当前我国部分区域耕地重金属汞/镉污染问题突出,由土壤污染引发的农产品安全问题频发。继“镉米”之后,“汞麦”“镉麦”事件已成为环境、健康等领域关注的焦点。基于我国人多耕地少的现状,必须寻找“边生产边修复”模式实施土壤污染防治,其中种植重金属低积累小麦品种是最优选途径。目前对低积累小麦品种筛选尚未建立统一的标准体系,对低积累品种根际微环境特征尚不清楚。因此本研究以黄淮海冬麦区推广小麦品种为研究对象,通过盆栽和大田试验,对小麦品种汞/镉积累特性进行研究,筛选低汞/镉积累品种,进而比较高低汞/镉积累品种根际微环境差异,揭示低汞/镉积累品种根际微环境特征。本文收集黄淮海冬麦区推广小麦品种,通过室内盆栽试验,设置3个汞处理梯度(0、1 mgkg-1、5 mgkg-1),研究小麦形态性状、生物量性状和产量相关性状等1 1个性状对汞胁迫的响应,计算各个性状的汞耐性系数、汞耐性指数、遗传变异系数和广义遗传力,构建改进隶属函数,建立小麦品种汞耐性评价体系,对耐汞小麦品种进行初步筛选。研究结果表明,低汞胁迫显著增加了小麦株高和第一节结长,而显著降低了小穗数。高汞胁迫显著增加了小麦株高,降低了小麦产量相关性状(穗粒数、谷物鲜重和谷物干重)。对具有中高等广义遗传力(0.31-0.68)的1 1个性状构建改进隶属函数,通过判别分析建立小麦品种汞耐性评价体系-判别函数。低汞胁迫下,汞耐性判别函数自变量为有效分蘖数汞耐性系数、谷物鲜重汞耐性系数和生物量干重汞耐性系数;高汞胁迫下,判别函数变量包括谷物干重汞耐性系数和生物量干重汞耐性系数。判别函数值越大,小麦品种汞耐性越强。低汞和高汞胁迫下,判别函数对小麦品种汞耐性评价的正确率分别为90.0%和83.3%。该评价体系突破了以往以产量为评价指标的简单鉴定模式。结合小麦品种汞耐性、籽粒汞浓度与富集因子,小麦品种农大3163(ND3163)和藁城8901(GC8901)被筛选为耐汞且低汞积累小麦品种,济麦21(JM21)和泰山21(TS21)为汞敏感且高汞积累小麦品种,该研究填补了黄淮海冬麦区推广小麦品种汞耐性和汞积累特性的研究空缺,为轻中度汞污染农田的安全利用提供了种质资源。进一步以筛选的低汞(DA3163和GC8901)和高汞(JM21和TS21)积累小麦品种为研究对象,揭示小麦高低汞积累品种汞积累和转运能力差异,明确小麦品种籽粒低汞积累是由于品种的低吸收还是向地上部转移较少所致。此外,本文也研究了高低汞积累品种根际土壤有机酸和微生物差异,阐明低汞积累小麦品种根际微环境特征。结果表明,低汞胁迫下,低汞积累品种DA3163和GC8901根汞浓度显著低于高汞积累品种JM21和TS21;高汞胁迫下,四个品种根汞浓度无显著差异,而两个低汞积累品种汞由根向茎、叶、籽粒的转移因子显著低于高汞积累品种,说明低汞胁迫下,小麦籽粒低汞积累是由于根部低汞吸收所致,而高汞胁迫下,小麦品种籽粒低汞积累是由于向地上部转移较低所致。低汞胁迫下,低汞积累品种ND3163和GC8901根际土壤柠檬酸和草酸浓度,革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和真菌丰度显著低于高汞积累品种JM21;低汞积累品种GC8901根际土壤原生动物丰度显著高于高汞积累品种。低汞积累小麦品种根部分泌较少的柠檬酸和草酸,并且根际土壤原生动物丰度较高,明确根际土壤有机酸和微生物对汞在小麦中积累和转移的影响可为降低小麦籽粒汞浓度提供理论依据。本文通过3个田间小区试验对黄淮海冬麦区72个主推小麦品种籽粒镉积累特性进行鉴定,研究小麦品种镉积累稳定性,探究小麦品种吸收镉与微量元素(锌、铜、铁、锰和硼)的关系。对小麦性状与籽粒镉浓度相关性进行分析,以期为低镉积累小麦品种筛选提供简单快捷的筛选方法。依据小麦籽粒镉浓度值聚类分析,将轻度镉污染农田-试验田1中种植的小麦品种分为超低镉、低镉、中等镉、高镉和超高镉积累品种,其中超低镉和低镉积累品种24个,其籽粒镉浓度低于安全食用限值(0.1 mg kg-1,GB2762-2017)。对小麦品种镉积累稳定性研究表明,试验田1中筛选的24个低镉积累品种中有9个品种低镉积累特性不稳定,在试验田2和试验田3表现出中等镉、高镉或超高镉积累特性。对相对稳定的低镉和高镉积累品种籽粒锌、铜、铁、锰和硼浓度进行比较,其中5个低镉积累品种在至少两块试验农田其籽粒锌浓度显著低于高镉积累品种,另外1个低镉积累品种籽粒锌、铜和锰浓度均显著低于高镉积累品种。小麦籽粒铁浓度在低镉和高镉积累品种中无显著差异。最终筛选出9个低镉积累特性相对稳定且中高等微量元素积累品种,提供小麦品种清单,推荐用于山东省轻中度镉污染农田的安全利用。这9个品种在三个试验农田均有较高的千粒重和产量。对小麦农艺性状与籽粒镉浓度相关性研究表明,小麦籽粒镉浓度与茎、根干重呈显著正相关关系,与穗长呈显著负相关关系,与小麦产量无显著相关性,较长穗长的小麦品种或许具有低镉积累特性。筛选低镉积累小麦品种要尤为关注小麦低镉积累稳定性和对微量元素锌的积累能力。上述研究发现,一些低镉积累小麦品种同时也低锌吸收,本文以不同镉/锌积累能力小麦品种为研究对象,通过高通量测序技术对其根际细菌多样性和群落结构差异进行研究,揭示根际细菌与小麦籽粒吸收积累镉/锌的潜在关系。结果表明,在轻度镉污染农田,不同镉/锌积累能力小麦品种根际细菌主要菌门均为变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、疣微菌门(Verrucomicrobia)、浮霉菌门(Planctomycetes)和厚壁菌门(Firmicutes),这9个菌门占根际细菌95.0%以上。低镉积累品种根际细菌多样性显著高于高镉积累品种,其根际土壤芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、浮霉菌门(Planctomycetes)和厚壁菌门(Firmicutes)相对丰度显著高于高镉积累品种;高锌积累品种根际土壤变形菌门(Proteobacteria)相对丰度显著高于低锌积累品种。本文进一步对丰度较高的放线菌门(Actinobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)和芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)在纲、目、科水平的差异进行研究。在科水平,低镉积累品种根际土壤芽单胞菌科(Gemmatimonadaceae)、鞘脂单胞菌科(Sphingomonadaceae)、拜叶林克氏菌科(Beijerinckiaceae)、亚硝化单胞菌科(Nitrosomonadaceae)、Nocardioidaceae 科、Intrasporangiaceae 科、微单孢菌科(Micromonosporaceae)、Pseudonocardiaceae 科、地嗜皮菌科(Geodermatophil aceae)和Gaiellaceae科相对丰度显著高于高镉积累品种;高锌积累品种根际土壤Rhodanobacteraceae科相对丰度显著高于低锌积累品种。低镉高锌积累品种根际土壤α-变形菌纲和芽单胞菌科相对丰度高于低镉低锌和高镉高锌积累品种。Tax4Fun功能预测结果表明,低镉高锌积累品种根际土壤硝化功能类细菌相对丰度较高,其需氧氨氧化功能菌和硝化功能菌相对丰度高于高镉高锌积累品种,亚硝酸盐氧化菌相对丰度高于低镉低锌积累品种。本研究首次揭示了小麦低辐高锌积累的品种差异可能与根际土壤某些关键细菌类群的丰度相关,根际土壤较高丰度的α-变形菌纲和芽单胞菌科细菌或许有利于小麦品种籽粒低镉且高锌积累。本文搜集2010-2020年发表的所有关于中国小麦品种吸收和积累镉的田间试验论文,提取籽粒镉浓度、土壤镉浓度、籽粒镉富集因子、土壤理化性质(pH、有机质、阳离子交换量、速效钾、碱解氮)等指标,对数据进行Meta分析。对搜集的895对小麦和土壤样品分析籽粒镉富集因子与土壤理化性相关性,结果表明,小麦籽粒镉富集因子与土壤镉浓度呈显著正相关关系,与土壤pH、有机质和碱解氮呈负相关关系,与阳离子交换量和速效钾无显著相关性。土壤pH>6.5时,小麦籽粒镉富集因子<1的比例达99.0%,主要集中在0-0.1之间,比例为71.9%;5.5<pH<6.5时,小麦籽粒镉富集因子<1的比例为72.7%,主要集中在0-0.6之间,比例为72.0%;pH<5.5时,小麦籽粒镉富集因子<1的比例仅为5.90%。土壤pH>6.5时,将小麦籽粒镉富集因子<1作为筛选低镉积累小麦品种指标之一无意义。土壤有机质、碱解氮较丰富的土壤中,小麦籽粒镉富集因子<1的比例分别为95.0%和91.5%。在pH较高,有机质和碱解氮较丰富的农田更有利于确保小麦镉食用安全。