小麦胚乳锌积累路径和锌的生物强化研究

增加粮食作物籽粒中微量元素的含量（生物强化）被认为是解决人类微量营养元素不足的有效途径。锌（Zn）是人类最易缺乏的微量元素之一，目前Zn生物强化的主要制约因素是我们对控制籽粒中胚乳锌积累的相关生理机制没有足够的了解，而这主要归因于研究手段的局限。利用能够对固体微区进行元素含量定量分析的激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪（LA-ICP-MS），前期研究发现小麦锌生物强化的关键是如何提高胚乳锌的含量。本项目采用离体穗培养技术、稳定同位素70Zn和LA-ICP-MS 联用，动态追踪Zn进入小麦胚乳的路径，研究Zn螯合物或Zn共运输物质对胚乳锌积累的效应，探索增加小麦胚乳锌含量的方法；研究Zn与有毒重金属元素在小麦籽粒中的共分布情况及其调控途径，评估Zn生物强化的风险。上述研究将在小麦胚乳锌的积累途径和相关机理方面取得创新性认识，进而为经济、有效、安全地解决人类锌营养问题提供新的信息。

锌（Zn）是人类最易缺乏的微量元素之一。增加粮食作物籽粒中微量元素的含量（生物强化）被认为是解决人类微量营养元素不足的有效途径。要想安全有效地提高粮食作物可食用部位的锌浓度，需要更好地了解锌在籽粒内的运输和分配特点，建立调节谷粒锌含量的方法，并明确锌生物强化可能带来的风险。本项目以重要谷类作物小麦为试验材料，设置大田和盆栽试验，利用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪（LA-ICP-MS）和离体穗培养等技术，研究花后不同时期锌处理对小麦籽粒锌含量、积累和运输的影响。主要结论有：花后叶面施锌（0.1%至0.4% ZnSO4）不仅大幅增加现代小麦品种籽粒不同组分的锌浓度，而且使锌的有效性明显增加，是一种快捷有效的生物强化手段。小麦离体穗培养试验表明，锌元素在穗轴和籽粒部位之间存在明显的运输障碍，但这种障碍品种间存在很大差异:富锌小麦青紫1号显著小于普通小麦扬麦17号。用LA-ICP-MS法研究小麦元素的共分布，结果发现小麦籽粒中锌、铜、锰和磷浓度的空间变异很大，且在谷粒不同部位中的浓度变化存在明显的共分布特征。进一步研究发现，轻微重金属污染，即对小麦产量没有明显影响的重金属复合处理，可使籽粒特别是人类食用部位胚乳中的重金属元素含量均明显增加。说明，小麦生物强化实践中，在增加有益营养元素的同时亦存在有毒重金属超标的风险。上述发现是小麦生物强化领域的新进展，为经济、有效、安全地解决人类锌营养问题提供了新的实验依据。