重慶市鎘低積累水稻種質(zhì)資源篩選試驗(yàn)

蔣 剛，朱子超，黃乾龍，管玉圣，歐陽(yáng)杰，何永歆，王楚桃，李賢勇

（重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所，重慶 401329）

重金屬污染是當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全、農(nóng)產(chǎn)品食用安全所面臨的一個(gè)嚴(yán)峻問(wèn)題［1］。重金屬不但污染環(huán)境，更會(huì)對(duì)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(yè)生產(chǎn)廢水和生活污水才是污染大戶。近年來(lái)，由于一些地區(qū)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(dǎo)致重金屬污染加重特別是Cd污染加劇。據(jù)報(bào)道，我國(guó)有大約2.8×105hm2農(nóng)田已經(jīng)被Cd 污染，在這些被污染的土地上，每年生產(chǎn)高達(dá)1.46×1010kg 含Cd 量超標(biāo)的農(nóng)產(chǎn)品［3］，給我國(guó)的農(nóng)產(chǎn)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(xiàn)有生產(chǎn)上應(yīng)用的大多數(shù)水稻品種在Cd污染土壤中栽種后，其稻米中的Cd 含量都會(huì)超過(guò)國(guó)家食品中污染物限量規(guī)定，嚴(yán)重威脅了我國(guó)水稻產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)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(duì)稻田Cd 的積累表現(xiàn)完全不同。這些研究結(jié)果表明，在輕、中度污染地區(qū)，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(nèi)是可行的。生產(chǎn)上，各地方政府都非常重視這個(gè)問(wèn)題，將Cd低積累水稻品種選育推廣提在了重要日程上，開(kāi)始對(duì)市場(chǎng)上的水稻品種進(jìn)行篩選，符合要求的品種進(jìn)行政府采購(gòu)并鼓勵(lì)農(nóng)戶種植。

社會(huì)需求加之國(guó)家對(duì)食品安全的重視，反過(guò)來(lái)也促進(jìn)了Cd低積累水稻新品種的篩選和選育。國(guó)家投入了相當(dāng)?shù)馁Y源和財(cái)力，開(kāi)設(shè)了大量的項(xiàng)目進(jìn)行Cd低積累水稻品種選育研究?，F(xiàn)有研究多集中在對(duì)已推廣應(yīng)用的品種進(jìn)行篩選，而直接以親本材料的Cd低積累比較和種質(zhì)資源的篩選來(lái)進(jìn)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(duì)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(duì)照研究的案例較少。筆者采用前期初步篩選出的25個(gè)水稻品種或材料，對(duì)其在不同Cd 濃度污染土壤中的Cd 積累差異進(jìn)行比較，試圖獲取在高Cd 污染時(shí)仍然Cd 低積累的水稻種質(zhì)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(yàn)采用的水稻材料由重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供，材料之間具有廣泛遺傳差異，具體命名和編號(hào)見(jiàn)表1。

表1 參試材料名稱及編號(hào)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019年在重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所基地進(jìn)行。供試土壤為當(dāng)?shù)匚次廴就寥?，上一年采集曬干、磨碎，過(guò)2.5 mm 孔徑篩，裝入塑料桶，每桶裝入10 kg 土壤和0.02 kg 復(fù)混肥（15-15-15），混合拌勻后備用。

試驗(yàn)共設(shè)置5 個(gè)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(zhǎng)到5 葉后移栽入之前準(zhǔn)備好的塑料桶中，每個(gè)材料重復(fù)3次。

1.3 樣品采集分析

在參試材料的稻谷約九成熟時(shí)，收獲稻谷，及時(shí)脫粒，用網(wǎng)袋分裝曬干，送北京中科光析化工技術(shù)研究所按國(guó)標(biāo)（GB2762—2012）測(cè)定精米中Cd含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2019 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用Cd 積累指數(shù)衡量不同脅迫強(qiáng)度下的反應(yīng)差異或Cd 吸收特征差異。

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

2 結(jié)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(gè)部位，其分布情況較為復(fù)雜，而人們更關(guān)心的是稻米中的Cd含量是否符合安全標(biāo)準(zhǔn)，稻米能否安全食用，因此本試驗(yàn)只研究了不同Cd濃度土壤中的稻米Cd含量變化情況，結(jié)果如圖1。

圖1 參試材料在不同Cd濃度土壤中的稻米Cd含量比較

可以看出，土壤Cd 濃度為0 mg·kg-1時(shí)，所有材料的稻米Cd含量未檢出。在土壤中有Cd存在時(shí)，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(shí)，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(shí)，仍然會(huì)吸附超量的Cd，超過(guò)國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明這些材料對(duì)Cd比較敏感，不適宜作材料選育Cd低積累品種。

在對(duì)照處理（土壤Cd濃度為0）中，各材料的稻米Cd含量均符合國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)。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(jiàn)，在土壤0.2 mg·kg-1Cd處理?xiàng)l件下，稻米中Cd含量差異區(qū)間為0～0.285 6 mg·kg-1（含量為0是因?yàn)楹窟^(guò)低，儀器無(wú)法測(cè)定）；在土壤0.5 mg·kg-1Cd處理?xiàng)l件下，稻米Cd含量差異區(qū)間為0～0.999 5 mg·kg-1；在土壤1 mg·kg-1Cd處理?xiàng)l件下，稻米Cd含量差異區(qū)間在0.150 1～1.016 3 mg·kg-1；在土壤2 mg·kg-1Cd處理?xiàng)l件下，稻米Cd含量差異區(qū)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(shù)比較

為了更好地分析各種材料在不同Cd濃度脅迫時(shí)稻米Cd 積累差異，我們以Cd 積累指數(shù)進(jìn)行比較，其Cd積累指數(shù)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(duì)Cd 脅迫更為敏感，反之則對(duì)Cd 脅迫不敏感。Cd 積累指數(shù)較小，要么是該材料在Cd 低濃度脅迫時(shí)就積累了較多的Cd，在高濃度時(shí)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(jiàn)，后一種才是理想材料。從圖2 中可見(jiàn)，所有材料的Cd積累指數(shù)明顯不同，72B、149B 在低濃度Cd 脅迫下時(shí)鎘含量較低無(wú)法測(cè)定，導(dǎo)致Cd 積累指數(shù)無(wú)法計(jì)算，但在低濃度Cd 脅迫時(shí)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(xié)迫時(shí)，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(shù)材料表現(xiàn)出的共性，即Cd低濃度脅迫時(shí)稻米Cd 含量不超標(biāo)，Cd 高濃度脅迫時(shí)稻米Cd 含量超標(biāo)，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(shù)值最高，為280.6，326B 的Cd積累指數(shù)最小，僅有9.2，兩者相差30.5倍，可見(jiàn)水稻對(duì)Cd的積累在不同材料之間差異極大。326B 的Cd 積累系數(shù)雖小，但其在低Cd 脅迫時(shí)，稻米Cd 含量已經(jīng)較高，這類材料對(duì)選育稻米Cd 低積累品種完全沒(méi)有價(jià)值。9B、192B 的Cd 積累指數(shù)相對(duì)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(biāo)準(zhǔn)，這就是理想的Cd低積累材料。

圖2 參試材料的Cd積累指數(shù)比較

3 小結(jié)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(shí)，其稻米中的Cd含量符合國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)；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(yán)重影響稻米品質(zhì)，但也有極少數(shù)水稻品種或材料表現(xiàn)良好，稻米Cd 積累量仍較小。本研究的25 份材料中，表現(xiàn)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(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)，表明這兩個(gè)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(xiàn)為稻米Cd 積累值符合安全標(biāo)準(zhǔn)，但在土壤Cd 濃度較高時(shí)，稻米Cd積累值超標(biāo)，表明這類材料也具有一定的Cd低積累安全性。

目前推廣應(yīng)用的Cd 低積累水稻品種在Cd 污染不超標(biāo)的土壤中種植時(shí)，其稻米Cd 積累量一般能夠低于國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)；在Cd 污染輕度超標(biāo)情況下，種出來(lái)的稻米也能達(dá)到國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)；但當(dāng)土壤Cd 污染嚴(yán)重超標(biāo)時(shí)，稻米Cd 積累量一般都超過(guò)國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)。

絕對(duì)不積累Cd的水稻種質(zhì)資源目前還未發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)有種質(zhì)資源中篩選Cd低積累品種是育種工作者的必然選擇。因?yàn)橐粋€(gè)新的品種從轉(zhuǎn)育材料到品種審定，一般需要5 年以上時(shí)間，所以大多研究都是從現(xiàn)有成熟品種中篩選，完全從頭開(kāi)始選育成功的品種稀少，真正推廣應(yīng)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(xiàn)出來(lái)，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(yōu)28 的成功選育與推廣也證明了這一點(diǎn)。重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)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(yōu)28 也已通過(guò)國(guó)家武陵山區(qū)、重慶市、四川省等的區(qū)域試驗(yàn)和審定，在生產(chǎn)中表現(xiàn)出了較好的Cd 低積累特性。重慶市在2021 年進(jìn)行了“農(nóng)用地安全利用重金屬低積累品種采購(gòu)項(xiàng)目”招標(biāo)，采購(gòu)Cd低積累品種，引導(dǎo)農(nóng)民種植Cd低積累水稻品種，提高稻米的安全性。神9 優(yōu)28 作為指定采購(gòu)品種之一，市場(chǎng)反應(yīng)熱烈。

為了國(guó)民的稻米食用安全，有效降低稻米中Cd 含量超過(guò)國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)，推廣Cd 低積累水稻品種在Cd 污染區(qū)域種植勢(shì)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(biāo)。