不同玉米品種苗期對鎘及營養(yǎng)元素的吸收轉(zhuǎn)運特性

樊玉，莊重，趙麗潔，張晨，王琪，李花粉，萬亞男

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，農(nóng)田土壤污染防控與修復(fù)北京市重點實驗室，北京 100193）

鎘是生物毒性較強且分布較廣的重金屬元素之一，對人類健康具有較大威脅。伴隨著采礦、冶金以及工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，使鎘進入到農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，導(dǎo)致鎘污染日益嚴重。近年來，我國土壤，特別是耕地土壤，部分受到了鎘污染[1-3]。鎘進入人體后可對腎、肝、骨骼等多種器官、生殖系統(tǒng)及血液系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生傷害[4]，而人類攝入的大部分鎘主要來自農(nóng)作物。因此，減少人體對鎘的攝入量需要減少農(nóng)作物對鎘的累積。目前主要通過以下途徑實現(xiàn)農(nóng)田鎘的阻控：控制農(nóng)業(yè)投入品中重金屬的含量以減少投入；施加土壤鈍化劑[5]以降低土壤中鎘的有效性；種植鎘超累積植物[6]等以減少土壤中的鎘總量；通過篩選對鎘耐性高、累積量低的優(yōu)勢農(nóng)作物品種推廣種植，以減少農(nóng)作物對鎘的吸收累積[7-9]。

玉米作為我國廣泛種植的農(nóng)作物之一，具有生物量大、生長周期短等特點[10]。有研究表明不同玉米品種對鎘的吸收和富集能力存在差異性[11-12]。杜彩艷等[13]分析了20 種玉米在鎘污染條件下的生物量、產(chǎn)量以及玉米根、莖、葉和籽粒中鎘含量發(fā)現(xiàn)，不同品種間均表現(xiàn)出顯著差異。因此可以通過篩選鎘低累積品種，用于污染土地推廣種植，達到安全生產(chǎn)的目的。

微量元素攝入不足已成為影響人體健康的普遍性問題。據(jù)調(diào)查顯示，目前世界約有60%的人缺鐵，30%的人缺鋅，還有鈣、鎂和銅等元素的攝入不足在發(fā)展中國家也比較普遍[14]。人體主要通過食物攝入來補充所必需的營養(yǎng)元素，飲食的單一化導(dǎo)致營養(yǎng)元素的缺乏，尤其是以玉米、小麥等谷物作物為主食的發(fā)展中國家[15]。國際玉米小麥改良中心（CIMMYT）通過分析礦物質(zhì)元素含量高的作物材料，篩選富含微量營養(yǎng)元素的玉米品種進行推廣[16]。因此，提高玉米籽粒鋅、鐵等營養(yǎng)元素的含量，促進人體對營養(yǎng)元素的吸收具有重要意義。目前關(guān)于玉米的品種篩選已有一定的研究基礎(chǔ)，但是更多地側(cè)重于篩選產(chǎn)量高、養(yǎng)分利用效率高、抗逆性強以及重金屬累積量低的品種，但在污染條件下不同品種玉米礦質(zhì)元素的含量差異以及鎘與其他礦物質(zhì)營養(yǎng)元素互作的研究少有報道。本研究選取24 個玉米品種，通過水培試驗探究不同品種玉米對鎘吸收、轉(zhuǎn)運的差異，以及鎘與其他元素的互作影響，根據(jù)地上部鎘含量以及營養(yǎng)元素含量篩選出鎘低累積以及營養(yǎng)元素高累積的優(yōu)勢玉米品種，以期為玉米優(yōu)質(zhì)、高效生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試玉米品種

本研究從我國玉米主產(chǎn)區(qū)的主要推廣品種中選取了24 個玉米品種作為研究對象（表1）。這24 種玉米為普通品種，屬于糧食型玉米，主要用作飼料儲備。

表1 供試玉米品種Table 1 Tested varieties of maize

1.2 試驗設(shè)計

水培試驗在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)溫室中進行。每個品種玉米各挑選14粒種子在10%雙氧水（H2O2，m/m）中表面滅菌10 min，漂洗，用蒸餾水浸泡過夜，然后在20 ℃的黑夜潮濕條件下萌發(fā)24 h。挑選發(fā)芽一致的種子用濾紙卷起，在塑料小盆中用蒸餾水培養(yǎng)6 d。培養(yǎng)長至兩葉一心后，挑選長勢一致的幼苗移栽至水培箱中，采用含鎘的營養(yǎng)液（表2）一起培養(yǎng)。營養(yǎng)液組分：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，F(xiàn)e（Ⅱ）-EDTA 100 μmol·L-1。設(shè)置的鎘處理以Cd（NO3）2·4H2O 的形式添加在營養(yǎng)液中，濃度為10 μmol·L-1。用0.1 mol·L的KOH 或HCl調(diào)節(jié)營養(yǎng)液pH 為6.0。每個品種5 個重復(fù)。每7 d 更換一次營養(yǎng)液，供氣泵保證培養(yǎng)液正常供氧。培養(yǎng)19 d后收獲。

收獲的玉米幼苗根系浸至200 mL pH 為5.5 的洗脫液（1 mmo1·L-1CaSO4，2 mmo1·L-1MES）中，洗脫吸附在根表的鎘。用濾紙吸干表面水分，分離地上部和根部，在60 ℃的烘箱中烘干。將烘干后的玉米粉碎、消解，用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES，PerkinElmer Avio 200）測定消解液中鎘、磷、鈣、鎂、銅、鋅、鐵、錳的含量。以國家標(biāo)準參比物質(zhì)植物樣品（GBW10049 大蔥）進行質(zhì)量控制，國標(biāo)樣品分析結(jié)果均在允許誤差范圍內(nèi)（回收率在80%～115%之間）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2003、SPSS 26.0、R 4.1.3 進行數(shù)據(jù)處理和分析，SigmaPlot 12.5 制圖。采用單因素方差分析（ANOVA）和Duncan 多重比較檢驗（P＜0.05）進行統(tǒng)計學(xué)處理。變量間的關(guān)系通過Pearson 相關(guān)分析確定。采用歐氏距離和離差平方和法進行聚類分析。

每克根鎘吸收量（μg·g-1）=[地上部鎘含量（μg·g-1）×地上部干物質(zhì)量（g）+根系鎘含量（μg·g-1）×根系干物質(zhì)量（g）]/根系干物質(zhì)量（g）

轉(zhuǎn)運系數(shù)=地上部鎘含量（μg·g-1）/根系鎘含量（μg·g-1）[17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同玉米品種的生物量

在10 μmol·L-1的鎘處理水平下，不同品種玉米的生物量具有顯著性差異（表2）。玉米地上部干質(zhì)量變化范圍從3 號（良玉99）0.357 g·株-1到18 號（中單909）0.767 g·株-1，平均值為0.590 g·株-1。根系干質(zhì)量變化范圍從3 號（良玉99）0.073 g·株-1到21 號（登海518）0.147 g·株-1，平均值為0.112 g·株-1。不同玉米品種間生物量的差異可能是由于不同品種生長特性的差異造成的。

表2 不同玉米品種不同部位干質(zhì)量Table 2 Dry biomass of different parts of different maize varieties單位：g·plant-1

2.2 不同玉米品種對鎘的吸收和轉(zhuǎn)運

24 個玉米品種地上部鎘含量（以干質(zhì)量計）和根系對鎘的吸收量（以干質(zhì)量計）如圖1 所示。不同品種玉米地上部鎘含量差異顯著。鎘含量變化范圍從1號（偉科702）40.8 μg·g-1到24號（金慶202）83.8 μg·g-1，最高品種的地上部鎘含量是最低品種的2.05 倍，平均值為62.6 μg·g-1（圖1a）。

玉米地上部對鎘的累積主要是由根系吸收鎘能力和鎘轉(zhuǎn)運能力決定的。玉米根系鎘吸收能力可以用每克根鎘吸收量體現(xiàn)。試驗結(jié)果表明，24 個品種玉米每克根鎘吸收量也具有顯著性差異，且品種間的含量高低與地上部呈現(xiàn)出不一致的順序（圖1b）。最低的品種為10 號（登海652）544 μg·g-1，最高的品種為15號（鄭單958）1 204 μg·g-1，最高品種的根系鎘吸收量是最低品種的2.21 倍，根系吸收量平均值為876 μg·g-1。

圖1 不同品種玉米地上部鎘含量（a）、每克根鎘吸收量（b）和轉(zhuǎn)運系數(shù)（c）Figure 1 Cd content in shoot（a），Cd uptake by root（b）and transport factor（c）of different maize varieties

轉(zhuǎn)運系數(shù)是地上部鎘含量與根系鎘含量的比值，可用來評價植物將鎘從根系向地上部的運輸能力。不同品種玉米的轉(zhuǎn)運系數(shù)存在顯著性差異（圖1c）。變化范圍從1 號（偉科702）0.060 到14 號（金海5）0.297，平均值為0.130。除了5 號（登海618）、10 號（登海652）、14 號（金海5）這些轉(zhuǎn)運系數(shù)比較高的品種，其他品種的轉(zhuǎn)運系數(shù)排序規(guī)律與地上部鎘含量的排序規(guī)律相似，地上部含量高的品種轉(zhuǎn)運系數(shù)也高。

分析24 個品種的玉米幼苗地上部鎘含量和根系鎘吸收量以及鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)的相關(guān)性（圖2），結(jié)果表明地上部鎘含量與根鎘吸收量存在顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.305，P＜0.01）與鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)存在顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.530，P＜0.01）。這說明在玉米苗期階段，玉米根系對鎘的吸收以及玉米對鎘從根向地上部的轉(zhuǎn)運共同影響地上部鎘含量。

圖2 玉米地上部鎘含量與每克根吸收量（a）和轉(zhuǎn)運系數(shù)（b）的相關(guān)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 優(yōu)勢玉米品種篩選

為明確不同玉米品種鎘累積的差異，采用聚類分析的方法，通過計算歐式距離和離差平方和法對24個玉米品種的地上部鎘進行定量化歸類，確定不同鎘累積類型的玉米品種（圖3）。當(dāng)聚類距離處于10～15時，可將24個品種分為3類：第一類為鎘低累積類型，包含11 個品種，占所有品種數(shù)的46%。低累積類型地上部鎘含量范圍為40.8～58.2 μg·g-1，具體的品種鎘含量由低到高排序為偉科702＜北農(nóng)青貯368＜良玉99＜中科11＜登海618＜良玉918＜遠科105＜京農(nóng)科728＜京科828＜登海652＜農(nóng)華101。第二類為鎘中累積類型，包含11 個品種，占所有品種數(shù)的46%。中累積類型地上部鎘含量范圍為62.5～77.2 μg·g-1。11 個品種地上部鎘含量由低到高排序為東單6531＜京科968＜金海5＜鄭單958＜宇玉30＜迪犬517＜中單909＜隆平206＜綏玉23＜登海518＜先鋒047。第三類為鎘高累積類型，只有2 個品種：登海605（81.5 μg·g-1）和金慶202（83.8 μg·g-1），占總品種數(shù)的2%。低、中、高累積類型之間玉米地上部鎘含量存在顯著性差異。高累積品種玉米地上部的鎘含量是偉科702（低累積類型）的1.6～2.0倍。

圖3 不同品種玉米地上部鎘含量聚類分析Figure 3 Cluster of Cd content in shoot of different maize varieties

為探究玉米地上部對鎘的累積與其他營養(yǎng)元素之間的關(guān)系，對24 種玉米地上部鎘、磷、鈣、鎂、銅、鋅、錳、鐵含量進行相關(guān)性分析（表3），結(jié)果表明，地上部鎘與磷（r=-0.225，P＜0.05）、錳（r=-0.386，P＜0.01）、鐵（r=-0.233，P＜0.05）具有顯著負相關(guān)關(guān)系，表明地上部鎘含量累積較少的品種對磷、錳、鐵的累積較多。因此上述篩選的鎘低累積類型的品種中，可能存在磷、錳、鐵累積量高的品種。而地上部鎘與鈣、鎂、銅、鋅之間相關(guān)性不顯著，則有可能篩選出兼具地上部鎘含量低和鈣、鎂、銅、鋅含量高的品種。因此，地上部鎘與營養(yǎng)元素的相關(guān)性結(jié)果，為篩選地上部鎘含量低，磷、鈣、鎂、銅、鋅、錳、鐵營養(yǎng)元素含量高的玉米品種提供了參考。

表3 不同品種玉米地上部鎘、磷、鈣、鎂、銅、鋅、錳、鐵含量相關(guān)性系數(shù)（r）Table 3 Correlation of Cd，P，Ca，Mg，Cu，Zn，Mn and Fe contents in shoot of different maize varieties（r）

對24 種玉米地上部鈣、鎂、銅、鋅含量進行聚類分析，獲得鈣、鎂、銅、鋅易累積類型玉米（圖4）。根據(jù)聚類結(jié)果顯示，易累積鈣類型有3 種（圖4a）：金慶202、登海518、登海652。易累積鎂類型有8 種（圖4b）：偉科702、綏玉23、登海518、隆平206、京科968、良玉99、金慶202、登海652。易累積銅類型只有7 種（圖4c）：綏玉23、金海5、良玉918、金慶202、中單909、登海605、偉科702。易累積鋅類型只有1 種（圖4d）：京科968。

圖4 不同品種玉米地上部鈣（a）、鎂（b）、銅（c）、鋅（d）含量聚類分析Figure 4 Cluster of Ca（a），Mg（b），Cu（c）and Zn（d）contents in shoot of different maize varieties

對篩選出的11 種鎘低累積玉米和3 種鈣較易累積、8種鎂易累積、7種銅易累積、1種鋅易累積的玉米品種進行分析，篩選出了2個品種的玉米：偉科702和登海652，屬于24 個品種中的優(yōu)勢玉米品種（圖5）。偉科702 是兼具鎘低累積和鎂、銅易累積特性的玉米品種。登海652 是同時具有鎘低累積和鈣、鎂易累積特性的玉米品種。在地上部鎘與不同營養(yǎng)元素的相關(guān)性分析結(jié)果表明，地上部鎘與磷、錳、鐵具有顯著負相關(guān)關(guān)系。偉科702 和登海652 在24 個品種中屬于鎘低累積類型品種，其磷、鐵、錳含量可能較高。因此對偉科702和登海652地上部磷、錳、鐵含量進行聚類分析，結(jié)果表明偉科702 屬于磷、錳、鐵易累積類型，登海652 屬于磷、錳易累積類型。因此偉科702 是兼具鎘低累積和磷、鎂、銅、錳、鐵易累積特性的玉米品種，登海652 是同時具有鎘低累積和磷、鈣、鎂、錳易累積特性的玉米品種。

圖5 優(yōu)勢玉米品種篩選Figure 5 Dominant varieties of 24 maize varieties

3 討論

玉米對元素的吸收和轉(zhuǎn)運是由生長的環(huán)境條件和本身的遺傳特性共同決定的。不同品種的玉米有著不同的遺傳特性[17-21]。本研究結(jié)果顯示，不同玉米品種對鎘的吸收、轉(zhuǎn)運和積累具有明顯的差異性，這主要是由于品種間的基因型差異造成的[12-13，21-22]。鄧偉等[23]研究了4 個品種水稻在苗期對鎘吸收的差異發(fā)現(xiàn)，鎘脅迫72 h 之后4 個品種根和地上部鎘累積量不同，差異顯著。張寧等[24]以50 個玉米品種開展田間試驗，結(jié)果表明各玉米品種對鎘的吸收主要由本身的遺傳因素決定。鄧婷等[11]對篩選出的6 個鎘高、低積累玉米品種的鎘富集和轉(zhuǎn)運的差異性進行田間試驗驗證，結(jié)果表明6 個玉米品種在抽絲期和成熟期的根系、地上部生物量以及根、莖、籽粒中鎘含量均存在顯著的品種間差異。

玉米在不同生育期累積鎘的能力不同，在苗期吸收到的鎘會通過后面的生長發(fā)育向各器官分配，最終運送到籽粒中。楊惟薇等[25]研究了全生育期的玉米鎘富集規(guī)律，結(jié)果表明：不同品種玉米根、莖和葉中鎘含量在不同生育期表現(xiàn)一致的變化趨勢，為苗期＞拔節(jié)期＞灌漿期＞成熟期，且苗期累積鎘含量高的玉米成熟期籽粒鎘含量也相對較高。本試驗研究的是玉米幼苗對鎘脅迫反應(yīng)的品種間差異，這可以對成熟期玉米生長的鎘脅迫反應(yīng)起到一定的預(yù)示作用。很多研究的結(jié)果表明，作物在苗期對鎘的吸收特征可以反映成熟期的結(jié)果。余飛宇[26]的研究顯示，苗期水稻鎘積累量與成熟期地上部鎘含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，可見鎘脅迫下水稻在苗期的鎘吸收特性可以在一定程度上反映出水稻品種全生育期水稻的累積特性。王效瑾[27]研究不同的小麥品種對鎘吸收和轉(zhuǎn)運之間的差異，發(fā)現(xiàn)苗期小麥地上部鎘累積量高的品種，在成熟期地上部含量也高。Shi等[28]選擇12個小麥品種進行水培實驗，發(fā)現(xiàn)鎘、砷在苗期小麥根中的相關(guān)性與盆栽試驗中培養(yǎng)至成熟期小麥的結(jié)果一致。因此，苗期的結(jié)果可以為低累積品種的篩選提供參考。盡管由于環(huán)境條件的復(fù)雜影響和遺傳特性在不同生育階段的表現(xiàn)不同，苗期的結(jié)果還不能完全準確地預(yù)測成熟期的結(jié)果，但可以在苗期通過簡單指標(biāo)的測定進行間接的簡化選擇，為成熟期預(yù)測提供參考，可以提高品種篩選的效率。

本研究結(jié)果顯示，地上部鎘含量與根鎘吸收量存在顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.305，P＜0.01）,與鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)存在顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.530，P＜0.01）。這說明在玉米苗期階段，玉米根系對鎘的吸收能力以及玉米對鎘從根向地上部的轉(zhuǎn)運能力共同影響地上部鎘含量（圖3）。玉米對鎘的吸收和轉(zhuǎn)運分為以下步驟：經(jīng)根系吸附過程[29]、質(zhì)外體途徑[30]和共質(zhì)體途徑[31]的短距離運輸過程以及木質(zhì)部和韌皮部裝載的長距離運輸過程[32]，最終輸送到地上部的各個組織器官中。環(huán)境中的Cd2+被玉米根系吸收主要通過以下3 種方式：①細胞呼吸產(chǎn)生的CO2和H2O 在根表形成H2CO3，Cd2+與H2CO3解離形成的H+產(chǎn)生交換吸附，以質(zhì)外體途徑進入表皮細胞[33]；②Cd2+利用Fe2+、Zn2+和Ca2+的離子通道進入根表細胞[34]；③玉米根系的分泌物與Cd2+螯合通過YSL 蛋白進入根表細胞[35]。經(jīng)過根表細胞吸收的鎘在玉米體內(nèi)的運移受到轉(zhuǎn)運蛋白的影響。同一個轉(zhuǎn)運蛋白可能運輸多種金屬元素，一種金屬離子的吸收可能受多個轉(zhuǎn)運蛋白的調(diào)控，而且金屬元素之間存在互作效應(yīng)以維持植物體內(nèi)金屬離子平衡[36-37]。鎘作為植物的非必需元素，至今未在玉米中發(fā)現(xiàn)鎘的專屬運輸?shù)鞍譡38-40]，玉米轉(zhuǎn)運Cd2+需要借助Ca2+、Mg2+、Mn2+、Zn2+等二價陽離子的運輸?shù)鞍譡41-43]。例如ZIP[44]和HMA[45-46]都是二價金屬轉(zhuǎn)運蛋白，除了可以運輸Zn2+、Cu2+、Mn2+、Fe2+，還可運輸Cd2+[47]。

本研究依據(jù)玉米的地上部鎘含量將所有的試驗品種分為高、中、低累積3 種類型，分別占供試玉米品種的46%、46%和2%。已有研究將作物中重金屬含量的聚類分析結(jié)果作為篩選重金屬低累積作物的參考。本研究篩選出的京農(nóng)科728 屬于鎘低累積類型，與張寧等[24]籽粒鎘低累積的玉米品種結(jié)果一致。在進行地上部鎘與其他元素含量的相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，篩選出具有鎘低累積、礦物質(zhì)營養(yǎng)元素易累積特性的玉米品種：偉科702 和登海652。這與Shi 等[28]的研究方法相似。Shi等[28]的試驗結(jié)果表明12種小麥籽粒砷、鎘不具有相關(guān)性，因此可以篩選小麥籽粒砷、鎘累積量較少的品種。然而，本研究篩選出的兩種玉米品種適種區(qū)域主要為華東和華北的玉米種植產(chǎn)區(qū)，由于玉米在不同土壤環(huán)境條件下的生長情況不同，以及不同的土壤條件下玉米種子對鎘積累量的變化很敏感[48]，因此低累積量品種需要在更多的田間試驗中進一步驗證。

4 結(jié)論

（1）24 個玉米品種苗期對鎘的吸收轉(zhuǎn)運能力存在顯著性差異。其中登海652 對鎘的吸收量最低，而從根向地上部的轉(zhuǎn)運能力以及地上部鎘含量最低的品種均為偉科702。不同品種鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)的排序規(guī)律與地上部鎘含量的排序規(guī)律基本相似。

（2）通過對玉米苗期鎘及其他營養(yǎng)元素的吸收累積分析，得到了11 個鎘低累積型、3 個鈣易累積型、8個鎂易累積型、1 個鋅易累積型的玉米品種。綜合分析后選擇偉科702和登海652作為兼具低累積鎘和易累積營養(yǎng)元素特性的優(yōu)勢玉米品種。