水稻鎘砷累積的基因型和環境互作效應分析

關鍵詞：水稻；鎘；砷；重金屬污染；基因型；環境影響

中圖分類號：X53；S511；X173 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2025）01-0022-09 doi：10.11654/jaes.2024-0053

2014年環境保護部和國土資源部聯合發布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，我國耕地土壤鎘（Cd）、砷（As）污染較為嚴重，鎘點位超標率為7.0%，砷點位超標率為2.7%。鎘、砷復合污染已成為我國南方稻田重金屬污染的主要形式[1]。“鎘大米”、“毒大米”等事件的曝光致使湖南省稻米重金屬質量安全受到社會廣泛關注。水稻作為我國最主要的糧食作物之一，確保稻米重金屬達標是當前農業生產急需解決的重大課題[2-3]。

水稻對鎘、砷的吸收積累存在顯著的基因型差異，湖南省基于多年多點大田試驗篩選出一批應急性鎘低積累水稻品種[4-5]，周珍華等[6]基于生物富集系數（BCF）篩選出了適合當地種植的砷低積累水稻品種。水稻對鎘、砷的吸收積累受田間種植環境的影響也極為明顯，占稻米鎘、砷差異來源的87%[7]，且水稻對鎘、砷的吸收積累受土壤鎘、砷相異的化學行為的影響而呈顯著負相關[8]。淹水或施用石灰等農田降鎘技術往往引起水稻對砷積累的增加[9]，在鎘、砷復合污染稻田的修復治理過程中往往顧此失彼，種植鎘、砷低積累水稻品種是在不改變農民種植習慣的情況下實現稻米達標生產的最有效途徑。但因水稻對鎘、砷的吸收積累受其基因型和環境的共同調控[7，10]，如何科學篩選出穩定的鎘、砷同步低積累的水稻品種是關鍵。蔣彬等[11]針對弱酸性復合污染稻田從239 份水稻材料中篩選出一批鎘、砷低積累的水稻品種（如浙珍2號和浙9905），劉湘軍等[12]和易春麗等[13]也基于當地鎘、砷復合污染土壤篩選了一批適宜當地種植的鎘、砷同步低積累水稻品種。然而，針對不同生態區的不同污染特征土壤，篩選出穩定的鎘、砷同步低累積水稻品種卻變得更加困難，這些研究報道也相對較少。

為科學指導鎘、砷低積累水稻品種篩選及適宜種植地選擇，本研究基于不同生態區、不同污染特征的稻田土壤調查了不同水稻品種對鎘、砷吸收轉運的特征，并運用GGE雙標圖和產量質量分數綜合評價并篩選了產能較高的適宜推廣的鎘、砷低累積水稻品種，為污染農田稻米安全生產和鎘、砷低積累水稻品種篩選鑒定提供參考。

1材料與方法

1.1試驗材料

本試驗選擇湖南省9 個主栽水稻品種（V1～V9）為試驗材料，分別為隆兩優華占、晶兩優1212、深兩優5814、隆兩優1988、和兩優1號、C兩優386、C兩優87、深優9595和Y 兩優9918。所有品種皆為雜交秈稻，其中深兩優5814、隆兩優1988、和兩優1號、C兩優386、深優9595 為一季稻，隆兩優華占、晶兩優1212、C兩優87、Y兩優9918為晚稻。

1.2試驗地點

水稻田間試驗選擇湖南省不同生態區的鎘污染稻田，其中湘南地區試驗點3個，分別為永州祁陽市白水鎮（S1）、郴州臨武縣武水鎮（S2）和南強鎮（S3）；湘西北地區試驗點3個，分別為湘西州永順縣萬坪鎮（S4）和花垣縣貓兒鄉（S5），張家界市永定區楓香崗鄉（S6）。6個試驗點中，土壤呈酸性的3 個（S1、S2 和S4），土壤呈堿性的3個（S3、S5和S6）。各試驗點土壤基本理化性質及鎘、砷含量見表1。不同位點間土壤有機質含量和營養元素含量均差異顯著。S1～S4位點土壤總鎘含量相對較低，S5和S6位點總鎘含量較高；而S1～S2位點土壤有效鎘含量較高，S3～S6位點有效鎘含量相對較低。

1.3 試驗方法

在6個試驗點分別對9個水稻品種開展田間小區試驗，各3次重復，隨機區組排列。小區面積20 m²，株行距分別為20 cm和23.3 cm，小區間不做田埂，以0.8 m寬空行隔開，確保整個田間水肥管理一致。試驗前先用旋耕機勻田，使田間土壤理化性質和污染程度相對均勻；再平整田塊，田面最高處與最低處落差不超過2cm，減少水分管理等農藝措施對各品種吸收轉運鎘、砷的影響。每個試驗點皆按照當地一季稻種植習慣進行水稻育秧、移栽和水肥管理。

1.4 指標測定

水稻種植前采集耕作層（0～15 cm）土壤樣品，測定土壤基本理化性質及土壤鎘、砷含量。水稻種植后于成熟期在每個小區按5點取樣法分別取水稻樣品10株，分秸稈和稻谷樣品，分別測定其中秸稈和糙米鎘、砷含量。土壤樣品采用混合酸HNO₃-HClO₄-HF（5∶1∶2，V/V）消解，消解完全后趕酸至近干，加少量稀硝酸溶液溶解后轉移定容，采用ICP-MS（iCap-Q，美國Thermo公司）測定其中總鎘和砷的濃度。土壤中有效態鎘成分采用DTPA（二乙三胺五醋酸）溶液提取：稱量10.00g過20目的土壤樣品，加入50 mL（固液比1∶5）的DTPA溶液，振蕩2h后過濾，稀釋20倍后待測。土壤中有效砷采用乙酸銨提取方法進行：稱10.00g土樣，加入50 mL 的乙酸銨溶液（1mol·L^-1），在25 ℃條件下以180r·min^-1速率振蕩1 h后過濾，稀釋20～100倍后待測。水稻收獲期在每個小區按5點取樣法分別取水稻樣品10株，并用清水洗凈，再用去離子水潤洗幾次，分秸稈和稻谷樣品。水稻植株在鼓風干燥箱里于105 ℃殺青30 min，再在70 ℃烘至恒質量。秸稈和糙米樣品使用不銹鋼粉碎機粉碎至過100目篩，然后使用混合酸HNO₃-H₂O₂（5∶2，V/V）按照EPA 3051a程序（樣品消解溫度以每分鐘12 ℃的速率爬升到120 ℃ ，保持3 min，隨后經6 min 爬升到150 ℃，保持6 min，最后經8 min爬升到185 ℃，保持20 min）經微波消解后待測（高通量高壓微波消解儀，CEM MARS6，CEM，美國）。土壤浸提液和植株消解樣品中鎘、砷濃度均采用ICP-MS測定。

1.5 數據處理與統計

試驗數據均為3次重復的平均值，運用Excel2003和SPSS 17.0進行統計和方差分析，Origin 2017作圖。

GGE雙標圖：采用R-Studio的“GGEBiplotGUI”軟件包作雙標圖分析。GGE 雙標圖的適應性分析：試驗點距離原點的距離（線段長）越長，其區分力越強；把各個方向上距離最遠的點用直線連接起來，構成一個多邊形，通過中心對每條邊做垂線，將雙標圖分為幾個扇區，品種在扇區分布位于扇區內環境中，多邊形頂角的品種重金屬含量最高，反之則低。GGE雙標圖的穩定性分析：試驗點線段和平均環境軸（GGE雙標圖中綠色帶箭頭的線）的角度是其對目標環境的代表性的度量，角度越小，代表性越強；品種與平均環境軸的距離（線段長）越大，其穩定性越差。

因子解釋的百分比：當環境、品種、環境×品種為固定因素和方差來源，用于估計其影響時，采用一般線性模型程序來劃分表型方差（籽粒鎘和砷濃度的變化）。因子解釋的百分比變化用百分數平方和（SS）表示，計算公式為：SS=SS 因子/總SS×100。

產量分數（AYS）：參照所有試驗位點所有品種的產量平均值來評估各品種的產量潛力，一個品種的產量分數為零，表明該品種的產量在試驗品種中處于平均水平。產量分數計算公式為：AYS=（X-μ）/σ。X 為同一品種在不同環境中的產量平均值，μ 為所有品種X 值的平均值，σ 為所有品種X 值的方差。

轉運系數（TF）：稻米鎘、砷含量分別與秸稈鎘、砷含量的比值（TF_Cd=Cd_Rice/Cd_Stem；TF_As=As_Rice/As_Stem）；富集系數（BCF）：稻米鎘、砷含量與土壤有效態鎘、砷含量的比值（BCF_Cd=Cd_Rice/Cd_Soil；BCF_As=As_Rice/As_Soil）。

2 結果與分析

2.1 水稻鎘吸收轉運特征

不同地區不同水稻品種的稻米和秸稈的鎘含量如圖1 所示。試驗點S1～S6 的稻米鎘平均含量分別為（0.63±0.11）、（0.48±0.22）、（0.07±0.01）、（0.07±0.01）、（0.06±0.01）、（0.06±0.01）mg·kg^-1，秸稈鎘平均含量分別為（2.91±0.47）、（1.75±0.38）、（0.22±0.03）、（0.30±0.08）、（0.26±0.04）、（0.16±0.03）mg·kg^-1。其中，試驗點S1和S2的稻米和秸稈鎘含量皆顯著高于其他4個試驗點。多因素方差分析表明不同試驗點之間稻米鎘含量具有極顯著差異，不同品種間稻米鎘含量也具有極顯著差異，而環境和品種交互作用下稻米鎘含量也表現出極顯著差異（表2）。比較差異來源間離均差平方和百分比（SS%），環境所占的比重最大，達到了83.46%，為稻米鎘含量變異的最大來源，其次為環境和品種交互作用（9.87%）。表明環境異質性對稻米鎘含量的影響高于水稻基因型的影響。

不同試驗點和不同水稻品種間的鎘轉運系數（TF_Cd）和富集系數（BCF_Cd）也均存在顯著差異（圖2，Plt;0.01），不同試驗點間的TFCd在0.22～0.39之間，平均為0.28，且S6gt;S3gt;S2gt;S5gt;S4gt;S1；不同試驗點間BCF_Cd在0.28～1.54之間，平均為0.72，且S1gt;S2gt;S6gt;S3gt;S4gt;S5。其中，S1 和S2 的BCF_Cd 顯著高于S3～S5 試驗點（Plt;0.001），且S1 和S2 的BCF_Cd 遠高于TF_Cd（Plt;0.001）。整體上，水稻對鎘的富集和轉運都顯著受到環境和品種的共同影響，環境對它們變異的作用更大（表2）。

2.2 水稻砷吸收轉運特征

不同試驗點和不同水稻品種間的稻米和秸稈砷含量皆差異顯著（圖3和表2，Plt;0.001）。S1～S6試驗點的稻米砷平均含量分別為（0.17±0.02）、（0.20±0.05）、（0.18±0.03）、（0.11±0.02）、（0.09±0.02）、（0.19±0.03）mg·kg^-1，秸稈砷平均含量分別為（6.26±1.12）、（8.89±2.55）、（6.04±1.09、（1.66±0.62）、（2.12±0.43）、（5.49±0.85）mg·kg^-1。其中S4 和S5 兩個試驗點的稻米和秸稈砷含量皆顯著低于其他4個試驗點（S1～S3、S6）。差異分析也表明試驗環境對稻米砷含量影響極為顯著，是最大的變異來源（表2，56.56%），品種也解釋了稻米砷含量變異的17.20%，說明環境和基因型共同影響了稻米砷含量，而環境異質性影響更大。

不同試驗點不同水稻品種稻米砷的轉運系數（TF_As）和富集系數（BCF_As）也存在顯著差異（圖4和表2，Plt;0.01）。不同試驗點間的TF_As在0.02～0.07之間，平均為0.04，且S4gt;S5gt;S6gt;S3gt;S1gt;S2；不同試驗點間BCF_Cd 在0.94～1.09 之間，平均為1.01，且S3gt;S4gt;S6gt;S2gt;S5gt;S1。稻米砷累積系數受到基因型的影響大于環境（SS%：35.10% vs 5.91%），而稻米砷從莖向籽粒轉移系數則受環境影響更大，高于基因型（SS%：54.55% vs 4.55%）。6個試驗點中，BCF_As 皆遠高于TF_As（Plt;0.001），且在試驗點S2～S6稻米砷含量和TFAs極顯著正相關（Plt;0.01，表3），表明水稻莖部砷向地上部轉運能力顯著影響了籽粒砷含量。

綜上可知，稻米鎘、砷累積受到土壤環境和水稻基因型交互作用的影響。進一步分析土壤環境變量中各個參數對稻米鎘、砷累積的影響。不同品種平均稻米鎘含量和土壤有效鎘濃度顯著正相關（r=0.90，Plt;0.05），與土壤總鎘含量沒有顯著相關性。土壤pH值和稻米鎘含量負相關（r=-0.743），但沒有達到顯著性水平。不同品種稻米砷平均含量也和土壤有效砷濃度呈極顯著正相關（r=0.98，Plt;0.01），與土壤總砷含量沒有顯著相關性。本試驗中其他土壤化學性質對稻米鎘、砷累積沒有顯著相關性。

2.3 不同生態區稻米鎘砷含量的GGE雙標圖分析

GGE 雙標圖分別解釋了環境（G）和環境基因互作（G×E）共同對稻米鎘99.91% 的影響和對稻米砷79.70% 的影響（圖5 和圖6）。不同水稻品種稻米鎘的適應性和穩定性雙標圖分析表明，S1和S2試驗點對不同品種稻米鎘積累具有較強的區分能力，且遠高于其他4個試驗點；V2和V1則分別是S1和S2環境中稻米鎘含量最高的品種，V9和V8則分別是S1和S2環境中稻米鎘含量最低的品種（圖5）。S3～S6區分能力弱，表明該4個試驗點不適合于水稻品種的稻米鎘累積性能的鑒定。結合平均環境軸看，V1、V2、V3和V4 等4 個品種的平均稻米鎘含量較高，V5、V6、V7、V8和V9等5個品種的平均稻米鎘含量較低，但V9和V6保持稻米低鎘含量的穩定性較差。可見，S1和S2試驗點可有效進行水稻鎘低積累品種的篩選，并篩選出V5、V8和V7 3個穩定的鎘低積累水稻品種。

不同品種稻米砷的適應性和穩定性雙標圖分析表明，S2和S6對水稻稻米砷的積累具有較強的區分能力，S1、S3、S4、S5區分能力相當，且V7和V8分別是S2 和S6 環境中稻米砷含量最高的品種（圖6）。S1、S2、S3、S5等4個試驗點對品種的排序相似，代表性也較強；S4和S6試驗點的代表性相對較弱，可以淘汰不穩定的品種。結合平均環境軸看，V4、V1、V3、V5、V2和V9等6個品種的平均稻米砷含量較低，且表現較為穩定；而V7和V8的稻米砷平均含量較高，且穩定性較差。可見，S1、S2、S3和S5試驗點皆可有效進行水稻砷低積累品種的篩選，尤其S2試驗點具有較高的區分能力和代表性，而V4、V1、V3、V5、V2和V9等6個品種具有較低的稻米砷累積性能且表現也較為穩定。

2.4 稻米產量

稻米產量在不同試驗位點中和稻米鎘含量沒有顯著相關性，但在所有位點環境中呈現出顯著的負相關（Plt;0.05，表3）。稻米產量在一些位點中和稻米砷含量呈現顯著和極顯著負相關性（S1，Plt;0.05；S6，Plt;0.01），但在所有位點的樣品中卻沒有顯著相關性。

根據供試品種的產量分數（圖7），對GGE雙標圖選擇的較穩定的鎘、砷低累積品種進一步評估，產量較低的品種被排除，因為它們的低產量可能會阻礙它們未來在農業生產中的應用。基于這一標準，試驗選出了產能高于平均的1個低鎘品種（V7）和3個低砷品種（V1，V9和V4）。為了實現鎘、砷共污染土壤中稻米安全生產，產能相對較低的V5品種由于具有鎘和砷同步低吸收能力，可作為應急性品種種植。未來還需進一步擴大品種篩選范圍，以篩選出鎘、砷同步低累積且稻米產量較高的品種進行推廣應用。

3 討論

稻米鎘、砷累積受品種、環境以及品種×環境交互作用的影響[7，10]，Chi等[7]的研究表明環境對稻米鎘、砷含量的影響占稻米鎘、砷差異來源的87%。本試驗在湖南南部和西北部兩個不同的小氣候區各選擇了3個試驗點，對9個水稻品種的鎘、砷累積性能進行篩選鑒定，試驗結果表明稻米鎘、砷含量皆主要受環境條件的制約，其貢獻率分別達83.46%和56.56%，其次是受品種以及品種和環境互作的影響。本試驗中，稻米鎘含量在不同試驗點間的變異極大，平均稻米鎘含量最高的試驗點（S1：0.63 mg·kg^-1）是最低試驗點（S6：0.06 mg·kg^-1）的10.5倍；而稻米砷含量地點間的變異相對要小，平均稻米砷含量最高的試驗點（S2：0.20 mg·kg^-1）是最低試驗點（S5：0.09 mg·kg^-1）的2.2倍。Duan等[8]報道我國華南地區的471個當地主栽水稻品種稻米鎘和砷含量差異分別達32倍和4.0倍。可見，稻米對鎘的吸收積累受環境的影響比砷更敏感。

盡管環境作用更大，本試驗研究的差異性分析和GGE雙標圖分析結果仍表明，稻米鎘、砷的累積是環境×基因交互作用的綜合結果。水稻對鎘、砷的吸收積累既受土壤鎘、砷有效性的影響，也受水稻對鎘、砷吸收轉運及分配的調控。尤其是在干濕交替頻繁的稻田土壤中，土壤鎘、砷總量，pH影響了土壤中鎘、砷形態及生物有效性[14-16]。不同水稻品種由于根際環境中金屬有效性差異[17]、根細胞質膜中鎘、砷吸收相關基因的表達[18]、根到莖的木質部裝載運輸有關的基因表達差異[19]等因素對鎘、砷的累積能力存在極大的差異。可見，由于水稻對鎘、砷的吸收積累受環境與水稻基因型的共同調控，通過多點多年的田間試驗篩選穩定的鎘、砷低積累水稻品種顯得尤為重要，而借助相關的數據統計方法或模型工具對水稻品種的鎘、砷低積累效果及穩定性進行綜合評價，獲得鎘、砷及鎘砷同步低積累的水稻品種用于指導中輕度重金屬污染稻田的安全利用意義重大。

GGE雙標圖同時考慮了基因型效應和基因與環境互作效應，目前主要用于水稻[20]、玉米[21]、油菜[22]等品種的豐產優質、穩定性及適應性評價，很少用于對作物重金屬的吸收積累能力及其穩定性評價。柳賽花等[10]通過GGE雙標圖和BLUP分析篩選出了鎘、砷同步低累積水稻品種。本試驗則通過GGE雙標圖和產量質量分數綜合評價了6個試驗點的區分性能和代表性，S1和S2兩個試驗點對不同品種稻米鎘積累具有較強的區分能力，S1、S2、S3和S5試驗點皆可有效進行砷低積累水稻品種的篩選；分析了9個品種的鎘、砷低積累性能和穩產性，篩選出在不同環境中表現較為穩定的低鎘累積水稻品種（V5、V7和V8）和低砷累積品種（V1、V2、V3、V4、V5 和V9），其中V5 為鎘、砷同步低累積品種；同時，結合質量分數對其產量性能進行了綜合評價，篩選出產能較高的低砷累積品種V1、V4、V9和低鎘累積品種V7，而鎘、砷同步低累積品種V5由于產量潛力較低，不適合大面積推廣。

4 結論

（1）不同水稻品種的稻米鎘、砷含量在不同試驗點間差異極大，環境對稻米鎘、砷吸收累積的影響均大于水稻自身基因型的作用。環境基因互作分別解析了稻米鎘含量99.91% 和稻米砷含量79.70% 的貢獻，其中環境對稻米鎘、砷含量的貢獻率分別達83.46%和56.56%。

（2）基于GGE雙標圖和質量分數分析，篩選出2個鎘低積累水稻品種篩選試驗點：S1（永州祁陽市白水鎮）、S2（郴州臨武縣武水鎮），4個砷低積累水稻品種篩選試驗點：S1（永州祁陽市白水鎮）、S2（郴州臨武縣武水鎮）、S3（郴州臨武縣南強鎮）、S6（湘西州花垣縣貓兒鄉）；篩選出了產能較高的低砷累積品種V1（隆兩優華占）、V4（隆兩優1988）、V9（Y兩優9918）和低鎘累積品種V7（C兩優87）。

（3）GGE雙標圖與產量質量分數結合為鎘、砷低積累水稻品種篩選試驗點的選擇、可推廣的穩定鎘、砷低積累水稻品種篩選等方面提供了一種經濟可行的新方法。