不同基因型小麥的Pb積累特性及Pb對礦質(zhì)元素積累的影響

胡鐵柱，李小軍，丁衛(wèi)華，張自陽，董 娜，李 淦，孫海燕，游晴晴，茹振鋼

(河南科技學(xué)院 小麥中心/河南省現(xiàn)代生物育種協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 新鄉(xiāng) 453003)

不同基因型小麥的Pb積累特性及Pb對礦質(zhì)元素積累的影響

胡鐵柱，李小軍，丁衛(wèi)華，張自陽，董 娜，李 淦，孫海燕，游晴晴，茹振鋼

(河南科技學(xué)院 小麥中心/河南省現(xiàn)代生物育種協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 新鄉(xiāng) 453003)

利用Hoagland’s營養(yǎng)液培養(yǎng)的方法，探討了百農(nóng)1306、百農(nóng)1309、百農(nóng)160、百農(nóng)418、溫麥6號、周麥18、周麥22和周麥26等8個(gè)不同基因型小麥品種(系)的Pb積累特性，以篩選出籽粒Pb低積累型小麥品種(系)，并研究了Pb對小麥Ca、Mg、Fe和K等礦質(zhì)元素積累的影響，為解決重金屬積累和礦質(zhì)營養(yǎng)利用之間的矛盾奠定基礎(chǔ)。結(jié)果表明，小麥籽粒Pb含量存在基因型差異，百農(nóng)418籽粒Pb含量最低，溫麥6號Pb含量最高。根據(jù)同一品種(系)的最高Pb含量部位，將8個(gè)小麥品種(系)分為籽粒型、穎殼型、葉片型，對應(yīng)品種(系)分別為溫麥6號，百農(nóng)1306、百農(nóng)1309、周麥22，百農(nóng)160、百農(nóng)418、周麥18、周麥26。與不加Pb(NO3)2的對照相比，Pb(NO3)2處理后，8個(gè)小麥品種(系)不同部位的Ca、K、Mg、Fe含量變化不同。除周麥22莖稈中Ca含量顯著增加外，其他7個(gè)品種(系)均降低；8個(gè)品種(系)莖稈(周麥22、26除外)、葉片和穎殼中K含量均呈降低趨勢；溫麥6號和周麥18籽粒中Mg含量顯著增加，其他6個(gè)品種(系)均顯著降低；8個(gè)品種(系)葉片中Fe含量均升高。百農(nóng)418和周麥26的Ca、百農(nóng)1306和百農(nóng)418的K、周麥18和周麥26的Mg含量(籽粒除外)變化模式相同。

小麥； 基因型； Pb； 礦質(zhì)元素； 積累

重金屬是農(nóng)業(yè)環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品的重要污染物質(zhì)。隨著工業(yè)化和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，我國重金屬污染事件頻繁發(fā)生，受重金屬污染的耕地面積超過2 000萬hm2，每年因此造成的糧食減產(chǎn)達(dá)1 000萬t，重金屬污染的糧食達(dá)1 200萬t，合計(jì)農(nóng)業(yè)損失至少在200億元以上[1]。土壤中的重金屬分為植物必需的微量元素(Cu、Zn等)和非必需元素(Pb、Cd和Hg等)，其中Pb是土壤的重要污染源。土壤中的Pb主要來源于采礦和冶煉工業(yè)以及含Pb涂料、紙張、汽油、炸藥等的生產(chǎn)和使用，城市污水、淤泥中也含有大量的Pb。因此，不能自主移動的植物不可避免地會受到Pb污染的毒害，繼而通過食物鏈危及人類的身體健康[2-7]。小麥(Triticumaestivum)是我國重要的糧食作物，研究其對Pb的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)以及累積特性對于降低食用風(fēng)險(xiǎn)有重要意義。以往關(guān)于Pb對小麥影響的研究多集中于生物學(xué)性狀以及抗氧化酶活性等生理效應(yīng)方面[8-10]，對Pb吸收能力的品種差異研究較少[11-12]，而且關(guān)于Pb對小麥中必需礦質(zhì)元素積累的影響研究未見報(bào)道。鑒于此，以8個(gè)不同基因型小麥品種(系)為材料，分析其Pb積累、分配特征及Pb對Ca、Mg、Fe和K等礦質(zhì)元素積累的影響，以期更深入地了解小麥對Pb和必需礦質(zhì)元素的吸收、分配規(guī)律，解決重金屬積累和礦質(zhì)營養(yǎng)利用之間的矛盾，降低重金屬對作物產(chǎn)量和質(zhì)量的影響，并為籽粒Pb低積累型小麥新品種的選育和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為溫麥6號、百農(nóng)160、周麥26、周麥22、百農(nóng)418、周麥18、百農(nóng)1306和百農(nóng)1309等8個(gè)不同基因型的小麥品種(系)，均由河南科技學(xué)院小麥中心提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將從河南科技學(xué)院輝縣試驗(yàn)基地挑選的四葉一心、長勢一致且通過春化作用的8個(gè)品種(系)的小麥苗做2種處理：一種是直接在Hoagland’s營養(yǎng)液[13]中培養(yǎng)(CK)，另一種是在添加Pb(NO3)2的Hoagland’s營養(yǎng)液中培養(yǎng)，Pb(NO3)2的終質(zhì)量濃度為140 mg/L。每處理24株。前期每2周更換一次營養(yǎng)液，6周后根據(jù)營養(yǎng)液的損耗情況酌情補(bǔ)充，直至成熟。

1.3 元素含量測定

成熟期，采集小麥莖稈(地上部1～3節(jié))、葉片(旗葉和倒二葉)、穎殼和籽粒，置于烘干箱中70 ℃烘干至恒質(zhì)量，用千分之一電子天平稱量0.500 g干燥樣品，置于含有12 mL混合液(硝酸∶高氯酸=3∶1)的四氟坩堝中硝解12 h。然后在通風(fēng)櫥中置于電熱板(約170 ℃)上趕酸，冷卻后用3%的硝酸定容至25 mL，搖勻待用。用美國PE公司Optima 2100DV電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定Pb、Ca、Fe、K和Mg含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2010和SAS 8.01進(jìn)行處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同基因型小麥的Pb積累及分配特征

由圖1可知，不同基因型小麥相同部位的Pb積累差異較大。根據(jù)籽粒Pb含量，8個(gè)小麥品種(系)可以分為5類：溫麥6號Pb含量最高，達(dá)44.6 μg/g；其次是周麥26，Pb含量為11.1 μg/g；周麥18、百農(nóng)1309和周麥22屬同一類型，Pb含量介于7.2～8.1 μg/g；百農(nóng)1306和百農(nóng)160屬同一類型，Pb含量分別為5.2 μg/g和3.8 μg/g；百農(nóng)418籽粒Pb含量最低，為2.1 μg/g。穎殼中Pb含量為16.5～39.9 μg/g，8個(gè)小麥品種(系)Pb含量從低到高依次為溫麥6號、百農(nóng)418、百農(nóng)160、百農(nóng)1309、周麥18、百農(nóng)1306、周麥26、周麥22。葉片Pb含量變異幅度較大(10.1～109.3 μg/g)，其中含量最高的為周麥26(109.3 μg/g)，其次為百農(nóng)160(72.9 μg/g)、周麥18(41.7 μg/g)，百農(nóng)1306、百農(nóng)1309、百農(nóng)418、溫麥6號和周麥22等5個(gè)品種(系)含量較低且差異較小。莖稈Pb含量為8.0～15.8 μg/g，其中百農(nóng)1309、溫麥6號和周麥22含量較低，百農(nóng)160和周麥26含量較高，百農(nóng)1306、百農(nóng)418和周麥18含量居中。

不同字母表示同一品種(系)不同部位間的差異顯著(P<0.05)

根據(jù)同一品種(系)的最高Pb含量部位，將8個(gè)小麥品種(系)分為3種類型。籽粒Pb含量最高型：溫麥6號；穎殼Pb含量最高型：百農(nóng)1306、百農(nóng)1309和周麥22；葉片Pb含量最高型：百農(nóng)160、百農(nóng)418、周麥18和周麥26。除溫麥6號外，其他7個(gè)品種(系)籽粒和莖稈的Pb含量差異不顯著。

2.2 Pb對不同基因型小麥礦質(zhì)元素積累的影響

2.2.1 Ca 由表1可知，Pb對8個(gè)不同基因型小麥籽粒、穎殼、葉片和莖稈中Ca積累的影響不同。與CK相比，Pb處理后百農(nóng)1306和百農(nóng)1309籽粒中Ca含量顯著增加，周麥22顯著降低；百農(nóng)1309、百農(nóng)418、溫麥6號和周麥26穎殼中Ca含量顯著增加，周麥18和周麥22顯著下降；百農(nóng)1309、百農(nóng)418和周麥26葉片中Ca含量顯著增加，百農(nóng)1306、溫麥6號和周麥22顯著降低；周麥22莖稈中Ca含量顯著增加，其余7個(gè)品種(系)均降低，且除百農(nóng)1309外，差異均達(dá)到顯著水平。

表1 Pb對不同基因型小麥Ca積累的影響 μg/g

注：同列不同字母表示同一品種(系)不同處理之間差異顯著(P<0.05)，下同。

2.2.2 K 由表2可知，與CK相比，Pb處理后百農(nóng)1306、百農(nóng)160、百農(nóng)418、周麥18和周麥26籽粒中K含量顯著增加，百農(nóng)1309、溫麥6號和周麥22顯著降低；除百農(nóng)1309穎殼中、周麥18葉片中及百農(nóng)160、周麥22、周麥26莖稈中K含量變化不顯著外，其他小麥品種(系)的穎殼、葉片和莖稈中的K含量均顯著降低。另外，對比同一品種不同部位K含量發(fā)現(xiàn)，與CK相比，Pb處理后溫麥6號4個(gè)部位K含量均顯著降低；百農(nóng)1306和百農(nóng)418籽粒中K含量顯著增加，而其他3個(gè)部位K含量均顯著降低。

2.2.3 Mg 由表3可知，與CK相比，Pb處理后溫麥6號和周麥18 籽粒Mg含量顯著增加，其余6個(gè)品種(系)均顯著降低；溫麥6號和周麥18穎殼中Mg含量顯著增加，百農(nóng)1306、百農(nóng)160和周麥22顯著降低；百農(nóng)1309、百農(nóng)418、周麥18和周麥26葉片中Mg含量顯著增加，溫麥6號也增加，但差異不顯著，其他3個(gè)品種(系)均顯著降低；周麥22莖稈中Mg含量顯著增加，百農(nóng)418、溫麥6號、周麥18和周麥26顯著降低，其他3個(gè)品種差異不顯著。另外，對比同一品種不同部位Mg含量發(fā)現(xiàn)，與CK相比，Pb處理后百農(nóng)1306和百農(nóng)160莖稈中Mg含量變化不顯著，而其余3個(gè)部位均顯著降低；周麥18莖稈中Mg含量顯著降低，而其他3個(gè)部位均顯著升高，周麥22的變化模式與周麥18相反。

表2 Pb對不同基因型小麥K積累的影響 μg/g

表3 Pb對不同基因型小麥Mg積累的影響 μg/g

2.2.4 Fe 由表4可知，Pb處理對8個(gè)不同基因型小麥籽粒、穎殼、葉片和莖稈中Fe積累的影響也不相同。與CK相比，Pb處理后百農(nóng)160和周麥18籽粒中Fe含量顯著增加，百農(nóng)1309和周麥22顯著降低；百農(nóng)160、百農(nóng)418、溫麥6號和周麥26穎殼中Fe含量顯著增加，百農(nóng)1309、周麥18和周麥22顯著降低，百農(nóng)1306變化不顯著；除周麥18和周麥22葉片中Fe含量變化不顯著外，其余6個(gè)品種(系)均顯著增加；周麥26莖稈中Fe含量顯著降低，溫麥6號和周麥22顯著增加，其余品種(系)變化不顯著。

表4 Pb對不同基因型小麥Fe積累的影響 μg/g

續(xù)表4 Pb對不同基因型小麥Fe積累的影響 μg/g

3 結(jié)論與討論

重金屬污染土壤修復(fù)與利用一直是科學(xué)家研究的熱點(diǎn)?？屯练?、施用石灰或者螯合劑法、化學(xué)淋溶法以及近年來發(fā)展起來的植物修復(fù)技術(shù)等對污染土壤改良或修復(fù)雖具有一定的作用，但在實(shí)踐中卻均存在一些局限[14-16]，而培育和應(yīng)用對重金屬吸收低、積累低的作物品種對于提高作物質(zhì)量和產(chǎn)量有重要意義[17-18]。研究重金屬對必需礦質(zhì)元素吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)等的影響有助于更深入地理解其毒性效應(yīng)，對解決礦質(zhì)營養(yǎng)利用和重金屬積累之間的矛盾具有參考價(jià)值[19]。大白菜、玉米、大麥等作物的Pb積累特性及Pb在各器官的分配存在基因型差異[17-18,20]。本研究結(jié)果表明，小麥對Pb的吸收及Pb在不同器官的分配也存在基因型差異。楊素勤等[21]在pH值7.72、有機(jī)質(zhì)含量26.23 g/kg、速效磷含量29.28 mg/kg、速效鉀含量148.30 mg/kg、堿解氮含量200.35 mg/kg、全鉛含量808.92 mg/kg、有效態(tài)鉛含量173 mg/kg、碳酸鹽態(tài)鉛含量328 mg/kg以及存在砷、汞、銅、鋅、鎘等污染的耕地土壤中研究發(fā)現(xiàn)，所有20個(gè)小麥品種Pb含量均表現(xiàn)為莖葉>籽粒。本研究結(jié)果表明，不同基因型小麥Pb的分布有不同特點(diǎn)，根據(jù)同一品種(系)的Pb含量最高部位，8個(gè)品種(系)可以分為籽粒最高型、穎殼最高型和葉片最高型。上述2種結(jié)果的差異可能是因?yàn)樵囼?yàn)所用小麥品種不同，也可能是因?yàn)樵囼?yàn)條件和方法不同。本研究結(jié)果也說明了培育籽粒Pb低積累型品種的可行性。

由于不同場地的污染源、土壤、受體等的差別，土壤污染危害具有顯著的場地差別性特點(diǎn)。為了便于結(jié)果比較，試驗(yàn)采取營養(yǎng)液水培的方式控制試驗(yàn)條件的一致性。我國土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618—1995)中規(guī)定，Ⅱ類一般農(nóng)田pH值<6.5時(shí)，Pb含量不超過250 mg/kg；在該標(biāo)準(zhǔn)修訂版征求意見稿中規(guī)定，農(nóng)業(yè)用地水田、旱地二級土壤Pb含量不超80 mg/kg。Hoagland’s營養(yǎng)液pH值為 6.0，同時(shí)考慮到水培條件更利于植物對礦質(zhì)元素的吸收，如果Pb的添加量過高，不管是否會對小麥生長造成表觀危害，對Pb低積累小麥的生產(chǎn)也失去指導(dǎo)意義，因此，不宜添加過多的Pb，故本試驗(yàn)中將Pb(NO3)2的添加量設(shè)為140 mg/L，折合Pb含量約為85 mg/kg。食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)(GB 2762—2012)中小麥制品的Pb限量為0.5 mg/kg，即使本研究中籽粒Pb富集最低的品種百農(nóng)418，其含量也遠(yuǎn)超過該標(biāo)準(zhǔn)，這主要是因?yàn)樗鄺l件非常有利于小麥對礦質(zhì)元素的吸收。

在Hoagland’s營養(yǎng)液中添加Pb(NO3)2條件下，小麥改變了對Ca、Mg、Fe、K的吸收和分配情況，但這4種元素之間是否存在彼此促進(jìn)或抑制的關(guān)系尚不清楚，土壤與營養(yǎng)液條件下，小麥對Pb和其他礦質(zhì)元素的富集情況是否存在對應(yīng)關(guān)系也需要進(jìn)一步研究。

[1] 龔繼明.重金屬污染的緩與急[J].植物生理學(xué)報(bào),2014,50(5)：567-568.

[2] Sharma P,Dubey R S.Lead toxicity in plants[J].Brazilian Journal of Plant Physiology,2005,17:35-52.

[3] 李紅霞,趙新華,馬偉芳．河道污染沉積物中Pb,Cd有機(jī)物的植物修復(fù)作用[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào),2008,23(1)：186-188.

[4] 楊軍,陳同斌,雷梅,等．北京市再生水灌溉對土壤、農(nóng)作物的重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)[J].自然資源學(xué)報(bào),2011,26(2)：209-217.

[5] 宋偉,陳百明,劉琳．中國耕地土壤重金屬污染概況[J].水土保持研究,2013,20(2)：293-298.

[6] 段德超,于明革,施積炎．植物對鉛的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、累積和解毒機(jī)制研究進(jìn)展[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2014,25(1):287-296.

[7] Gall J E,Boyd R S,Rajakaruna N.Transfer of heavy metals through terrestrial food webs:A review [J].Environ Monit Assess,2015,187(4):201.DOI：10.1007/s10661-015-4436-3.

[8] 李妍.鉛鎘脅迫對小麥幼苗抗氧化酶活性及丙二醛含量的影響[J].麥類作物學(xué)報(bào),2009,29(3)：514-517.

[9] 王麗燕,鄭世英.鎘、鉛及其復(fù)合污染對小麥種子萌發(fā)的影響[J].麥類作物學(xué)報(bào),2009,29(1)：146-148.

[10] 喬莎莎,張永清,楊麗雯,等.有機(jī)肥對鉛脅迫下小麥生長的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2011,22(4)：1094-1100.

[11] Harmankaya M,Gezgin S,?zcan M M.Variation of heavy metal and micro and macro element concentrations of bread and durum wheat and their relationship in grain of Turkish wheat cultivars[J].Environ Monit Assess,2012,184:5511-5521.

[12] Liu W T,Liang L C,Zhang X,etal.Cultivar variations in cadmium and lead accumulation and distribution among 30 wheat(TriticumaestivumL.)cultivars[J].Environmental Science and Pollution Research,2015,22(11):8432-8441.

[13] 李卓坤,彭濤,張衛(wèi)東,等.利用“永久F2”群體進(jìn)行小麥幼苗根系性狀QTL分析[J].作物學(xué)報(bào),2010,36(3)：442-448.

[14] Chaney R L,Malikz M,Li Y M,etal.Phytoremediation of soil metals[J].Current Opinion in Biotechnology,1997,8(3)：279-284.

[15] 胡鵬杰,李柱,鐘道旭,等．我國土壤重金屬污染植物吸取修復(fù)研究進(jìn)展[J].植物生理學(xué)報(bào),2014,50(5)：577-584.

[16] 聶亞平,王曉維,萬進(jìn)榮,等．幾種重金屬(Pb、Zn、Cd、Cu)的超富集植物種類及增強(qiáng)植物修復(fù)措施研究進(jìn)展[J]．生態(tài)科學(xué),2016,35(2)：174-182.

[17] 劉維濤,周啟星.重金屬污染預(yù)防品種的篩選與培育[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2010,26(6)：1452-1458.

[18] Liu W,Zhou Q,Zhang Y,etal.Lead accumulation in different Chinese cabbage cultivars and screening for pollution-safe cultivars[J].Journal of Environmental Management,2010 91(3)：781-788.

[19] 陳久耿,晁代印.礦質(zhì)元素互作及重金屬污染的研究進(jìn)展[J].植物生理學(xué)報(bào),2014,50(5)：585-590.

[20] 李月芳,劉領(lǐng),陳欣,等．模擬鉛脅迫下玉米不同基因型生長與鉛積累及各器官間的分配規(guī)律[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2010,29(12):2260-2267.

[21] 楊素勤,程海寬,張彪,等.不同品種小麥Pb積累差異性研究[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào),2014,30(5)：646-651.

Pb Accumulation Characteristics of Different Genotypes of Wheat and Effect of Pb on Mineral Elements Accumulation

HU Tiezhu,LI Xiaojun,DING Weihua,ZHANG Ziyang,DONG Na,LI Gan, SUN Haiyan,YOU Qingqing,RU Zhengang

(Wheat Center,Henan Institute of Science and Technology/Henan Modern Biological Breeding Collaborative Innovation Center,Xinxiang 453003,China)

In order to select grain low Pb accumulating genotypes,Bainong 1306,Bainong 1309,Bainong 160,Bainong 418,Wenmai No.6,Zhoumai 18,Zhoumai 22 and Zhoumai 26 were grown in Hoagland’s nutrient solution with Pb(NO3)2,the Pb accumulation characters were studied,and the effects of Pb on accumulation of Ca,Mg,Fe and K were explored,so as to provide basis for solving the contradiction between accumulation of heavy metal and utilization of mineral elements.The results showed that there was genotypic difference in Pb content in wheat grain.Bainong 418 and Wenmai No.6 showed the lowest and the highest grain Pb content respectively.According to the organ with the highest Pb content,eight wheat cultivars(lines)were divided into three types,grain type,glume type,leaf type,the corresponding cultivars(lines) were Wenmai No.6;Bainong 1306,Bainong 1309,Zhoumai 22;Bainong 160,Bainong 418,Zhoumai 18 and Zhoumai 26.Compared with the control without Pb,the change of Ca,K,Mg and Fe contents in different organs of eight cultivars(lines)had difference under Pb treatment.Cultivated in Hoagland’s nutrient solution with Pb(NO3)2,the Ca concentration increased considerably in the culm of Zhoumai 22,but decreased considerably in the other seven cultivars(lines);the K concentration in glume,leaf and culm(except Zhoumai 22 and Zhoumai 26)of eight cultivars(lines)decreased; the Mg concentration increased considerably in the grain of Wenmai No.6 and Zhoumai 18,but decreased considerably in other six cultivars(lines);the Fe concentration in the leaves of eight cultivars(lines)increased;the Ca content in Bainong 418 and Zhoumai 26,K content in Bainong 1306 and Bainong 418,Mg content in all tissues(except grain)of Zhoumai 18 and Zhoumai 26 had the same change patterns.

wheat; genotype; Pb; mineral element; accumulation

2016-11-15

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31671680)；河南省小麥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位專家項(xiàng)目(S2015-01-G01)

胡鐵柱(1975-)，男，河南民權(quán)人，副教授，博士，主要從事小麥遺傳育種研究。E-mail:tiezhuh@163.com

S512.1

A

1004-3268(2017)05-0015-06