小麦是全球主要粮食作物之一, 我国是世界上小麦产量和消费量最大的国家^[1], 保障小麦质量安全对于我国主粮安全生产具有重要意义.然而, 小麦是一种易于累积镉(Cd)的作物.有调查显示, 小麦籽粒的Cd富集系数(均值0.237, n=641)明显高于水稻(均值0.145, n=331)^[2].近年来, 农田土壤Cd污染引发的小麦籽粒Cd含量超标问题频发, 在河南省新乡市^[3]、甘肃省白银市^[4]、河北省石家庄市^[5]和天津市^[6]都有报道.因此, 解决小麦Cd污染问题迫在眉睫.

有研究表明, 基于小麦Cd累积的基因型差异, 选用Cd低积累小麦品种是降低小麦籽粒Cd含量的有效方法, 而揭示小麦在根、节间、节点和穗轴等器官吸收转运Cd的生物学机制对于Cd低积累小麦选育和应用具有重要指导价值^{[7, 8]}.前人研究发现, Cd由根部向地上部^[9]、节点向穗部^[10]和穗轴向籽粒^[11]等转运过程在影响小麦籽粒Cd积累及其品种差异方面发挥重要作用, 但究竟哪个器官或转运过程在控制小麦籽粒Cd含量及其基因型差异方面发挥最关键的作用, 至今尚未形成统一的认识.植物离子组学是研究植物体内无机元素组成的新兴组学技术^{[12, 13]}.近年来小麦离子组学研究主要关注品种、环境和农艺措施对其离子组的影响, 这些研究为基于食品营养与安全的科学养分管理提供了重要依据^[14~17].Cd是一种植物非必需的重金属元素, 常与Fe、Mn、Ca和Zn等元素发生拮抗或协同作用^{[18, 19]}.通过离子组学方法研究小麦体内Cd与其他元素在吸收转运过程中的交互作用, 不仅有助于揭示小麦累积Cd的分子生物学机制, 也可以为施肥调控小麦Cd累积提供重要依据, 然而这方面的研究还鲜见报道.

针对日益严重的小麦Cd污染问题, 本研究在前期筛选试验的基础上, 选择3个Cd低积累和2个Cd高积累冬小麦品种, 通过大田试验, 分析不同冬小麦品种各器官的Cd富集系数、相邻器官间的Cd转运系数和离子组特征, 并通过相关性分析和主成分分析方法, 揭示影响小麦籽粒Cd含量基因型差异的关键器官、关键过程和关键元素, 以期为小麦Cd污染治理和安全利用提供依据.

本试验地块选择河南省新乡市某电池企业周边农田, 该农田因污水灌溉而导致Cd污染.供试土壤类型为石灰性潮土, 基本理化性质如下: pH 8.14, ω(有机质)为23.61 g·kg^-1, ω(碱解氮)、ω(速效磷)和ω(速效钾)分别为128.31、64.24和213.56 mg·kg^-1, 土壤无机元素组成为: Mg、Al、K、Ca、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As、Mo、Cd和Pb, 含量分别为1 707.67、14 874.18、8 764.39、10 362.70、309.49、216.81、6 999.27、22.73、5.85、31.38、23.48、0.88、2.98和17.06 mg·kg^-1.供试冬小麦品种包括Cd低积累冬小麦3种, 即: 良星99(德州市良星种子研究所)、济麦22(山东省农科院作物研究所)和鑫麦296(山东鑫丰种业有限公司), 以及Cd高积累冬小麦2种, 即石家庄8号(石家庄市农科院)和尧麦16号(山西省农科院小麦研究所).

由于需要布置其他研究内容, 试验面积有限, 供试小麦中有3个品种(鑫麦296、石家庄8号和尧麦16号)种植2个小区, 其余2个品种(良星99和济麦22)种植3个小区; 试验小区采用随机区组排列.每个小区面积为30 m² (10 m×3 m), 小区之间通过田埂和0.5 m宽的隔离行区隔.冬小麦于2019年9月下旬播种, 2020年5月底收获.试验田间管理参照当地传统措施, 在小麦播种前按照N 150 kg·hm^-2和P₂O₅ 100 kg·hm^-2施用尿素和过磷酸钙作为基肥, 在小麦越冬前、返青、拔节和灌浆期使用地下水(未检出Cd)灌溉.

在小麦收获时, 每个小区采用5点法采集30株小麦样品, 并采用抖根法采集根际土样.所采集的小麦样品用人工分为籽粒、颖壳、穗轴、节间、节点、叶片和根系等器官, 其中节间从上到下依次分为节间1到节间5, 节点从上到下依次分为节点1到节点4, 这样小麦植株共分成14个部位.每个部位用自来水和去离子水清洗, 之后将各部位在75℃下烘干至恒重, 分别称重, 粉碎混匀备用.土壤样品自然风干, 研磨并过15目和100目筛备用.

小麦样品每份称取0.25 g加入8 mL优级纯HNO₃, 土壤样品每份称取0.25 g加入8 mL优级纯HNO₃和4 mL优级纯HF, 在电热消解仪(Digi Block ED54, 北京莱伯泰科)上消解^[20], 消解后样品中的Mg、Al、K、Ca、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As、Mo、Cd和Pb等元素含量采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS, ICAP-Qc, Thermo Fisher Scientific, Germany)测定.在小麦和土壤样品元素分析过程中, 采用添加试剂空白、标准物质和在线内标(Ge、In和Bi)等手段进行质量控制; 其中植物分析的标准物质包括国家粮食局科学研究院提供的小麦粉标准品GBW08503c和美国国家标准与技术研究院(NIST)提供的菠菜叶标准品SRM1750a, 土壤分析的标准物质包括中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所提供的土壤标准品GBW07456和NIST提供的SRM 2586; 分析结果表明, 标准品中各元素含量的测定值均在其标准值范围内.

为了排除大田中土壤元素含量空间分布不均匀带来的影响, 计算各元素的富集系数, 方法如下:

为了表征元素在小麦体内的转运过程, 计算其转运系数, 方法如下:

试验数据利用Microsoft Excel 2003和DPS 16.05软件进行统计分析.采用单因素方差分析和最小显著性差异(LSD)法分析不同品种相关指标的差异显著性, 采用Pearson相关系数法研究不同指标间的相关性, 采用主成分分析研究小麦镉富集转运和离子组特征.数据图采用Origin 2019绘制.

5个冬小麦品种各器官的Cd含量如表 1所示, 其中, 良星99和济麦22籽粒Cd含量低于食品安全标准限值(0.1 mg·kg^-1)^[21], 而鑫麦296、尧麦16号和石家庄8号籽粒Cd含量则明显高于该限值. 5个冬小麦品种各器官的Cd富集系数如图 1所示.对比不同器官发现, 根部的Cd富集系数最高, 均值为0.970; 其次为节点、节间和叶片; 颖壳的Cd富集系数最低, 均值为0.072.此外, 各节点的Cd富集系数均明显高于相邻的节间, 例如节点1和节间1的Cd富集系数均值分别为0.223和0.187.对比不同小麦品种各器官的Cd富集系数变化规律发现, 在2个高积累品种中, 节间5~节间1和节点4~节点1的Cd富集系数呈现明显的递增趋势, 特别是尧麦16号; 而在3个低积累品种中, 各节间和节点的Cd富集系数则相差较小.除了鑫麦296以外, 低积累小麦颖壳和籽粒的Cd富集系数相近, 而高积累小麦的籽粒Cd富集系数明显高于颖壳.

表 1 (Table 1)

表 1 小麦不同器官的Cd含量/mg·kg-1 Table 1 Cd content in different organs of wheat/mg·kg-1 项目 良星99 济麦22 鑫麦296 尧麦16号 石家庄8号 籽粒 0.080±0.010 0.091±0.001 0.216±0.012 0.766±0.005 0.700±0.030 颖壳 0.057±0.002 0.066±0.009 0.094±0.012 0.440±0.113 0.397±0.046 穗轴 0.106±0.015 0.185±0.019 0.383±0.116 0.887±0.148 0.726±0.032 节间1 0.185±0.048 0.194±0.15 0.375±0.057 1.771±0.083 1.063±0.110 节间2 0.161±0.019 0.167±0.024 0.372±0.020 1.15±0.437 0.355±0.036 节间3 0.149±0.024 0.164±0.01 0.468±0.008 0.769±0.459 0.469±0.087 节间4 0.156±0.030 0.191±0.037 0.556±0.041 0.494±0.384 0.347±0.106 节间5 0.225±0.061 0.214±0.050 0.518±0.086 0.528±0.166 0.259±0.010 节点1 0.228±0.018 0.299±0.043 0.714±0.016 1.237±0.315 0.875±0.073 节点2 0.234±0.027 0.268±0.037 0.664±0.055 0.901±0.263 0.810±0.142 节点3 0.217±0.020 0.258±0.058 0.713±0.041 0.635±0.183 0.739±0.133 节点4 0.264±0.011 0.388±0.053 0.667±0.039 0.592±0.243 0.786±0.148 叶片 0.525±0.146 0.370±0.139 0.452±0.032 0.742±0.136 0.690±0.038 根系 1.517±0.344 2.111±0.255 3.129±0.227 2.971±0.464 4.288±1.072

表 1 小麦不同器官的Cd含量/mg·kg-1 Table 1 Cd content in different organs of wheat/mg·kg-1

图 1

Fig. 1

图 1 小麦不同器官的Cd富集系数 Fig. 1 Bioaccumulation factors of Cd in different organs of wheat

将小麦的籽粒Cd富集系数与其他器官的Cd富集系数进行相关性分析[图 2(a)], 结果表明, 颖壳、穗轴、节点1、节点2和节间1等5个器官的Cd富集系数与籽粒的呈极显著正相关(P < 0.01).对5个小麦品种各器官的Cd富集系数进行主成分分析, 所提取的前两个主成分(PC1和PC2)特征值分别为8.63和2.57, 均大于1, 对总方差的累积贡献率达80.1%, 这足以反映供试品种Cd富集特征的绝大部分信息.各品种在PC1和PC2上得分结果[图 2(b)]表明, 在PC1对应的坐标轴上, 5个品种的得分出现了明显分异, 其中高积累品种石家庄8号和尧麦16号得分范围为0.72~1.77, 皆分布在正方向; 而低积累品种良星99、济麦22和鑫麦296得分范围为-0.11~-1.19, 全部分布在负方向; 这表明PC1可以有效区分Cd高低积累小麦品种.图 2(c)给出了不同器官即各因子在前两个主成分的载荷值, 它代表了各因子在主成分中的权重, 值越大, 该因子对主成分的贡献越大; 其中节点2、节点1、节间1、穗轴、颖壳和籽粒在PC1上具有较大载荷, 其载荷值范围为0.31~0.34.这表明, 上述6个器官在区分不同Cd累积能力小麦品种上发挥重要作用.由图 2(d)可知, 对于节点2、节点1、节间1、穗轴、颖壳和籽粒等6个器官的Cd富集系数, Cd高积累品种均显著高于低积累品种(P < 0.05).综上所述, 节点2、节点1、节间1、穗轴和颖壳这5个器官的Cd富集与籽粒Cd累积显著相关, 在Cd高低积累小麦品种的区分上贡献较大, 且在高低积累品种间存在显著差异, 因此这5个器官可能是造成小麦籽粒Cd含量基因型差异的关键器官.

图 2

Fig. 2

(a)中**表示与籽粒Cd富集系数极显著相关(P < 0.01); (c)中红圈表示在主成分1中载荷较高的器官; (d)中不同小写字母表示在同一器官上不同小麦品种的Cd富集系数有显著差异(P < 0.05) 图 2 小麦不同器官Cd富集系数的相关性分析、主成分分析和方差分析 Fig. 2 Correlation analysis, principal component analysis, and analysis of variance of Cd bioaccumulation factors in different organs of wheat

小麦相邻器官间的Cd转运系数如图 3所示.在不同器官间的Cd转运系数中, 从根到节间5的Cd转运系数最低, 均值为0.13; 除尧麦16号外, 其余品种从节间2到节点1的Cd转运系数最高, 均值为1.90; 此外, 除了尧麦16号, 其余品种从节点4到节间1的7个Cd转运系数呈现W型变化规律, 其中从节间向相邻节点的转运系数较高, 而从节点向相邻节间的转运系数较低.

图 3

Fig. 3

图 3 小麦不同器官间的Cd转运系数 Fig. 3 Transport factors of Cd between different organs of wheat

将小麦相邻器官间的Cd转运系数与籽粒Cd富集系数进行相关性分析[图 4(a)], 结果表明, 穗轴到籽粒、穗轴到颖壳和节点1到节间1的Cd转运系数与籽粒Cd富集系数呈极显著正相关(P < 0.01), 而节间1到穗轴的转运系数与其呈极显著负相关.对5种小麦相邻器官的Cd转运系数进行主成分分析, 所提取的PC1和PC2的特征值分别为4.94和4.29, 均大于1, 累积方差贡献率达77.0%.各小麦品种在PC1和PC2上得分结果表明[图 4(b)], 在PC2对应的坐标轴上, 5个品种的得分出现了明显分异, 2个高积累品种得分范围为0.96~1.70, 均分布在其正方向上; 而3个低积累品种得分范围为-0.07~-1.30, 均分布在其负方向上.不同Cd转运系数在PC1和PC2上的载荷值分析表明[图 4(c)], 穗轴到籽粒、穗轴到颖壳和节点1到节间1的转运系数在PC2正方向上具有较高载荷, 载荷值范围为0.42~0.46; 而节间1到穗轴的转运系数则在PC2的负方向上具有较高载荷(-0.44); 这说明, 上述4个转运过程在区分Cd高低积累小麦品种上发挥重要作用.由图 4(d)可知, 高积累小麦品种的3个Cd转运系数, 即穗轴到籽粒、穗轴到颖壳和节点1到节间1, 均显著高于低积累品种(P < 0.05), 而节间1到穗轴的Cd转运系数则呈现相反规律.总之, 上述3个分析结果表明, Cd在穗轴到籽粒、穗轴到颖壳、节间1到穗轴和节点1到节间1的转运过程可能是造成小麦籽粒Cd积累品种差异的关键过程.

图 4

Fig. 4

(a)中**表示与籽粒Cd富集系数极显著相关(P < 0.01); (c)中红圈表示在主成分2中载荷较高的转运过程; (d)中不同小写字母表示在不同小麦品种的Cd转运系数有显著差异(P < 0.05) 图 4 小麦器官间Cd转运系数的相关性分析、主成分分析和方差分析 Fig. 4 Correlation analysis, principal component analysis, and variance analysis of Cd transport factors between different organs of wheat

在确定影响小麦籽粒Cd积累基因型差异的关键器官和转运过程的基础上, 本研究分析了小麦相应器官和根际土壤的13种元素含量, 计算了这些元素在籽粒、颖壳、穗轴、节点1、节点2和节间1等6个器官的富集系数, 以及穗轴到籽粒、穗轴到颖壳、节间1到穗轴和节点1到节间1等4个过程的转运系数, 并以此为基础, 通过相关性分析和主成分分析研究各小麦品种的离子组特征.由于节点2各元素富集系数的主成分分析不能有效区分Cd高低积累品种, 因此其相关性分析和主成分分析结果没有列出.

本研究以各元素在籽粒中的富集系数和穗轴到籽粒的转运系数为例, 介绍不同元素在小麦体内的富集转运特征.如图 5所示, 根据小麦籽粒对元素的富集能力可将14种元素分为4类: 高富集型、中等富集型、较低富集型和低富集型[见图 5(a)~5(d)].在高富集型中, Mg和K属于植物必需的大量营养元素, 土壤和籽粒中含量都很高; 而Zn和Mo属于植物必需微量元素, 在土壤和籽粒中含量均较低, 特别是Mo.在中等富集型中, 高积累品种的Cu富集系数均明显高于低积累品种, 而Mn的富集系数却相反.在低富集型中, Fe和Al在土壤中含量极高(数量级为10⁵), 而在籽粒中含量比土壤中低10³倍.根据不同元素从穗轴向籽粒的转运系数可将14种元素分为3类: 转运能力强、转运能力中等和转运能力低[见图 5(e)~5(g)].其中, 高积累品种Mg和K的转运系数明显低于低积累品种, 而其Cu、Pb、Mo的转运系数则明显高于低积累品种.

图 5

Fig. 5

图 5 不同元素在小麦籽粒的富集系数以及从穗轴到籽粒的转运系数 Fig. 5 Bioaccumulation factors of different elements in wheat grains and transport factors of different elements from spike to grain

将各元素的富集系数、转运系数与籽粒的Cd富集系数进行相关性分析, 结果如表 2所示.对于富集系数, 除颖壳外, 其余器官中Mn与籽粒的Cd富集系数均呈显著负相关(P < 0.05); 而除籽粒外, 其余器官中Mg与籽粒的Cd富集系数均呈显著正相关.对于转运系数, Mo在4个关键转运过程的转运系数均与籽粒Cd富集系数显著相关, 其中, 节间1到穗轴为负相关, 其余为正相关; K在穗轴到籽粒的转运系数与籽粒Cd富集系数呈显著负相关, 而在穗轴到颖壳和节间1到穗轴的转运系数则与其呈显著正相关; Pb在穗轴到籽粒和穗轴到颖壳的转运系数与籽粒Cd富集系数呈显著正相关, 而在节间1到穗轴的转运系数则与其呈显著负相关; 另外, Cr和Cu也各有2个转运系数与籽粒Cd富集系数显著相关.总的来看, Mg和Mn在关键部位的富集与籽粒Cd富集具有显著的相关性, 而Mo、K、Pb、Cr和Cu则在关键转运过程中与Cd呈现显著的相关性.

表 2 (Table 2)

表 2 小麦体内不同元素的富集系数、转运系数与籽粒Cd富集系数的相关性分析1) Table 2 Correlation coefficients between bioaccumulation factors and transport factors of different elements and Cd bioaccumulation factors of grain in wheat 籽粒 颖壳 穗轴 节间1 节点1 穗轴到籽粒 穗轴到颖壳 节间1到穗轴 节点1到节间1 Cd 1.000 0.971** 0.982** 0.948** 0.929** 0.960**1) 0.814** 0.821** 0.878** Al -0.028 0.650* 0.373 0.228 0.159 -0.232 0.171 0.061 0.107 Ba -0.420 0.000 0.460 -0.683* 0.038 -0.492 0.117 0.536 -0.801** Ca 0.342 0.604* 0.146 0.375 -0.062 0.232 0.584* -0.066 0.423 Cr -0.025 -0.027 -0.432 0.540 -0.284 0.277 0.486 -0.633* 0.710** Cu 0.756** 0.283 0.152 -0.420 -0.003 0.644* 0.173 0.494 -0.594* Fe -0.182 -0.151 -0.287 0.154 0.232 0.065 0.001 -0.303 0.005 K -0.249 -0.464 0.548 0.223 -0.534 -0.667* 0.726** 0.590* 0.545 Mg 0.462 0.806** 0.887** 0.684* 0.871** -0.859** 0.208 0.361 0.007 Mn -0.721** -0.315 -0.670* -0.737** -0.781** 0.561 0.432 0.684* 0.440 Mo 0.248 0.266 -0.327 0.561 -0.198 0.611* 0.607* -0.727** 0.759** Ni 0.430 0.399 -0.116 0.462 0.491 0.340 0.396 -0.407 0.519 Pb 0.425 0.329 -0.675* 0.337 0.250 0.741* 0.604* -0.593* -0.254 Zn 0.503 -0.046 -0.575 -0.446 0.180 0.640* 0.339 0.084 -0.450 1) n=12, *表示P < 0.05, **表示P < 0.01

表 2 小麦体内不同元素的富集系数、转运系数与籽粒Cd富集系数的相关性分析1) Table 2 Correlation coefficients between bioaccumulation factors and transport factors of different elements and Cd bioaccumulation factors of grain in wheat

将各元素的富集系数和转运系数分别进行主成分分析, 结果表明, 9个主成分分析中某个主成分均能区分Cd高低积累小麦品种, 各元素在这类主成分中的载荷值如表 3所示, 其中载荷较高的元素在品种区分中起主要作用.在元素富集系数的主成分分析中, K在颖壳、穗轴和节点1的主成分上有较高载荷; Mg在颖壳、穗轴、节间1和节点1的主成分上有较高的载荷; Mn在籽粒、穗轴、节间1和节点1的主成分上有较高的载荷.在元素转运系数的主成分分析中, Cr和Mo在4个转运系数的主成分上有较高的载荷; 而Ni和Pb分别在3个和2个转运系数的主成分上具有较高的载荷.综合相关性分析和主成分分析结果, 在影响小麦籽粒Cd含量的关键器官中, Mg和Mn发挥较为重要的作用; 在影响小麦Cd累积的关键转运过程中, Mo、Cr和Pb发挥较为重要的作用.

表 3 (Table 3)

表 3 小麦体内不同元素的富集系数与转运系数在主成分分析中的载荷值 Table 3 Loading values of bioaccumulation factors and transport factors of different elements in wheat in different principal components 籽粒PC1(28.8%)1) 颖壳PC1(39.8%) 穗轴PC1(34.1%) 节间1 PC1(38.3%) 节点1 PC2(19.9%) 穗轴到籽粒PC1(43.1%) 穗轴到颖壳PC1(48.1%) 节间1到穗轴PC1(34.1%) 节点1到节间1 PC1(30.9%) Cd 0.9102) 0.818 -0.81 0.378 -0.352 0.321 0.245 0.344 0.384 Al -0.109 0.847 0.016 0.296 0.176 -0.080 0.085 0.039 0.152 Ba -0.514 0.666 -0.090 -0.319 -0.150 -0.256 -0.116 -0.417 -0.278 Ca 0.155 0.497 -0.168 0.281 0.242 0.276 0.366 0.198 0.287 Cr 0.047 -0.114 0.538 0.334 0.272 0.307 0.362 0.345 0.398 Cu 0.748 0.042 -0.238 -0.072 0.261 0.369 0.279 0.034 -0.223 Fe -0.101 -0.063 0.171 0.277 0.158 0.104 -0.031 0.135 0.092 K -0.090 -0.712 -0.681 0.134 0.378 -0.101 -0.027 -0.219 0.286 Mg 0.111 0.671 -0.608 0.354 -0.412 -0.301 0.230 0.112 0.090 Mn -0.89 -0.117 0.920 -0.226 0.303 0.106 0.295 -0.335 0.269 Mo 0.126 -0.153 0.033 0.150 0.356 0.328 0.356 0.385 0.358 Ni 0.551 0.071 0.078 0.234 -0.145 0.298 0.348 0.305 0.339 Pb 0.520 0.254 0.724 0.321 -0.060 0.347 0.265 0.338 -0.077 Zn 0.624 0.088 0.513 -0.144 0.204 0.278 0.342 0.023 -0.207 1)括号内表示在主成分分析中能区分Cd高低积累小麦品种的主成分及其方差贡献率; 2) 黑字体表示该元素相应主成分上载荷值较高

表 3 小麦体内不同元素的富集系数与转运系数在主成分分析中的载荷值 Table 3 Loading values of bioaccumulation factors and transport factors of different elements in wheat in different principal components

Cd在小麦体内的迁移可以分为根部吸收、茎部转运和穗部分配这3个主要过程, 它们在影响籽粒Cd积累和其基因型差异方面发挥不同作用^[11].本研究发现, 小麦不同器官中根部的Cd富集系数最大(图 1), 而在相邻器官间的Cd转运系数中根部到节间5的值最小(图 3), 这表明小麦能将吸收的大部分Cd固定在根部, 以减少其对地上部的毒害, 这与张大众等^[22]的研究结果一致.在本研究中, 根部的Cd富集系数虽然在高低积累品种间有明显差异(图 1), 但是其与籽粒的Cd富集系数并无显著的相关性, 在主成分分析中区分高低积累品种方面也没有发挥重要作用.另外, 根部到节间5的Cd转运系数在品种间没有明显差异.这些结果表明, 在本研究中, 根部的Cd吸收以及向茎部的转运过程并不是影响小麦籽粒Cd积累基因型差异的关键因素.Zhang等^[10]的研究通过大田试验也发现高积累小麦品种根部Cd含量显著高于低积累品种, 这一点与本研究结果一致; 而Shi等^[11]和Hart等^[23]的研究认为, 根部向地上部转运过程是影响小麦Cd累积基因型差异的关键因素, 本研究与这两个研究结果不同, 一方面可能与供试品种和培养环境不同有关, 另一方面上述研究计算转运系数是用整个地上部或茎部与根部的Cd含量比值, 而本研究是用紧邻根的节间与根部的Cd含量比值.

茎部是小麦地上部Cd转运的主要通道, 其中节间主要负责Cd的运输, 而节点主要负责Cd的截留和再分配^[10].本研究中, Cd高低积累小麦在靠近根部的节间和节点Cd富集系数相近, 但由于高积累小麦节间和节点的Cd富集系数从下到上存在明显的递增趋势, 导致两类小麦的Cd富集系数在节间1和节点1处出现显著差异[图 2(d)].Shi等^[11]在Cd高低积累小麦品种的不同节(包含节点和节间)上和Zhang等^[10]在Cd高积累小麦的不同节点上也发现了相似的Cd含量递增现象, 出现这一现象可能是由于在生长后期Cd易于从小麦茎基部的节转运出去, 从而导致该部位Cd含量降低^[11]; 另外, 高积累小麦在上部节点和节间积累更多的Cd表明其茎部向上转运Cd的能力明显强于低积累品种.本研究还发现, 供试小麦从节间4到节点1的7个Cd转运系数呈现W形变化特征, 这是因为相邻的节点比节间的Cd含量高所致(图 1和图 3), 这与Zhang等^[10]的研究结果一致.综合茎部不同器官的Cd富集和转运特征可知, Cd在节点1和节间1的富集和转运是影响籽粒Cd积累基因型差异的关键因素.其中, 节点1的Cd富集系数均值在地上部最高, 而且低积累品种节点1到节间1的转运系数显著低于高积累品种, 这表明低积累品种的节点1对Cd具有较强的拦截和固定能力, 能有效阻止Cd由茎部向穗部迁移; Feng等^[24]的研究也发现水稻节点1的Cd含量在地上部最高, 这可能与该部位镉解毒相关基因表达量较高有关.低积累品种节间1的Cd富集系数也显著低于高积累品种, 但是其节间1到穗轴的Cd转运系数却显著高于高积累品种, 而且该参数与籽粒Cd累积负相关; Shi等^[11]的研究也发现, 在灌浆期低积累小麦穗轴与节间1的Cd含量比值显著高于高积累品种; 出现这一现象的原因有待进一步研究.

在小麦的穗部, 穗轴向下连接茎部, 上部附着籽粒和颖壳, 是Cd由茎部向穗部转运的主要通道^[25].本研究中在穗部, 穗轴的Cd富集系数均值最高, 而且Cd在穗轴的富集以及向籽粒和颖壳的转运与籽粒Cd累积均呈极显著正相关(表 2), 这表明Cd在穗轴的富集和转运是影响籽粒镉含量高低的关键因素.本研究发现, 低积累品种在穗部3个器官的Cd富集系数均显著低于高积累品种, 且相关转运系数也显著低于高积累品种(图 2和4), 这表明Cd在穗部累积少且向籽粒转运少是低积累品种籽粒Cd含量低的重要原因; Shi等^[11]的研究也发现, 在成熟期低积累小麦节间1、旗叶和穗轴向籽粒转运较少的Cd, 这是其Cd含量低的关键原因.综上所述, 节点1、节间1、穗轴和颖壳等4个器官和相应的4个转运过程在决定小麦籽粒Cd积累基因型差异中发挥重要作用, 这为下一步开展分子生物学机制研究提供了目标, 而且由于这些部位都分布靠上, 这也为喷施叶面调理剂, 阻控这些部位向籽粒转运Cd提供了重要依据.

对于在Cd污染土壤中生长的小麦, 其离子组特征可以反映Cd与其他元素在富集转运过程中的交互作用.Mg是植物必需的常量元素, 它在多种酶激活方面发挥重要作用^[26].本研究发现, 4个器官的Mg与籽粒Cd的富集系数呈显著正相关(表 2).Feng等^[24]的研究也发现, 在水稻所有节点中Cd与Mg的含量都显著正相关.这种正相关性可能是由于这些器官, 特别是节点1和节间1中富集了大量的Cd, 为了缓解Cd毒害, 需要合成植物螯合肽(PCs)结合Cd并将其转运到液泡中区隔, 而Mg-ATP既是谷胱甘肽(PCs的合成前体)合成酶的激活物, 同时也为转运过程提供能量^{[27, 28]}, 因此这些器官同时积累大量的Mg; Singh等^[29]的研究表明, 充足的Mg供应可以有效缓解Cd毒害对小麦的氧化胁迫并促进生长.Mn是植物必需的微量元素, 在小麦体内Mn和Cd的吸收转运会共用载体蛋白TaNramp5, 因此二者的富集转运常表现为拮抗作用^[30].本研究也发现, Mn在小麦4个器官中与籽粒Cd富集呈显著负相关(表 2), 这一结果为施用Mn肥降低小麦Cd累积提供了重要依据.Wang等^[31]的研究表明, 土施MnSO₄通过显著降低Cd在小麦节间1、节点1和穗轴的富集, 显著减少籽粒Cd含量, 这与本研究的结果一致.Mo也是植物必需的微量元素, 本研究发现Mo在关键转运过程的转运系数与籽粒Cd富集系数呈显著正相关(表 2); 肖艳辉等^[32]和张振明等^[33]的研究也发现, 在培养液中添加Mo可以显著提高茴香和油菜体内的Cd含量.另外, 本研究还发现, Cr和Pb在关键过程的转运系数与籽粒Cd富集有显著的正相关性(表 2), 这一结果表明在复合污染条件下, 小麦富集Cd的同时也可能富集Cr和Pb, 需要特别注意.综上所述, 通过分析小麦体内离子组特征, 本研究找到了影响小麦籽粒Cd积累基因型差异的关键元素; 在这些元素中, Mn能抑制小麦籽粒对Cd的富集, 实际应用中可以通过施用Mn肥来降低籽粒Cd含量, 而Mg和Mo可能促进小麦籽粒对Cd的富集, 在补充这些养分时需要注意Cd累积情况.

(1) 冬小麦颖壳、穗轴、节间1和节点1等4个器官的Cd富集系数, 以及穗轴到籽粒、穗轴到颖壳、节间1到穗轴和节点1到节间1等4个转运过程的Cd转运系数, 均与籽粒Cd富集系数显著相关, 在主成分分析中Cd高低积累小麦品种的区分上贡献较大, 且在高低积累品种间存在显著差异, 因此这4个器官是影响小麦籽粒Cd积累基因型差异的关键器官, 而这4个过程是控制冬小麦籽粒Cd累积品种差异的关键过程.

(2) 在影响冬小麦籽粒Cd累积品种差异的关键器官中Mg和Mn的富集系数, 以及关键转运过程中Mo、Cr和Pb的转运系数, 均与籽粒Cd富集系数显著相关, 且在主成分分析中高低积累小麦品种区分方面贡献较大, 因此在上述关键器官和转运过程中, Mg、Mn、Mo、Cr和Pb是影响小麦籽粒Cd累积品种差异的关键元素.