小麥株高和莖稈不同部位砷鎘磷含量與籽粒砷鎘磷含量的關(guān)系

史高玲,馬鴻翔,婁來(lái)清,蔡慶生*

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院省農(nóng)業(yè)生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210014；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，南京 210095)

小麥株高和莖稈不同部位砷鎘磷含量與籽粒砷鎘磷含量的關(guān)系

史高玲1,2,馬鴻翔1,婁來(lái)清2,蔡慶生2*

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院省農(nóng)業(yè)生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210014；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，南京 210095)

以12個(gè)小麥品種為供試材料，利用盆栽試驗(yàn)研究了小麥穗下節(jié)間長(zhǎng)、株高和莖稈不同部位砷、鎘、磷含量在不同品種間的差異以及它們與小麥籽粒砷、鎘、磷含量之間的關(guān)系。結(jié)果顯示，小麥株高、穗下節(jié)間長(zhǎng)以及莖稈不同部位砷、鎘、磷含量存在明顯的品種差異。皮爾森相關(guān)性分析結(jié)果顯示，小麥籽粒砷含量與穎殼和穗軸部位砷含量顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.659(P<0.01)和0.433(P<0.05)。籽粒鎘和磷含量與株高和穗下節(jié)間長(zhǎng)呈顯著負(fù)相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)：鎘分別為-0.264(P<0.05)和-0.345(P<0.01)，磷分別為-0.583(P<0.01)和-0.437(P<0.01)。籽粒磷含量分別與穎殼、穗軸和節(jié)間磷含量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.526(P< 0.01)、0.430(P<0.05)和0.532(P<0.01)。籽粒砷和鎘含量與穎殼和穗軸中磷含量均存在顯著相關(guān)性。這些結(jié)果表明，穎殼和穗軸部位砷含量大小可以用來(lái)表征籽粒砷含量，選育植株較高的小麥品種有利于降低籽粒鎘的積累。

砷；鎘；小麥；株高；相關(guān)性

砷(As)和鎘(Cd)均為致癌物質(zhì)，在美國(guó)有害物質(zhì)及疾病登記處的有害物質(zhì)排名中分別排在第一和第七位[1]。近年來(lái)，農(nóng)田灌溉的地下水砷、磷超標(biāo)，含砷化物農(nóng)藥的大量使用以及礦業(yè)資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致農(nóng)田土壤砷、鎘污染愈發(fā)嚴(yán)重[2-4]。2014年全國(guó)土壤污染調(diào)查報(bào)告顯示，我國(guó)土壤污染總超標(biāo)率為16.1%，其中砷和鎘的超標(biāo)率分別為2.7%和7.0%[5]。目前我國(guó)污染面積最大的是鎘污染，健康風(fēng)險(xiǎn)最大的是砷污染。農(nóng)田砷、鎘污染不僅干擾植物的正常生長(zhǎng)[6]，還會(huì)通過(guò)土壤-農(nóng)作物遷移，進(jìn)入食物鏈威脅人體健康[7]。長(zhǎng)期暴露于砷的毒害下會(huì)引發(fā)一系列的疾病，如皮膚癌、肺癌、膀胱癌等[8]。長(zhǎng)期食用鎘含量超標(biāo)的大米會(huì)使人患上一種名為“痛痛病”的骨癌[9]。

目前，重金屬/類(lèi)金屬元素在土壤-農(nóng)作物系統(tǒng)中遷移規(guī)律及污染防治的研究大多只針對(duì)單一元素。然而，很多污染土壤中多個(gè)有害元素共存[10]，土壤監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示我國(guó)一些農(nóng)田土壤中砷和鎘共同污染現(xiàn)象嚴(yán)重[3，11-12]，且它們之間存在交互作用。Sun等[13]認(rèn)為一定濃度的砷可以緩解鎘對(duì)水稻幼苗的毒害，而Sánchez-Pardo等[14]研究表明低鎘也可以緩解砷對(duì)刺棘薊(C.cardunculus L.)造成的脅迫。因此，在研究砷鎘復(fù)合污染時(shí)，并不能將它們各自的毒害及累積效應(yīng)簡(jiǎn)單的相加。另一方面，砷酸鹽與磷酸鹽具有相似的化學(xué)性質(zhì)，植物對(duì)五價(jià)砷的吸收通過(guò)磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)行[15]，磷還可以改變鎘在植物細(xì)胞中的分布，并且可以增加Cd-PO4復(fù)合物的形成，減少植物對(duì)鎘的吸收和轉(zhuǎn)移[16]，說(shuō)明磷在植物砷、鎘的吸收與轉(zhuǎn)移過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用。

小麥?zhǔn)侨澜缱钪饕募Z食作物之一，在我國(guó)，小麥廣泛種植于長(zhǎng)江中下游、西南、黃淮及其以北地區(qū)。研究表明，當(dāng)小麥生長(zhǎng)在砷、鎘污染的土壤上時(shí)，其籽粒中砷、鎘的含量會(huì)顯著增加[17-18]。此外，小麥籽粒中的砷主要以無(wú)機(jī)砷的形態(tài)存在[19-20]，而無(wú)機(jī)砷的毒性要大于有機(jī)砷[21]。因此，降低小麥籽粒中砷和鎘的積累對(duì)人類(lèi)的健康有著重要的意義。通常，要系將土壤中的砷、鎘吸收進(jìn)入植物體內(nèi)后，先往上轉(zhuǎn)移至莖稈中，再?gòu)那o稈轉(zhuǎn)移進(jìn)入籽粒。小麥要系和莖稈中砷、鎘含量遠(yuǎn)高于籽粒中砷、鎘的含量[22]。因此，要系和莖稈是保證籽粒砷、鎘含量較低的兩道關(guān)鍵壁壘。研究砷、鎘在莖稈-籽粒中的遷移規(guī)律可以為減少小麥籽粒砷、鎘的積累提供可靠的理論依據(jù)。

我們前期的研究結(jié)果顯示，在砷鎘復(fù)合污染的條件下，小麥莖稈和籽粒中砷和鎘的含量存在明顯的品種間差異，并且小麥籽粒砷、鎘的積累與莖稈和籽粒磷的含量存在著顯著的相關(guān)性[12]。然而，至今尚不明確小麥莖稈性狀與小麥籽粒砷、鎘積累的關(guān)系。因此，本文在前期基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究小麥莖稈不同部位(節(jié)間、穗軸、穎殼等)砷、鎘、磷含量以及莖稈長(zhǎng)度與小麥籽粒砷、鎘含量的關(guān)系，以期在器官水平上認(rèn)識(shí)砷、鎘在莖稈-籽粒中的遷移規(guī)律，為小麥生產(chǎn)中砷、鎘安全控制技術(shù)體系和安全評(píng)價(jià)技術(shù)體系提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤

供試土壤采自廣東汕頭一尾礦區(qū)稻田土壤[23]，該區(qū)域土壤同時(shí)受到砷和鎘的污染。土樣的采集主要集中在稻田的耕作層，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后，經(jīng)自然風(fēng)干，揀出雜物，過(guò)4 mm篩備用。土壤為粘壤土，有機(jī)質(zhì)含量為15.7 g·kg-1，pH7.65(土水比為1∶2.5，W/V)，總N、P、K含量分別為1.47、1.61、14.1 g·kg-1。土壤砷、鎘、銅、鉛、鋅總量分別為412、13.7、139、135、190 mg·kg-1。土壤CaCl2提取態(tài)砷、鎘含量分別為0.985 mg·kg-1和0.120 mg·kg-1，HAc提取態(tài)含量分別為45.3 mg·kg-1和1.32 mg·kg-1[12]。

1.2 小麥品種

要據(jù)前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取12個(gè)冬小麥品種(Triticum aestivum L.)用于本試驗(yàn)，分別為：綿麥48 (MM48)、青豐1(QF1)、皖麥19(WM19)、煙農(nóng)21 (YN21)、晉麥85(JM85)、綿麥45(MM45)、臨抗11 (LK11)、鎮(zhèn)麥5(ZM5)、百農(nóng)160(BN160)、小偃22 (XY22)、冀5265(J5265)和濟(jì)寧12(JN12)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及樣品的收集

試驗(yàn)于南京農(nóng)業(yè)大學(xué)牌樓實(shí)驗(yàn)基地(32°12′N(xiāo)，118°28′E)進(jìn)行，在室外條件下對(duì)小麥進(jìn)行盆缽種植。選取飽滿(mǎn)一致的小麥種子，用10%雙氧水(H2O2，m/m)表面消毒10 min后，去離子水洗凈，放在鋪有潮濕濾紙的培養(yǎng)皿中催芽。培養(yǎng)皿置于光照培養(yǎng)箱中，光照強(qiáng)度為350 μmol·m-2·s-1，光周期為12 h光照(25℃)和12 h黑暗(20℃)，24 h后取出。將露白的小麥種子播種到裝有6 kg污染土壤的塑料盆缽中，每盆播種8粒。每個(gè)品種設(shè)置5個(gè)重復(fù)，共60盆。播種兩周后，選取生長(zhǎng)一致的3棵幼苗留作實(shí)驗(yàn)，其余的拔除。在播種前兩周添加土壤基肥，基肥的添加形式為N-P-K復(fù)合肥，N、P、K含量分別為180、90、105 mg·kg-1土壤。同時(shí)在小麥生長(zhǎng)的拔節(jié)孕穗時(shí)期施加追肥。所有盆缽隨機(jī)放置，每隔一個(gè)月重新擺放。

待小麥成熟后，測(cè)量小麥的株高和穗下節(jié)間長(zhǎng)。對(duì)每盆小麥分別收獲，將要系和地上部分開(kāi)。收獲的植株經(jīng)去離子水洗凈，60℃烘干至恒重后將籽粒和莖稈分開(kāi)，稱(chēng)重。將小麥莖稈分成兩份，其中一份進(jìn)一步細(xì)分為穗軸(包括小穗軸)、穎殼(包括穎片、內(nèi)稃、外稃和麥芒)和節(jié)間(包括節(jié)和葉片)等部分。節(jié)間的命名順序從頂端開(kāi)始，分別為節(jié)間Ⅰ、節(jié)間Ⅱ和其他節(jié)間(剩下的所有節(jié)間)。

1.4 化學(xué)分析

土壤基本理化性質(zhì)按土壤農(nóng)化常規(guī)分析法測(cè)定[24]。土壤元素總量采用微波消解(USEPA，1996)，ICPOES(ICP-OES：Optima2100DV，PerkinElmer，Waltham，MA)進(jìn)行檢測(cè)。微波消解過(guò)程中帶入試劑空白樣和土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品(GBW 07406)進(jìn)行質(zhì)量控制。本實(shí)驗(yàn)As、Cu、Zn、Pb和P的回收率分別為94%～97%、100%～103%、85%～87%、96%～114%和92%～98%。要據(jù)Luo等[25]和Novozamsky等[26]的方法，分別使用HAc和CaCl2提取土壤中可提取As和Cd的含量。

植物樣品中砷、鎘、磷總量的測(cè)定參考Tao等[27]的方法，使用HNO3-H2O2(1∶1，V/V)進(jìn)行電熱消解，為了避免砷的揮發(fā)，消解溫度控制在125℃以下。樣品總砷含量用氫化物原子熒光儀(HG-AFS，AFS-8230，北京吉天儀器有限公司)進(jìn)行測(cè)定，鎘和磷的含量用ICP-OES進(jìn)行測(cè)定。本實(shí)驗(yàn)植物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(柑橘葉，GBW10020)中砷、鎘和磷的回收率分別為89%～99%、95%～98%和95%～106%。

1.5 數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)

所有數(shù)據(jù)運(yùn)用SPSS 16.0和Microsoft Excel 2003進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。處理間顯著性差異分析用Duncan多重比較法進(jìn)行單因素方差分析，各指標(biāo)間的相關(guān)性通過(guò)皮爾森相關(guān)性進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥株高和穗下節(jié)間長(zhǎng)度及其與籽粒砷、鎘含量的關(guān)系

小麥株高和穗下節(jié)間長(zhǎng)存在明顯的品種間差異(P<0.001)，株高和穗下節(jié)間長(zhǎng)度最大的為晉麥85，最小的為小偃22，晉麥85的株高和穗下節(jié)間長(zhǎng)度分別是小偃22的1.47、1.52倍(圖1)。圖2為12個(gè)小麥品種籽粒中砷、鎘、磷含量，引自Shi等[12]的結(jié)果。單樣本K-S檢驗(yàn)結(jié)果表明，小麥株高、穗下節(jié)間長(zhǎng)和小麥籽粒砷、鎘、磷含量均服從正態(tài)分布，符合皮爾森相關(guān)系數(shù)的計(jì)算。皮爾森相關(guān)性分析結(jié)果如表1所示。小麥株高與籽粒鎘和磷含量顯著負(fù)相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)分別為-0.246(P<0.05)和-0.583(P<0.01)，與籽粒砷含量呈正相關(guān)，但相關(guān)性不顯著(P=0.075)；穗下節(jié)間長(zhǎng)度與籽粒鎘和磷含量同樣呈顯著負(fù)相關(guān)(P< 0.01)。

2.2 6個(gè)小麥品種莖稈不同部位砷、鎘、磷含量

圖1 12個(gè)小麥品種株高和穗下節(jié)間長(zhǎng)Figure 1 Plant height and the length of internode I(below the spike)among the 12 wheat cultivars

為了進(jìn)一步研究小麥莖稈不同部位對(duì)砷和鎘的積累情況，從12個(gè)小麥品種中選取籽粒砷、鎘積累差異較大的6個(gè)小麥品種(晉麥85、綿麥45、濟(jì)寧12、小偃22、皖麥19、青豐1)，分析了砷、鎘、磷在小麥穎殼、穗軸、節(jié)間Ⅰ、節(jié)間Ⅱ和其他節(jié)間中的含量(圖3)。如圖3所示，小麥莖稈不同部位對(duì)砷、鎘、磷的積累在不同品種及不同部位間存在顯著差異(P<0.01)。晉麥85、皖麥19和青豐1莖稈對(duì)砷的積累量較高，分別達(dá)到8.4、9.0、10.3 mg·kg-1，綿麥45和小偃22的積累量較低，僅僅為5.4、4.6 mg·kg-1。莖稈不同部位砷含量順序?yàn)椋汗?jié)間Ⅰ>節(jié)間Ⅱ>其他節(jié)間，節(jié)間Ⅰ>穗軸>穎殼。晉麥85莖稈不同部位砷含量分別是綿麥45和小偃22的1.4～2.3倍和1.1～2.2倍。節(jié)間Ⅰ中砷含量分別是節(jié)間Ⅱ的1.1～1.5倍、其他節(jié)間的1.1～2.3倍、穗軸的1.0～1.6倍、穎殼的1.3～2.0倍。

圖2 12個(gè)小麥品種籽粒中砷、鎘和磷的含量[12]Figure 2 Concentrations of As，Cd and P in grains of 12 wheat cultivars grown in contaminated soils[12]

表1 小麥株高和穗下節(jié)間長(zhǎng)度與籽粒砷、鎘、磷含量的相關(guān)性Table 1 Pearson correlations between wheat plant height，the length of internode I and grain As，Cd，and P concentrations

圖3 6個(gè)小麥品種莖稈不同部位砷、鎘和磷含量Figure 3 Concentrations of As,Cd and P in the different parts of wheat straw among the 6 cultivars

鎘在莖稈不同部位的含量大小順序與砷的結(jié)果一致，其順序?yàn)椋汗?jié)間Ⅰ>節(jié)間Ⅱ>其他節(jié)間，節(jié)間Ⅰ>穗軸>穎殼。皖麥19莖稈不同部位對(duì)鎘的積累量較高，綿麥45對(duì)鎘的積累量較低。皖麥19莖稈不同部位鎘含量是綿麥45的1.3～1.6倍。除了濟(jì)寧12外，其他品種穗軸中鎘含量顯著高于穎殼中鎘含量，是穎殼中鎘含量的1.2～2.1倍。

與砷和鎘不同，磷在小麥莖稈不同部位含量順序?yàn)椋悍f殼>穗軸>節(jié)間Ⅰ>節(jié)間Ⅱ>其他節(jié)間。穎殼中磷含量分別是穗軸的1.2倍、節(jié)間I的1.8倍、節(jié)間Ⅱ的2.8倍、其他節(jié)間的3.2倍。在6個(gè)小麥品種間，莖稈不同部位磷含量最高的是濟(jì)寧12，最低的是青豐1。

2.3 莖稈不同部位砷、鎘、磷含量分別與籽粒中砷、鎘、磷含量的關(guān)系

單樣本K-S檢驗(yàn)結(jié)果顯示，小麥莖稈不同部位砷、鎘、磷含量均服從正態(tài)分布，因此可以對(duì)本試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行皮爾森相關(guān)性分析。從表2可以看出，小麥籽粒砷含量與穎殼砷含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)、與穗軸和節(jié)間Ⅰ中砷含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)、與節(jié)間Ⅱ和其他節(jié)間中砷含量無(wú)顯著相關(guān)性；并且砷含量在穎殼、穗軸、節(jié)間Ⅰ和節(jié)間Ⅱ之間都呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(P<0.05)。與砷的結(jié)果不同，籽粒中鎘的含量與莖稈不同部位鎘含量均無(wú)顯著相關(guān)性；然而，穎殼和穗軸中鎘含量卻與節(jié)間Ⅰ、節(jié)間Ⅱ和其他節(jié)間中鎘含量呈顯著正相關(guān)。磷與砷有著類(lèi)似的結(jié)果，籽粒磷含量與穎殼、穗軸、節(jié)間Ⅰ和節(jié)間Ⅱ中磷含量呈顯著正相關(guān)。

表2 小麥地上部不同部位砷/鎘/磷含量之間的相關(guān)性Table 2 The correlation coefficients(r)of As/Cd/P concentration in different parts of the 6 wheat cultivars

2.4 莖稈不同部位磷含量與籽粒砷、鎘含量的關(guān)系

從表3可以看出，小麥籽粒砷含量與穗軸中磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與穎殼、節(jié)間Ⅰ和節(jié)間Ⅱ中磷含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與其他節(jié)間無(wú)顯著相關(guān)性。與砷的結(jié)果相反，籽粒鎘與不同部位磷之間的相關(guān)性主要為正相關(guān)，籽粒鎘含量與穎殼、穗軸和其他節(jié)間中磷含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。

表3 籽粒砷、鎘含量與莖稈不同部位磷含量的相關(guān)性Table 3 Pearson correlations between grain As，grain Cd concentration and the different parts of P concentration

3 討論

國(guó)內(nèi)外已有研究報(bào)道指出，小麥籽粒和莖稈對(duì)砷、鎘的積累能力在不同品種間存在很大差異[18，28-29]。Kundu等[18]在污染條件下種植4個(gè)小麥品種，發(fā)現(xiàn)砷積累量最高的小麥品種籽粒、葉片和莖稈中砷含量是最低品種的1.2～2.7倍。Gao等[29]在田間試驗(yàn)條件下進(jìn)行了多點(diǎn)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)籽粒鎘含量在其所種植的15個(gè)小麥品種間的差異為2～3倍。本研究在砷鎘復(fù)合污染的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，同樣發(fā)現(xiàn)小麥莖稈對(duì)砷、鎘的積累存在明顯的品種間差異，莖稈不同部位砷、鎘含量在12個(gè)品種間的差異分別達(dá)到1.4～2.3倍和1.3～1.6倍(圖3)。小麥莖稈通常被用于飼養(yǎng)牲畜或者還田，因此莖稈中的砷和鎘可能會(huì)通過(guò)食物鏈再次進(jìn)入人體，對(duì)人體造成潛在的危害。砷鎘復(fù)合污染的土壤上種植小麥時(shí)，保證籽粒砷鎘含量不超標(biāo)的情況下，可要據(jù)莖稈的用途，合理選擇小麥品種進(jìn)行種植。比如，莖稈作飼養(yǎng)用時(shí)，可選擇莖稈砷、鎘含量較低的小麥品種，在本研究中綿麥45和小偃22莖稈中砷、鎘含量要低于其他小麥品種；若小麥莖稈用作土壤重金屬修復(fù)使用時(shí)，可選擇莖稈中砷、鎘含量較高的品種種植。

關(guān)于小麥株高、穗下節(jié)間長(zhǎng)度與小麥產(chǎn)量和抗倒伏之間的關(guān)系前人已有研究[30-31]。然而，小麥株高和穗下節(jié)間長(zhǎng)度與籽粒砷、鎘、磷含量之間的關(guān)系還未見(jiàn)報(bào)道。本研究結(jié)果表明，小麥株高、穗下節(jié)間長(zhǎng)與籽粒鎘、磷的含量呈顯著負(fù)相關(guān)(表1)。這表明，小麥莖稈對(duì)鎘和磷的殘留會(huì)減少籽粒鎘和磷的積累。季書(shū)勤等[32]在田間試驗(yàn)條件下也得到類(lèi)似的結(jié)果，他們的研究結(jié)果顯示，小麥要和葉對(duì)鎘的殘留可以有效減少果實(shí)部分鎘的積累。對(duì)于這一現(xiàn)象，可以從地上部生物量稀釋作用和地上部運(yùn)輸距離兩方面進(jìn)行解釋。從圖2可以看出，小麥節(jié)間中鎘和磷的含量從下往上呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，因此小麥的節(jié)間數(shù)越多，莖稈的長(zhǎng)度越高，生物量越大，莖稈中殘留的鎘和磷的含量將會(huì)越多。在總吸收一定的情況下，較大的地上部生物量將會(huì)起到更好的稀釋作用。Arduini等[33]在硬粒小麥中的研究結(jié)果同樣表明，籽粒鎘含量較低的品種具有較長(zhǎng)的株高和較大的地上部生物量。然而，小麥籽粒中鎘和磷的含量不僅取決于小麥要系對(duì)鎘和磷的吸收能力，還取決于莖稈向籽粒的運(yùn)輸能力[12]。因此，穗下節(jié)間越長(zhǎng)，鎘與磷從節(jié)間和葉片往穗部的運(yùn)輸可能就會(huì)需要更多的能量和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白去完成。與鎘和磷不同，小麥株高和穗下節(jié)間長(zhǎng)與籽粒砷含量無(wú)顯著相關(guān)性(表1)。小麥籽粒中砷的含量主要取決于砷從要系往地上部以及地上部往籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)，并且穗軸在砷向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)的過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用，砷從穗軸向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)僅為0.12，從穗軸向穎殼的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為0.85[12]。因此，小麥籽粒中砷的含量與莖稈長(zhǎng)度無(wú)顯著相關(guān)性，主要取決于砷在不同器官的分配與再分配過(guò)程。

Liu等[22]和Wang等[34]進(jìn)行了大范圍的田間試驗(yàn)，分別得出小麥不同部位砷、鎘含量的大小順序?yàn)椋阂?莖稈>籽粒。本研究同樣表明，砷和鎘在莖稈不同部位的含量大小順序?yàn)椋汗?jié)間Ⅰ>穗軸>穎殼>籽粒；此外，我們還發(fā)現(xiàn)砷、鎘含量在不同節(jié)間中的大小順序?yàn)椋汗?jié)間Ⅰ>節(jié)間Ⅱ>其他節(jié)間(圖3A和3B)。這些結(jié)果表明，節(jié)間Ⅰ和穗軸可能是保證小麥籽粒砷鎘含量較低的關(guān)鍵部位。與砷和鎘的結(jié)果不同，小麥莖稈不同部位磷含量從下往上表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)(圖3C)。這些結(jié)果表明，砷、鎘與磷在小麥地上部運(yùn)輸和分配的過(guò)程中存在不一樣的機(jī)制。這可能由于磷是植物必需的大量元素，并且在植物體內(nèi)移動(dòng)性較強(qiáng)，植物在低磷脅迫下會(huì)使體內(nèi)更多的磷優(yōu)先分配到生殖器官，并且籽粒是小麥體內(nèi)主要的磷庫(kù)[35]，籽粒中的磷含量是莖稈中磷含量的5.2倍[12]。砷和鎘是植物體內(nèi)非必需元素，并且是有害元素，減少砷和鎘往植物地上部的運(yùn)輸，并且進(jìn)一步減少其往植物生殖器官的運(yùn)輸，可能是植物應(yīng)對(duì)砷鎘毒害時(shí)的一種自我保護(hù)機(jī)制[36-38]。

目前，就土壤理化性質(zhì)與小麥籽粒鎘積累的關(guān)系進(jìn)行了很多研究[39]，并且發(fā)現(xiàn)籽粒鎘積累與土壤磷含量存在顯著相關(guān)性。然而，小麥籽粒砷、鎘含量與莖稈不同部位砷、鎘、磷含量的關(guān)系卻鮮有報(bào)道。我們的研究結(jié)果顯示，小麥籽粒砷含量與穎殼、穗軸和節(jié)間Ⅰ中砷的含量呈顯著(P<0.05)正相關(guān)(表2)，與節(jié)間Ⅱ和其他節(jié)間中砷含量無(wú)顯著相關(guān)性。這表明，小麥籽粒砷含量與莖稈上部一些靠近籽粒部位的器官中砷含量變化趨勢(shì)一致，穎殼中砷含量大小可以很好地表征籽粒砷含量大小。與砷的結(jié)果不同，籽粒鎘含量與莖稈不同部位鎘含量均無(wú)顯著相關(guān)性，因此小麥籽粒鎘含量在不同品種間的差異很難用其他部位鎘含量進(jìn)行預(yù)估。小麥籽粒砷含量不僅與莖稈不同部位砷含量之間存在相關(guān)性，與莖稈中磷含量也存在相關(guān)性。我們前期研究結(jié)果表明，小麥籽粒砷含量與籽粒磷含量具有顯著負(fù)相關(guān)性[12]，本研究結(jié)果進(jìn)一步表明小麥籽粒砷含量與穎殼、穗軸、節(jié)間Ⅰ和節(jié)間Ⅱ中磷含量同樣呈顯著(P<0.05)負(fù)相關(guān)(表3)。這些結(jié)果與Norton等[40]在水稻中的研究結(jié)果一致，可能是由于磷酸鹽與五價(jià)砷有著相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)，磷酸鹽會(huì)抑制植物對(duì)五價(jià)砷的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)[15]。此外，小麥籽粒中五價(jià)砷的含量也占有一定的比例[19-20]，因而小麥莖稈中較高的磷含量會(huì)導(dǎo)致籽粒中砷含量較低。除了砷與磷存在顯著相關(guān)性外，小麥體內(nèi)鎘與磷同樣存在顯著相關(guān)性。小麥籽粒鎘含量不僅與籽粒磷含量顯著正相關(guān)[12]，與穗軸、穎殼中磷含量同樣呈顯著(P<0.05)正相關(guān)。這與Perrier等[41]在硬粒麥中的研究結(jié)果相似。Qiu等[16]同樣發(fā)現(xiàn)磷在花菜(Brassicaparachinensis L.)鎘積累及轉(zhuǎn)移方面起著關(guān)鍵的作用，他們發(fā)現(xiàn)鎘與磷之間可以形成一些Cd-PO4復(fù)合物，這些復(fù)合物可能正是植物體內(nèi)磷與鎘顯正相關(guān)的原因。然而，磷與鎘在小麥體內(nèi)是否可以有效結(jié)合，它們結(jié)合的量是否可以有效影響小麥籽粒中鎘的含量，還需要進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 結(jié)論

(1)小麥莖稈不同部位砷鎘含量存在明顯的品種差異。

(2)小麥株高和穗下節(jié)間長(zhǎng)與小麥籽粒鎘含量呈顯著負(fù)相關(guān)、與籽粒砷含量無(wú)顯著相關(guān)性。

(3)小麥籽粒砷含量與穎殼、穗軸和節(jié)間Ⅰ中砷含量呈顯著正相關(guān)，與穎殼和穗軸中磷含量具有顯著負(fù)相關(guān)性；籽粒鎘含量與穎殼和穗軸中磷含量呈顯著正相關(guān)。

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Relationship between arsenic，cadmium，and phosphorous concentrations in different parts of wheat straw，wheat plant height and grain arsenic，cadmium，and phosphorous concentrations

SHI Gao-ling1,2,MA Hong-xiang1,LOU Lai-qing2,CAI Qing-sheng2*
(1.Jiangsu Provincial Key Laboratory of Agrobiology,Jiangsu Academy of Agricultural Sciences,Nanjing 210014,China;2.College of Life Sciences,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China)

The differences in the upper-most internode length and plant height among 12 wheat cultivars and their relationship with grain arsenic(As)，cadmium(Cd)and phosphorous(P)concentrations in soil"naturally"contaminated with both As and Cd were investigated by using pot experiments.The differences in As，Cd，and P accumulation in different parts of wheat straw and their relationship with grain As，Cd and P concentrations in 6 wheat cultivars were also investigated.The results showed that the plant height and upper-most internode length were significant differences among the 12 wheat cultivars.As，Cd，and P concentrations in wheat straw were significant differences among different cultivars and different parts of wheat straw.Grain As concentration was positively correlated with husk and rachis As concentrations，the correlation coefficients were 0.659(P<0.01)and 0.433(P<0.05)，respectively.Grain Cd and P concentrations were negatively correlated with plant height and upper-most internode length，the correlation coefficients were-0.264(P<0.05)and-0.345(P<0.01)for Cd，-0.583(P<0.01)and-0.437(P<0.01)for P，respectively.Grain P concentration was positively correlated with husk，rachis and intern-ode P concentrations.Both As and Cd concentrations in wheat grain were significantly correlated to P concentration in wheat husk and rachis.These results indicated that plant height may be a potential selection criterion for breeding low Cd wheat cultivar.Arsenic concentrations in wheat husk and rachis can be used as indexes of As level in the grain.

arsenic;cadmium;wheat;plant height;correlation

S512.1

A

1672-2043(2017)01-0008-08

10.11654/jaes.2016-1044

2016-08-12

史高玲(1988—)，男，助理研究員，博士，主要從事植物環(huán)境生理研究。E-mail：shigaoling@jaas.ac.cn

*通信作者：蔡慶生 E-mail：qscai@njau.edu.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41601541，41201524)；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20160593)

Project supported：The National Natural Foundation of China(41601541，41201524)；The Natural Science Foundation of Jiangsu Province(BK20160593)

史高玲，馬鴻翔，婁來(lái)清，等.小麥株高和莖稈不同部位砷鎘磷含量與籽粒砷鎘磷含量的關(guān)系[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36(1)：8-15.

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