外加Cd处理下不同作物品种Cd吸收与分配的基因型差异

郑艳梅 ，扈新莹，陈　喜，史　静

(1.昆明市民办科技机构管理处，云南 昆明 650041；2.云南农业大学资源与环境学院，昆明长水国际机场动力能源部，云南 昆明 650201)



外加Cd处理下不同作物品种Cd吸收与分配的基因型差异

郑艳梅1，扈新莹2，陈喜2，史静1

(1.昆明市民办科技机构管理处，云南 昆明 650041；2.云南农业大学资源与环境学院，昆明长水国际机场动力能源部，云南 昆明 650201)

采用溶液培养法，研究了Cd胁迫下16种云南主栽作物的Cd分配、累积以及根部和地上部对Cd的富集之间的相关性。结果表明：供试作物地上部和根部的Cd含量与溶液中的Cd含量密切相关，供试作物之间对Cd的耐性差异明显。高浓度Cd处理抑制供试作物的生长，其根系能够大量富集Cd。不同供试作物类型对Cd的富集存在差异，各供试作物类型之间对Cd的富集从高到低为烤烟>蔬菜类>油料类>禾谷类，各供试作物品种之间又存在明显的种间差异。低浓度Cd处理5μmol/L时，蔬菜类作物4号作物鲁春白(白菜)地上部分最低Cd的富集浓度为0.31mg/kg，油料作物15号作物花油6号(油菜)地上部分最低Cd的富集浓度为0.30mg/kg，禾谷类作物10号作物云选11-12(小麦)地上部分最低Cd的富集浓度为0.23mg/kg，符合Cd在食品中的国家安全标准，因此上述3种作物在低浓度Cd胁迫下表现出低富集能力，为低Cd污染土壤的安全高效利用提供了依据。

镉处理；作物品种；吸收与分配；基因型差异

0　引言

土壤重金属污染问题是当今土壤科学与环境科学研究的焦点之一，其中重金属元素镉(Cadmium, Cd)是污染面积最大、在人类活动影响下、在地表环境中释放和在土壤-作物-人体食物链中迁移较为活跃的元素，对动植物和人类具有较大毒性[1]。我国农田土壤环境中Cd的全量和有效态含量不断升高[2]，农田Cd污染问题严峻，有研究指出全国Cd污染比较严重的农田面积可能达13.3万hm2[3]。当前，我国土壤重金属污染及由此引发的蔬菜安全问题较为严重[4]，目前与矿产资源相关的工业活动及污灌等活动已经导致干旱区绿洲土壤出现了不同程度的Cd-Zn 污染，近年来Pb亦随着许多工业活动不断进入土壤[5.6]。而在我国人多地少耕地资源相对不足的前提下，进行农田土壤Cd污染修复，彻底改变污染耕地的利用属性不具备现实可行性。

Cd 是生物迁移性很强的元素，极易被植物吸收并积累，超过一定限度不仅严重影响作物的产量和品质，且会通过食物链富集危害人体健康。人类对重金属Cd的吸收途径主要以土壤-作物-食品-人体迁移为主[7]，由于Cd毒害的机制是渐进性地干扰体内肾代谢功能和骨骼形成，即使是低剂量的水平下，长期的暴露对人类健康也有严重的威胁。因而生长于土壤中的农产品中的Cd水平直接影响到人类健康。

植物对Cd的吸收积累存在种内和种间差异已得到越来越多的证实。植物对Cd胁迫的耐受性和Cd在植物体内的累积性都存在明显的种间和种内差异[8-10]。因此导致植物生物量显著降低的环境或植物体内Cd的临界值在不同物种或品种间存在很大差异；同样，在环境Cd浓度相同的情况下，不同物种或品种植体内的Cd含量也会有很大差异。据Clarke等报道，一些作物，如玉米、普通小麦、硬粒小麦等作物籽粒中的Cd含量都具有遗传变异现象。还发现硬粒小麦籽粒Cd含量主要受单基因控制，低Cd含量为显性，因此很容易在育种中进行遗传操纵。水稻的品种及基因型对Cd在土壤-稻米的迁移具有重要的影响。

在我国人多地少耕地资源相对不足的前提下，进行农田土壤Cd污染修复，彻底改变污染耕地的利用属性不具备现实可行性，农田Cd污染土壤的处理应采用农业生态整治与安全高效利用策略[3]。工作思路为将农田轻度Cd污染土壤作为一种特殊农业资源，通过利用耐污染力强、经济价值高的作物，取代污染敏感作物，在污染农区构造新的生产经营模式，使污染土地资源在农业领域重新获得安全而高效益的利用。

本研究对云南省农田栽培的主要作物的耐Cd污染性能进行分析，筛选出对土壤Cd吸收量少或向可食部分分配比例低的作物品种，提出Cd污染农田土壤上Cd低累积品种选育的重要性，以期为Cd污染农区合理调整种植制度，建立抗污染的高效生态经济模式提供科学依据。

1　材料与方法

1.1材料培养

供试种子选取云南省农田主栽作物品种。作物类型主要包括蔬菜作物(生菜、白菜)、禾谷类作物(水稻、麦类、玉米)、油料作物(油菜、大豆)等。具体供试作物品种编号见表1。

表1　作物品种及编号

将供试种子先用清水浸种2h，然后再用50%的多菌灵800倍液浸泡20min，用清水冲洗3次。用自来水浸种24h后，于25℃恒温培养箱中催芽。待种子露白，挑选出芽一致的种子，用镊子小心地移入装有基质的育苗盘中。向盘中撒清水，并将育苗盘放入自来水中静置2d。将育苗盘移入含Hoagland营养液的20L容器中。Hoagland营养液的组成为1mol/L Ca(NO3)2、1mol/L KNO3、1mol/L MgSO4·7H2O、1mol/L KH2PO4、1mol/L Fe-EDTA、1mol/L H3BO3、1mol/L CuSO4·5H2O、1mol/L ZnSO4·7H2O、1mol/L MnCl2·4H2O、H2MnO4·H2O。培养7d后，分别进行不同浓度的Cd处理。Cd的浓度设置为：0、5、10、25、50μmol/L。含Cd的营养液用0.1mol/L NaOH和0.1mol/L HCl 调节pH至5.5～6.5。每天进行搅动充氧，每3d更换1次营养液。

1.2测试方法

供试作物中Cd的含量测定：将供试作物的地上部和根部分开取样，先用自来水清洗，再用超纯水清洗3次，105℃杀青20min，60℃烘干，用不锈钢粉碎机粉碎，过0.25mm尼龙筛。用HNO3-HClO4混合液消解煮。用火焰原子吸收光谱仪测定地上部和根系的Cd含量。原子吸收分光光度计为AA1700型原子吸收分光光度计。

2　结果与讨论

2.1不同浓度Cd胁迫下不同类型供试作物对Cd的积累

不同浓度Cd胁迫下不同作物类型对Cd的累积量情况见图1～图5。可见，随着Cd添加浓度的升高，供试作物体内Cd的积累量均有不同程度增大，但在50μmol/L Cd溶液的处理下，由于生物量大幅度减小，积累量也降低。同时，根部Cd的积累量显著高于地上部Cd的积累量，这说明供试作物对Cd的吸收具有生物屏障的作用，一般认为重金属耐性品种更多地将重金属储存在根部，而敏感性品种则将重金属运输到地上部[7]。因此可以看出，供试品种多为耐Cd性作物。

不同浓度Cd处理下，Cd的累积量在不同的作物类型之间差异明显。地上部分蔬菜类Cd的积累量在0.05～76.26μg/株，禾谷类Cd的积累量在0.04～40.33μg/株，油料作物及烤烟Cd的积累量在0.06～109.96μg/株，因此，在不同作物类型之间，禾谷类作物地上部分Cd的累积量最低，是最耐Cd的作物类型。

在禾谷类作物中，高浓度Cd处理下作物地上部分Cd的积累量在14.9～40.33μg/株，因此对Cd的积累存在明显的种间差异。5号作物沪糯88(玉米)在高浓度Cd处理下，Cd的积累量为14.9μg/株，是最耐Cd的作物品种。

2.2不同浓度Cd处理在各供试作物体内的分配效应

在不同的Cd处理浓度下，各供试作物的地上部和根部的Cd大量富集。从图6～图8可以看出，各供试作物的根系可以富集大量的Cd，且富集量远远大于地上部的富集量。这个结果与对3种农作物中镉积累的研究结果一致[11]。各供试作物各部分的Cd含量与溶液中Cd的添加浓度密切相关。由于Cd在不同作物体内的运转速率及分布特征不同，由图6～图8可知，不同作物类型单位组织对Cd的吸收量的吸收顺序为：禾谷类<油料类<蔬菜类。

具体到各种作物类型来看，蔬菜类作物在低Cd处理浓度5μmol/L时，4号作物鲁春白(白菜)地上部分最低Cd的富集浓度为0.31mg/kg，符合国家安全标准，为食用及种植安全作物。禾谷类作物在低Cd处理浓度5μmol/L时，10号作物云选11-12(小麦)地上部分最低Cd的富集浓度为0.23mg/kg，符合国家安全标准，为食用及种植安全作物。油料作物及烤烟在低Cd处理浓度5μmol/L时，15号作物花油6号(油菜)地上部分最低Cd的富集浓度为0.30mg/kg，符合国家安全标准，为食用及种植安全作物。

2.3供试作物地上部分吸收量和根部吸收量之间的相关性

图9是供试作物地上部含Cd量和根部含Cd量的相关性分析。图中可以看出各供试作物地上部的Cd富集量和根部的Cd富集量呈显著正相关，随着Cd处理浓度的增加，各供试作物的地上部和根部的Cd富集量也随之呈明显上升趋势，显著性明显。

3　结论

(1)供试作物均为重金属Cd的耐性植物，根部能富集大量的Cd，高浓度Cd胁迫下，根部Cd含量最高可达16.87mg/kg，最低达0.93mg/kg，其地上部和根部的Cd的富集量均随着Cd处理浓度的增加而上升，并呈现良好的线性关系。随着Cd处理浓度的增加，地上部和根部的生长均受到抑制，生物量都有不同程度的减少。

(2)供试作物之间的种间差异表现明显，总体来说在高浓度Cd溶液的胁迫下，各供试作物类型之间的抗性对比结果为烤烟>蔬菜类>油料类>禾谷类，而各作物类型之间又分别有烤烟品种云烟87、蔬菜类作物意大利生菜F1、禾谷类作物水稻滇杂42以及油料作物蚕豆云豆8号在高浓度Cd溶液的胁迫下，依然表现出良好的抗性。

(3)供试作物地上部和根部的Cd含量与溶液中的Cd含量密切相关。溶液中Cd含量从5μmol/L增加到50μmol/L，地上部和根部的Cd含量随之增加，达到了显著水平，但处理间显著性不同。根部Cd含量极显著高于地上部，可见，根部对Cd的积累能力最强。在试验中植株茎叶和根系Cd含量的高度相关性也说明了植株的不同部分的Cd积累特性是可以再现的。

(4)Cd在食品中的国家安全标准为0.5mg/kg，检出的低浓度Cd处理5μmol/L时，蔬菜类作物4号作物鲁春白(白菜)地上部分最低Cd的富集浓度为0.31 mg/kg，油料作物15号作物花油6号(油菜)地上部分最低Cd的富集浓度为0.30mg/kg，禾谷类作物10号作物云选11-12(小麦)地上部分最低Cd的富集浓度为0.23 mg/kg，符合国家标准，因此这3种供试作物均为食用及种植安全作物品种。在轻度Cd污染的土壤上可以考虑种植抗性最佳的3种作物。

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The Genotypic Differences in Cd Absorption and Distribution to Different Crops

ZHENG Yan-mei1, HU Xin-ying2,CHEN Xi2,SHI Jing1

(1.Kunming Municipal Management Office of Private Science and Technology Institution，KunmingYunnan 650041,China)

This paper studied the biomass, distribution, accumulation, and correlation analysis of Cd in shoots and roots of sixteen Yunnan's main crops by adding different concentration of Cd in the hydroponic culture. The results showed that Cd concentration in shoots and roots closely related to Cd. The tolerance of Cd was different in crops. High concentrations of Cd inhibited the crops from growing, and the root system was enriched abundant of Cd. Different cultivars absorbed different amount of Cd. The results showed that the ability of Cd accumulation in different cultivars was: tobaccos>vegetable crops>oil corps>cereal crops. The obvious differences between species were found. The minimum concentration of the number 4 crop was 0.31mg/Kg. The number 15 crop was 0.30mg/kg. The number 10 crop was 0.23mg/kg. The accumulation of Cd of these crops met the national food safety standards. Therefore, the above three crops were the strongest Cd tolerant crops in low Cd concentration.

cadmium; crop; uptake and distribution; genotypic difference

2015-12-31

国家自然科学基金 (41301349)；云南省应用基础研究计划项目 (2013FB043)。

史静(1980-)，女，博士，副教授，主要从事土壤-植物体系重金属迁移方面的研究。

X171

A

1673-9655(2016)05-0001-05