重慶市鎘低積累水稻種質資源篩選試驗

蔣剛 朱子超 黃乾龍 管玉圣 歐陽杰 何永歆 王楚桃 李賢勇

摘 要 本研究選用了25份重慶市農業科學院水稻研究所自育的水稻材料（遺傳差異明顯），設定5個土壤Cd含量梯度處理，用塑料桶進行盆栽試驗，收獲成熟的稻谷，送北京中科光析化工技術研究所測試精米中的Cd含量，以我國食品中污染物限量規定（GB2762-2012）為標準，比較不同材料在不同Cd濃度條件下積累的差異，篩選符合標準的Cd低積累種質資源。結果表明，25份材料的稻米在不同土壤Cd含量條件下表現最好的有神9B、神龍4B、192B，其余材料表現差異明顯。

關鍵詞 水稻;Cd低積累;篩選;應用;重慶市

中圖分類號：S511 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.13.002

重金屬污染是當今世界農業生產安全、農產品食用安全所面臨的一個嚴峻問題[1]。重金屬不但污染環境，更會對我們的身體健康造成極大危害，而鎘（Cd）是危害最大的元素之一[2]。

雖然土壤自身也含有一定量的Cd，但其含量一般較低，危害不大，而工業生產廢水和生活污水才是污染大戶。近年來，由于一些地區的水資源較為緊張或灌溉水源缺乏，稻田不得不采用污水灌溉，加上土壤中原生重金屬的釋放，導致重金屬污染加重特別是Cd污染加劇。據報道，我國有大約2.8×105 hm2農田已經被Cd污染，在這些被污染的土地上，每年生產高達1.46×1010 kg含Cd量超標的農產品[3]，給我國的農產品食用安全造成了極大隱患。稻米是人們的主要糧食之一，現有生產上應用的大多數水稻品種在Cd污染土壤中栽種后，其稻米中的Cd含量都會超過國家食品中污染物限量規定，嚴重威脅了我國水稻產業的可持續發展。

可喜的是，蔣彬等[4]、譚周磁等[5]研究表明，不同基因型的水稻品種對稻田Cd的積累表現完全不同。這些研究結果表明，在輕、中度污染地區，如果種植Cd低積累水稻品種，以此降低稻米中Cd含量，將其控制在安全范圍內是可行的。生產上，各地方政府都非常重視這個問題，將Cd低積累水稻品種選育推廣提在了重要日程上，開始對市場上的水稻品種進行篩選，符合要求的品種進行政府采購并鼓勵農戶種植。

社會需求加之國家對食品安全的重視，反過來也促進了Cd低積累水稻新品種的篩選和選育。國家投入了相當的資源和財力，開設了大量的項目進行Cd低積累水稻品種選育研究。現有研究多集中在對已推廣應用的品種進行篩選，而直接以親本材料的Cd低積累比較和種質資源的篩選來進行新品種選育的成功案例不多。而且，大多水稻Cd積累研究只考慮了單一Cd濃度脅迫因素，對水稻在不同Cd濃度條件下的Cd積累尤其是親本材料和組合對照研究的案例較少。筆者采用前期初步篩選出的25個水稻品種或材料，對其在不同Cd濃度污染土壤中的Cd積累差異進行比較，試圖獲取在高Cd污染時仍然Cd低積累的水稻種質資源，選育Cd低積累水稻品種。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗采用的水稻材料由重慶市農業科學院提供，材料之間具有廣泛遺傳差異，具體命名和編號見表1。

1.2 試驗設計

試驗于2019年在重慶市農業科學院水稻研究所基地進行。供試土壤為當地未污染土壤，上一年采集曬干、磨碎，過2.5 mm孔徑篩，裝入塑料桶，每桶裝入10 kg土壤和0.02 kg復混肥（15-15-15），混合拌勻后備用。

試驗共設置5個土壤Cd濃度處理：0 mg·kg-1（CK）、0.2 mg·kg-1、0.5 mg·kg-1、1 mg·kg-1、2 mg·kg-1。所有材料在普通水田中育秧，待秧苗長到5葉后移栽入之前準備好的塑料桶中，每個材料重復3次。

1.3 樣品采集分析

在參試材料的稻谷約九成熟時，收獲稻谷，及時脫粒，用網袋分裝曬干，送北京中科光析化工技術研究所按國標（GB2762—2012）測定精米中Cd含量。

1.4 數據分析

試驗數據采用Excel 2019軟件進行統計分析，用Cd積累指數衡量不同脅迫強度下的反應差異或Cd吸收特征差異。

Cd積累指數=[高濃度處理表現值（含量）-低濃度處理表現值（含量）]/低濃度處理表現值（含量）×100

2 結果與分析

2.1 稻米Cd含量比較

水稻吸收土壤中的Cd后積累在根、莖、葉、籽粒等多個部位，其分布情況較為復雜，而人們更關心的是稻米中的Cd含量是否符合安全標準，稻米能否安全食用，因此本試驗只研究了不同Cd濃度土壤中的稻米Cd含量變化情況，結果如圖1。

可以看出，土壤Cd濃度為0 mg·kg-1時，所有材料的稻米Cd含量未檢出。在土壤中有Cd存在時，所有參試材料的稻米都吸附了一定量的Cd，但在土壤Cd濃度較低或較高時，稻米Cd含量的增加幅度不一樣，有的材料增加幅度大、稻米Cd含量高，有的材料則增加幅度較小、稻米Cd含量較低;有的材料在土壤中Cd濃度較低時，仍然會吸附超量的Cd，超過國家安全標準，說明這些材料對Cd比較敏感，不適宜作材料選育Cd低積累品種。

在對照處理（土壤Cd濃度為0）中，各材料的稻米Cd含量均符合國家安全標準。土壤加Cd后，在同一Cd脅迫濃度下，不同材料的稻米Cd含量差異較大。由圖1中可見，在土壤0.2 mg·kg-1 Cd處理條件下，稻米中Cd含量差異區間為0～0.285 6 mg·kg-1（含量為0是因為含量過低，儀器無法測定）;在土壤0.5 mg·kg-1 Cd處理條件下，稻米Cd含量差異區間為0～0.999 5 mg·kg-1;在土壤1 mg·kg-1 Cd處理條件下，稻米Cd含量差異區間在0.150 1～1.016 3 mg·kg-1;在土壤2 mg·kg-1 Cd處理條件下，稻米Cd含量差異區間在0.163 6～1.922 8 mg·kg-1。各參試材料稻米Cd含量的平均值差異明顯，最高的3346R為0.784 6 mg·kg-1，最低的9B為0.093 3 mg·kg-1，最高的是最低的8倍多，材料間Cd積累差異明顯。

2.2 Cd積累指數比較

為了更好地分析各種材料在不同Cd濃度脅迫時稻米Cd積累差異，我們以Cd積累指數進行比較，其Cd積累指數越大，表明該材料在高濃度Cd脅迫條件下的稻米Cd積累量增加愈多，對Cd脅迫更為敏感，反之則對Cd脅迫不敏感。Cd積累指數較小，要么是該材料在Cd低濃度脅迫時就積累了較多的Cd，在高濃度時增加幅度較小，要么是不同濃度Cd脅迫下積累量都較低，顯而易見，后一種才是理想材料。從圖2中可見，所有材料的Cd積累指數明顯不同，72B、149B在低濃度Cd脅迫下時鎘含量較低無法測定，導致Cd積累指數無法計算，但在低濃度Cd脅迫時稻米Cd積累量極低證明其稻米食用是安全的，而在高濃度協迫時，稻米Cd積累大幅度增加，超出安全范圍，不能食用。這也是大多數材料表現出的共性，即Cd低濃度脅迫時稻米Cd含量不超標，Cd高濃度脅迫時稻米Cd含量超標，這也表明要選育完全Cd低積累品種的難度極大。其余材料中，156B的Cd積累指數值最高，為280.6，326B的Cd積累指數最小，僅有9.2，兩者相差30.5倍，可見水稻對Cd的積累在不同材料之間差異極大。326B的Cd積累系數雖小，但其在低Cd脅迫時，稻米Cd含量已經較高，這類材料對選育稻米Cd低積累品種完全沒有價值。9B、192B的Cd積累指數相對較小，而且其在不同濃度Cd脅迫下積累量都較低且符合安全標準，這就是理想的Cd低積累材料。

3 小結與討論

綜上所述，一般水稻品種或材料在土壤Cd濃度較低時，其稻米中的Cd含量符合國家安全標準;隨著土壤Cd濃度上升，絕大部分品種或材料的Cd積累量大幅上升，嚴重影響稻米品質，但也有極少數水稻品種或材料表現良好，稻米Cd積累量仍較小。本研究的25份材料中，表現最好的是神9B（9B）、192B等材料，其在所有Cd濃度脅迫處理下的稻米Cd含量都符合國家安全標準，表明這兩個材料具有Cd低積累特性;此外，72B、149B、157B、171B、199B、301B、328B、3306R等材料均在土壤中Cd脅迫中、低濃度下表現為稻米Cd積累值符合安全標準，但在土壤Cd濃度較高時，稻米Cd積累值超標，表明這類材料也具有一定的Cd低積累安全性。

目前推廣應用的Cd低積累水稻品種在Cd污染不超標的土壤中種植時，其稻米Cd積累量一般能夠低于國家安全標準;在Cd污染輕度超標情況下，種出來的稻米也能達到國家安全標準;但當土壤Cd污染嚴重超標時，稻米Cd積累量一般都超過國家安全標準。

絕對不積累Cd的水稻種質資源目前還未發現，但不同材料的Cd積累特性有所不同，因此利用Cd積累的基因型差異，從現有種質資源中篩選Cd低積累品種是育種工作者的必然選擇。因為一個新的品種從轉育材料到品種審定，一般需要5年以上時間，所以大多研究都是從現有成熟品種中篩選，完全從頭開始選育成功的品種稀少，真正推廣應用的就更少。趙步洪等在研究雜交水稻Cd積累特征中指出，親本的Cd低積累特性可以在雜交稻組合中表現出來，即Cd積累量低的親本可以配組出Cd積累量低的雜交稻新組合[6]。神9優28的成功選育與推廣也證明了這一點。重慶市農業科學院水稻所選育的神9A具有低積累Cd的特性，其所配組合神9優28也已通過國家武陵山區、重慶市、四川省等的區域試驗和審定，在生產中表現出了較好的Cd低積累特性。重慶市在2021年進行了“農用地安全利用重金屬低積累品種采購項目”招標，采購Cd低積累品種，引導農民種植Cd低積累水稻品種，提高稻米的安全性。神9優28作為指定采購品種之一，市場反應熱烈。

為了國民的稻米食用安全，有效降低稻米中Cd含量超過國家安全標準的風險，推廣Cd低積累水稻品種在Cd污染區域種植勢在必行。篩選和培育出一批Cd低積累水稻品種是今后育種工作的重要目標。

參考文獻：

[1] 張漢波，施文，于春蓓，等.水分和氧氣對鉛鋅礦渣中重金屬耐受細菌活性的影響[J].農業環境科學學報，2004，23（1）：90-93.

[2] 韓多紅，孟紅梅. 重金屬鎘對阿爾岡金和金皇后種子發芽和出苗的影響[J].種子，2006（25）：71-72.

[3] 曾翔，張玉燭，王凱榮，等. 不同品種水稻糙米含鎘量差異[J].生態與農村環境學報，2006，22（1）：67-69，83.

[4] 蔣彬，張慧萍.水稻精米中鉛鎘砷含量基因型差異的研究[J].云南師范大學學報（自然科學版），2002，22（3）：37-40.

[5] 譚周磁，陳嘉勤，薛海霞.硒（Se）對降低水稻重金屬 Pb，Cd，Cr污染的研究[J].湖南師范大學自然科學學報，2000，23（3）：80-83.

[6] 趙步洪，張洪熙，奚嶺林，等.雜交水稻不同器官鎘濃度與累積量[J].中國水稻科學，2006，20（3）：306-312.

（責任編輯：易 婧）