低鎘富硒水稻品種的篩選

關浩然 張恒磊 丁利群 夏 川 鄭 雯

(1.浙江大學環境與資源學院,浙江 杭州 310058;2.開化縣農業技術推廣中心,浙江 衢州 324300;3.衢州市開化生態環境監測站,浙江 衢州 324300;4.開化縣自然資源和規劃局,浙江 衢州 324300)

黑色巖系在浙江省西部廣泛分布,富集有重金屬鎘(Cd)且含有豐富的硒(Se)資源,因此由其發育而來的土壤存在Cd、Se伴生現象[1]7-23,[2],這兩種元素都可通過食物鏈在人體內累積[3]。Cd是致癌元素,過量攝入會嚴重威脅人體健康[4];而Se是人體必需微量元素,對人體心血管疾病、大骨節病、克山病等疾病有預防作用,還具有抗癌、抗衰老等功效[5]。

我國是水稻生產和消費大國,食用稻米是Cd和Se進入人體的重要途徑[6-7]。在相同種植條件下,不同水稻品種由于基因型的差異,對土壤中Cd和Se的吸收、富集、轉運能力差異顯著[8]。因此,在富含Cd和Se的地區篩選低Cd富Se水稻可有效降低Cd的飲食暴露量、提高Se的膳食攝入量,是Cd污染稻田安全利用協同土壤寶貴Se資源高效開發的重要工作[9-10]。已有研究篩選出了適應浙江省種植的Cd低累積水稻品種[11-12]。然而,Cd低累積水稻品種是否同時具備較強的富Se能力仍有待進一步篩選。此外,氣候特征、土壤類型和水分條件等差異也會限制篩選出的水稻品種推廣和應用[13]。因此,因地制宜地篩選出適合當地的穩定低Cd富Se水稻品種才是實現Cd污染稻田安全利用并打造綠色富Se水稻的一項最具性價比的措施。

開化縣位于浙西山地丘陵區,黑色巖系分布廣泛且地層發育完整,其發育的土壤高Cd富Se[1]24,[14]。本研究以19個水稻品種(包括先前研究篩選出的Cd低累積水稻品種和當地主要市售水稻品種)為試驗對象,在開化縣楊林鎮高Cd富Se稻田開展田間小區試驗和穩定性驗證,以稻米Cd和Se含量、水稻產量和穩定性為評價指標篩選出適應當地高Cd富Se土壤種植的低Cd富Se水稻品種,為Cd污染稻田的安全利用和土壤寶貴Se資源的開發提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試品種

供試水稻品種包括王會來等[15]1660發現的Cd低累積品種甬優538、中浙優8號和甬優15,徐穎菲[16]25發現的Cd低累積品種秀水121和秀水519,以及當地主要市售品種甬優5550、甬優7850、寧兩優1513、中浙優15、嘉禾優1號、清香優19香、中浙優26、嘉豐優911、浙兩優272、華浙優223、泰豐優2、中浙優H7、江兩優7901和嘉豐優3號,共計19個水稻品種。

1.2 試驗設計

試驗田土壤類型為潴育型水稻土,土壤pH為5.30～7.13,Cd質量濃度為0.62～0.67 mg/kg,Se質量濃度為0.38～0.45 mg/kg。田間小區試驗為期2年,第1年對19個供試品種進行初篩,第2年對第1年已篩選出的低Cd富Se品種進行穩定性驗證。試驗采取完全隨機區組設計,每個水稻品種設置3個重復,共設置57個小區,每個小區面積為21 m2(3 m×7 m),小區之間以田埂相隔并設置獨立的進排水溝。田埂上先覆蓋1層黑色塑料膜以抑制雜草生長,再覆蓋1層不透水透明塑料膜以避免小區間水分互擾,并在試驗田四周設置約1 m寬的保護帶。所有小區試驗在當地常規水肥農藝調控管理措施下進行,以水稻收獲后籽粒中Cd和Se含量、水稻產量和穩定性為評價指標篩選出適合當地種植的低Cd富Se水稻品種。

1.3 樣品采集與分析

在水稻收獲期,按照五點采樣法依次采集各小區水稻樣品,每個小區采集5株水稻的稻穗,脫粒后均勻混合,放入塑料自封袋中帶回實驗室,用去離子水沖洗干凈,70 ℃烘干至恒重,脫殼粉碎,在硝酸、雙氧水、氫氟酸體積比4∶3∶1的體系中微波消解,使用NexION300X電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)測定Cd含量,使用AFS-9760原子熒光光度計測定Se含量。消解全程進行空白對照,并使用國家標準物質GBW10044對稻米樣品的Cd、Se含量測定進行質量控制。

1.4 數據處理與制圖

使用Microsoft Excel 2019和IBM SPSS Statistics 26進行數據整理與分析,使用Origin Pro 2023進行制圖。

2 結果與討論

2.1 不同品種稻米Cd、Se累積特征

由圖1可見,供試水稻品種的稻米Cd質量濃度為0.017～0.547 mg/kg,稻米Se質量濃度為0.014～0.469 mg/kg,不同供試品種間的稻米Cd和Se差異顯著。Cd和Se在稻米中的累積程度受到水稻品種的基因型影響,不同品種對兩種元素的吸收、轉運和富集差異造成稻米中的累積差異[17-20]。聚類分析法可有效反映出不同水稻品種對目標元素累積能力的差異[21]。根據稻米Cd、Se含量進行的聚類分析結果(如圖2所示),19個水稻品種可分為4類,包括高Cd富Se品種1種:甬優538;高Cd貧Se品種7種:中浙優26、嘉豐優3號、甬優7850、江兩優7901、甬優5550、清香優19香和秀水121;低Cd貧Se品種5種:中浙優15、秀水519、浙兩優272、寧兩優1513和華浙優223;低Cd富Se品種6種:中浙優H7、甬優15、中浙優8號、泰豐優2、嘉禾優1號和嘉豐優911。

注:Cd限量標準指《食品安全國家標準 食品中污染物限量》(GB 2762—2017)的Cd限量標準(<0.20 mg/kg);富Se標準指《富硒稻谷》(GB/T 22499—2008)的富Se標準(0.04～0.30 mg/kg)。不同小寫字母表示組間差異顯著(p<0.01),圖3同。

圖2 基于稻米Cd、Se質量濃度的品種聚類

在低Cd富Se品種當中,中浙優8號、泰豐優2、嘉禾優1號和嘉豐優911這4個品種稻米Cd均低于0.20 mg/kg,符合GB 2762—2017的Cd限量標準;且稻米Se均滿足GB/T 22499—2008的富Se標準(0.04～0.30 mg/kg);而中浙優H7和甬優15稻米Cd質量濃度分別為0.286、0.223 mg/kg,超過了GB 2762—2017中Cd限量標準。

在Cd低累積品種中,中浙優8號和秀水519稻米Cd含量低于GB 2762—2017的Cd限量標準,與前人研究一致[15]1659,[16]25;然而,通常作為Cd低累積品種的甬優15稻米Cd含量卻有超標,可能是由試驗區土壤類型、地勢和氣候差異造成的[22]。水稻對土壤Cd和Se的吸收機理不同[23],因此Cd和Se在稻米中的累積特征并不一樣。聚類分析結果顯示,在相同種植條件下中浙優H7等6個品種屬于低Cd富Se水稻品種(包括先前研究發現的Cd低累積品種中浙優8號),其中嘉禾優1號、中浙優8號、泰豐優2和嘉豐優911稻米Cd不超標(<0.20 mg/kg)且達到富Se標準(0.04～0.30 mg/kg)。因此,將嘉禾優1號、中浙優8號、泰豐優2和嘉豐優911作為備選的低Cd富Se水稻品種。

2.2 不同品種水稻產量

篩選低Cd富Se品種同時也需保證水稻產量。由圖3可見,供試水稻品種的水稻產量為5 303～10 047 kg/hm2,平均為8 167 kg/hm2,甬優系列雜交晚稻的產量明顯高于秀水系列常規晚粳稻,這與徐立軍等[24]的研究結果一致。在2.1節的備選低Cd富Se水稻品種中,嘉豐優911、中浙優8號和泰豐優2的產量高于7 500 kg/hm2,達到浙江省水稻產量的常規水平[25];而嘉禾優1號產量僅為5 970 kg/hm2。因此,兼顧稻米Cd、Se含量和水稻產量,篩選泰豐優2、中浙優8號和嘉豐優911為低Cd富Se水稻品種。

圖3 不同品種水稻產量

2.3 低Cd富Se水稻品種穩定性驗證

基于第1年兼顧稻米Cd、Se含量和水稻產量篩選的結果,在第2年將3個低Cd富Se水稻品種(泰豐優2、中浙優8號和嘉豐優911)進行穩定性驗證,結果如表1所示。泰豐優2、中浙優8號和嘉豐優911這3個品種的稻米依舊保持較低的Cd質量濃度(0.099～0.161 mg/kg)和較高的Se質量濃度(0.124～0.290 mg/kg),Cd達到GB 2762—2017的Cd限量標準且Se滿足GB/T 22499—2008的富Se標準。而且,這3個低Cd富Se水稻品種的產量依舊保持在7 500 kg/hm2以上。因此,泰豐優2、中浙優8號和嘉豐優911能夠穩定表現出較強的低Cd富Se能力且可以穩定重現,當屬優選低Cd富Se水稻品種。

表1 低Cd富Se水稻品種第2年的Cd、Se質量濃度及水稻產量

3 結 論

通過田間小區試驗對19個水稻品種進行篩選,經過第1年品種篩選與第2年穩定性驗證,兼顧稻米Cd、Se含量和水稻產量并經過穩定性驗證發現,泰豐優2、中浙優8號和嘉豐優911表現出穩定的低Cd富Se能力且水稻產量達到浙江省水稻產量的常規水平,優選為低Cd富Se水稻品種,推薦其在浙西高Cd富Se稻田推廣種植。