川芎重金屬鎘污染現(xiàn)狀及降鎘策略研究進(jìn)展

廖雪梅,陳媛媛,陶 珊,沙秀芬,3,吳 宇,徐正君,張 超,彭 芳

(1.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 經(jīng)濟(jì)作物育種栽培研究所，四川 成都 610300；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 水稻研究所, 四川 成都 611130; 3.四川師范大學(xué)，四川 成都 610101)

川芎(LigusticumchuanxiongHort.)為傘形科藁本屬多年生草本植物，以干燥根莖入藥，主要藥用成分為有機(jī)酸類(lèi)、苯酚類(lèi)化合物、生物堿類(lèi)及多糖，具有活血行氣、祛風(fēng)止痛的功效[1]，《神農(nóng)本草經(jīng)》將其列為上品，是著名的川產(chǎn)道地藥材。川芎主產(chǎn)于彭州、什邡、都江堰、邛崍、眉山等地，種植面積常年穩(wěn)定在5 999.4 hm2以上，年產(chǎn)量占全國(guó)的95%左右[2]，以川芎為原料的保健品、化妝品、飲料和香煙添加劑等需求量逐年增大。

鎘(Cd)是重金屬“五毒”元素之一，具有分解周期長(zhǎng)、移動(dòng)性大、難降解等特點(diǎn)，當(dāng)含量為3～10 mg/kg(植株干質(zhì)量)時(shí)會(huì)對(duì)植株產(chǎn)生毒害作用。李鳳霞等[3]對(duì)466份中藥材中5種重金屬污染進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示，鎘以污染率20%位居第一，與韓小麗等[4]的研究結(jié)果一致。川芎屬于鎘富集植物，地下根莖對(duì)Cd的富集能力是Cr(鉻)的1 351 倍、Pb(鉛)的320倍、As(砷)的417倍、Hg(汞)的18.5倍[5]。鎘會(huì)抑制川芎的生長(zhǎng)發(fā)育和光合作用，干擾藥用成分阿魏酸、川芎嗪及藁本內(nèi)酯的合成代謝[6]。《中華人民共和國(guó)藥典(2015 版)》及《藥用植物及制劑進(jìn)出口綠色行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，中藥材鎘元素含量不得超過(guò)0.3 mg/kg。

目前，川芎重金屬超標(biāo)問(wèn)題突出，導(dǎo)致屢次被限制出口，嚴(yán)重影響川芎產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。如何有效降低川芎鎘含量，保障藥材品質(zhì)安全，是川芎種植中亟待解決的問(wèn)題。鑒于此，以國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)為基礎(chǔ)，從各產(chǎn)區(qū)川芎及其土壤的鎘含量差異、川芎根莖鎘積累規(guī)律及影響因素、降低根莖鎘含量的措施等方面進(jìn)行綜述,并針對(duì)現(xiàn)行降鎘相關(guān)研究的局限性,提出解決川芎鎘超標(biāo)問(wèn)題的新思路，旨在為川芎鎘污染治理研究提供理論依據(jù)。

1 不同產(chǎn)區(qū)川芎根莖鎘含量差異

不同產(chǎn)區(qū)川芎鎘含量存在差異，從表1可見(jiàn)，無(wú)論是在以彭州、都江堰等地為代表的老產(chǎn)區(qū)，還是在以邛崍、眉山等地為代表的新產(chǎn)區(qū)，絕大部分川芎鎘含量超過(guò)《中華人民共和國(guó)藥典(2015 版)》的限量標(biāo)準(zhǔn)(0.3 mg/kg)，且合格率普遍不及50%。

表1 不同產(chǎn)區(qū)川芎藥材(根莖)鎘含量

2 川芎對(duì)鎘的吸收積累規(guī)律

川芎鎘含量與土壤鎘污染程度呈正相關(guān)。張德林等[7]發(fā)現(xiàn)，土壤中度鎘污染的敖平產(chǎn)川芎為重度鎘污染，這與易桂花等[5]認(rèn)為川芎 “低背景高富集”的鎘吸收特點(diǎn)一致。富集系數(shù)可以判斷植株對(duì)某種元素富集能力的強(qiáng)弱，當(dāng)富集系數(shù)大于0.5，代表根部組織從土壤中吸收鎘的能力較強(qiáng)[17]。周驍騰等[18]的調(diào)查結(jié)果顯示，80%位點(diǎn)川芎根莖對(duì)鎘的富集系數(shù)大于1，最大可達(dá)2.593。相同鎘處理?xiàng)l件(5 mg/kg)下，川芎不同部位鎘積累量表現(xiàn)為根莖>根>葉[6]。隨著生育時(shí)期的推進(jìn)，根莖鎘富集能力逐漸增強(qiáng)，莖葉鎘富集能力減弱，收獲期川芎根莖鎘含量顯著高于莖葉[8]。任敏等[9]在彭州市敖平鎮(zhèn)和眉山市永壽鎮(zhèn)兩地的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，川芎地下根莖鎘含量分別高于地上部47%和56%，平均鎘富集系數(shù)均大于0.5且分別高于地上部83.93%和48.48%。川芎根莖主要承擔(dān)吸收養(yǎng)分、積累營(yíng)養(yǎng)的作用，在生長(zhǎng)后期川芎根莖迅速膨大，干物質(zhì)量積累達(dá)到鼎盛，對(duì)Ca、Zn、Fe、Mn等元素的需求變大，此時(shí)川芎鎘富集能力增強(qiáng)，可能與滿(mǎn)足自身迅速生長(zhǎng)的需求有關(guān)[8,18]。何春楊等[19]發(fā)現(xiàn)，購(gòu)自中藥材市場(chǎng)的3批川芎藥材，皮部鎘含量較皮部以外組織的鎘含量分別高出了1.70、1.25、3.37倍，故認(rèn)為川芎根莖皮部是根莖積累鎘的主要部位，這可能是因?yàn)槠げ恐苯优c土壤接觸，更容易積累和截留重金屬物質(zhì)[20]。川芎根莖對(duì)鎘的強(qiáng)富集能力是川芎藥材普遍鎘超標(biāo)的重要原因之一。

3 川芎根莖鎘污染的影響因素

3.1 土壤鎘污染

土壤生態(tài)環(huán)境是影響藥材質(zhì)量的重要因素之一，不同產(chǎn)區(qū)的川芎鎘含量存在顯著差異，陳林等[21]研究發(fā)現(xiàn)，川芎藥材鎘含量與土壤鎘元素含量強(qiáng)相關(guān)。低濃度鎘污染能增加川芎產(chǎn)量、阿魏酸含量及浸出物含量，隨著土壤鎘污染程度加重，川芎產(chǎn)量受到明顯抑制，川芎減少對(duì)土壤中鎘的富集以降低鎘對(duì)自身的毒害，符合毒理興奮學(xué)效應(yīng)[7]。目前，在彭州、都江堰、新都、彭山、什邡、眉山等川芎種植區(qū)均發(fā)現(xiàn)土壤鎘污染問(wèn)題[21]。鎘易富集在土壤表層，向下垂直遷移能力差[22]，不同土層土壤鎘含量表現(xiàn)為表層(0～20 cm)>中層(20～40 cm)>下層(40～60 cm)[23]。李想[24]通過(guò)單因子污染指數(shù)法評(píng)價(jià)了50份彭州市敖平鎮(zhèn)川芎地土壤樣品，PCd值(重金屬Cd的污染指數(shù))為0.47～2.77，80%土壤的PCd大于1，屬于鎘污染土壤。周驍騰等[18]在都江堰、彭州、什邡、成都4個(gè)川芎產(chǎn)區(qū)選取15個(gè)采樣點(diǎn)，其中3個(gè)采樣點(diǎn)鎘的生態(tài)危害指數(shù)大于80，達(dá)到強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)污染水平，12個(gè)采樣點(diǎn)鎘的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為40～80，存在中度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。有學(xué)者建議，在種植選址時(shí)應(yīng)避開(kāi)水泥廠等工業(yè)污染源，因?yàn)榉蹓m會(huì)增加川芎田土壤中鎘含量[25]。

3.2 土壤pH值

在清潔和中度污染土壤中，川芎鎘含量與土壤pH值的關(guān)聯(lián)度較大，與土壤鎘污染程度的關(guān)聯(lián)度較小，而在重度污染土壤中則相反[7]。土壤pH值與川芎根莖鎘含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，堿性土壤中根莖鎘含量低于酸性土壤，極差可達(dá)61.23 mg/kg，且提高pH值有利于改善川芎苗高和生物量，增加產(chǎn)量[26]。土壤中鎘可大致分為7個(gè)形態(tài)：水溶態(tài)、可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵(錳/鋁)氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)、硫化物結(jié)合態(tài)及殘?jiān)Ц窠Y(jié)合態(tài)；水溶態(tài)和可交換態(tài)可以被植物直接吸收利用，合稱(chēng)為有效態(tài)[27-28]。以可交換態(tài)生物活性最高，毒性最大，最易被植物吸收[29]。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，pH值是鎘元素在川芎根莖中積累的最直接因素，它使土壤中可交換態(tài)鎘含量百分比發(fā)生改變，從而影響川芎根莖對(duì)鎘的吸收。徐琴等[15]將pH值為5.71和7.11的川芎土壤進(jìn)行對(duì)比，后者土壤中鎘離子態(tài)(屬于可交換態(tài)類(lèi)別)含量所占比例比前者低53.6%，其他形態(tài)鎘含量所占比例均高于前者，川芎中鎘含量比前者低85.7%。李青苗等[12]發(fā)現(xiàn)，川芎鎘含量與土壤pH值呈負(fù)相關(guān)，與鎘可交換態(tài)比例呈正相關(guān)，當(dāng)pH值為7.6時(shí)，川芎中鎘含量最低，為0.304 mg/kg，鎘離子態(tài)比例為24.13%，與楊江等[14]的研究結(jié)果一致。寧梓君等[29]用生石灰對(duì)酸性土壤進(jìn)行堿化改良,發(fā)現(xiàn)隨生石灰施用量增加，土壤pH值升高，土壤中離子態(tài)鎘所占百分比降低，川芎根莖中鎘含量顯著降低，施用量為1 500 kg/hm2時(shí)降鎘效果最穩(wěn)定。

3.3 農(nóng)藝措施

不同的栽培模式、秸稈覆蓋、除草劑使用等農(nóng)藝措施也會(huì)導(dǎo)致川芎鎘含量增加。周斯建等[30]發(fā)現(xiàn)，在4種典型耕作方式下，川芎根莖和地上部鎘含量均表現(xiàn)為蔬菜—川芎>水稻—川芎免耕>水稻—川芎翻耕>其他旱地作物—川芎，其中只有蔬菜—川芎方式種植的川芎根莖鎘含量超過(guò)了0.3 mg/kg。根據(jù)川芎生長(zhǎng)需求規(guī)律，選擇符合國(guó)家安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的綠色肥料進(jìn)行合理配施，在保證根莖鎘含量合格的同時(shí)，提高川芎的藥用品質(zhì)。張毅[31]發(fā)現(xiàn)，在土壤中施加銨態(tài)氮和酰胺態(tài)氮肥可以促進(jìn)川芎根莖對(duì)鎘吸收，其中碳酸銨單獨(dú)處理下的川芎鎘含量最高，是對(duì)照(不施氮肥)的1.5倍；劉靈[32]研究表明，川芎根莖鎘含量與氮肥施用量呈正相關(guān)，與氮肥施用時(shí)間呈負(fù)相關(guān)，其中鎘含量最高的處理氮肥施用量為54.3 kg/hm2，是對(duì)照(不施肥)鎘含量的1.82倍。此外，磷肥本身的酸堿特性可引起土壤pH值發(fā)生改變，從而使得土壤中有效鎘含量發(fā)生變化。栽種川芎初期，為了避免苓種遭受陽(yáng)光直射或者大雨沖刷，常常在其表面覆蓋一層秸稈，而秸稈腐解后的產(chǎn)物會(huì)提高土壤中鎘有效態(tài)的分配系數(shù)[33]。但段桂蘭等[34]研究表明，鎘含量為0.49 mg/kg的水稻秸稈與石灰混合后還田，降低了后茬水稻糙米中鎘積累量。建議在秸稈還田的同時(shí)，選擇合適的改良劑進(jìn)行配施，既可增加土壤中的營(yíng)養(yǎng)成分，又可降低作物受鎘污染的風(fēng)險(xiǎn)[35]。另外，據(jù)調(diào)查，92%芎農(nóng)在除草過(guò)程中選擇使用化學(xué)除草劑[36]，任敏等[37]發(fā)現(xiàn)，施用除草劑的30個(gè)川芎根莖樣品鎘含量平均值為0.43 mg/kg，其中只有9個(gè)樣品鎘含量未超標(biāo)(<0.3 mg/kg)；而人工除草的川芎根莖樣品鎘含量平均值為0.27 mg/kg，且17個(gè)樣品鎘含量未超標(biāo)。

4 降低川芎根莖鎘含量的措施

4.1 加強(qiáng)農(nóng)藝措施管控

在選擇川芎種植土壤時(shí)，以鎘吸附性高的壤土和黏土為宜。邵云等[27]發(fā)現(xiàn)，土壤中鎘含量表現(xiàn)為壤土>黏土>砂土，土壤中有效態(tài)鎘含量表現(xiàn)為砂土>黏土>壤土。鎘在土壤中有明顯的表聚現(xiàn)象，種植前進(jìn)行深翻處理，可降低耕層土壤(0～20 cm)鎘含量，以減小鎘遷移到植株中的概率[38]。周斯建等[39]發(fā)現(xiàn)，翻耕土壤處理的川芎根莖鎘含量?jī)H為0.13 mg/kg，顯著低于免耕土壤。有研究表明，耕作方式是通過(guò)改變土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量、陽(yáng)離子交換量等理化性質(zhì)影響植物對(duì)鎘的吸收[40]，常同舉等[41]發(fā)現(xiàn)，不同耕作方式對(duì)水稻鎘含量影響較大，其中，水旱輪作下各土層土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量、土壤有效鎘含量顯著低于常規(guī)平作、免耕冬水、壟作免耕、廂作免耕等方式，鎘向糙米的遷移系數(shù)明顯降低，糙米中鎘含量?jī)H為0.13 mg/kg,符合國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB 2762—2005，<0.2 mg/kg)，而其余4種方式種植的糙米鎘含量均超標(biāo)。

在川芎種植過(guò)程中，應(yīng)針對(duì)各產(chǎn)區(qū)的實(shí)際情況，對(duì)栽培技術(shù)進(jìn)行規(guī)范指導(dǎo)，改變目前以化肥氮肥為主且濫用、盲用農(nóng)藥的栽培現(xiàn)象。土壤中泥炭土、雞糞等有機(jī)質(zhì)成分，不僅可以促進(jìn)植株生長(zhǎng)，還能降低植物對(duì)鎘的吸收，有機(jī)質(zhì)含量越高，對(duì)鎘的吸附效率越高[42]。對(duì)低污染程度土壤中生長(zhǎng)的水稻施加油枯，有助于將糙米中鎘含量控制在國(guó)家食品中污染物限量標(biāo)準(zhǔn)(GB 2762—2012，<0.2 mg/kg)以?xún)?nèi)，同時(shí)可以提升稻谷的生物量[43]。但有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，有機(jī)質(zhì)對(duì)鎘的有效性也具有負(fù)效應(yīng)，當(dāng)土壤中有機(jī)質(zhì)溶解后，會(huì)與鎘產(chǎn)生對(duì)土壤吸附點(diǎn)位的競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致土壤對(duì)鎘的吸附能力降低[44]。在平衡利用各種肥料的同時(shí)，正確利用其他元素之間的交互作用，適當(dāng)添加大量元素和微量元素，能夠有效阻控根莖對(duì)鎘的吸收。郭俊霞等[45]發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照(不施硅肥)相比，在川芎莖葉期噴施硅肥有利于地下根莖生長(zhǎng)，并降低總鎘含量，以2 250、4 500 g/hm2硅肥處理效果最好，且對(duì)藥用成分阿魏酸、洋川芎內(nèi)酯A、藁本內(nèi)酯的含量無(wú)顯著影響。另外，對(duì)水稻和小麥的研究表明，適當(dāng)降低鋅肥及銅肥施用量[46]，增加硅肥用量，能有效降低作物對(duì)鎘的吸收，且可緩解鎘對(duì)植物的毒害作用[47]。在解決蟲(chóng)害及草害問(wèn)題時(shí)，應(yīng)首先考慮生物防治或者物理防治，選擇購(gòu)買(mǎi)無(wú)重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)的合格農(nóng)藥，綠色栽培農(nóng)藝措施可以在一定程度上降低川芎根莖鎘污染概率。

4.2 修復(fù)鎘污染土壤

產(chǎn)區(qū)土壤的質(zhì)量安全是川芎品質(zhì)的重要保障。目前，學(xué)者主要從土壤污染角度解決川芎鎘超標(biāo)問(wèn)題。通過(guò)在芎田中添加各種改良劑調(diào)節(jié)土壤pH值，改變鎘元素的存在形態(tài)，降低其在土壤和農(nóng)作物之間的遷移能力。寧梓君等[29]向土壤施加750、1 125、1 500 kg/hm2生石灰后，發(fā)現(xiàn)川芎根莖鎘含量與生石灰施用量呈極顯著負(fù)相關(guān)，施用量越高，根莖鎘含量越低；3組川芎植物樣品中根莖鎘含量相比于改良前分別降低36.4%、33.9%、52.7%，且1 125、1 500 kg/hm2生石灰處理效果更加穩(wěn)定。任敏[9]綜合應(yīng)用生石灰、磷酸二氫鉀、聚丙烯酸鈉、腐殖酸等土壤化學(xué)改良劑降低川芎藥材鎘含量,結(jié)果表明，降鎘效果最好的組合為生石灰 1 500 kg/hm2+磷酸二氫鉀300 kg/hm2+淀粉1 500 kg/hm2，川芎藥材鎘含量降低了34.21%～42.50%。研究表明，海泡石、生物炭、交聯(lián)改性甲殼素等新型改良劑對(duì)鎘在土壤—水稻中的遷移與再分配過(guò)程起到較好的阻控作用[48-49]，川芎生產(chǎn)也可借鑒稻田鎘超標(biāo)治理的經(jīng)驗(yàn)。但被暫時(shí)固定在土壤中的鎘元素會(huì)隨pH值的改變被再度活化，再次成為問(wèn)題。目前，四川共有139種超積累植物，其中1/3以上屬于富集鎘植物[50]，超積累植物對(duì)鎘的吸收積累能力是普通植物的100倍，除了化學(xué)修復(fù)以外，還可以利用超積累植物對(duì)鎘的富集能力和轉(zhuǎn)移能力高效去除被污染土壤中的鎘元素。

4.3 更換種植模式

相較于土壤修復(fù)，更換種植模式則是一種更為簡(jiǎn)單易行的降鎘措施，還能為農(nóng)民創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)收益。在成都常規(guī)糧油種植模式中，油菜—水稻模式產(chǎn)出的稻谷中鎘含量比小麥—水稻模式低70.2%，存在顯著差異，且多創(chuàng)收114 090元/hm2[51]。川芎—水稻是川芎產(chǎn)區(qū)傳統(tǒng)的輪作模式，在水稻收獲后，稻田經(jīng)歷淹水回旱，土壤中弱酸提取態(tài)鎘含量增加，川芎被鎘污染的概率加大[52]。鄧天龍等[53-54]探索發(fā)現(xiàn)，大豆對(duì)鎘的富集能力強(qiáng)于水稻，可以有效降低土壤中鎘含量；同時(shí)由于腎蕨和川芎的根系對(duì)鎘存在競(jìng)爭(zhēng)性吸收，在與大豆輪作的同時(shí)，將川芎苓種和腎蕨分苗間作，可進(jìn)一步降低川芎鎘含量，且不會(huì)對(duì)川芎藥用成分產(chǎn)生影響。易鎮(zhèn)邪等[55]對(duì)比發(fā)現(xiàn)，3種稻田糧食作物種植模式中，雙季高粱的全年鎘累積量最大，但成熟期籽粒中鎘含量為0.25 mg/kg，是國(guó)家飼料標(biāo)準(zhǔn)(<0.5 mg/kg)的1/2，說(shuō)明中度鎘污染稻田更適合于雙季高粱模式。不同種植模式的改變也會(huì)引起土壤鎘含量的變化，李博等[56]發(fā)現(xiàn)，0～20 cm耕層土壤中鎘含量表現(xiàn)為連作>套作>輪作>間作。

4.4 培育低富集鎘種質(zhì)資源

同一植物不同種質(zhì)對(duì)鎘元素的吸收積累存在差異，在重度鎘污染脅迫下，秈稻和粳稻籽粒鎘積累差異可達(dá)4.14倍[57]，張錫洲等[58]以耐性指數(shù)和鎘含量為指標(biāo)，從145份水稻種質(zhì)資源中篩選出恢復(fù)系和保持系鎘低積累種質(zhì)資源共15種，發(fā)現(xiàn)同系水稻材料間鎘積累能力相差較大。肖美秀[59]篩選出高耐鎘性水稻種質(zhì)共7份，經(jīng)過(guò)鎘脅迫處理后，鎘敏感性水稻稻米中鎘元素含量相較于高耐鎘性水稻更高，葉綠素含量受抑制程度更重，抗氧化酶系統(tǒng)活性和抗氧化物質(zhì)總酚和類(lèi)黃酮含量更低，猜測(cè)抗性與鎘吸收量呈反比。目前，水稻、小麥、玉米、番茄、大豆等作物通過(guò)種質(zhì)篩選已得到一大批優(yōu)良種質(zhì)資源，為解決作物抗逆生長(zhǎng)研究提供豐富的材料。彭州產(chǎn)區(qū)和眉山產(chǎn)區(qū)13種川芎根莖鎘含量分別為0.75～1.33 mg/kg和0.25～0.45 mg/kg，不同種質(zhì)間差異較大[7]，但關(guān)于川芎低富集鎘種質(zhì)的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。利用種質(zhì)間鎘吸收和積累的差異篩選出低富集鎘種質(zhì)資源，可為解決川芎鎘超標(biāo)問(wèn)題提供新的思路。

4.4.1 分子標(biāo)記輔助育種 分子技術(shù)的飛速發(fā)展以及鎘-土壤-植株吸收轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律的揭示，使得植株器官中介導(dǎo)鎘元素吸收、積累、轉(zhuǎn)運(yùn)的部分功能基因進(jìn)一步明確，如天然抗性相關(guān)巨噬細(xì)胞蛋白(NRAMP)家族成員OsNramp5和OsNramp1，它們可以介導(dǎo)鎘離子進(jìn)入根部；原生質(zhì)膜上的NcZNT、AtZIP1和AtZIP2可以幫助鎘元素從根部到地上組織的長(zhǎng)距離運(yùn)輸[60]；重金屬ATP酶家族(HMA)成員AtHMA2可以促進(jìn)木質(zhì)部裝載鎘[61]；陽(yáng)離子交換體CAX2和CAX4對(duì)鎘也具有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力[62]。分子標(biāo)記輔助育種通過(guò)與目標(biāo)基因緊密連鎖的分子標(biāo)記, 篩選具有特定基因型的個(gè)體,最終通過(guò)常規(guī)育種方式選育優(yōu)良品種，可以彌補(bǔ)系統(tǒng)育種周期長(zhǎng)、效率低、易受環(huán)境因素影響等不足[63]。黃湘桂等[64]采用分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)和逐步聚合的方法，創(chuàng)制了基于創(chuàng) 5S(C5S)背景的包含抗病雙基因和鎘低積累基因的三基因聚合系水稻種質(zhì)，其中，基因型為C5S(Pi49+Pigm+OsHMA3)的改良系糙米鎘含量為0.051～0.067 mg/kg，遠(yuǎn)低于0.2 mg/kg的食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。白磊等[65]利用7個(gè)與馬鈴薯抗性基因連鎖的分子標(biāo)記(Rxsp、RYSC3、Ry186、R1、R2-800、R3b 和 N146)對(duì)云南農(nóng)業(yè)大學(xué)薯類(lèi)作物研究所收集的馬鈴薯品種(系)進(jìn)行多抗性篩選，發(fā)現(xiàn)與國(guó)外品種(系)所含抗性基因數(shù)量相比，國(guó)內(nèi)豐富性較低，云南省內(nèi)更是單一，這是導(dǎo)致馬鈴薯產(chǎn)量逐年降低的原因之一。楊海峰等[66]利用orf 725對(duì)16個(gè)洋蔥品種的DNA進(jìn)行分子標(biāo)記，篩選出4個(gè)全不育型雜交種。李孝瓊等[67]利用分子標(biāo)記輔助選擇將廣譜高抗稻瘟病基因Pi9導(dǎo)入攜帶抗稻褐飛虱基因Bphl4和Bphl5的優(yōu)良恢復(fù)系桂恢1561中，通過(guò)回交和雜交育種，得到的改良株系既抗稻瘟病又抗稻褐飛虱，且生育期、單株有效穗數(shù)、千粒質(zhì)量等農(nóng)藝性狀優(yōu)于輪回親本。同樣，分子標(biāo)記對(duì)于川芎低富集鎘種質(zhì)的培育也具有重要意義，悠久的栽培歷史中積累的基因突變使川芎擁有較高的遺傳多樣性，為通過(guò)分子標(biāo)記輔助育種手段獲得低富集鎘種質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。但目前開(kāi)發(fā)的分子標(biāo)記主要集中于川芎遺傳多樣性的分析[68-69]及道地川芎與其混偽品物種的鑒定方面[70]。

4.4.2 輻射誘變育種 輻射誘變育種指通過(guò)X射線、γ射線、中子、離子束等輻射誘變因素改變植物的遺傳物質(zhì)，根據(jù)育種目標(biāo)進(jìn)行選擇，從而獲得新品種[71]。川芎屬于無(wú)性繁殖，遺傳改良主要依靠自然變異，效率太低，而輻射誘變彌補(bǔ)了這一缺點(diǎn)，且引起的變異類(lèi)型多，可以極大地豐富物種種質(zhì)資源，為種質(zhì)篩選工作提供有益助力。經(jīng)過(guò)γ射線輻射誘變后，向日葵出現(xiàn)單稈變多枝，可育變不育，葉片數(shù)和分枝數(shù)增多，生育期時(shí)間縮短等效應(yīng)[72]，草坪型扁穗牛鞭草植株較對(duì)照(未輻射)株高變矮 ,莖節(jié)與分蘗數(shù)變少，葉片狹窄細(xì)短，莖粗變細(xì)，輻射當(dāng)代材料的變異頻率為37.5%[73]。隨輻射劑量的升高，小麥出苗率、成株率、株高降低，不育率升高，每穗小穗總數(shù)、每穗粒數(shù)減少,千粒質(zhì)量降低[74]。近年來(lái)，輻射育種已經(jīng)應(yīng)用于水稻、小麥、玉米、大豆、棉花、油菜等農(nóng)作物，并成功選育出花香7號(hào)、龍輻玉9號(hào)、魯棉502、浙油80等優(yōu)良品種[75]。陳慧茹通過(guò)12C6+離子束輻照成功創(chuàng)建籽粒鎘低積累的突變遺傳種質(zhì)，與野生型相比，突變體籽粒中鎘、鉛、銅含量分別下降28.6%、24.0%、27.4%，差異顯著(P<0.05)[57]。雜交糯稻特優(yōu)63糯是福建農(nóng)林大學(xué)將輻射誘變與雜交育種相結(jié)合培育出的水稻品種，與原雜交稻特優(yōu)63相比，平均增產(chǎn)4.63%，整精米率、膠稠度和蛋白質(zhì)含量達(dá)國(guó)家1級(jí)米標(biāo)準(zhǔn)[76]。分子標(biāo)記能識(shí)別輻射誘變后突變體的真?zhèn)?，輻射誘變?yōu)榉肿訕?biāo)記輔助育種提供豐富的種質(zhì)材料，二者相結(jié)合大大增加了獲得有價(jià)值突變體的機(jī)會(huì)，這也是目前作物育種的發(fā)展趨勢(shì)。

5 展望

川芎作為鎘富集植物，新老產(chǎn)區(qū)土壤和根莖鎘含量均出現(xiàn)不同程度的污染，其藥用部位根莖平均鎘含量為0.209～2.830 mg/kg。建議在川芎種植過(guò)程嚴(yán)格按照無(wú)公害栽培標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，對(duì)種植地土壤及附近水源鎘含量進(jìn)行測(cè)定，深耕土壤，改變?cè)耘喾绞?，合理配施氮肥，加大有機(jī)肥使用比例，堅(jiān)決抵制鎘元素超標(biāo)肥料，優(yōu)先使用農(nóng)業(yè)、生物和物理手段防治病蟲(chóng)害，減少農(nóng)藥使用量。目前，研究人員在通過(guò)提高土壤pH值、更換傳統(tǒng)輪作方式、調(diào)節(jié)土壤中元素交互作用等手段降低川芎鎘含量方面已經(jīng)取得了一定的研究成果，但由于鎘污染來(lái)源的復(fù)雜性，以及川芎對(duì)鎘具有高富集特性，現(xiàn)在依然未找到長(zhǎng)期有效且能直接應(yīng)用于大田的解決方案。川芎低富集鎘品種的培育是一種經(jīng)濟(jì)、便捷、安全的降鎘途徑，分子技術(shù)與輻射誘變技術(shù)結(jié)合，大大提高了低富集鎘川芎品種選育的可能性。在鎘污染嚴(yán)重區(qū)域及時(shí)做出種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，選擇低富集鎘材料進(jìn)行種植，在保證川芎根莖藥用品質(zhì)安全的同時(shí)，也可提高鎘污染農(nóng)田的利用率。

目前，與大宗作物相比，川芎品種改良依然局限于常規(guī)手段，分子生物學(xué)、基因組學(xué)等相關(guān)研究較為落后，特別是DNA指紋圖譜的構(gòu)建、QTL定位等基礎(chǔ)研究工作尚處于空白階段，嚴(yán)重阻礙了川芎育種工作的進(jìn)程。今后除了應(yīng)繼續(xù)探索新的土壤修復(fù)劑以外，可從植物代謝途徑入手，利用元素交互作用，抑制根莖對(duì)鎘的吸收積累，此外還應(yīng)加強(qiáng)鎘—川芎—土壤富集機(jī)制方面的研究，揭示川芎富集鎘的相關(guān)表達(dá)基因，為利用分子技術(shù)手段篩選低鎘基因型的川芎種質(zhì)奠定基礎(chǔ)。