王丹丹，李衛(wèi)華，郭海平，劉坤，閆鵬帥，付忠軍，謝惠玲，白琪林

（1.山西大學(xué)生物工程學(xué)院，山西太原030006；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，省部共建小麥玉米作物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州450002；3.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，山西太原030031）

重金屬汞在玉米不同組織內(nèi)積累差異性分析

王丹丹1，李衛(wèi)華2，郭海平2，劉坤2，閆鵬帥2，付忠軍2，謝惠玲2，白琪林3

（1.山西大學(xué)生物工程學(xué)院，山西太原030006；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，省部共建小麥玉米作物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州450002；3.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，山西太原030031）

玉米吸收土壤中的重金屬汞并積累在食用部分，通過食物鏈威脅動(dòng)物及人類健康。為研究玉米對(duì)重金屬汞的吸收、積累的基因型差異，篩選玉米重金屬汞低積累品種，以230份遺傳多樣性豐富的優(yōu)良玉米自交系為材料，分別對(duì)2個(gè)環(huán)境下玉米不同組織內(nèi)重金屬汞的積累進(jìn)行研究。結(jié)果表明，基因型、環(huán)境及其互作均達(dá)到顯著水平；不同組織中汞含量從大到小排序?yàn)椋喝~片＞苞葉＞莖稈＞穗軸＞籽粒；同時(shí)鑒定出一批汞低積累材料。該研究結(jié)果可為玉米汞低積累品種的選育及相關(guān)遺傳研究提供理論參考和材料基礎(chǔ)。

玉米（Zea mays L.）；汞；組織；積累

隨著全球工業(yè)化及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，大量重金屬被排放到環(huán)境中，嚴(yán)重威脅著生態(tài)環(huán)境以及人類健康。重金屬污染土壤上種植的農(nóng)作物會(huì)吸收積累重金屬，影響其生長(zhǎng)發(fā)育。同時(shí)，重金屬積累在作物食用部分，通過食物鏈遷移，最終進(jìn)入人體，威脅人類健康。汞（Hg）是植物生長(zhǎng)非必需元素，很容易被生物體吸收，被認(rèn)為是毒性最強(qiáng)的重金屬之一[1]。一般自然土壤中Hg含量背景值為20～150 μg/kg[2]，然而，目前世界許多地區(qū)土壤中Hg含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于背景值，特別是亞洲，如在日本和菲律賓，平均土壤Hg含量分別達(dá)到24，146 mg/kg，我國(guó)某些地區(qū)的土壤Hg含量高達(dá)45.9 mg/kg[3]。土壤中Hg含量較高時(shí)，會(huì)損害植物細(xì)胞，導(dǎo)致生理紊亂，對(duì)植物生長(zhǎng)及代謝產(chǎn)生毒害作用[4-9]。根部對(duì)重金屬Hg的積累，阻礙了對(duì)其他礦質(zhì)元素的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，同時(shí)過量Hg會(huì)抑制植物的生長(zhǎng)[2，10]；Hg毒害影響水分的吸收和蒸發(fā)，減少葉綠素含量和光合效率[11-12]。Hg在人體聚集，會(huì)損害中樞神經(jīng)及心血管系統(tǒng)，對(duì)胚胎腦發(fā)育及兒童生理發(fā)育有很大影響[13-14]。

與其他重金屬相比，Hg更容易被作物吸收積累[15-16]。前人研究表明，不同基因型水稻對(duì)汞的耐受性存在顯著差異。WANG等[17]采用DH群體，檢測(cè)到3個(gè)水稻苗期汞抗性QTL。YU等[18]使用DH群體，檢測(cè)到3個(gè)汞積累QTL。CHEN等[19]研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)MTH1745基因水稻對(duì)汞的抗性增強(qiáng)，積累量減少。玉米上也有一些關(guān)于汞耐受性的生理生化研究報(bào)道。當(dāng)暴露在汞濃度為50 ng/m3空氣中時(shí)，玉米葉片的凈光合速率和羧化作用顯著下降[20]。汞抑制玉米葉片細(xì)胞中5-氨基乙酰丙酸脫水酶的活性，進(jìn)而影響葉綠素的合成[21]。汞對(duì)玉米苗期根部有很強(qiáng)的毒害作用，抑制植株的生長(zhǎng)發(fā)育[22]。但目前對(duì)玉米Hg積累遺傳機(jī)制的相關(guān)研究還未見報(bào)道。

本研究利用包含230份優(yōu)良玉米自交系的自然群體，對(duì)Hg在玉米不同組織中的積累分配規(guī)律進(jìn)行研究，希望發(fā)掘一批Hg低積累材料，為玉米汞低積累品種選育提供參考。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試230份玉米自交系分別來(lái)自溫帶、熱帶和亞熱帶，遺傳多樣性豐富。

1.2 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)材料于2012年夏種植在河南省息縣和長(zhǎng)葛。息縣點(diǎn)日平均氣溫15.2℃，年平均降雨量為946 mm，由于污水灌溉，土壤中汞含量為（457.57± 31.30）μg/kg（pH值6.5）；長(zhǎng)葛點(diǎn)日平均氣溫14.3℃，年平均降雨量711.1 mm，土壤中汞含量為（345.40± 22.24）μg/kg（pH值6.5）。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，單行區(qū)，3次重復(fù)，行長(zhǎng)6 m，行距0.67 m，每行15株。

材料在生理成熟時(shí)收獲，每個(gè)小區(qū)連續(xù)收獲5株。自然風(fēng)干后，將整株玉米分為籽粒、穗軸、莖稈、苞葉、葉片5個(gè)部分，并研磨成粉末。稱取0.5 g樣品于消煮管中，加入5 mL消化液（優(yōu)級(jí)純硝酸/高氯酸，體積比為80∶20），過夜放置后，于消煮爐上80℃消解1 h，然后升溫至120℃消解24 h，冷卻后用超純水定容至10 mL，過濾后待測(cè)。利用試劑空白和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10012（GSB-3）對(duì)分析測(cè)定過程進(jìn)行質(zhì)量控制。Hg濃度采用雙道原子熒光光度計(jì)（AFS-3000，北京海光分析儀器公司）進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)樣品平行測(cè)定3次。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

利用Excel，SPSS 18.0及DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)群體表型值進(jìn)行整理與數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同組織內(nèi)重金屬汞含量分析

由表1可知，玉米不同組織籽粒中的汞含量最低，其次為穗軸、莖稈、苞葉和葉片。在2個(gè)環(huán)境同一組織中，息縣試驗(yàn)點(diǎn)的汞含量要高于長(zhǎng)葛試驗(yàn)點(diǎn)，說(shuō)明土壤中汞含量的高低決定了玉米不同組織中汞含量。不同組織中汞含量有較大的變異，說(shuō)明關(guān)聯(lián)群體材料的不同組織中汞積累存在豐富的遺傳變異。

表1 玉米不同組織中重金屬汞含量的統(tǒng)計(jì)分析

偏度和峰度分析結(jié)果表明，玉米不同組織中汞含量在2個(gè)環(huán)境下呈正態(tài)或偏態(tài)連續(xù)分布（表1、圖1）。2種環(huán)境條件下，大部分材料籽粒中汞含量在0.5～1.5 μg/kg；穗軸汞含量在2.0～3.0 μg/kg；莖稈汞含量在3.0～5.0 μg/kg；苞葉中汞含量在5.0～7.0 μg/kg；而葉片中汞含量在20～32 μg/kg。

2.2 不同組織內(nèi)重金屬汞含量方差分析

方差分析結(jié)果表明，供試材料不同組織汞含量的基因型效應(yīng)都達(dá)到極顯著水平，說(shuō)明各材料間對(duì)汞的吸收與積累存在顯著的遺傳變異（表2）。同時(shí)，環(huán)境間、基因型與環(huán)境互作的差異也達(dá)到極顯著水平，說(shuō)明汞的吸收與積累除了受基因型影響外，環(huán)境中汞含量的高低對(duì)玉米不同組織中的汞也具有決定性的作用，同時(shí)也存在著基因型與環(huán)境的相互作用。

表2 不同環(huán)境間玉米不同組織中汞含量的方差分析

2.3 不同組織內(nèi)重金屬汞含量表型相關(guān)分析

不同玉米重金屬汞含量相關(guān)性分析的結(jié)果如表3所示，在息縣點(diǎn)，苞葉汞含量與葉片汞含量間呈顯著相關(guān)關(guān)系，其他性狀之間不存在顯著的相關(guān)關(guān)系；在長(zhǎng)葛點(diǎn)，莖稈中的汞含量與苞葉、葉片中的汞含量存在顯著相關(guān)關(guān)系，其余性狀相互之間都不存在顯著相關(guān)性。說(shuō)明汞積累是一個(gè)非常復(fù)雜的數(shù)量性狀，不同組織汞積累可能涉及不同的作用機(jī)制，并且受環(huán)境等因素的影響。

表3 關(guān)聯(lián)群體不同組織中的Hg含量表型相關(guān)分析

2.4 不同組織內(nèi)重金屬汞含量最低的自交系篩選

根據(jù)材料不同組織中汞積累的含量差異，分別篩選出2個(gè)環(huán)境中不同組織內(nèi)汞積累最低的10個(gè)自交系，結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，自然群體在2個(gè)環(huán)境下同一組織汞含量最低的10個(gè)自交系只有個(gè)別相同，如穗軸有1個(gè)（CML116），葉片有2個(gè)（CIMBL11，S37）。相同環(huán)境下，不同組織汞含量最低的10個(gè)自交系中，也僅有部分相同。這些結(jié)果表明，玉米不同組織汞積累受復(fù)雜的遺傳機(jī)制調(diào)控，同時(shí)容易受到環(huán)境的影響，低積累材料的鑒定需要綜合考慮基因型及環(huán)境因素。

表4 玉米不同組織汞含量最低的10個(gè)自交系

3 結(jié)論與討論

本研究以230份遺傳多樣性豐富的優(yōu)良玉米自交系為材料，研究了2種環(huán)境下玉米不同組織重金屬汞的積累。玉米不同組織內(nèi)汞含量的方差分析表明，基因型和環(huán)境以及它們之間的互作均達(dá)到顯著水平；不同組織中汞含量從大到小排序?yàn)椋喝~片＞苞葉＞莖稈＞穗軸＞籽粒；并鑒定了一批玉米不同組織內(nèi)汞低積累材料。研究結(jié)果為玉米汞低積累品種選育及相關(guān)遺傳研究提供了理論參考和材料基礎(chǔ)。

汞對(duì)生物體有很強(qiáng)的毒性，在環(huán)境中持久存在，并能遠(yuǎn)程傳輸，因此，汞污染引起全球范圍內(nèi)的高度關(guān)注[23]。在一些汞污染的地區(qū)，食品鏈轉(zhuǎn)移是非常普遍的[24-27]。前人研究發(fā)現(xiàn)，許多植物根中汞的含量顯著大于莖稈中汞的含量[28-30]，MENG等[31]研究表明，水稻不同組織中汞含量從大到小排序?yàn)椋焊厩o稈＞葉片＞稻殼＞籽粒，這與許多前人研究結(jié)果一致[32-34]。LIU等[35]研究發(fā)現(xiàn)，玉米不同組織汞含量的相對(duì)次序是：根＞葉＞莖稈＞籽粒。本研究利用自然群體分析了玉米5個(gè)組織中的汞含量，得到相似的結(jié)果（葉片＞苞葉＞莖稈＞穗軸＞籽粒）。徐穩(wěn)定[36]研究發(fā)現(xiàn)，重金屬在進(jìn)入籽粒前，先經(jīng)過營(yíng)養(yǎng)器官截留，再經(jīng)生殖器官非食用部位分流，最后到達(dá)籽粒中。盡管不同學(xué)者所用研究材料及試驗(yàn)環(huán)境不同，但均發(fā)現(xiàn)籽粒中汞含量是最低的，這與本研究中重金屬汞的積累分配規(guī)律是一致的。

重金屬污染會(huì)引起嚴(yán)重的食品安全問題，進(jìn)而威脅人類健康。通過選擇及培育低積累品種來(lái)降低作物食用部分的重金屬含量，從而達(dá)到食品安全標(biāo)準(zhǔn)，被認(rèn)為是一種經(jīng)濟(jì)高效、切實(shí)可行的方法，受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注[37-38]。本研究發(fā)現(xiàn)，汞主要積累在玉米的葉片、苞葉、莖稈中，籽粒中的汞含量最低，遠(yuǎn)低于《食品中污染物限量》的限定值20 μg/kg。通過選擇及培育玉米汞低積累品種，可以在保證玉米安全生產(chǎn)的同時(shí)，逐漸降低土壤中汞含量，實(shí)現(xiàn)邊生產(chǎn)邊修復(fù)，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益。本研究篩選出一批具有低積累汞特性的材料，可為汞低積累品種的篩選培育提供材料基礎(chǔ)，對(duì)于重金屬?gòu)?fù)合污染土壤的修復(fù)及作物生產(chǎn)具有重要意義。

［1］ZHANG L，WONG M H.Environmental mercury contamination in China:Sources and impacts[J].Environment International，2007，33：108-121.

［2］DU X，ZHU Y G，LIU W J，et al.Uptake of mercury（Hg）by seedlings ofrice（Oryza sativa L.）grown in solution culture and interactions with arsenate uptake[J].Environmental and Experimental Botany，2005，54：1-7.

［3］LI P，F(xiàn)ENGXB，QIUGL，et al.Mercurypollution in Asia:Areview of the contaminated sites[J].Journal of Hazardous Materials，2009，168：591-601.

［4］ZHOU Z S，HUANG S Q，GUO K，et al.Metabolic adaptations to mercury-induced oxidative stress in roots of Medicago sativa L[J]. Journal ofInorganic Biochemistry，2007，101：1-9.

［5］PATRA M，SHARMA A.Mercury toxicity in plants[J].Botanical Review，2000，66：379-422.

［6］TAMAS L，MISTRIK I，HUTTOVA J，et al.Role of reactive oxygen species-generating enzymes and hydrogen peroxide during cadmium，mercury and osmotic stresses in barley root tip[J].Planta，2010，231：221-231.

［7］過昱辰，劉瑩瑩，王賽，等.汞脅迫對(duì)兩種暖季型草坪草生理生化特征的影響[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，22（2）：22-26.

［8］魯黎明，顧會(huì)戰(zhàn)，彭毅，等.煙草對(duì)重金屬鉛鉻砷汞積累分配特性分析[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2013，28（Z）：366-370.

［9］郝輝芳，王江.汞離子對(duì)洋蔥根尖細(xì)胞染色體的影響[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（10）：1237-1239.

［10］BOENING D W.Ecological effects，transport，and fate of mercury：Ageneral review[J].Chemosphere，2000，40：1335-1351.

［11］ZHANG W H，TYERMAN S D.Inhibition of water channels by HgCl2in intact wheat root cells[J].Plant Physiology，1999，120：849-857.

［12］XYLANDER M，HAGEN C，BRAUNE W.Mercury increases light susceptibility in the green alga Haematococcus lacustris[J].Bot Acta，1996，109：222-228.

［13］ABBASE S，ESMAILA，SHARIF J S，et al.Hair mercurylevels in six Iranian sub-populations for estimation of methylmercury exposure：A mini-review[J].Iranian Journal of Toxicology，2012，15：541-547.

［14］DRUMD A.Are toxic biometals destroying your children's future? [J].Biometals，2009，22：697-700.

［15］LIU W X，SHEN L F，LIU J W，et al.Uptake of toxic heavy metals by rice（Oryza sativa L.）cultivated in the agricultural soil near Zhengzhou city，People's Republic of China[J].Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology，2007，79：209-213.

［16］付忠軍.玉米砷、汞積累連鎖定位與全基因組關(guān)聯(lián)分析[D].鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

［17］WANG C C，WANG T，MU P，et al.Quantitative trait loci for mercury tolerance in rice seedlings[J].Rice Science，2013，20（3）：238-242.

［18］YUJ Y，HUH T，WANGCC，et al.QTLanalysis ofmercurytolerance and accumulation at the seedling stage in rice（Oryza sativa L.）[J].Journal of Food Agriculture and Environment，2011，9（2）：748-752.

［19］CHEN Z，PAN Y H，WANG S S，et al.Overexpression of a protein disulfide isomerase-like protein from Methanothermobacter thermoautotrophicum enhances mercurytolerance in transgenic rice[J]. Plant Science，2012，197：10-20.

［20］NIU Z C，ZHANG X S，WANG Z W，et al.Field controlled experiments on the physiological responses ofmaize（Zea mays L.）leaves to low-level air and soil mercury exposures[J].Enviroment Pollution，2011，159：2684-2689.

［21］PRIYANKA G，MEETA J，JULIANA S，et al.Inhibition of 5-aminolevulinic acid dehydratase by mercury in excised greening maize leaf segments[J].Plant Physiology and Biochemistry，2013，62：63-69.

［22］RUBEN R A，CRISTINA O V，ANA A F，et al.A stress responses of Zea mays to cadmium and mercury[J].Plant and Soil，2006，279：41-50.

［23］NIU Z C，ZHANG X S，WANG Z W，et al.Field controlled experiments on the physiological responses ofmaize（Zea mays L.）leaves to low-level air and soil mercury exposures[J].Enviroment Pollution，2011，159：2684-2689.

［24］QIU G L，F(xiàn)ENG X B，LI P，et al.Methylmercury accumulation inrice（Oryza sativa L.）grown at abandoned mercury mines in Guizhou，China[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry，2008，56：2465-2468.

［25］HORVA T M，NOLDE N，F(xiàn)AJON V，et al.Total mercury，methylmercury and selenium in mercury polluted areas in the province Guizhou，China[J].Science of the Total Enviroment，2003，304：231-256.

［26］MENGB，F(xiàn)ENGXB，QIUGL，et al.Distribution patterns of inorganic mercury and methylmercury in tissues of rice（Oryza sativa L.）plants and possible bioaccumulation pathways[J].Journal of A-gricultural and Food Chemistry，2010，58：4951-4958.

［27］ZHANG H，F(xiàn)ENG X B，LARSSEN T，et al.Bioaccumulation of methylmercury versus inorganic mercury in rice（Oryza sativa L.）grain[J].EnvironmentalScience&Technology，2010，44：4499-4504.

［28］YUJ Y，HUH T，WANGCC，et al.QTLanalysis ofmercurytolerance and accumulation at the seedling stage in rice（Oryza sativa L.）[J].Journal of Food Agriculture and Environment，2011，9（2）：748-752.

［29］ISRAR M，SAHI S，DATTA R，et al.Bioaccumulation and physiological effects of mercury in Sesbania drummondii[J].Chemosphere，2006，65：591-598.

［30］WANG Y，GREGER M.Clonal differences in mercury tolerance，accumulation and distribution in willow[J].Journal of Environmental Quality，2004，33：1779-1785.

［31］MENG M，L I B，SHAO J J，et al.Accumulation of total mercury and methylmercury in rice plants collected from different mining areas in China[J].Environmental Pollution，2014，184：179-186.

［32］SIERRA MJ，MILLAN R，ESTEBAN E.Potential use of Solanum melongena in agricultural areas with high mercury background concentrations[J].Food and Chemical Toxicology，2008，46：2143-2149.

［33］SIERRA MJ，MILLAN R，CARDONA A I，et al.Potential cultivation of Hordeum Vulgare L.in soils with high mercury background concentrations[J].International Journal of Phytoremediation，2011，13：765-778.

［34］ZORNOZA P，MILLAN R，SIERRA M J，et al.Efficiency of the white lupin in the removal of mercury from contaminated soils：soil and hydroponic experiments[J].Journal of Environmental Sciences，2009，22（3）：421-427.

［35］LIU R，WANG Q，LV X，et al.Distribution and stock of mercury in typical wetland plant in the Sanjiang Plain[J].Chinese Journal of Applied Ecology，2004，15：287-290.

［36］徐穩(wěn)定.超甜38玉米對(duì)鎘的耐受機(jī)理及強(qiáng)化富集研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2014

［37］HEATON A C P，RUGH C L，WANG N J，et al.Physiological responses of transgenic merA-tobacco（Nicotiana tabacum）to foliar and root mercury exposure[J].Water Air and Soil Pollution，2005，161：137-155.

［38］ZHANG G P，F(xiàn)UKAMI M，SEKIMOTO H.Influence of cadmium on mineral concentrations and yield components in wheat genotypes differingin cd tolerance at seedingstage[J].Field Crops Res，2002，77：93-98.

Analysis of Mercury Accumulation in Different Tissues of Maize

WANGDandan1，LI Weihua2，GUOHaiping2，LIUKun2，YANPengshuai2，F(xiàn)UZhongjun2，XIE Huiling2，BAI Qilin3

（1.College ofBioengineering，Shanxi University，Taiyuan 030006，China；2.College ofAgronomy，Henan Agricultural University，State KeyLaboratoryofWheat and Maize Crop Science，Zhengzhou 450002，China；3.Institute ofCrop Sciences，Shanxi AcademyofAgricultural Sciences，Taiyuan 030031，China）

The heavymetal mercury（Hg）in the soil can accumulate in crops,posing a health threat to humans by the food chain. Tostudythe heavymetal mercuryabsorption and accumulation differences in different maize varieties and tissues,and toselect and breed maize lines with lowmercury accumulation,the differences of mercury absorption and accumulation were detected using 230 elite inbred lines as materials planted on two environments.The results showed that the Hg concentrations for the five measured maize tissues in the population were significantly affected by environment（E）,genotype（G）,and G×E factors.The Hg concentrations in different maize tissues followed the order:leaves＞bracts＞stems＞axis＞kernels.Some lowaccumulation materials were identified,which will provide material foundation for breedingmaize varietywith lowaccumulation and genetic research.

maize（Zea mays L.）;mercury（Hg）;tissues；accumulation

S513

：A

：1002-2481（2017）06-0912-06

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.06.13

2016-12-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31201216）；河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（152102110062）；山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014011004-2）；山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院育種工程項(xiàng)目（16yzgc2027）；山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院種業(yè)發(fā)展專項(xiàng)（2016zy02）

王丹丹（1990-），女，山西柳林人，在讀碩士，研究方向：玉米遺傳育種。白琪林為通信作者。