常規(guī)水稻耐鎘性及鎘低積累種質(zhì)的篩選

陳毓瑾 ，歐陽林娟 ，朱紅 ，陳艷美 ，邊建民 *

（1上海交通大學農(nóng)業(yè)與生物學院,上海 200240；2江西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院/江西省作物生理生態(tài)與遺傳育種重點實驗室,江西 南昌 330045）

重金屬鎘在人們的生產(chǎn)生活中起著重要的作用，可作特殊的易熔、耐磨合金、電鍍防腐層等制造原料[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，2014年自然人類因素導致約3萬噸鎘(Cd)離子進入生物圈，如金屬礦的開采和冶煉、農(nóng)藥化肥的濫用，加上酸雨的作用使土壤中Cd離子的可溶性增加，毒性增強。我國重金屬Cd污染農(nóng)田面積已超過80000 hm2，且污染日趨嚴重，極大地制約了我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3-5]。在糧食作物中，糙米Cd含量變異范圍為0.06-0.99 mg/kg，精米中Cd含量為0.14-1.4 mg/kg，小麥粒中的含量為0.009-0.04 mg/kg[6-8]。近年來國內(nèi)外有關(guān)于水稻等作物耐鎘性及Cd積累的研究集中在探討不同水稻品種或相關(guān)作物耐鎘性和Cd累積情況[9-13]，如王剛等[11]通過盆栽試驗，在無Cd與Cd脅迫 2種處理下比較得出水稻體內(nèi)Cd含量大致為根>莖>葉>谷殼>籽粒，且Cd主要集中在根部，所選的8個水稻品種中籽粒Cd含量以品種‘春優(yōu)84’表現(xiàn)出較低的Cd累積能力；楊春剛等[12]、Zhou等[14]的試驗表明水稻糙米中的Cd含量只與水稻植株中的莖稈的Cd含量有關(guān)聯(lián)，選擇莖Cd含量低的水稻品種，可得到糙米對重金屬Cd低積累的水稻品種；Fahad等[13]對不同鋅肥處理和品種對作物Cd積累進行田間研究，試驗表明在5種水稻品種中，鋅施肥措施能顯著降低植株積累的Cd的濃度，且與其他品種相比，shua-92和swat-2在耐鎘性研究中表現(xiàn)較好。

為此，本試驗通過對30份不同的水稻種質(zhì)進行Cd脅迫對照處理，分析鎘脅迫對水稻發(fā)芽率、發(fā)芽勢、根芽長等性狀的影響，運用最小顯著差異數(shù)法（LSD法）篩選出Cd脅迫處理組與對照組無顯著差異的品種即具有一定耐鎘性的水稻品種，以期為水稻種質(zhì)的進一步選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗使用了30份常規(guī)水稻品種，品種名稱及來源見表1。

表1 30份常規(guī)水稻品種Tab.130 conventional rice varieties

1.2 方法

1.2.1 水稻種子的消毒

各品種挑選健康飽滿的水稻種子用5%的NaClO溶液浸泡消毒30 min，之后將種子用去離子水反復沖洗干凈，并接種于編號的培養(yǎng)皿中。其中5%的次氯酸鈉溶液由氯含量為10%的次氯酸鈉原液與水按照1∶1的比例配制而成。

1.2.2 水稻種子浸種、催芽

將消毒后的水稻種子接入培養(yǎng)皿并加入蒸餾水在28℃條件下浸泡24 h，之后將培養(yǎng)皿平鋪在培養(yǎng)箱中，黑暗下催芽48 h。注意發(fā)芽時玻璃培養(yǎng)皿不要留水，只需讓種子一直保持濕潤即可。

1.2.3 鎘溶液與去離子水對照處理

本試驗設(shè)置2個Cd水平：0 mg/L(CK)和2 mg/L的CdCl2(以Cd2+濃度計)溶液，每個鎘水平進行2次平行試驗。在各處理的培養(yǎng)皿中，接入30粒飽滿健康的水稻種子，用滴管吸取2 mg/L的CdCl2(以Cd2+濃度計)溶液10 mL滴入培養(yǎng)皿使其浸潤種子，對照組種子在保證其他條件一致下用去離子水培養(yǎng)，并置于（30±1）℃人工培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，培養(yǎng)箱設(shè)置為白天和黑暗各12 h。每天按時去培養(yǎng)箱觀察，統(tǒng)計各處理培養(yǎng)皿中發(fā)芽數(shù)、發(fā)芽指數(shù)，如發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)皿中無鎘溶液或缺水，用滴管（2 mL）加入鎘溶液或去離子水保持濕潤。

1.2.4 發(fā)芽指數(shù)、根（芽）脅迫指數(shù)的測定方法

品種處理的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)的測定參照周青等[3]的方法，具體如下：發(fā)芽率為培養(yǎng)皿中發(fā)芽的種子數(shù)/供檢測的種子數(shù)×100%，發(fā)芽指數(shù)GI=∑Gt/Dt，式中Dt為發(fā)芽日數(shù)；Gt為與Dt相對應(yīng)的每天發(fā)芽種子數(shù)，且規(guī)定：水稻種質(zhì)的根（芽）脅迫指數(shù)=脅迫下的根（芽）長/正常生長的根（芽）長。第7天時，用刻度尺量取各處理培養(yǎng)皿中的20粒水稻種子的根長和芽長，求出根（芽）長的Cd脅迫指數(shù)。

1.2.5 鎘脅迫指數(shù)的單因素方差分析方法

所有記錄的數(shù)據(jù)均為2次平行試驗的平均值，采用SPSS 10.0統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)分析，本試驗對水稻根長Cd脅迫指數(shù)采用了單因素方差分析的方法篩選耐鎘性優(yōu)良的水稻種質(zhì)[15-16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘處理對不同水稻品種的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)的影響

由表2可知，2 mg/L的鎘溶液與去離子純水培養(yǎng)條件下，30個常規(guī)水稻品種的發(fā)芽率整體上存在的差異較小，均處于90%-100%的區(qū)間，但其中編號為8號的水稻品種CK和Cd培養(yǎng)下發(fā)芽率差異不明顯且均較低，僅為68%左右；編號為16、17、24、25的水稻品種CK和Cd培養(yǎng)下發(fā)芽率差異較大，且鎘處理下水稻的發(fā)芽率略高于純水條件下，這一現(xiàn)象在其余的20多種種常規(guī)水稻品種均存在。

表2 水稻樣本CK、Cd條件下實驗7 d的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)對照表Tab,2 The germination rate and germination index of the rice samples under the condition of CK and Cd condition for 7 days

同樣的方法分析2 mg/L的鎘溶液培養(yǎng)與去離子水培養(yǎng)的30個常規(guī)水稻品種的發(fā)芽指數(shù)，整體上存在一定差異，其中編號為8的水稻品種在CK和Cd培養(yǎng)下發(fā)芽指數(shù)差異不明顯且都較低，僅為6左右；編號為1、3、10、18的水稻品種在CK和Cd培養(yǎng)下發(fā)芽指數(shù)差異較為明顯，且編號1、3、10的常規(guī)水稻品種在去離子水培養(yǎng)下發(fā)芽指數(shù)僅為8左右，而對應(yīng)品種水稻在鎘溶液培養(yǎng)下發(fā)芽指數(shù)接近10，數(shù)值更高；編號為18的常規(guī)水稻品種在CK和Cd培養(yǎng)下發(fā)芽指數(shù)差異較明顯但總體偏低，在CK和Cd培養(yǎng)下的發(fā)芽指數(shù)分別為6和8.5左右。同樣，本試驗中30個常規(guī)水稻品種中也出現(xiàn)了在鎘處理下水稻的發(fā)芽指數(shù)高于純水培養(yǎng)條件下發(fā)芽指數(shù)的情況。

2.2 Cd脅迫對不同水稻品種幼苗生長的影響

根據(jù)試驗第7天刻度尺量取的各處理培養(yǎng)皿中20粒水稻種子的根長和芽長的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計2個處理下芽長與根長的平均值及芽長與根長脅迫指數(shù)，并對照列表（表3）。

表3 水稻樣本CK、Cd條件下根長芽長、脅迫指數(shù)對照分析表Tab.3 Comparison of root and bud length and stress indexes of rice samples under CK and Cd condition

由表3的對照分析可見，水稻樣本芽長脅迫指數(shù)大部分均小于1，表明2 mg/L的鎘溶液培養(yǎng)對水稻幼苗的生長產(chǎn)生一定的抑制作用，但其中IR24、IR36、R388、18 號 C418、特青、923 六品種的水稻種子出現(xiàn)了在Cd溶液培養(yǎng)下促進芽伸長的現(xiàn)象，這與其余種質(zhì)幼苗生長的表現(xiàn)不同；而分析表3中水稻種質(zhì)的根長脅迫指數(shù)的數(shù)據(jù)，30個品種的值均小于1，表明Cd溶液的培養(yǎng)對水稻種子根長的伸長生長產(chǎn)生了抑制作用，而品種間根長脅迫指數(shù)存在顯著差異，故對樣本的根長脅迫指數(shù)采用最小顯著差異數(shù)法（LSD法），通過對兩兩處理的根長脅迫指數(shù)單因素差異分析，并作出字母標記（表4、5）。

表4 水稻根長脅迫指數(shù)單因素方差分析表Tab.4 One-way analysis of variance of rice root length stress index

表5 不同品種水稻根長脅迫指數(shù)均值及標準差多重比較表Tab.5 Comparison table of the mean value and standard deviation of root stress index in different rice varieties

由表4可見，方差分析表按照脅迫指數(shù)的均值由高到低排列，脅迫指數(shù)越高表明該水稻種質(zhì)耐鎘性越強。1號水稻品種IR24的Cd脅迫指數(shù)均值最高，為66%，表明其他條件相同的情況下耐鎘性最好，且與其余各品種都存在顯著性差異；編號為4、16、8、24、26的水稻品種即南京 16、武運粳 7號、PSB-4、天豐B、923 Cd脅迫指數(shù)依次降低，但品種間在5%的置信區(qū)間下無明顯差異；在1%的置信區(qū)間下，1號水稻品種IR24與其他水稻品種均存在極顯著差異，而品種南京16、武運粳7號之間無極顯著差異，但與PSB-4、天豐B、923這3種水稻種質(zhì)存在極顯著差異。表4中的泗稻8號、粳1711 Cd脅迫指數(shù)較低，且兩者數(shù)據(jù)之間差異不顯著，表明該品種水稻種質(zhì)耐鎘性較差，Cd溶液培養(yǎng)條件下對其根長的伸長生長抑制效應(yīng)較明顯。

3 討論與結(jié)論

本試驗結(jié)果表明，Cd溶液脅迫對水稻種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)無顯著的抑制效應(yīng)，但對幼苗生長的芽長、根長抑制效果較明顯。通過對LSD法分析水稻品種IR24耐鎘性較好，而水稻品種粳1711、泗稻8號等種質(zhì)耐鎘性較差。

大量研究表明，水稻幼苗植株在高濃度的Cd溶液培養(yǎng)下，會出現(xiàn)老葉失綠，壞死，幼葉嚴重黃化的現(xiàn)象[7]；用低濃度的Cd營養(yǎng)液培養(yǎng)，一定程度上可抑制水稻的生根發(fā)芽。種子萌發(fā)的第一階段是吸脹吸水，若種子直接在Cd溶液中吸脹，可能會破壞細胞膜從而阻礙種子萌發(fā)。因此，為排除Cd對種子吸脹過程的影響，種子先經(jīng)過蒸餾水吸脹后再進行Cd脅迫處理，這樣便于直接了解Cd脅迫對種子萌發(fā)過程的影響。由本試驗結(jié)果可見，在所測得幾個指標中Cd對水稻種子發(fā)芽率影響較小，芽長測量的數(shù)據(jù)在不同種質(zhì)間差異較大，部分種質(zhì)出現(xiàn)促進作用而其余種質(zhì)出現(xiàn)抑制現(xiàn)象，則不能把芽生長數(shù)據(jù)作為評價水稻種質(zhì)耐鎘性的指標，這與前人的研究相似[17]；但Cd溶液處理對幼苗根長影響較明顯，說明幼苗初期的根生長狀況比種子萌發(fā)的狀況更能體現(xiàn)Cd毒性的大小。種子吸脹發(fā)芽后，胚根快速吸水并突破種皮，這使胚根在Cd的積累量、Cd脅迫時間進程上大于胚芽，從而表現(xiàn)受害更深。因此，根是植物絡(luò)合重金屬的部位也是最易受到重金屬中毒的部位?？梢杂懻撏茰y，Cd的過量攝入將會影響細胞核RNA和DNA的活性，引起核酸的裂解，阻礙有絲分裂過程。有絲分裂出現(xiàn)異常將影響到細胞的分裂與生長，這是微觀的表現(xiàn)，從宏觀角度來說即為抑制了水稻種子胚根的伸長。

本試驗中結(jié)合圖2、圖3可見，2 mg/L的Cd溶液的脅迫處理對水稻種子的發(fā)芽指數(shù)和發(fā)芽率不產(chǎn)生顯著的促進或抑制效應(yīng)，出于建立水稻耐鎘性評價指標的考慮，直接推斷出發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)不能作為評價水稻品種耐Cd能力的指標這樣的結(jié)論是不夠嚴謹?shù)?。后續(xù)試驗可以考慮將0-10 mg/L Cd溶液細分出更多濃度梯度來處理水稻品種，根據(jù)對照組和處理組試驗結(jié)果的差異性得出結(jié)論會更嚴謹。

本試驗中Cd脅迫處理對水稻種子的根長具有明顯的抑制效應(yīng)，考慮水稻根長作為評價水稻種質(zhì)耐鎘性的參考指標。本研究結(jié)果也表明，不同水稻品種對重金屬Cd的耐性不同，且用不同的指標進行評價其結(jié)果也不完全一樣，因此應(yīng)該考慮最長根長，根長脅迫指數(shù)等一些指標綜合評價水稻種質(zhì)的耐鎘性。本試驗中芽長數(shù)據(jù)雖部分反映出Cd脅迫的抑制作用，但由于數(shù)個品種出現(xiàn)的芽長生長反常的現(xiàn)象，故不能完全將7 d的芽長Cd脅迫指數(shù)作為評價水稻種質(zhì)耐鎘性的評價指標，還需要考慮整個生長期幼苗的長度數(shù)值。后期進行試驗探索建立出水稻種質(zhì)耐鎘性的綜合評價指標，可為水稻耐Cd性及Cd低積累種質(zhì)的篩選方案的制定奠定理論基礎(chǔ)。

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