镉会通过后面的生长发育向各器官分配，最终运送到籽粒中。杨惟薇等[25]研究了全生育期的玉米镉富集规律，结果表明：不同品种玉米根、茎和叶中镉含量在不同生育期表现一致的变化趋势，为苗期＞拔节期＞灌浆期＞成熟期，且苗期累积镉含量高的玉米成熟期籽粒镉含量也相对较高。本试验研究的是玉米幼苗对镉胁迫反应的品种间差异，这可以对成熟期玉米生长的镉胁迫反应起到一定的预示作用。很多研究的结果表明，作物在苗期对镉的吸收特征可以反映成熟期的结果。余飞宇[26]的研究显示，苗期水稻镉积累量与成熟期地上部镉含量呈显著的正相关关系，可见镉胁迫下水稻在苗期的镉吸收特性可以在一定程度上反映出水稻品种全生育期水稻的累积特性。王效瑾[27]研究不同的小麦品种对镉吸收和转运之间的差异，发现苗期小麦地上部镉累积量高的品种，在成熟期地上部含量也高。Shi等[28]选择12个小麦品种进行水培实验，发现镉、砷在苗期小麦根中的相关性与盆栽试验中培养至成熟期小麦的结果一致。因此，苗期的结果可以为低累积品种的筛选提供参考。尽管由于环境条件的复杂影响和遗传特性在不同生育阶段的表现不同，苗期的结果还不能完全准确地预测成熟期的结果，但可以在苗期通过简单指标的测定进行间接的简化选择，为成熟期预测提供参考，可以提高品种筛选的效率。

本研究结果显示，地上部镉含量与根镉吸收量存在显著正相关关系（r=0.305，P＜0.01）,与镉转运系数存在显著正相关关系（r=0.530，P＜0.01）。这说明在玉米苗期阶段，玉米根系对镉的吸收能力以及玉米对镉从根向地上部的转运能力共同影响地上部镉含量（图3）。玉米对镉的吸收和转运分为以下步骤：经根系吸附过程[29]、质外体途径[30]和共质体途径[31]的短距离运输过程以及木质部和韧皮部装载的长距离运输过程[32]，最终输送到地上部的各个组织器官中。环境中的Cd2+被玉米根系吸收主要通过以下3 种方式：①细胞呼吸产生的CO2和H2O 在根表形成H2CO3，Cd2+与H2CO3解离形成的H+产生交换吸附，以质外体途径进入表皮细胞[33]；②Cd2+利用Fe2+、Zn2+和Ca2+的离子通道进入根表细胞[34]；③玉米根系的分泌物与Cd2+螯合通过YSL 蛋白进入根表细胞[35]。经过根表细胞吸收的镉在玉米体内的运移受到转运蛋白的影响。同一个转运蛋白可能运输多种金属元素，一种金属离子的吸收可能受多个转运蛋白的调控，而且金属元素之间存在互作效应以维持植物体内金属离子平衡[36-37]。镉作为植物的非必需元素，至今未在玉米中发现镉的专属运输蛋白[38-40]，玉米转运Cd2+需要借助Ca2+、Mg2+、Mn2+、Zn2+等二价阳离子的运输蛋白[41-43]。例如ZIP[44]和HMA[45-46]都是二价金属转运蛋白，除了可以运输Zn2+、Cu2+、Mn2+、Fe2+，还可运输Cd2+[47]。

本研究依据玉米的地上部镉含量将所有的试验品种分为高、中、低累积3 种类型，分别占供试玉米品种的46%、46%和2%。已有研究将作物中重金属含量的聚类分析结果作为筛选重金属低累积作物的参考。本研究筛选出的京农科728 属于镉低累积类型，与张宁等[24]籽粒镉低累积的玉米品种结果一致。在进行地上部镉与其他元素含量的相关性分析的基础上，筛选出具有镉低累积、矿物质营养元素易累积特性的玉米品种：伟科702 和登海652。这与Shi 等[28]的研究方法相似。Shi等[28]的试验结果表明12种小麦籽粒砷、镉不具有相关性，因此可以筛选小麦籽粒砷、镉累积量较少的品种。然而，本研究筛选出的两种玉米品种适种区域主要为华东和华北的玉米种植产区，由于玉米在不同土壤环境条件下的生长情况不同，以及不同的土壤条件下玉米种子对镉积累量的变化很敏感[48]，因此低累积量品种需要在更多的田间试验中进一步验证。

4 结论

（1）24 个玉米品种苗期对镉的吸收转运能力存在显著性差异。其中登海652 对镉的吸收量最低，而从根向地上部的转运能力以及地上部镉含量最低的品种均为伟科702。不同品种镉转运系数的排序规律与地上部镉含量的排序规律基本相似。

（2）通过对玉米苗期镉及其他营养元素的吸收累积分析，得到了11 个镉低累积型、3 个钙易累积型、8个镁易累积型、1 个锌易累积型的玉米品种。综合分析后选择伟科702和登海652作为兼具低累积镉和易累积营养元素特性的优势玉米品种。