張 彪，段恩忠，師振亞，程海寬，周志云，周 振，孫曉雪，苗麗娟，楊素勤*

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450002； 2.駐馬店市農(nóng)村能源環(huán)境保護(hù)站，河南 駐馬店 463000;3.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 經(jīng)濟(jì)作物研究所，河南 鄭州 450002)

不同玉米品種鎘積累及運(yùn)移差異性研究

張 彪1，段恩忠2，師振亞1，程海寬1，周志云1，周 振1，孫曉雪1，苗麗娟3，楊素勤1*

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450002； 2.駐馬店市農(nóng)村能源環(huán)境保護(hù)站，河南 駐馬店 463000;3.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 經(jīng)濟(jì)作物研究所，河南 鄭州 450002)

為篩選出低積累鎘(Cd)的玉米品種，選取25個(gè)玉米品種，在Cd污染耕地上進(jìn)行田間試驗(yàn)，研究Cd在不同玉米品種植株內(nèi)的積累、轉(zhuǎn)運(yùn)和富集差異性。結(jié)果表明，21個(gè)玉米品種籽粒Cd含量符合GB 2715—2005《糧食衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(≤0.1 mg/kg)，但只有濟(jì)單7號(hào)、農(nóng)華101、鄭單136、鄭韓358、鄭單958、蠡玉37、蠡玉13、先玉335八個(gè)品種符合NY 861—2004《糧食及制品中鉛、鉻、鎘、汞、硒、砷、銅、鋅等8種元素限量》(≤0.05 mg/kg)。玉米不同器官Cd含量由高到低依次為根、莖葉、籽粒。玉米對(duì)重金屬的運(yùn)移及積累研究結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，籽粒Cd積累的品種差異主要在于Cd從莖葉向籽粒中轉(zhuǎn)移的能力。8個(gè)Cd低積累特性品種從根系向籽粒的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)平均為0.002 9，籽粒對(duì)土壤中Cd的富集系數(shù)平均為0.007 1。其中，濟(jì)單7號(hào)和農(nóng)華101具有成為Cd低積累特性品種的潛力。

玉米； 鎘； 低積累； 吸收； 轉(zhuǎn)運(yùn)

根據(jù)《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》[1]，全國(guó)土壤污染超標(biāo)率達(dá)16.1%，耕地點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)19.4%。其中，鎘(Cd)元素的點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)7.0%，在所有污染物中比例最高。Cd容易進(jìn)入食物鏈，在人體內(nèi)蓄積對(duì)健康產(chǎn)生嚴(yán)重威脅[2]。土壤Cd污染已成為人類(lèi)生存環(huán)境與健康的主要威脅之一。因此，針對(duì)耕地Cd污染條件下農(nóng)產(chǎn)品安全進(jìn)行研究具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。目前，篩選對(duì)重金屬低積累的作物品種，使可食用部位重金屬含量達(dá)到安全食用標(biāo)準(zhǔn)，降低重金屬向食物鏈轉(zhuǎn)移，是一個(gè)行之有效的方法。該方法既可以充分利用耕地，又可以保證糧食安全[3]，同時(shí)也能為聯(lián)合其他技術(shù)修復(fù)土壤提供種質(zhì)資源。

目前，作物對(duì)重金屬吸收的種內(nèi)差異研究主要集中于玉米[4-5]、水稻[6-8]、小麥[9]、白菜[10]等。玉米具有種植面積廣、生長(zhǎng)周期短、生物量大等特點(diǎn)，且其籽粒對(duì)重金屬的累積能力較低，篩選出適宜的具有重金屬低積累特性的玉米品種，將成為土壤修復(fù)的重要手段。重金屬?gòu)耐寥肋M(jìn)入玉米籽粒經(jīng)歷了土壤—根系、根系—莖、莖—葉—籽粒等過(guò)程，若要進(jìn)一步確定重金屬的關(guān)鍵運(yùn)輸環(huán)節(jié)則需通過(guò)測(cè)算轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)、富集系數(shù)[4-5]，然而，目前，針對(duì)河南地區(qū)廣泛種植的玉米品種的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)和富集差異性研究較為缺乏。此外，不同積累特性的玉米品種籽粒Cd含量尤其是在豫北石灰性污染土壤條件下的Cd積累水平研究也較少。鑒于此，選用河南省種植的25個(gè)玉米品種，以籽粒Cd積累水平為切入點(diǎn)，研究Cd在玉米體內(nèi)的積累、轉(zhuǎn)運(yùn)和富集差異性，力圖篩選出具有Cd低積累特性的玉米品種，為安全利用重金屬污染耕地提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1試驗(yàn)地概況與供試材料

試驗(yàn)地選擇豫西某冶煉企業(yè)西1.5 km的耕地，該地土壤理化性質(zhì)：pH值 7.8，有機(jī)質(zhì)含量19.99 g/kg，速效磷含量22.95 mg/kg，速效鉀含量177.4 mg/kg，堿解氮含量177.64 mg/kg，全鎘含量4.9 mg/kg，DTPA提取態(tài) Cd含量 1.73 mg/kg。河南省“七五”期間調(diào)查該地區(qū)土壤Cd背景值為 0.074 mg/kg[11]。

供試玉米品種：濟(jì)單7號(hào)、農(nóng)華101、鄭單136、鄭韓358、鄭單958、蠡玉37、蠡玉13、先玉335、囤玉118、漯玉336、中科11、豫禾858、京科220、漯單9號(hào)、浚單20、鄭韓9號(hào)、金駱駝335、德利農(nóng)988、新單33、豫單811、張玉9號(hào)、登海605、金丹3號(hào)、淦玉178和陽(yáng)光98，共計(jì)25個(gè)。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，試驗(yàn)共分3個(gè)區(qū)組，每個(gè)區(qū)組均分為25個(gè)小區(qū)，每個(gè)區(qū)組內(nèi)隨機(jī)種植25個(gè)品種。每個(gè)小區(qū)種4行，行距50 cm，株距35 cm，按當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)模式進(jìn)行田間管理。

1.3測(cè)定項(xiàng)目及方法

植株Cd含量：隨機(jī)選取5株成熟玉米植株，分根、莖葉、籽粒三部分。105 ℃殺青后，85 ℃烘至恒質(zhì)量，粉碎，充分混勻。用混合酸(VHNO3∶VHClO4=4∶1)進(jìn)行消煮，采用原子吸收分光光度法(ZEEnit 700)測(cè)定。

Cd富集系數(shù)(BCF)及轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)[12]計(jì)算：

BCF莖葉=莖葉Cd含量/土壤中Cd含量；

BCF籽粒=籽粒Cd含量/土壤中Cd含量；

TF(籽粒/根)=籽粒Cd含量/根Cd含量；

TF(莖葉/根)=莖葉Cd含量/根Cd含量；

TF(籽粒/莖葉)=籽粒Cd含量/莖葉Cd含量。

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010和DPS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1不同玉米品種籽粒的Cd含量分析

由表1可見(jiàn)，25個(gè)玉米品種籽粒的Cd含量為0.023～0.123 mg/kg，平均含量為0.065 mg/kg，其中，濟(jì)單7號(hào)籽粒Cd含量最低，陽(yáng)光98籽粒Cd含量最高。整體上，玉米品種間籽粒Cd含量存在較大差異(圖1)。GB 2715—2005《糧食衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，玉米籽粒Cd限量為0.1 mg/kg；NY 861—2004《糧食及制品中鉛、鉻、鎘、汞、硒、砷、銅、鋅等8種元素限量》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《糧食限量標(biāo)準(zhǔn)》)規(guī)定，玉米籽粒限量為0.05 mg/kg。參照此標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)，有21個(gè)玉米品種的籽粒Cd含量符合GB 2715—2005《糧食衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，但僅有8個(gè)品種符合NY 861—2004《糧食限量標(biāo)準(zhǔn)》。

表1 玉米籽粒Cd含量分析

不同小寫(xiě)字母表示品種間差異顯著(P<0.05)，下同圖1 不同玉米品種籽粒的Cd含量

為便于數(shù)據(jù)比較，將25個(gè)玉米品種籽粒Cd含量分成3類(lèi)，第1類(lèi)為Cd積累相對(duì)較弱品種(≤0.05 mg/kg)，這類(lèi)籽粒Cd含量符合《糧食限量標(biāo)準(zhǔn)》；第2類(lèi)為Cd積累一般品種(>0.05 mg/kg但≤0.1 mg/kg)，品種籽粒Cd含量符合《糧食衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》但不符合《糧食限量標(biāo)準(zhǔn)》；第3類(lèi)為Cd積累較強(qiáng)品種(>0.1 mg/kg)，品種籽粒Cd含量不符合《糧食衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》。本研究重點(diǎn)分析第1類(lèi)玉米和第3類(lèi)玉米對(duì)Cd的吸收富集差異。

2.2不同Cd積累強(qiáng)度玉米品種籽粒、莖葉、根的Cd含量

由表2可知，玉米品種不同部位Cd含量表現(xiàn)為根>莖葉>籽粒。由此分析，根是玉米吸收和儲(chǔ)存重金屬的主要器官，對(duì)Cd向地上部運(yùn)輸起到限制作用。

Cd積累作用相對(duì)較弱的8個(gè)玉米品種中，籽粒Cd含量平均為0.035 mg/kg，其中，濟(jì)單7號(hào)、農(nóng)華101的籽粒Cd含量顯著低于其他6個(gè)品種，但這6個(gè)品種間的籽粒Cd含量差異不顯著。Cd積累作用相對(duì)較強(qiáng)的4個(gè)品種中，籽粒Cd含量平均為0.111 mg/kg，為《糧食衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定玉米籽粒Cd限量的1.11倍。其中，陽(yáng)光98、淦玉178的籽粒Cd含量顯著高于金丹3號(hào)和登海605。Cd積累相對(duì)較強(qiáng)的玉米品種平均籽粒Cd含量是Cd積累相對(duì)較弱品種的3.17倍。

Cd積累作用相對(duì)較弱的8個(gè)玉米品種莖葉Cd含量平均為6.534 mg/kg，Cd積累作用相對(duì)較強(qiáng)的4個(gè)品種莖葉Cd含量平均為6.120 mg/kg，Cd積累相對(duì)較弱品種平均莖葉Cd含量略高于Cd積累相對(duì)較強(qiáng)的品種。Cd積累作用相對(duì)較弱的8個(gè)品種根Cd含量平均為12.156 mg/kg，Cd積累作用相對(duì)較強(qiáng)的4個(gè)品種根Cd含量平均為12.232 mg/kg。

表2 不同Cd積累強(qiáng)度玉米品種籽粒、莖葉、根的Cd含量 mg/kg

注：同列不同小寫(xiě)字母表示品種間差異顯著(P<0.05)，下同。

2.3不同Cd積累強(qiáng)度玉米品種的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)及富集系數(shù)

TF籽粒/根表示重金屬?gòu)母肯蜃蚜Ｖ械霓D(zhuǎn)運(yùn)程度，TF莖葉/根是重金屬?gòu)母肯蚯o葉中的轉(zhuǎn)運(yùn)程度，二者比例越小，表明重金屬?gòu)母肯蜃蚜：颓o葉中轉(zhuǎn)運(yùn)越困難；TF籽粒/莖葉表示重金屬?gòu)那o葉向籽粒中轉(zhuǎn)運(yùn)的能力，比值越大，表明重金屬越容易從莖葉中向籽粒中轉(zhuǎn)運(yùn)。由表3可知，2類(lèi)玉米品種不同部位轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)表現(xiàn)為T(mén)F莖葉/根>TF籽粒/莖葉>TF籽粒/根。Cd積累作用相對(duì)較強(qiáng)的玉米品種TF籽粒/根和TF籽粒/莖葉均高于Cd積累作用相對(duì)較弱的品種，Cd積累作用相對(duì)較強(qiáng)的品種其平均TF籽粒/根為0.009 2，是Cd積累作用相對(duì)較弱品種(0.002 9)的3.17倍；Cd積累作用相對(duì)較強(qiáng)的玉米品種其平均TF籽粒/莖葉為0.020 1，是Cd積累作用相對(duì)較弱品種(0.005 6)的3.59倍。Cd積累作用相對(duì)較強(qiáng)的玉米品種TF莖葉/根為0.486 2，僅為Cd積累作用相對(duì)較弱品種(0.554 0)的0.877。據(jù)此分析，相比于Cd從根部向莖葉的轉(zhuǎn)移能力(TF莖葉/根)，Cd從莖葉向籽粒轉(zhuǎn)移的能力(TF籽粒/莖葉)較弱。此外，Cd從根系進(jìn)入籽粒的過(guò)程中，Cd積累作用相對(duì)較弱和較強(qiáng)的品種主要區(qū)別在于Cd從莖葉向籽粒中轉(zhuǎn)移的能力(TF籽粒/莖葉)。

表3 玉米不同部位Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

BCF籽粒表示籽粒對(duì)Cd的富集能力，BCF莖葉則代表莖葉對(duì)Cd的富集能力。由圖2可知，2類(lèi)玉米品種不同部位的富集系數(shù)均表現(xiàn)為BCF莖葉>BCF籽粒。Cd積累作用相對(duì)較弱的玉米品種平均BCF籽粒為0.007 1，其中，濟(jì)單7號(hào)和農(nóng)華101的最低，分別為0.004 6和0.005 0；Cd積累作用相對(duì)較強(qiáng)的玉米品種平均BCF籽粒為0.022 6，是Cd積累作用相對(duì)較弱品種的3.18倍，Cd積累作用相對(duì)較強(qiáng)的玉米品種，其籽粒更易富集Cd。Cd積累作用相對(duì)較強(qiáng)的玉米品種平均BCF莖葉為1.198，是Cd積累作用相對(duì)較弱品種(1.333)的0.90倍?？梢?jiàn)，玉米對(duì)Cd富集能力的差異在于籽粒對(duì)Cd富集能力的強(qiáng)弱程度。

圖2 不同玉米品種籽粒與莖葉的Cd富集系數(shù)

3 結(jié)論與討論

本研究供試25個(gè)玉米品種中，21個(gè)品種的籽粒Cd含量符合GB 2715—2005《糧食衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(≤0.1 mg/kg)，但其中只有8個(gè)品種符合NY 861—2004《糧食限量標(biāo)準(zhǔn)》(≤0.05 mg/kg)，分別是濟(jì)單7號(hào)、農(nóng)華101、鄭單136、鄭韓358、鄭單958、蠡玉37、蠡玉13、先玉335。這些品種由根系向籽粒的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)平均為0.002 9，籽粒Cd富集系數(shù)平均為0.007 1，遠(yuǎn)小于1。

重金屬在植物體內(nèi)富集經(jīng)過(guò)3個(gè)過(guò)程：(1)重金屬?gòu)耐寥肋M(jìn)入植物根部；(2)借助木質(zhì)部從根部到莖部，即本研究中TF(莖葉/根)；(3)從莖到籽粒[13]，即本研究中TF(籽粒/莖葉)。筆者發(fā)現(xiàn)，污染耕地中Cd積累作用相對(duì)較弱與相對(duì)較強(qiáng)的玉米品種對(duì)Cd的吸收差異主要在于后面2個(gè)過(guò)程。Florijn等[14]研究證明，Cd在植物體內(nèi)主要以自由離子形式在木質(zhì)部流液中運(yùn)輸。另外，重金屬向地上部運(yùn)輸還受蒸騰作用的影響，研究認(rèn)為，蒸騰作用越強(qiáng)，重金屬向莖葉中運(yùn)輸?shù)脑蕉郲15]。不同基因型玉米的凱氏帶結(jié)構(gòu)及木質(zhì)部、韌皮部?jī)?nèi)部化合物種類(lèi)和含量不同，造成蒸騰作用存在差異，這些差異導(dǎo)致不同玉米品種對(duì)重金屬的吸收存在顯著差異，為篩選重金屬低積累玉米品種提供了理論基礎(chǔ)。

受重金屬脅迫時(shí)，作物的耐性必然受體內(nèi)重金屬不同化學(xué)形態(tài)含量及體內(nèi)重金屬亞細(xì)胞分布的影響。研究發(fā)現(xiàn)，玉米Cd積累的品種差異可能與其體內(nèi)Cd的化學(xué)形態(tài)、亞細(xì)胞形態(tài)分布差異有關(guān)[16]。高積累Cd水稻品種體內(nèi)的可溶性Cd含量顯著高于低Cd品種，乙醇提取態(tài)和去離子水提取態(tài)Cd含量所占比例同樣高于低Cd水稻品種[17]。受Cd脅迫時(shí)，Cd敏感型大麥中的Cd主要分布在葉綠體等細(xì)胞器中，其含量明顯高于耐Cd型大麥品種，且體內(nèi)的活性態(tài)Cd含量同樣高于耐Cd型品種[18]。因此，今后可進(jìn)一步研究不同Cd吸收類(lèi)型玉米品種體內(nèi)Cd化學(xué)形態(tài)及亞細(xì)胞分布的差異，為Cd低積累品種的篩選提供進(jìn)一步的理論基礎(chǔ)。

關(guān)于低積累、低吸收重金屬的農(nóng)作物品種篩選，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)做了較為廣泛的研究[19]，但低積累品種沒(méi)有詳細(xì)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，任何標(biāo)準(zhǔn)其最重要的特征均是植物可食部位的重金屬含量符合安全標(biāo)準(zhǔn)。劉維濤等[20]對(duì)低積累重金屬的植物概括得比較全面，認(rèn)為理想的低積累重金屬的植物應(yīng)同時(shí)具備4個(gè)特征：(1)植物地上部和根部重金屬積累很低或可食部位低于有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；(2)植物尤其是可食部位對(duì)重金屬的富集系數(shù)<1；(3)重金屬由根系向莖葉的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)<1；(4)在較高的重金屬污染下能夠正常生長(zhǎng)且生物量無(wú)明顯下降。這一觀點(diǎn)，從作物品種對(duì)重金屬的吸收累積能力、可食部位重金屬積累以及作物產(chǎn)量多個(gè)方面進(jìn)行劃分，比較全面詳細(xì)，但在實(shí)際工作中，所需測(cè)定數(shù)據(jù)量大、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。且通過(guò)本研究發(fā)現(xiàn)，所選25個(gè)玉米品種的籽粒Cd富集系數(shù)和Cd從根系向莖葉的轉(zhuǎn)移系數(shù)均小于1，因此關(guān)于對(duì)重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)、富集系數(shù)小于1的劃分標(biāo)準(zhǔn)較為寬松。筆者認(rèn)為，具有重金屬低積累特性的玉米品種應(yīng)具備可食部位重金屬含量低于有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)量沒(méi)有明顯減少，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)、富集系數(shù)還應(yīng)通過(guò)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究確定。

總體而言，本研究中參試玉米品種不同器官Cd含量由高到低依次均為根、莖葉、籽粒，籽粒Cd富集系數(shù)均小于1，不同玉米品種對(duì)Cd的吸收差異較大。Cd積累作用較強(qiáng)和較弱的2類(lèi)品種主要區(qū)別在于Cd從莖葉向籽粒中轉(zhuǎn)移的能力，本研究中濟(jì)單7號(hào)和農(nóng)華101具有成為Cd低積累特性品種的潛力。

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Study on the Differences in Cadmium Accumulation and Transport among Maize Cultivars

ZHANG Biao1,DUAN Enzhong2,SHI Zhenya1,CHENG Haikuan1,ZHOU Zhiyun1,ZHOU Zhen1,SUN Xiaoxue1,MIAO Lijuan3,YANG Suqin1*

(1.College of Resources and Environment,Henan Agricultural University,Zhengzhou 450002,China;2.Zhumadian Rural Energy Environmental Protection Station,Zhumadian 463000,China;3.Industrial Crops Research Institute,Henan Academy of Agricultural Sciences,Zhengzhou 450002,China)

Field experiment in cadmium(Cd) polluted farmland was conducted to study differences in Cd transportation and accumulation among cultivars by using twenty-five maize cultivars.The results showed that twenty-one cultivars of grain Cd content could meet the hygienic standard for grains GB 2715—2005(0.1 mg/kg or less),but only eight cultivars(Jidan 7 and Nonghua 101,Zhengdan 136,Zhenghan 358,Zhengdan 958,Liyu 37,Liyu 13,Xianyu 335) could reach the hygienic limit standard for grains NY 861—2004(0.05 mg/kg or less).The contents of the Cd for different maize organs in descending order were the root,the stem leaf,and the grain.Further study on the transportation and accumulation of heavy metal confirmed that the differences among cultivars in grain Cd content mainly depended on the Cd transfer capacity from the stem leaf to the grain.These eight cultivars had an average transport coefficient from root to seed of 0.002 9 and enrichment coefficient for seed of 0.007 1.Among them,Jidan 7 and Nonghua 101 have low-accumulation characteristics.

maize; Cd; low accumulation; uptake; transport

2017-02-07

河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(162102110127)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41571320)；河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(KJCX2016A15)

張 彪(1984-)，男，河南焦作人，講師，博士，主要從事土壤污染修復(fù)研究。E-mail:zhangbiao6136@163.com

*通訊作者：楊素勤(1962-)，女，河南鄭州人，教授，本科，主要從事農(nóng)田重金屬污染防控與修復(fù)研究。 E-mail:yang_suqin@126.com

S513

： A

： 1004-3268(2017)09-0025-05