生理阻隔劑對(duì)苗期小麥生長(zhǎng)和鎘、砷及微量元素含量的影響

易柏竹，賈 瑞，王 寧，姚 晨，李本銀，李烜楨,張治鈉，陳 興,趙永鑒

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河南 鄭州 450002; 2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450002; 3.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南 鄭州 450002; 4.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 國(guó)際教育學(xué)院，河南 鄭州 450002)

目前，我國(guó)農(nóng)田重金屬污染日益嚴(yán)重。據(jù)《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》報(bào)道，我國(guó)耕地土壤重金屬點(diǎn)位超標(biāo)率在16.1%左右，鎘(Cd)和砷(As)的點(diǎn)位超標(biāo)率分別高達(dá)7.0%和2.7%，是重要的無(wú)機(jī)污染物[1]。Cd和As均不是作物的必需元素，但是在作物的生長(zhǎng)過(guò)程中，Cd和As較易從土壤轉(zhuǎn)運(yùn)到植物體內(nèi)，從而對(duì)人體健康造成危害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前世界上有19個(gè)國(guó)家發(fā)生了較大區(qū)域的As污染，而我國(guó)正是受As毒害嚴(yán)重的國(guó)家之一[2-3]。與此同時(shí)，我國(guó)某些地區(qū)小麥出現(xiàn)了Cd超標(biāo)現(xiàn)象，其主要原因與土壤Cd污染有關(guān)。因此，如何在污染地區(qū)控制小麥Cd和As含量對(duì)于我國(guó)糧食安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，施用鈍化劑是降低小麥重金屬含量的主要手段[4]。鈍化法在南方酸性土壤及水稻上較為有效，但是在北方石灰性土壤地區(qū)小麥上效果較差，且成本較高。因此，亟待開(kāi)發(fā)針對(duì)我國(guó)北方作物小麥的降Cd技術(shù)。

生理阻隔法是基于元素間競(jìng)爭(zhēng)來(lái)實(shí)現(xiàn)重金屬減量吸收的一種技術(shù)，該技術(shù)具有見(jiàn)效快、利用效率高等優(yōu)點(diǎn)，有望成為一種新興的作物降Cd技術(shù)[5]。Cd、As可借助鐵(Fe)、鋅(Zn)、錳(Mn)、磷(P)、硅(Si)等必需元素的轉(zhuǎn)運(yùn)通道進(jìn)入作物根部，并向上輸送到籽粒中[6]。因此，提供這些元素有可能與Cd、As競(jìng)爭(zhēng)通道或轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，從而抑制作物對(duì)Cd、As的吸收。目前，生理阻隔技術(shù)在水稻降Cd方面已有成功應(yīng)用。于煥云等[6]研究發(fā)現(xiàn)，外源施加Si、硒(Se)降低水稻吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)Cd、As有關(guān)的功能基因OsLCT1(低親和性陽(yáng)離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因)的表達(dá)量，提高解毒基因OsHMA3(重金屬ATP酶基因)的表達(dá)量，從而抑制Cd、As從水稻根系向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)。索炎炎[7]也發(fā)現(xiàn)，外源噴施Zn可降低水稻對(duì)Cd的吸收。蔣斌[8]研究發(fā)現(xiàn)，水稻葉面噴施Se肥后，稻米Cd含量下降8.6%～17.8%。除了水稻，在其他作物上也發(fā)現(xiàn)施用生理阻隔劑可有效降低其Cd含量。劉俊[9]研究發(fā)現(xiàn)，外源噴施Se肥使黃瓜中的Cd含量降低了60.6%～75.8%。李超[10]研究表明，噴施硒硅鉬復(fù)合肥，小白菜、辣椒中Cd含量均下降了1.9%～20.6%。目前，生理阻隔劑對(duì)小麥Cd含量的影響研究較少[11-12]。張世杰等[11]研究發(fā)現(xiàn)，葉面噴施Si肥不僅可以提高小麥產(chǎn)量，而且還降低了小麥籽粒中Cd、As和鉛(Pb)的含量。宋敏等[12]研究發(fā)現(xiàn)，葉面噴施外源脯氨酸可緩解Cd對(duì)小麥幼苗生長(zhǎng)的脅迫，降低小麥幼苗的Cd含量。目前，針對(duì)我國(guó)北方石灰性土壤地區(qū)小麥?zhǔn)┯蒙碜韪魟┑难芯浚绕涫嵌喾N生理阻隔劑的比較研究尚未見(jiàn)報(bào)道。為此，通過(guò)盆栽試驗(yàn)，研究不同生理阻隔劑對(duì)小麥生長(zhǎng)和Cd、As含量的影響，篩選出可有效降低小麥Cd、As含量的生理阻隔劑，以期為我國(guó)北方石灰性土壤地區(qū)小麥Cd、As等重金屬污染治理提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試小麥品種為鄭麥7698。

供試土壤采自河南省某Cd、As污染農(nóng)田，土壤類(lèi)型為褐土，采樣深度為0～20 cm。土壤風(fēng)干后，去除動(dòng)植物殘?jiān)⑺槭?，過(guò)2 mm篩，備用。供試土壤含Cd 3.5 mg/kg、As 13.72 mg/kg、全氮1 236.6 mg/kg、速效磷101.9 mg/kg、有機(jī)質(zhì)14.76 g/kg，pH值為8.2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取健康小麥種子，用去離子水浸泡10 h，育苗3～4 d，選取健康且長(zhǎng)勢(shì)一致的小麥幼苗進(jìn)行試驗(yàn)。將混勻土壤進(jìn)行分裝，每盆裝土1 kg，每盆定植4株小麥幼苗。共設(shè)8個(gè)生理阻隔劑處理，分別噴施Na2SiO3(20 μmmol/L)(簡(jiǎn)稱(chēng)Si)、FeSO4·7H2O(0.018 mol/L)(簡(jiǎn)稱(chēng)Fe)、MnSO4(0.018 mol/L)(簡(jiǎn)稱(chēng)Mn)、 ZnSO4·7H2O(0.018 mol/L)(簡(jiǎn)稱(chēng)Zn)、MgSO4·7H2O(0.018 mol/L)(簡(jiǎn)稱(chēng)Mg)、CaCl2(3.5 g/L)(簡(jiǎn)稱(chēng)Ca)、Na2SeO3(40 mg/L)(簡(jiǎn)稱(chēng)Se)和 FeSO4·7H2O(0.5%)+MnSO4(0.5%) +ZnSO4·7H2O(0.5%)+MgSO4·7H2O(0.5%)(簡(jiǎn)稱(chēng)Fe+Mn+Zn+Mg)，以噴施等量去離子水的處理為對(duì)照(CK)。每個(gè)處理設(shè)4個(gè)重復(fù)。每天光照10 h，溫度25 ℃；黑暗14 h，溫度18 ℃；濕度為70%。噴施時(shí)間為2018年10月31日—11月28日，每隔7 d噴施一次，每次均在7:00和19:00同時(shí)噴施，噴到葉面出現(xiàn)水珠但不下滴為止。

1.3 樣品采集

小麥移栽后60 d采集樣品，先用抖土法[13]去掉非根際土壤，然后用毛刷將附著在根系周?chē)耐寥垒p輕刷下來(lái)。隨后將去土后的小麥用蒸餾水潤(rùn)洗，再用去離子水反復(fù)沖洗干凈，用不銹鋼剪刀將地上部與地下部分開(kāi)，將地下部進(jìn)行根系參數(shù)的測(cè)定，隨后均于105 ℃下殺青30 min，65 ℃烘干至恒質(zhì)量，測(cè)定生物量，然后使用葉片研磨機(jī)將小麥的地上部與地下部粉碎，過(guò)0.178 mm篩，4 ℃保存，備用。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.4.1 元素含量 Cd、As、Fe、Zn、銅(Cu)含量采用高精度便攜式X射線(xiàn)熒光光譜儀(Cadence，美國(guó)XOS公司)測(cè)定。

1.4.2 根系參數(shù) 根長(zhǎng)和根體積采用EPSON V700 Photo根系分析儀測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010和SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生理阻隔劑對(duì)苗期小麥生物量和根系參數(shù)的影響

Cd是小麥生長(zhǎng)的非必需元素，會(huì)對(duì)小麥產(chǎn)生毒害效應(yīng)，從而導(dǎo)致小麥生物量降低。由圖1可知，不同生理阻隔劑對(duì)小麥的生長(zhǎng)均有促進(jìn)作用，其中Fe處理的促進(jìn)作用效果最強(qiáng)，較對(duì)照顯著提高了29.7%； Mn處理和Mg處理依次次之，分別較對(duì)照顯著提高了28.7%和26.7%，其他處理與對(duì)照差異不顯著。通過(guò)分析小麥根長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)，除Fe+Mn+Zn+Mg處理外，其余生理阻隔劑處理小麥根長(zhǎng)均較對(duì)照增加，其中Zn、Mn、Si處理增幅較大，分別較對(duì)照顯著提高125.3%、120.3%、114.1%，其他處理與對(duì)照差異不顯著。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，除Ca處理外，其余生理阻隔劑處理小麥根體積均較對(duì)照增加，其中Zn處理增幅最大，較對(duì)照顯著提高66.1%，F(xiàn)e+Mn+Zn+Mg處理次之，也顯著高于對(duì)照，其他處理與對(duì)照差異不顯著。這些結(jié)果表明，葉面噴施Fe、Mg、Mn、Zn、Si及Fe+Mn+Zn+Mg等生理阻隔劑有助于改善小麥的生長(zhǎng)和根系發(fā)育狀況。

2.2 不同生理阻隔劑對(duì)苗期小麥中Cd含量的影響

通過(guò)分析小麥Cd含量(圖2)發(fā)現(xiàn)，對(duì)照小麥幼苗地上部和地下部Cd含量分別達(dá)到0.92 mg/kg和4.25 mg/kg。其中，地下部Cd含量高于土壤中Cd的本底值(3.45 mg/kg)，表明小麥?zhǔn)禽^易積累Cd的作物。在不同生理阻隔劑處理中，Mn處理和Mg處理對(duì)小麥幼苗地上部Cd積累的抑制作用較強(qiáng)，地上部Cd含量分別較對(duì)照顯著降低了20.6%、15.2%；Fe處理和Fe+Mn+Zn+Mg處理對(duì)小麥幼苗地上部Cd積累有促進(jìn)作用，地上部Cd含量分別較對(duì)照顯著增加了19.1%和15.3%；Zn、Si、Se、Ca處理對(duì)小麥幼苗地上部Cd積累的影響不顯著。而對(duì)于地下部，只有Mg處理小麥幼苗地下部Cd含量較對(duì)照降低，降幅達(dá)8.9%，但差異不顯著；Si處理促進(jìn)了小麥幼苗地下部Cd積累，較對(duì)照顯著提高了49.1%，其余處理對(duì)小麥幼苗地下部Cd積累的促進(jìn)作用不顯著。這些結(jié)果表明，葉面噴施Mn和Mg等生理阻隔劑有助于降低小麥Cd含量。

*表示生理阻隔劑處理與對(duì)照差異顯著，下同*indicates significant difference between the treatments with physiological barriers and control，the same below圖1 不同生理阻隔劑對(duì)苗期小麥生物量和根長(zhǎng)、體積的影響Fig.1 Effects of different physiological barriers on biomass and root length，volume of wheat at seedling stage

A:地上部;B:地下部A:Aboveground part; B：Underground part圖2 不同生理阻隔劑對(duì)苗期小麥Cd含量的影響Fig.2 Effects of different physiological barriers on Cd concentration of wheat at seedling stage

2.3 不同生理阻隔劑對(duì)苗期小麥中As含量的影響

通過(guò)分析苗期小麥As含量(圖3)發(fā)現(xiàn)，對(duì)照小麥幼苗地上部和地下部As含量分別為1.01 mg/kg和19.2 mg/kg。8種供試生理阻隔劑處理對(duì)小麥地上部和地下部As積累的影響均不顯著。其中，Zn處理和Mg處理對(duì)小麥地上部As積累的抑制效果較好，地上部As含量分別較對(duì)照降低了13.8%和11.8%；Zn處理和Mg處理對(duì)小麥地下部As積累的抑制效果也較好，地下部As含量分別較對(duì)照降低了35.4%和25.6%。這些結(jié)果表明，葉面噴施Zn和Mg等生理阻隔劑降低了小麥的As含量，其中Zn處理的效果最好。

A:地上部;B:地下部A:Aboveground part; B：Underground part圖3 不同生理阻隔劑對(duì)苗期小麥As含量的影響Fig.3 Effects of different physiological barriers on As concentration of wheat at seedling stage

2.4 不同生理阻隔劑對(duì)苗期小麥中Fe、Zn和Cu等微量元素含量的影響

本研究發(fā)現(xiàn)(圖4A)，F(xiàn)e、Ca、Si、Mg、Fe+Mn+Zn+Mg處理均顯著提高了小麥幼苗地上部Fe含量，其中Fe處理效果最顯著，較對(duì)照提高了141.1%；而Zn處理和Se處理均顯著降低了小麥幼苗地上部Fe含量，分別較對(duì)照降低了28.5%和16.4%；Mn處理對(duì)小麥幼苗地上部Fe含量的影響不顯著。同時(shí)Fe處理也提高了小麥幼苗地下部Fe含量，較對(duì)照顯著提高了25.2%，Zn處理使小麥地下部Fe含量顯著降低了20.8%，其他處理對(duì)小麥幼苗地下部Fe含量的影響不顯著(圖4D)，表明葉面噴施Zn和Se等生理阻隔劑易造成小麥缺Fe。

通過(guò)分析苗期小麥地上部Zn含量發(fā)現(xiàn)(圖4B)，Zn處理和Fe處理分別較對(duì)照顯著提高了150.8%和101.9%，其他處理對(duì)小麥幼苗地上部Zn含量的影響不顯著。同時(shí)發(fā)現(xiàn)(圖4E)，Mg處理使小麥幼苗地下部Zn含量降低了29.8%，但所有處理對(duì)小麥幼苗地下部Zn含量的影響均不顯著。

通過(guò)分析苗期小麥地上部Cu含量發(fā)現(xiàn)(圖4C)，Zn處理提高了小麥幼苗地上部Cu含量，較對(duì)照增加了80.1%；Mg處理降低了小麥幼苗地上部Cu含量，較對(duì)照降低18.9%；但所有生理阻隔劑處理對(duì)小麥幼苗地上部Cu含量的影響均不顯著。另外，Mg處理使小麥幼苗地下部Cu含量降低了31.5%，所有生理阻隔劑處理對(duì)小麥幼苗地下部Cu含量的影響不顯著(圖4F)。

以上結(jié)果表明，某些生理阻隔劑在抑制小麥吸收Cd、As等重金屬的同時(shí)，還可能降低小麥對(duì)Fe等微量元素的吸收，一定程度上影響小麥品質(zhì)。因此，在使用這些生理阻隔劑用于小麥降Cd時(shí)還應(yīng)注意對(duì)微量元素含量的影響。

A—C：地上部；D—F：地下部A—C：Aboveground part; D—F：Underground part圖4 不同生理阻隔劑對(duì)苗期小麥微量元素含量的影響Fig.4 Effects of different physiological barriers on micronutrient concentration of wheat at seedling stage

3 結(jié)論與討論

本研究發(fā)現(xiàn)，在8種供試生理阻隔劑中，F(xiàn)e、Mg、Mn和Zn處理均可以促進(jìn)小麥的生長(zhǎng)，其中Fe處理促進(jìn)效果最顯著，使小麥生物量提高了29.7%，這與前人研究結(jié)果類(lèi)似[14-15]。Fe、Mn和Mg是小麥的必需微量元素，F(xiàn)e可以提高小麥的葉綠素a、葉綠素b、可溶性糖、淀粉和可溶性蛋白含量，增強(qiáng)小麥的碳代謝能力[14]；Mn可以提高小麥葉片的光合作用能力，促進(jìn)小麥的生長(zhǎng)發(fā)育[16]；Mg在加強(qiáng)CO2的固定、延長(zhǎng)葉片功能期等方面均起重要作用[17]，這可能是本研究中Fe、Mn和Mg處理使小麥生物量提高的原因。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，Zn處理促進(jìn)了小麥的根系發(fā)育，使小麥根長(zhǎng)和根體積分別增長(zhǎng)了125.3%和66.1%，這可能與Zn促進(jìn)植物根系生長(zhǎng)素的合成進(jìn)而改善小麥的根系發(fā)育有關(guān)[18]。

目前，關(guān)于葉面阻隔劑降Cd的研究多集中在水稻上。例如，VESNA等[19]發(fā)現(xiàn)，缺Mg會(huì)使水稻幼苗對(duì)Cd的吸收積累增加，而補(bǔ)充Mg則能使水稻幼苗對(duì)Cd的吸收量降低。黃太慶等[20]研究發(fā)現(xiàn)，在輕度Cd污染的稻田上，向水稻葉面噴施含Se生理阻隔劑，能達(dá)到較好的富Se降Cd效果。本研究發(fā)現(xiàn)，在8種供試生理阻隔劑中，噴施Mg對(duì)小麥Cd積累的抑制效果最佳，其次為噴施Mn處理，關(guān)于Mn和Mg處理降Cd的原因,可能是通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)離子通道和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白來(lái)實(shí)現(xiàn)的[21]。

所有生理阻隔劑對(duì)小麥中As的抑制效果均不佳，這可能與植物對(duì)As的吸收形態(tài)有關(guān)。As是作物的非必需元素，有學(xué)者認(rèn)為，在氧化條件下，土壤As主要以五價(jià)As(Ⅴ)形式存在，通過(guò)磷的轉(zhuǎn)運(yùn)通道進(jìn)入水稻細(xì)胞內(nèi)，由磷酸根轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)；而在還原條件下，土壤溶液中As主要是As(Ⅲ)形式存在，通過(guò)Si的轉(zhuǎn)運(yùn)通道進(jìn)入水稻各部位[22-23]。本研究中，由于供試的生理阻隔劑多為陽(yáng)離子，而As的吸收形態(tài)為陰離子，兩者并不形成拮抗關(guān)系，這可能是未能有效抑制小麥As積累的原因。今后研究中應(yīng)重視陰離子生理阻隔劑如磷酸鹽對(duì)As吸收的抑制效果。

Fe、Zn和Cu均是人類(lèi)必需的微量元素，缺乏這些元素會(huì)造成相應(yīng)的缺素癥，例如缺Fe會(huì)引起缺Fe性貧血，缺Zn會(huì)引起人體代謝紊亂，缺Cu會(huì)導(dǎo)致人體內(nèi)分泌失調(diào)[24-25]，而小麥籽粒是人體補(bǔ)充這些微量元素的重要來(lái)源之一[26-27]。因此，提高小麥中Fe、Zn和Cu含量對(duì)人體健康具有重要意義?？紤]到生理阻隔劑可能會(huì)對(duì)小麥微量元素吸收造成影響，因此，本研究分析了生理阻隔劑處理下Fe、Zn和Cu 3種重要微量元素含量,結(jié)果表明，葉面噴施Zn和Se等生理阻隔劑易造成小麥缺Fe。因此，提示在后期的應(yīng)用中，應(yīng)考慮其對(duì)Fe等微量元素的影響。

總體來(lái)說(shuō)，噴施Mg和Mn有望成為抑制小麥積累Cd的有效措施，而噴施Zn和Se降低了小麥中Fe的含量。因此，在施用這些生理阻隔劑時(shí)應(yīng)考慮其對(duì)小麥中微量元素的影響。