不同基因型小麦的Pb积累特性及Pb对矿质元素积累的影响

胡铁柱，李小军，丁卫华，张自阳，董 娜，李 淦，孙海燕，游晴晴，茹振钢

(河南科技学院 小麦中心/河南省现代生物育种协同创新中心，河南 新乡 453003)

不同基因型小麦的Pb积累特性及Pb对矿质元素积累的影响

胡铁柱，李小军，丁卫华，张自阳，董 娜，李 淦，孙海燕，游晴晴，茹振钢

(河南科技学院 小麦中心/河南省现代生物育种协同创新中心，河南 新乡 453003)

利用Hoagland’s营养液培养的方法，探讨了百农1306、百农1309、百农160、百农418、温麦6号、周麦18、周麦22和周麦26等8个不同基因型小麦品种(系)的Pb积累特性，以筛选出籽粒Pb低积累型小麦品种(系)，并研究了Pb对小麦Ca、Mg、Fe和K等矿质元素积累的影响，为解决重金属积累和矿质营养利用之间的矛盾奠定基础。结果表明，小麦籽粒Pb含量存在基因型差异，百农418籽粒Pb含量最低，温麦6号Pb含量最高。根据同一品种(系)的最高Pb含量部位，将8个小麦品种(系)分为籽粒型、颖壳型、叶片型，对应品种(系)分别为温麦6号，百农1306、百农1309、周麦22，百农160、百农418、周麦18、周麦26。与不加Pb(NO3)2的对照相比，Pb(NO3)2处理后，8个小麦品种(系)不同部位的Ca、K、Mg、Fe含量变化不同。除周麦22茎秆中Ca含量显著增加外，其他7个品种(系)均降低；8个品种(系)茎秆(周麦22、26除外)、叶片和颖壳中K含量均呈降低趋势；温麦6号和周麦18籽粒中Mg含量显著增加，其他6个品种(系)均显著降低；8个品种(系)叶片中Fe含量均升高。百农418和周麦26的Ca、百农1306和百农418的K、周麦18和周麦26的Mg含量(籽粒除外)变化模式相同。

小麦； 基因型； Pb； 矿质元素； 积累

重金属是农业环境和农产品的重要污染物质。随着工业化和现代农业的快速发展，我国重金属污染事件频繁发生，受重金属污染的耕地面积超过2 000万hm2，每年因此造成的粮食减产达1 000万t，重金属污染的粮食达1 200万t，合计农业损失至少在200亿元以上[1]。土壤中的重金属分为植物必需的微量元素(Cu、Zn等)和非必需元素(Pb、Cd和Hg等)，其中Pb是土壤的重要污染源。土壤中的Pb主要来源于采矿和冶炼工业以及含Pb涂料、纸张、汽油、炸药等的生产和使用，城市污水、淤泥中也含有大量的Pb。因此，不能自主移动的植物不可避免地会受到Pb污染的毒害，继而通过食物链危及人类的身体健康[2-7]。小麦(Triticumaestivum)是我国重要的粮食作物，研究其对Pb的吸收、转运以及累积特性对于降低食用风险有重要意义。以往关于Pb对小麦影响的研究多集中于生物学性状以及抗氧化酶活性等生理效应方面[8-10]，对Pb吸收能力的品种差异研究较少[11-12]，而且关于Pb对小麦中必需矿质元素积累的影响研究未见报道。鉴于此，以8个不同基因型小麦品种(系)为材料，分析其Pb积累、分配特征及Pb对Ca、Mg、Fe和K等矿质元素积累的影响，以期更深入地了解小麦对Pb和必需矿质元素的吸收、分配规律，解决重金属积累和矿质营养利用之间的矛盾，降低重金属对作物产量和质量的影响，并为籽粒Pb低积累型小麦新品种的选育和应用奠定基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试材料为温麦6号、百农160、周麦26、周麦22、百农418、周麦18、百农1306和百农1309等8个不同基因型的小麦品种(系)，均由河南科技学院小麦中心提供。

1.2 试验设计

将从河南科技学院辉县试验基地挑选的四叶一心、长势一致且通过春化作用的8个品种(系)的小麦苗做2种处理：一种是直接在Hoagland’s营养液[13]中培养(CK)，另一种是在添加Pb(NO3)2的Hoagland’s营养液中培养，Pb(NO3)2的终质量浓度为140 mg/L。每处理24株。前期每2周更换一次营养液，6周后根据营养液的损耗情况酌情补充，直至成熟。

1.3 元素含量测定

成熟期，采集小麦茎秆(地上部1～3节)、叶片(旗叶和倒二叶)、颖壳和籽粒，置于烘干箱中70 ℃烘干至恒质量，用千分之一电子天平称量0.500 g干燥样品，置于含有12 mL混合液(硝酸∶高氯酸=3∶1)的四氟坩埚中硝解12 h。然后在通风橱中置于电热板(约170 ℃)上赶酸，冷却后用3%的硝酸定容至25 mL，摇匀待用。用美国PE公司Optima 2100DV电感耦合等离子体发射光谱仪测定Pb、Ca、Fe、K和Mg含量。

1.4 数据分析

试验数据用Excel 2010和SAS 8.01进行处理和分析。

2 结果与分析

2.1 不同基因型小麦的Pb积累及分配特征

由图1可知，不同基因型小麦相同部位的Pb积累差异较大。根据籽粒Pb含量，8个小麦品种(系)可以分为5类：温麦6号Pb含量最高，达44.6 μg/g；其次是周麦26，Pb含量为11.1 μg/g；周麦18、百农1309和周麦22属同一类型，Pb含量介于7.2～8.1 μg/g；百农1306和百农160属同一类型，Pb含量分别为5.2 μg/g和3.8 μg/g；百农418籽粒Pb含量最低，为2.1 μg/g。颖壳中Pb含量为16.5～39.9 μg/g，8个小麦品种(系)Pb含量从低到高依次为温麦6号、百农418、百农160、百农1309、周麦18、百农1306、周麦26、周麦22。叶片Pb含量变异幅度较大(10.1～109.3 μg/g)，其中含量最高的为周麦26(109.3 μg/g)，其次为百农160(72.9 μg/g)、周麦18(41.7 μg/g)，百农1306、百农1309、百农418、温麦6号和周麦22等5个品种(系)含量较低且差异较小。茎秆Pb含量为8.0～15.8 μg/g，其中百农1309、温麦6号和周麦22含量较低，百农160和周麦26含量较高，百农1306、百农418和周麦18含量居中。

不同字母表示同一品种(系)不同部位间的差异显著(P<0.05)

根据同一品种(系)的最高Pb含量部位，将8个小麦品种(系)分为3种类型。籽粒Pb含量最高型：温麦6号；颖壳Pb含量最高型：百农1306、百农1309和周麦22；叶片Pb含量最高型：百农160、百农418、周麦18和周麦26。除温麦6号外，其他7个品种(系)籽粒和茎秆的Pb含量差异不显著。

2.2 Pb对不同基因型小麦矿质元素积累的影响

2.2.1 Ca 由表1可知，Pb对8个不同基因型小麦籽粒、颖壳、叶片和茎秆中Ca积累的影响不同。与CK相比，Pb处理后百农1306和百农1309籽粒中Ca含量显著增加，周麦22显著降低；百农1309、百农418、温麦6号和周麦26颖壳中Ca含量显著增加，周麦18和周麦22显著下降；百农1309、百农418和周麦26叶片中Ca含量显著增加，百农1306、温麦6号和周麦22显著降低；周麦22茎秆中Ca含量显著增加，其余7个品种(系)均降低，且除百农1309外，差异均达到显著水平。

表1 Pb对不同基因型小麦Ca积累的影响 μg/g

注：同列不同字母表示同一品种(系)不同处理之间差异显著(P<0.05)，下同。

2.2.2 K 由表2可知，与CK相比，Pb处理后百农1306、百农160、百农418、周麦18和周麦26籽粒中K含量显著增加，百农1309、温麦6号和周麦22显著降低；除百农1309颖壳中、周麦18叶片中及百农160、周麦22、周麦26茎秆中K含量变化不显著外，其他小麦品种(系)的颖壳、叶片和茎秆中的K含量均显著降低。另外，对比同一品种不同部位K含量发现，与CK相比，Pb处理后温麦6号4个部位K含量均显著降低；百农1306和百农418籽粒中K含量显著增加，而其他3个部位K含量均显著降低。

2.2.3 Mg 由表3可知，与CK相比，Pb处理后温麦6号和周麦18 籽粒Mg含量显著增加，其余6个品种(系)均显著降低；温麦6号和周麦18颖壳中Mg含量显著增加，百农1306、百农160和周麦22显著降低；百农1309、百农418、周麦18和周麦26叶片中Mg含量显著增加，温麦6号也增加，但差异不显著，其他3个品种(系)均显著降低；周麦22茎秆中Mg含量显著增加，百农418、温麦6号、周麦18和周麦26显著降低，其他3个品种差异不显著。另外，对比同一品种不同部位Mg含量发现，与CK相比，Pb处理后百农1306和百农160茎秆中Mg含量变化不显著，而其余3个部位均显著降低；周麦18茎秆中Mg含量显著降低，而其他3个部位均显著升高，周麦22的变化模式与周麦18相反。

表2 Pb对不同基因型小麦K积累的影响 μg/g

表3 Pb对不同基因型小麦Mg积累的影响 μg/g

2.2.4 Fe 由表4可知，Pb处理对8个不同基因型小麦籽粒、颖壳、叶片和茎秆中Fe积累的影响也不相同。与CK相比，Pb处理后百农160和周麦18籽粒中Fe含量显著增加，百农1309和周麦22显著降低；百农160、百农418、温麦6号和周麦26颖壳中Fe含量显著增加，百农1309、周麦18和周麦22显著降低，百农1306变化不显著；除周麦18和周麦22叶片中Fe含量变化不显著外，其余6个品种(系)均显著增加；周麦26茎秆中Fe含量显著降低，温麦6号和周麦22显著增加，其余品种(系)变化不显著。

表4 Pb对不同基因型小麦Fe积累的影响 μg/g

续表4 Pb对不同基因型小麦Fe积累的影响 μg/g

3 结论与讨论

重金属污染土壤修复与利用一直是科学家研究的热点。客土法、施用石灰或者螯合剂法、化学淋溶法以及近年来发展起来的植物修复技术等对污染土壤改良或修复虽具有一定的作用，但在实践中却均存在一些局限[14-16]，而培育和应用对重金属吸收低、积累低的作物品种对于提高作物质量和产量有重要意义[17-18]。研究重金属对必需矿质元素吸收、转运等的影响有助于更深入地理解其毒性效应，对解决矿质营养利用和重金属积累之间的矛盾具有参考价值[19]。大白菜、玉米、大麦等作物的Pb积累特性及Pb在各器官的分配存在基因型差异[17-18,20]。本研究结果表明，小麦对Pb的吸收及Pb在不同器官的分配也存在基因型差异。杨素勤等[21]在pH值7.72、有机质含量26.23 g/kg、速效磷含量29.28 mg/kg、速效钾含量148.30 mg/kg、碱解氮含量200.35 mg/kg、全铅含量808.92 mg/kg、有效态铅含量173 mg/kg、碳酸盐态铅含量328 mg/kg以及存在砷、汞、铜、锌、镉等污染的耕地土壤中研究发现，所有20个小麦品种Pb含量均表现为茎叶>籽粒。本研究结果表明，不同基因型小麦Pb的分布有不同特点，根据同一品种(系)的Pb含量最高部位，8个品种(系)可以分为籽粒最高型、颖壳最高型和叶片最高型。上述2种结果的差异可能是因为试验所用小麦品种不同，也可能是因为试验条件和方法不同。本研究结果也说明了培育籽粒Pb低积累型品种的可行性。

由于不同场地的污染源、土壤、受体等的差别，土壤污染危害具有显著的场地差别性特点。为了便于结果比较，试验采取营养液水培的方式控制试验条件的一致性。我国土壤环境质量标准(GB 15618—1995)中规定，Ⅱ类一般农田pH值<6.5时，Pb含量不超过250 mg/kg；在该标准修订版征求意见稿中规定，农业用地水田、旱地二级土壤Pb含量不超80 mg/kg。Hoagland’s营养液pH值为 6.0，同时考虑到水培条件更利于植物对矿质元素的吸收，如果Pb的添加量过高，不管是否会对小麦生长造成表观危害，对Pb低积累小麦的生产也失去指导意义，因此，不宜添加过多的Pb，故本试验中将Pb(NO3)2的添加量设为140 mg/L，折合Pb含量约为85 mg/kg。食品安全国家标准(GB 2762—2012)中小麦制品的Pb限量为0.5 mg/kg，即使本研究中籽粒Pb富集最低的品种百农418，其含量也远超过该标准，这主要是因为水培条件非常有利于小麦对矿质元素的吸收。

在Hoagland’s营养液中添加Pb(NO3)2条件下，小麦改变了对Ca、Mg、Fe、K的吸收和分配情况，但这4种元素之间是否存在彼此促进或抑制的关系尚不清楚，土壤与营养液条件下，小麦对Pb和其他矿质元素的富集情况是否存在对应关系也需要进一步研究。

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Pb Accumulation Characteristics of Different Genotypes of Wheat and Effect of Pb on Mineral Elements Accumulation

HU Tiezhu,LI Xiaojun,DING Weihua,ZHANG Ziyang,DONG Na,LI Gan, SUN Haiyan,YOU Qingqing,RU Zhengang

(Wheat Center,Henan Institute of Science and Technology/Henan Modern Biological Breeding Collaborative Innovation Center,Xinxiang 453003,China)

In order to select grain low Pb accumulating genotypes,Bainong 1306,Bainong 1309,Bainong 160,Bainong 418,Wenmai No.6,Zhoumai 18,Zhoumai 22 and Zhoumai 26 were grown in Hoagland’s nutrient solution with Pb(NO3)2,the Pb accumulation characters were studied,and the effects of Pb on accumulation of Ca,Mg,Fe and K were explored,so as to provide basis for solving the contradiction between accumulation of heavy metal and utilization of mineral elements.The results showed that there was genotypic difference in Pb content in wheat grain.Bainong 418 and Wenmai No.6 showed the lowest and the highest grain Pb content respectively.According to the organ with the highest Pb content,eight wheat cultivars(lines)were divided into three types,grain type,glume type,leaf type,the corresponding cultivars(lines) were Wenmai No.6;Bainong 1306,Bainong 1309,Zhoumai 22;Bainong 160,Bainong 418,Zhoumai 18 and Zhoumai 26.Compared with the control without Pb,the change of Ca,K,Mg and Fe contents in different organs of eight cultivars(lines)had difference under Pb treatment.Cultivated in Hoagland’s nutrient solution with Pb(NO3)2,the Ca concentration increased considerably in the culm of Zhoumai 22,but decreased considerably in the other seven cultivars(lines);the K concentration in glume,leaf and culm(except Zhoumai 22 and Zhoumai 26)of eight cultivars(lines)decreased; the Mg concentration increased considerably in the grain of Wenmai No.6 and Zhoumai 18,but decreased considerably in other six cultivars(lines);the Fe concentration in the leaves of eight cultivars(lines)increased;the Ca content in Bainong 418 and Zhoumai 26,K content in Bainong 1306 and Bainong 418,Mg content in all tissues(except grain)of Zhoumai 18 and Zhoumai 26 had the same change patterns.

wheat; genotype; Pb; mineral element; accumulation

2016-11-15

国家自然科学基金项目(31671680)；河南省小麦产业技术体系岗位专家项目(S2015-01-G01)

胡铁柱(1975-)，男，河南民权人，副教授，博士，主要从事小麦遗传育种研究。E-mail:tiezhuh@163.com

S512.1

A

1004-3268(2017)05-0015-06