重金属复合处理对小麦锌铜镍镉积累和分布的影响

摘要：为增加粮食可食用部分有益元素的浓度，同时减少有毒重金属元素的含量，需要更好地了解元素在植株和籽粒内的运输和分布。在温室盆栽条件下，以春小麦为供试材料，设置对照（不添加重金属）和重金属复合处理（同时添加铜、锌、镍、镉，以不影响小麦生长为前提），研究锌（Zn）、铜（Cu）、镍（Ni）、镉（Cd）在成熟植株和籽粒不同部位的分布特点。结果表明，重金属复合处理对小麦成熟期籽粒和秸秆产量、收获指数以及粒重均无显著影响，但使小麦各器官重金属浓度均显著增加，增幅因不同器官和不同元素而异，籽粒中Zn、Cu、Ni 和Cd 浓度分别增加.8、0.5、48.1 倍和45.3 倍。重金属复合处理还显著改变了Zn 和Ni 在地上部各器官中的分配模式：对照小麦吸收的Zn 更易向生殖器官中转运，处理植株则更多地滞留在营养器官中，而Ni 呈相反的趋势。激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪（LA-ICP-MS）对籽粒糊粉层和胚乳的定量分析表明，重金属复合处理使糊粉层Zn 和Cu 浓度仅增加了78%和86%，而糊粉层Ni 和Cd 浓度分别增加了30 倍和121 倍。重金属复合处理使胚乳Zn 和Cu 浓度分别增加了49%和48%，使Ni 和Cd 浓度均超出小麦标准中Ni 和Cd 的最大允许浓度（对照籽粒胚乳中没有检验到Ni 和Cd）。以上结果表明，在小麦生物强化实践中，在增加有益营养元素（如Cu 和Zn）的同时亦存在有毒重金属（如Ni 和Cd）超标的巨大风险。

    微量营养元素缺乏对全世界超过30 亿人口特别是发展中国家人口的健康构成威胁[1-2]。微量元素缺乏通常与小麦、水稻和玉米等主要粮食作物籽粒中微量元素浓度较低有关[3]。因此，增加谷类作物籽粒的微量元素含量（生物强化，biofortification）亦就成为研究的热点领域，受到越来越多的关注[2，4-8]。但迄今为止，生物强化研究尚未取得突破性进展，主要制约因素是我们对控制营养元素向籽粒内运输的相关生理过程及其分子机制缺乏足够的了解[7，9]。
    锌和铜是人类和动植物必需的微量营养元素，当食物链中的微量元素含量低于一定水平时，强化食品对人类健康有益，但是当锌和铜摄入过量时，它们又成了对人体有害的元素。镍和镉是有毒重金属，许多国家食品安全标准中都对镍镉在食品中的最高允许浓度作了规定。由于植物体内锌铜等微量营养元素的转运子也会协助有毒重金属元素（如镉）的吸收[10]，加上金属元素的化学性质存在相似性，它们在籽粒里很可能存在共分布（colocalization）的特征。因此，通过生物强化手段提高小麦籽粒微量元素含量的同时，亦有可能同时增加了有毒重金属元素的含量，从而可能导
致粮食中有毒重金属超标。例如，在生产上增施锌肥被认为是提高籽粒锌含量最直接的方法[1，11]，但锌肥中通常含有与锌化学性质相似的杂质元素镉，两者被植物吸收和在体内的转运途径相似[12]，长期施用可能会造成食物链重金属污染。因此，研究谷粒中是否存在这种共分布及其调控非常重要。
    最新应用于植物组织元素定位分析的激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪（Laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry，LA-ICP-MS） 在精确定量上取得了重要突破。这项技术已在地球科学上得到大量的应用，在作物科学上的运用才刚刚开始[8，13-17]，目前只有相当有限的文献涉及植物种子中元素的空间分布[8，16-17]。Wirth 等[16]在国际上首次利用LA-ICP-MS 技术分析了水稻籽粒不同部位元素的浓度，结果证实转基因水稻籽粒中Fe 含量高于野生型水稻籽粒。采用这一技术，笔者等[17]最新研究发现小麦成熟种子锌浓度的空间分布差异很大，其中糊粉层部位的锌浓度（432 mg·kg-1）是胚乳部位（14 mg·kg-1）的31 倍，这是国内首篇关于LA-ICP-MS 法测定谷粒微量元素空间分布的报道。本研究设置重金属复合处理（同时添加锌铜镍镉，以不影响小麦生长为前提），采用LA-ICP-MS 技术结合酸消解溶液雾化进样ICP-MS 法测定小麦植株和籽粒不同部位的元素浓度，评估微量元素锌铜与有毒重金属镍镉在小麦籽粒不同部位共分布的风险，旨在为建立主要粮食生物强化的安全途径提供实验依据。