低鎘吸收水稻在嘉興大田的種植表現

富昊偉，張紅梅，黃海明，馬興華，李友發

(1.嘉興市農業科學研究院，浙江 嘉興 314016； 2.嘉興市綠農種子有限公司，浙江 嘉興 314000)

重金屬鎘對生物活性組織都有毒性，而且半衰期長達10～30年。人吸收的鎘主要來自食物，大米作為中國人的主食，長期食用鎘含量超標的大米(中國國標要求稻米中鎘含量低于 0.2 mg·kg-1)，對人類的健康會產生重大危害[1]。在鎘污染的土壤中種植的水稻，鎘會通過水稻的根吸收進入莖稈和米粒之中，導致大米中的鎘含量增高，因此，鎘污染土地是生產“鎘毒大米”的根本原因。對鎘污染土壤的改良方法較多，如閑置多年不種植，使鎘自然衰減，或通過種植其他非糧食作物吸收，待土壤鎘含量達到標準，再種植糧食作物。但這些方法都有較大的局限性，如閑置對耕地的浪費在耕地短缺的我國就不適合國情，而種植其他非經濟作物勢必減少農戶收入[2]。從育種的角度，較理想的辦法是種植低鎘吸收的作物品種：即使在鎘污染的土壤中種植水稻，而產出的稻米中鎘的含量仍能達國家標準。研究表明，水稻品種對鎘吸收存在差異性，篩選低鎘吸收的品種是有效的。但現在的育種實踐中，很少有將低鎘性狀作為育種目標。這一方面可能是鎘的測定比較費時、費財，另一個原因也可能低鎘性狀和其他經濟性狀如高產等有一定矛盾。但隨著現代生物技術的發展，對鎘吸收基因的功能研究日益清晰，利用生物技術獲得低鎘吸收種質的可能性大大增加了。在本研究中，我們利用CRISPR/Cas9基因編輯系統，對粳稻品系錫稻1號和甜粳1號編輯其鎘吸收相關的基因OsLCT1，獲得了3個低鎘吸收的突變體(突變體基因編輯及篩選過程將另文發表)。這3個品系均為粳稻品系，為明確低鎘吸收品系在產量和農藝性狀與親本相比的差異性及在粳稻主栽區域的應用前景，我們設計進行了本試驗。

1 材料與方法

1.1 材料

參試材料為低鎘1號、低鎘2號、低鎘3號和錫稻1號、甜粳1號，以及嘉興市晚粳主栽品種秀水134。低鎘1號、低鎘2號為CRISPR/Cas9基因編輯系統編輯錫稻1號OsLCT1基因篩選獲得的突變體，低鎘3號為CRISPR/Cas9基因編輯系統編輯甜粳1號OsLCT1基因篩選獲得的突變體。突變體經篩選定型，全基因組測序檢測，已不含任何轉基因成分。錫稻1號、甜粳1號，均系無錫哈勃有限公司經花培育種選育的粳稻品系。

1.2 方法

進行小區鑒定和大區品比試驗，均以錫稻1號、甜粳1號和秀水134為對照品種(CK1、CK2和CK3)。

小區鑒定試驗。采用完全隨機區組設計，小區面積13.33 m2，重復3次。四周設3行以上保護行，種植對應小區品種。田間肥水管理按當地生產習慣統一操作。成熟時割除保護行后實收產量。

大區品比試驗。3個鑒定品系和3個對照品種各種植200 m2，四周設同品種保護行，不設重復。田間肥水管理按當地生產習慣統一操作。成熟時割除保護行后實收大區稻谷產量。

1.3 調查項目

農藝性狀調查。在大區品比中完成。苗期及分蘗期調查試驗品種及對照的落田苗、最高苗；穗期記栽始穗期、齊穗期、成熟期并計算全生育期；收獲前1 d取樣5株，調查有效穗、株高、穗長、每穗實粒數、每穗總粒數、千粒重。

綜合性狀調查。記錄葉片形態、耐寒性、抗倒性、田間白葉枯病、稻瘟病、稻縱卷葉螟等各項表現。

2 結果與分析

2.1 產量

小區及大區測產結果見表1。低鎘1號和低鎘2號是從錫稻1號(CK1)獲得，小區平均產量分別為8.33、7.73 t·hm-2，比錫稻1號分別減產0.6%、7.8%。大區產量則低鎘1號比錫稻1號增產2.4%，低鎘2號減產4.1%。說明低鎘1號的產量與親本接近(小區略減而大區略增)。但低鎘2號則小區和大區分別減產7.8% 和4.1%，減產達顯著水平。說明即使對同一材料同一基因的編輯，獲得的突變品系產量也有差異。低鎘3 號是甜粳1號(CK2)的基因編輯篩選獲得，小區和大區產量與甜粳1號相比，分別減產2.3%、1.0%，均未達顯著水平，說明獲得的低鎘3號產量水平也和親本接近。與嘉興主栽品種秀水134(CK3)相比，低鎘1號、2號及錫稻 1 號減產極顯著(減產幅度小區21.9%～28.0%，大區10.3%～14.0%)。減產幅度大的主要原因是生育期差異。低鎘3號與秀水134相比，小區產量減產2.6%，大區產量平產。顯然，就產量而言，低鎘3號在本試驗的產量水平和秀水134相當，較有競爭力，而低鎘1號、2號與秀水134的產量水平減產幅度很大。

表1 3個水稻低鎘品系小區及大區試驗產量表現

2.2 農藝特性及田間長勢

表2表明，低鎘1號、2號在嘉興屬于早熟晚粳類型，5月31日播種，8月23日始穗，10月6日已成熟可收割。與秀水134比，產量因子中，有效穗數增加，實粒數和千粒重明顯下降。以低鎘1號為例，有效穗增2.8%，實粒數-18.7%，千粒重-10.2%，理論產量-25.0%，和實際測產結果基本吻合。低鎘2號、低鎘3號經測算也和實際測產結果吻合。從3個產量因子分析，低鎘品系與各自親本比，有效穗差異不顯著，結實率有顯著降低，千粒重有降低但不顯著。

表2 3個水稻低鎘品系生育期及主要經濟性狀表現

從田間綜合長相長勢(表3)分析，低鎘1號、2號、3號均青稈黃熟，抗倒伏。田間豐產性低鎘3號及親本甜粳1號和秀水134較好，與低鎘1號、2號及錫稻1號有明顯差別。試驗田間未發現穗頸瘟、白葉枯病和紋枯病，這應該和及時防治病害有關。

表3 3個水稻低鎘品系大田綜合長勢長相及田間抗性表現

3 小結與討論

試驗結果表明，低鎘1號、2 號、3 號 3 個低鎘品種和親本比較，有效穗數略有增加，結實率和千粒重略有降低，理論產量總體上差別不大。即對低鎘基因OsLCT1編輯篩選到的低鎘1號、2號、3號，基本保持了各自親本的農藝特性和產量水平。表明對低鎘基因OsLCT1編輯可獲得對產量影響較小的低鎘突變體。

試驗中低鎘3號產量水平較高，已達到主栽品種秀水134的水準。表明突變體的產量水平和它的親本的產量水平高度相關。這給我們指出了應用基因編輯技術獲得新種質的思路，就是選擇當地主栽品種，或比主栽品種更好的新品種(品系)用于基因編輯，這樣才會取得事半功倍的效果。

作為浙北糧倉的嘉興市污染比較嚴重，嘉興市重金屬含量地理監測系統(GIS)數據表明，重金屬綜合污染情況從輕到重分別為南湖、秀洲、平湖、海鹽、海寧、桐鄉、嘉善。因此，在嘉興市篩選低鎘吸收的水稻新品種，具有現實意義。