文章信息
- 陈亚茹, 张巧凤, 付必胜, 蔡士宾, 吴纪中, 陈亚华
- CHEN Yaru, ZHANG Qiaofeng, FU Bisheng, CAI Shibin, WU Jizhong, CHEN Yahua
- 中国小麦微核心种质籽粒铅、镉、锌积累差异性分析及低积累品种筛选
- Differences of lead, cadmium and zinc accumulation among Chinese wheat mini-core collections germplasms and screening for low Pb, Cd and Zn accumulative cultivars in grains
- 南京农业大学学报, 2017, 40(3): 393-399
- Journal of Nanjing Agricultural University, 2017, 40(3): 393-399.
- http://dx.doi.org/10.7685/jnau.201605022
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文章历史
- 收稿日期: 2016-05-16
2. 江苏省农业科学院粮食作物研究所/江苏省农业种质资源保护与利用平台, 江苏 南京 210014;
3. 南京农业大学农村土地资源利用与整治国家地方联合工程研究中心, 江苏 南京 210095
2. Institute of Food Crops/Jiangsu Provincial Platform for Conservation and Utilization of Agricultural Germplasm, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China;
3. National Joint Local Engineering Research Center for Rural Land Resources Use and Consolidation, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China
随着矿产资源的大量开发利用、工业的快速发展、农业污水灌溉及化肥农药的大量使用, 农田土壤重金属污染日益严重[1-2]。2014年《全国土壤污染状况调查公报》[3]显示, 重金属铅、锌、镉的超标率分别占无机污染物点位超标率的1.5%、7.0%和0.9%。这其中重金属Pb、Cd毒性系数较大, 潜在危害程度更大[4-5]。一些学者认为Pb、Cd污染是中国土壤最典型和重要的污染源。近年来关于各地土壤及农作物Pb、Cd超标现象引起了广泛关注[6-7]。虽然Zn是植物生长必需的微量元素之一, 在植物生长过程中起着重要的作用, 但是土壤中Zn过量也会对植物造成一定的毒害[8-9]。
据环保部门统计我国每年受重金属污染的粮食达1 200万t[10]。小麦作为一种主要的农作物, 其可食用部位的安全问题与人类健康密切相关[11]。近年来关于小麦籽粒中重金属含量及健康风险评估方面有很多报道, 重金属污染对人类健康已造成了严重的威胁[12-13]。为了进一步降低重金属带来的危害, 许多学者在耐重金属小麦品种筛选方面做了很多工作。杨素勤等[14]通过轻度污染耕地的田间试验, 从20个小麦品种中筛选出具有低积累特性品种:‘花培8号’‘平安8号’‘周麦20’‘豫农201’和‘同舟麦916’等。Liu等[15]通过水培试验比较了30个不同小麦品种在苗期的转运情况并分析其转运差异, 筛选出了Pb、Cd低积累品种。在Zn对小麦相关生理机制及产量的影响方面也做了很多工作[16], 但关于适用于中、重度锌污染农田种植的小麦品种鲜有报道。
目前已报道的重金属低积累品种筛选研究多集中在仅对少量推广品种的鉴定上。我国小麦种质资源丰富, 现保存原产于中国的普通小麦种质资源约2万余份, 中国小麦微核心种质则是普通小麦种质资源的浓缩, 200~300份品种 (品系) 仅占基础种质资源分数的1%, 而遗传代表性约70%。这一种质资源由郝晨阳等[17]应用分子标记对初选核心种质进行基因型分析, 分层分组聚类, 辅之以个别材料优先入选的基础上构建而成。本文以具有广泛遗传多样性的中国小麦微核心种质为试验材料, 在江苏省南京市栖霞区铅锌矿区附近代表性污染农田种植, 筛选对重金属胁迫具有一定的抗性并且籽粒中重金属Pb、Cd低积累且Zn含量在安全范围内的优良小麦品种, 对于合理利用重金属污染农田具有一定的实践意义。
1 材料与方法 1.1 试验田概况试验田位于南京市某铅锌矿区污染农田 (32°09′10.18″N, 118°57′15.07″E), 年平均气温15.9 ℃, 年平均降水量为1 090.4 mm。试验地土壤基本理化性质为:pH7.35, 有机质含量为4.978 g·kg-1, 有效磷含量为37.88 mg·kg-1, 速效钾含量为51.02 mg·kg-1, 铵态氮含量为22.60 mg· kg-1。试验地土壤重金属平均含量:Pb为449.2 mg·kg-1, Cd为2.4 mg·kg-1, Zn为532.9 mg·kg-1; 二乙烯三胺五乙酸 (DTPA)-Pb为179.9 mg·kg-1, DTPA-Cd为1.2 mg·kg-1, DTPA-Zn为146.1 mg·kg-1。污染状况评价:土壤中Pb、Zn、Cd重金属含量均已超过国家限定二级标准和江苏省土壤背景值。
1.2 供试材料中国小麦微核心种质261份, 由中国农业科学院作物科学研究所张学勇研究员提供。材料从粒色上划分共有白粒85份, 红粒176份; 品种 (品系) 类型包括地方品种155份, 现代改良品种 (品系)93份, 国外引进品种 (品系)13份。其中248个中国小麦基因型分布在中国十大麦区, 以黄淮冬麦区和长江中下游冬麦区的基因型最多。
1.3 试验设计261份中国小麦微核心种质于2014—2015年 (11月播种, 次年6月收获) 种植于南京市某铅锌矿区污染农田, 采用完全随机区组设计, 重复3次。每个品种 (品系) 种植1行, 行长1 m, 行距25 cm, 每间隔10 cm点播1穴, 每穴3粒。出苗后间苗, 每穴留取1株健壮幼苗, 每2行空1行, 常规田间管理。成熟后, 每行选取代表性植株取样, 统一人工脱粒。
1.4 样品处理与分析 1.4.1 土壤样品的分析测定田间土壤采样采取多点采样法, 每个点3次重复, 共5个点, 采样深度为0~20 cm。土壤样品中重金属总量的测定参照Zhao等[18]的方法, 采用电感耦合等离子体发射光谱仪 (ICP-OES, 美国Perkin Elmer公司) 测定Zn含量, 采用电感耦合等离子体质谱仪 (ICP-MS, 美国Thermo Fisher Scientific公司) 测定Pb、Cd的含量。样品测试中全程采用标准物质[GBW 07403(GSS-3)]进行质控, 回收率为85%~90%, 误差均在标准物质允许范围之内。土壤重金属有效态含量的测定参照李发生等[19]的方法, 用DTPA作为提取剂, 使用ICP-OES和ICP-MS进行元素含量测定。土壤pH值测定的方法参照李强等[20]的方法; 采用土壤养分速测仪 (TPY-16A, 浙江托普仪器有限公司) 进行测定有机质、速效磷、速效钾和铵态氮含量。
1.4.2 小麦籽粒重金属含量测定田间小麦收获后人工脱粒, 再用去离子水清洗, 用吸水纸吸干表面水分, 于80 ℃烘箱烘干至恒质量。称取干燥的小麦粒 (0.500±0.01) g, 烘干后粉碎获得全麦粉样品, 样品测试中全程采用标准物质[GBW 10043(GSB-21)]进行质控, 回收率为85%~90%, 测定过程参照土壤样品测定过程。
1.4.3 小麦籽粒富集系数[14]籽粒富集系数 (bioaccumulation factors, BAFs)=籽粒重金属含量/土壤重金属含量。
1.5 数据统计分析方法利用SPSS 20.0软件进行数据统计分析。用频数分布图描述小麦籽粒中重金属含量分布; 单因素方差分析同一重金属在不同小麦品种 (品系) 中的差异性; 小麦籽粒中重金属含量用K-均值聚类法进行聚类; Kolmogorov Smirnov Test (K-S) 检测籽粒中重金属含量是否符合正态分布。
1.6 评价方法与标准以《土壤环境质量标准:GB 15618—1995》中的Ⅱ级标准值作为依据, 二级标准为保障农业生产, 维护人体健康的土壤临界值, 用江苏省土壤背景值作为参比, 采用单因子污染指数法、综合污染指数法和Hakanson潜在生态评价指数法[21]对污染农田进行评价; 小麦籽粒重金属Pb和Cd污染评价标准采用《食品安全国家标准食品中污染物限量:GB 2762—2012》作为评价标准, Zn采用农业部制定的《粮食 (含谷物、豆类、薯类) 及制品中铅、铬、镉、汞、硒、砷、铜、锌等八种元素限量:NY 861—2004》作为评价标准 (表 1)。
| 重金属 Heavy metal |
农田土壤重金属限值/(mg·kg-1) Heavy metal limits of farmland soil |
土壤背景值/(mg·kg-1) Background values of soil |
谷物重金属限值/(mg·kg-1) Grain heavy metal containing limits |
毒性系数 Toxicity co-efficiency |
||
| pH < 6.5 | 6.5≤pH≤7.5 | pH > 7. 5 | ||||
| Pb | 250 | 300 | 350 | 26.2 | 0.2 | 5 |
| Cd | 0.3 | 0.6 | 1 | 0.13 | 0.1 | 30 |
| Zn | 200 | 250 | 300 | 62.6 | 50 | 1 |
从表 2可知:小麦籽粒中重金属含量在不同粒色间 (白粒、红粒) 和不同品种类型间 (地方品种、现代改良品种和引进品种) 差异不显著 (P > 0.05)。粒色方面, 白粒小麦的Pb和Cd含量的平均值和变异系数均高于红粒小麦, 而白粒小麦中Zn含量的平均值高于红粒小麦, 但其变异系数小于红粒小麦。品种类型上, 现代改良品种小麦籽粒Pb含量的平均值和变异系数较大; 引进品种小麦籽粒Cd含量的平均值最大, 地方品种小麦籽粒Cd含量变异系数最大; 地方品种小麦籽粒Zn含量的平均值较高, 引进品种小麦籽粒变异系数最大。
| 指标 Index |
类型 Type |
个数 Number |
Pb | Cd | Zn | |||||
| 平均值/(mg·kg-1) Mean |
变异系数/% CV |
平均值/(mg·kg-1) Mean |
变异系数/% CV |
平均值/(mg·kg-1) Mean |
变异系数/% CV |
|||||
| 粒色 Seed colour |
W | 85 | 0.196±0.192 | 97.9 | 0.263±0.126 | 47.9 | 77.520±13.810 | 17.8 | ||
| R | 176 | 0.183±0.149 | 81.4 | 0.250±0.112 | 44.8 | 76.182±14.951 | 19.6 | |||
| 品种类型 Variety type |
Ⅰ | 13 | 0.190±0.146 | 76.8 | 0.269±0.090 | 33.5 | 72.190±14.880 | 20.6 | ||
| L | 155 | 0.180±0.150 | 83.3 | 0.231±0.124 | 53.7 | 76.871±14.673 | 19.1 | |||
| M | 93 | 0.198±0.187 | 94.4 | 0.261±0.106 | 40.6 | 76.792±14.410 | 18.8 | |||
| 注:粒色中R和W分别表示红粒和白粒; 品种类型中I代表引进品种; L代表地方品种; M代表现代改良品种。 Note: R and W represent red-and white-grain colour, respectively; L indicated landrace; M indicated modern variety; I indicated introduced line. The same as follows. |
||||||||||
261份供试小麦品种 (品系) 籽粒中重金属Pb、Cd、Zn含量具有一定的差异性, 为获得适宜在污染农田种植且可安全食用的小麦品种, 对261份小麦品种 (品系) 进行进一步筛选, 分别对其籽粒中重金属含量进行了频数描述统计和聚类分析。
2.2.1 Pb低积累品种筛选由表 3可知：261份中国小麦微核心种质中, 样品Pb含量的最小值为0.002 mg·kg-1, 最大值为0.920 mg·kg-1, 平均值为0.182 mg·kg-1, 标准偏差为0.167 mg·kg-1, 变异系数93.9%, 超标率达35.2%。从图 1-A可以看出, 小麦籽粒中Pb含量主要集中在0.002~0.300 mg·kg-1。通过K-均值聚类分析将其分为5类, 分别为高积累、较高积累、中间型、较低积累、低积累, 所占样品比例分别为32.9%、31.4%、19.2%、10.3%和6.1%, 其中高积累品种与低积累品种籽粒中Pb含量差异达到极显著水平 (P < 0.01)。其中‘松蕊麦 (四号)’‘云麦34’‘石家庄54’‘赤壳’‘本地黄花麦’‘托克逊1号’‘泰山1号’‘和尚麦’‘白蒲 (落青)’‘早五天’‘钱交麦’‘他诺瑞’‘台中23’的籽粒Pb含量均小于等于0.020 mg·kg-1(表 4), 属于Pb低积累品种, 可考虑用于Pb污染农田种植。
| 重金属 Heavy metal |
重金属含量/(mg·kg-1) Heavy metal contents | 变异系数/% CV |
超标率/% Over-limit ratio |
籽粒富集系数 (均值) BAFs (Mean) |
||
| 最小值Minimum | 最大值Maximum | 平均值Mean | ||||
| Pb | 0.002 | 0.920 | 0.182±0.167 | 93.9 | 35.2 | 0~0.002 1(0.000 4±0.000 3) |
| Cd | 0.010 | 0.853 | 0.254±0.116 | 45.7 | 96.2 | 0.004 2~0.423 6(0.104 8±0.027 3) |
| Zn | 45.770 | 121.100 | 76.560±14.570 | 19.0 | 97.3 | 0.086 0~0.227 6(0.144 0±0.049 5) |
|
图 1 261份中国小麦微核心种质籽粒Pb (A)、Cd (B)、Zn (C) 含量的频数分布 Figure 1 Frequency distribution of Pb (A), Cd (B) and Zn (C) concentrations in the grain of 261 accessions from the Chinese wheat mini-core collections germplasms |
| 低积累类型 Low accumulation types |
编号 ID |
品种类型 Variety type |
粒色 Seed colour |
品种名称 Variety name |
重金属含量/(mg·kg-1) Heavy metals contents | ||
| Pb | Cd | Zn | |||||
| Pb低积累品种 Pb low-accumulation |
ZM007552 | L | R | 松蕊麦 (四号) Songruimai | 0.002±0.002 | 0.303±0.061 | 72.968±2.016 |
| ZM016965 | M | R | 云麦34 Yunmai 34 | 0.004±0.001 | 0.162±0.030 | 65.965±5.203 | |
| ZM009101 | M | W | 石家庄54 Shijiazhuang 54 | 0.006±0.002 | 0.214±0.027 | 79.000±9.950 | |
| ZM007616 | L | R | 赤壳Chike | 0.008±0.001 | 0.237±0.027 | 54.937±8.956 | |
| ZM011565 | L | R | 本地黄花麦Bendihuanghuamai | 0.011±0.005 | 0.202±0.020 | 51.750±9.220 | |
| ZM010136 | M | W | 托克逊1号Tuokexun 1 | 0.012±0.000 | 0.094±0.016 | 46.917±10.230 | |
| ZM009405 | M | W | 泰山1号Taishan 1 | 0.012±0.003 | 0.416±0.073 | 83.658±1.902 | |
| ZM007486 | L | R | 和尚麦Heshangmai | 0.014±0.001 | 0.276±0.116 | 81.811±26.909 | |
| ZM007246 | L | R | 白蒲 (落青) Baipu | 0.014±0.002 | 0.174±0.029 | 75.870±9.040 | |
| ZM005992 | L | R | 早五天Zaowutian | 0.017±0.021 | 0.272±0.060 | 72.096±9.564 | |
| MY000663 | I | R | 钱交麦Qianjiaomai | 0.018±0.023 | 0.280±0.073 | 69.074±9.469 | |
| MY002877 | I | R | 他诺瑞Tanori | 0.019±0.000 | 0.133±0.053 | 60.471±18.117 | |
| ZM013082 | M | R | 台中23 Taizhong 23 | 0.020±0.004 | 0.287±0.008 | 85.792±7.901 | |
| Cd低积累品种 Cadmium low-accumulation |
ZM003069 | L | W | 白条鱼Baitiaoyu | 0.046±0.006 | 0.010±0.051 | 59.823±20.755 |
| ZM017383 | M | W | 青春28 Qingchun 28 | 0.164±0.211 | 0.040±0.005 | 60.485±0.830 | |
| ZM002569 | L | W | 半截芒Banjiemang | 0.078±0.005 | 0.066±0.042 | 62.660±10.168 | |
| ZM013034 | L | W | 红金包银Hongjinbaoyin | 0.118±0.062 | 0.076±0.021 | 49.375±1.652 | |
| ZM001742 | L | W | 大粒半芒Dalibanmang | 0.034±0.002 | 0.081±0.052 | 73.151±15.200 | |
| ZM003080 | L | W | 碱麦Jianmai | 0.056±0.069 | 0.084±0.056 | 86.640±27.800 | |
| ZM005176 | L | R | 红冬麦Hongdongmai | 0.389±0.072 | 0.085±0.032 | 61.138±7.155 | |
| ZM012810 | L | W | 白齐头Baiqitou | 0.041±0.011 | 0.089±0.001 | 72.729±1.340 | |
| ZM010136 | M | W | 托克逊1号Tuokexun 1 | 0.012±0.000 | 0.094±0.016 | 46.917±10.123 | |
| ZM000474 | L | R | 涿鹿冬麦Zhuoludongmai | 0.238±0.052 | 0.098±0.001 | 59.477±9.054 | |
| Zn低积累品种 Zinc low-accumulation |
ZM012545 | L | R | 红须麦Hongxumai | 0.042±0.003 | 0.103±0.045 | 45.773±14.500 |
| ZM010136 | M | W | 托克逊1号Tuokexun 1 | 0.012±0.000 | 0.094±0.016 | 46.917±10.212 | |
| ZM025398 | M | W | 温麦6号Wenmai 6 | 0.233±0.025 | 0.133±0.021 | 47.424±7.670 | |
| ZM010589 | M | R | 日喀则8号Rikeze 8 | 0.113±0.017 | 0.125±0.006 | 49.106±9.241 | |
| ZM004154 | L | R | 秃芒麦Tumangmai | 0.181±0.031 | 0.109±0.015 | 49.267±12.470 | |
| ZM013034 | L | W | 红金包银Hongjinbaoyin | 0.118±0.062 | 0.076±0.021 | 49.375±1.650 | |
| 注:编号是品种在中国小麦种质资源国家作物基因库中的编号。 Note: ID accession number in the Chinese wheat germplasm resources National Crop Gene Bank, CAAS. |
|||||||
261份中国小麦微核心种质中籽粒Cd含量的最小值为0.010 mg·kg-1, 最大值为0.853 mg·kg-1, 平均值为0.254 mg·kg-1, 标准偏差为0.116 mg·kg-1, 变异系数为45.7%, 超标率达96.2%(表 3)。从图 1-B可以看出:小麦籽粒中Cd含量多数集中在0.10~0.30 mg·kg-1。通过K-均值聚类分析将其分为5类, 分别为高积累、较高积累、中间型、较低积累、低积累, 所占样品比例分别为7.2%、11.9%、16.9%、60.2%和3.8%。不同品种间籽粒Cd含量存在不同程度差异, 高积累品种与低积累品种已达到显著水平 (P < 0.05)。其中‘白条鱼’‘青春28’‘半截芒’‘红金包银’‘大粒半芒’‘碱麦’‘红冬麦’‘白齐头’‘托克逊1号’‘涿鹿冬麦’的籽粒Cd含量均小于0.100 mg·kg-1(表 4), 可考虑用于Cd污染农田的种植。
2.2.3 Zn低积累品种筛选261份小麦籽粒Zn含量的最小值为45.770 mg·kg-1, 最大值为121.100 mg·kg-1, 平均值为76.560 mg·kg-1, 标准偏差为14.570 mg·kg-1, 变异系数19.0%, 超标率达97.3%(表 3); 从图 1-C可以看出小麦籽粒中Zn含量主要集中在60~90 mg·kg-1, 用K-S检验得出其品种间含量呈正态分布。其中‘红金包银’‘秃芒麦’‘日喀则8号’‘温麦6号’‘托克逊1号’‘红须麦’等品种 (品系) 的籽粒Zn含量分别为45.773、46.917、47.424、49.106、49.267和49.375 mg·kg-1(表 4), 均低于国家限量标准 (50 mg·kg-1), 可考虑用于Zn污染农田的种植。
2.3 Pb、Cd、Zn低积累品种比较分析通过分析261份中国小麦微核心种质对Pb、Cd和Zn积累能力的差异, 分别筛选出Pb、Cd和Zn低积累品种 (表 4), 同时根据非致癌健康风险评估参考值 (RfD)[7](Pb、Cd和Zn的RfD值分别为:0.004、0.001和0.3 mg·kg-1) 得出Cd毒性相对较高, 因此以Cd低积累为首要因子, 筛选出Pb、Cd均低积累的5个品种为:‘白条鱼’‘半截芒’‘大粒半芒’‘碱麦’(地方品种) 和‘托克逊1号’(现代改良品种)。同时筛选出Cd、Zn低积累品种2个:红金包银 (地方品种) 和托克逊1号 (现代改良品种), 其中‘托克逊1号’为Pb、Cd和Zn 3种元素均低积累品种, 可考虑用于Pb、Cd、Zn复合污染农田。
3 结论与讨论南京栖霞铅锌矿区附近代表性重金属污染农田的Pb、Zn和Cd含量分别超过江苏省土壤背景值的17.13、8.50、18.46倍, 且均超过国家环境二级限定标准, 综合污染指数属于中度污染, 潜在生态危害指数为660.16, 达到很强水平, 表明该铅锌矿区污染农田具有很强的生态危害。虽然试验田土壤可以满足小麦正常生长的基本需求, 但是其籽粒中的重金属含量超标对人体健康有一定的危害。许多研究表明[22-23]选择合适的小麦低积累品种, 在重金属污染农田也能产出安全的产品, 因此筛选出适宜在重金属污染农田种植的低积累品种, 具有一定的实践意义。虽然相比于实验室水培试验, 田间试验容易受到环境条件的影响, 但其能更好地反映参试材料在重金属污染田块富积重金属的真实情况。
通过对不同类型小麦重金属含量差异分析, 不同粒色和品种间差异不显著, 说明不同类型的小麦群体对重金属富集能力差异不明显。261个品种 (品系) 的小麦籽粒Pb、Cd、Zn含量的变异系数分别为93.9%、45.7%、19.0%, 籽粒对土壤Pb、Cd、Zn富集能力分别为0~0.002 1、0.004 2~0.423 6、0.086 0~0.227 6, 说明小麦品种间籽粒Pb、Cd、Zn的积累能力离散程度较大。这可能是由于供试小麦品种在相同Pb、Cd和Zn胁迫条件下, 基因型的差异导致了其对重金属吸收和转运的差异。同时发现小麦品种Cd、Zn的超标率和富集系数均远高于Pb, 这与前人研究结果相似[24-25]。推测一方面是由于污染土壤中Pb的迁移性相对于Cd、Zn较差, 另一方面是因为供试小麦品种对Zn和Cd的富集和转运能力相对于Pb较强的原因。本研究还发现同一品种对不同重金属富集能力不同, 如Pb低积累品种‘松蕊麦 (四号)’籽粒中Pb含量为0.002 mg·kg-1, 而Cd、Zn的含量分别为0.303和72.968 mg·kg-1, 均已达到较高积累水平; Cd低积累品种‘红冬麦’Cd含量为0.085 mg·kg-1, 而Pb含量为0.389 mg·kg-1, 达到较高积累水平, Zn含量为61.138 mg·kg-1。因此推测供试样品中同一品种小麦在一定程度的重金属胁迫下, 对不同种类的重金属的吸收和转运能力具有一定的差异性, 具体机制还需要进一步研究。
中国小麦微核心种质包含不同的品种类型, 涵盖了不同的麦区, 具有丰富的可能与重要农艺性状相关联的等位变异, 便于特性鉴定和利用[17]。为此, 许多学者利用微核心种质在重要性状筛选和相关基因等位变异分析方面进行了大量工作[26-27]。本文首次利用这一种质资源进行重金属污染农田原位筛选试验, 全面筛选得出的低积累小麦品种中包括不同粒色和不同品种类型的小麦, 这也为下一步开展耐重金属胁迫小麦育种提供了种质资源基础。
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