鎘低積累水稻品種篩選及其在鎘超標稻田的表現(xiàn)評價

李虎 吳子帥 陳傳華 羅群昌 梁云濤 何金富 周新明 朱其南 李秋雯 劉廣林

摘要：【目的】篩選鎘低積累型水稻品種并開展鎘超標稻田表現(xiàn)評價研究，為廣西中低度鎘污染稻田生產(chǎn)安全稻米提供品種和數(shù)據(jù)參考?！痉椒ā恳?14份（V1～V114）水稻低鎘品種育種材料為試驗對象，從中篩選綜合性狀優(yōu)良且籽粒表現(xiàn)為鎘低積累的目標材料;對目標材料進行大田試驗和盆栽試驗驗證，測定其在廣西不同試驗點的農(nóng)藝性狀和精米鎘含量?！窘Y(jié)果】初步篩選試驗的114份參試材料中，除V102的精米鎘含量低于最低檢測值外，其余113份水稻育種材料的精米鎘含量范圍在0.01～0.35 mg/kg，平均值為0.10 mg/kg，篩選得到綜合性狀優(yōu)良且精米鎘含量較低的材料V111（審定后名稱為桂育12）。桂育12在中低度鎘污染區(qū)大田驗證種植時，精米鎘含量（0.01～0.10 mg/kg）未超出國家標準GB 2762—2017《食品安全國家標準食品中污染物限量》規(guī)定的限值（0.20 mg/kg）。盆栽試驗結(jié)果表明，在pH為5.0，土壤鎘含量3.0 mg/kg條件下，桂育12精米鎘含量（0.34 mg/kg）有超標風(fēng)險;各試驗中土壤鎘含量對桂育12部分農(nóng)藝性狀指標影響顯著（P<0.05），但屬于品種種植的正常波動范圍，對米質(zhì)和產(chǎn)量的綜合影響有限?！窘Y(jié)論】從114份水稻材料中篩選出的鎘低積累品種桂育12，經(jīng)多年多點試驗驗證，在中低度鎘污染稻田產(chǎn)出的稻米鎘含量不超標，籽粒鎘低積累性狀較穩(wěn)定，綜合性狀表現(xiàn)受土壤鎘含量影響較小，可在廣西中低度鎘污染稻田推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 鎘低積累;優(yōu)質(zhì)稻;品種篩選;精米鎘含量;農(nóng)藝性狀

中圖分類號： S511? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼： A 文章編號：2095-1191（2022）01-0096-08

Screening of rice varieties with low cadmium accumulation and evaluation of their performance in rice fields with cadmium exceeding standard

LI Hu1， WU Zi-shuai1， CHEN Chuan-hua1， LUO Qun-chang1， LIANG Yun-tao1，

HE Jin-fu2， ZHOU Xin-ming3， ZHU Qi-nan1， LI Qiu-wen1， LIU Guang-lin1*

（1Rice Research Institute，Guangxi Academy of Agricultural Sciences/Guangxi Key Laboratory of Rice Genetics and Breeding/Guangxi Talent Highland of High Quality Rice Breeding Research， Nanning? 530007，China; 2Agricultural Ecology and Resources Protection Station of Guangxi， Nanning? 530007， China; 3Chongzuo Agricultural

Ecology and Resource Protection Station， Chongzuo， Guangxi? 532200， China）

Abstract：【Objective】Screened rice varieties with low cadmium accumulation and carried out evaluation research on rice field performance with cadmium exceeding the standard to provide variety and data reference for the production of safe rice in Guangxi’s medium and low-level cadmium-polluted rice fields. 【Method】114 breeding materials of low-cadmium rice varieties（V1-V114）were selected as the test objects， and the target materials with excellent comprehensive properties and low cadmium accumulation were selected from the target materials; field tests and pot experiments were carried out to verify the target materials， their agronomic characteristics and polished rice cadmium content were tested at different test sites in Guangxi. 【Result】Among the 114 tested materials in the preliminary screening test， except for the cadmium content in polished rice of V102 which was lower than the lowest detection value， the cadmium content in po-lished rice of the remaining 113 rice breeding materials ranged from 0.01 to 0.35 mg/kg， with an average value of 0.10 mg/kg. The material V111 with excellent comprehensive properties and low cadmium content in polished rice was screened （named Guiyu 12 after certification）. When Guiyu 12 was planted in fields with medium and low levels of cadmium pollution， the cadmium content of polished rice （0.01-0.10 mg/kg） did not exceed the limit specified in the national standard GB 2762-2017 National Food Safety Standard Limits of Contaminants in Food （0.20 mg/kg）. The pot experiment results showed that under the conditions of pH 5.0 and soil cadmium content of 3.0 mg/kg， the cadmium content （0.34 mg/kg） of Guiyu 12 polished rice was at risk of exceeding the standard. The soil cadmium content in each experiment had a significant impact on some agronomic indicators of Guiyu 12（P<0.05）， but it belonged to the normal fluctuation range of the variety planting， and the comprehensive impact on rice quality and yield was limited. 【Conclusion】A low cadmium accumulation variety Guiyu 12 is selected from 114 rice materials. After years of multi-site experiments， it is verified that the cadmium content in rice produced by Guiyu 12 does not exceed the standard in the middle and low-level cadmium-contaminated rice fields， and the low cadmium accumulation traits in grains are relatively stable. The performance of comprehensive traits is less affected by soil cadmium content，which can be applied and popularized in Guangxi rice fields with low and medium cadmium pollution.

Key words： low cadmium accumulation;high-quality rice;selection of varieties; cadmium content in polished rice; agronomic traits

Foundation items： Key Research and Development Program of Guangxi（Guike AB1850041）;Science and Techno-logy Development Fund Project of Guangxi Academy of Agricultural Sciences（Guinongke 2021YT029）;Basic Scientific Research Project of Guangxi Academy of Agricultural Sciences（Guinongke 2020YM73）

0 引言

【研究意義】據(jù)調(diào)查，農(nóng)產(chǎn)品的主要污染物為重金屬類，其中鎘是農(nóng)業(yè)環(huán)境中最危險的重金屬元素之一（盧紅玲等，2014）。水稻是我國的主要糧食作物，鎘可通過水稻自身的富集和轉(zhuǎn)運作用積累于水稻植株體內(nèi)，尤其是食用的稻米部位，從而威脅食品安全（林華等，2014）。廣西作為我國水稻主產(chǎn)區(qū)之一，自然地質(zhì)背景高（鄧齊玉等，2019），相比其他土地利用方式，稻田土壤的鎘污染更易引起因重金屬污染帶來的健康風(fēng)險（陳桂芬等，2015）。對鎘污染土壤的改良方法較多，如物理沉降法、化學(xué)調(diào)控法、植物或微生物修復(fù)等，這些方法雖有修復(fù)效果，但也存在工程量大、成本高、易二次污染、修復(fù)周期長及效果緩慢等局限性（彭少邦等，2014;高欣等，2020;李桂榮等，2020;莊靜靜和郭暉，2020）。而通過品種替換技術(shù)，選育適合廣西當?shù)劓k污染農(nóng)田利用的低積累水稻品種是一條解決稻米鎘超標問題的便捷、有效方案?！厩叭搜芯窟M展】近年來，國內(nèi)外關(guān)于水稻鎘積累的研究主要集中在低鎘水稻品種篩選及技術(shù)措施對水稻鎘吸收的影響（楊春剛等，2008;劉昭兵等，2010;陳喆等，2013;王剛等，2017）。蔣彬和張慧萍（2002）通過大田試驗對國內(nèi)不同地區(qū)的239份水稻樣品稻米鎘含量進行分析，證明不同基因型稻米中鎘含量差異極顯著。張錫洲等（2013）以收集的具有明顯遺傳差異的145種水稻親本材料為研究對象，通過水培試驗研究水稻植株生長性狀和鎘積累特征，比較不同材料的鎘耐性和鎘積累差異，并以耐性指數(shù)和鎘含量為指標篩選鎘低積累種質(zhì)資源，通過耐性分類，得到鎘耐性較強的恢復(fù)系27種和保持系12種材料;并以鎘含量為指標評價鎘積累差異，獲得13種恢復(fù)系鎘低積累種質(zhì)資源和2種保持系鎘低積累種質(zhì)資源。陳毓瑾等（2017）比較分析30個常規(guī)水稻品種對照處理和鎘脅迫（2 mg/L）處理對水稻種子發(fā)芽率等指標的影響，得到鎘脅迫指數(shù)均值最高的水稻品種IR24。滕振寧等（2017）以參加湖南省低鎘水稻品種篩選試驗的31個早稻品種為材料，使用非參數(shù)統(tǒng)計方法秩次分析法，對參試品種的稻米鎘含量及其穩(wěn)定性進行綜合分析與評價，得到稻米低鎘性能和鎘含量穩(wěn)定性均較好的品種兩優(yōu)早17和株兩優(yōu)706。張玉燭等（2017）在湖南省重金屬污染區(qū)對285個水稻品種開展篩選驗證試驗，共篩選到25個應(yīng)急性鎘低積累品種。章秀梅等（2021）探討種植鎘低積累品種、全生育期淹水灌溉、堿性物質(zhì)降酸、黏土礦物鈍化及生理阻控（葉面肥）等5類技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用對削減糙米鎘積累的綜合效果，結(jié)果表明，與常規(guī)種植比較，種植鎘低積累品種可降低31.23%的糙米鎘含量?！颈狙芯壳腥朦c】當前低鎘水稻品種篩選主要集中于市場上已存在的主栽品種，對選育材料的篩選報道較少，且廣西未見有對選育目標為鎘低積累水稻品種篩選的相關(guān)報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以114份水稻低鎘品種育種材料為試驗對象，從中篩選綜合性狀優(yōu)良且籽粒表現(xiàn)為鎘低積累的目標材料;對目標材料進行大田試驗和盆栽試驗驗證，測定其在廣西不同試驗點的農(nóng)藝性狀和精米鎘含量，為廣西中低度鎘污染稻田生產(chǎn)安全稻米提供品種和數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1. 1 供試材料

初步篩選種植材料為114份低鎘品種育種材料（V1～V114），其中V1～V100為低世代低鎘育種材料，V101～V114為正在審定或待送審定的低鎘品種。

1. 2 試驗方法

1. 2. 1 初步篩選試驗 2016年3—7月于南寧試驗點進行早稻試驗，試驗田土壤pH 5.7、總鎘0.17 mg/kg，未超過國家標準GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標準（試行）》（以下簡稱國標）風(fēng)險值（pH≤5.5，0.3 mg/kg;5.5<pH≤6.5，0.4 mg/kg;6.5<pH≤7.5，0.6 mg/kg;pH>7.5，0.8 mg/kg。下同）。每個材料種植200株，常規(guī)大田管理，初步篩選綜合性狀優(yōu)良且籽粒表現(xiàn)為鎘低積累的目標材料。

1. 2. 2 大田驗證試驗 2016年3月—2020年11月分別在南寧A、南寧B、南寧C、靖西、崇左和宜州試驗點對初步篩選的目標材料進行大田驗證試驗。目標材料種植50株，3次重復(fù)，常規(guī)大田管理。南寧A、南寧B、南寧C、靖西和崇左試驗點測定目標材料籽粒鎘含量;宜州試驗點測定目標材料大田農(nóng)藝性狀指標，并與2018年廣西水稻品種區(qū)試總結(jié)早優(yōu)區(qū)匯總試驗相關(guān)數(shù)據(jù)（http：//www.gxseed.com.cn/html/2019/breednotice_0125/2952.html）進行對比。宜州試驗點土壤pH 5.5、總鎘2.58 mg/kg，土壤鎘含量超過國標風(fēng)險值（0.3 mg/kg）8倍以上。

1. 2. 3 盆栽試驗 于2020年3—7月在南寧A試驗點網(wǎng)室對初步篩選的目標材料進行不同土壤pH和土壤鎘添加量的早稻盆栽試驗。土壤pH設(shè)3個梯度，分別為pH 5.0（A1）、pH 6.0（A2）和pH 7.0（A3）;土壤鎘添加量設(shè)7個梯度，分別為0 mg/kg（B0）、0.5 mg/kg（B1）、1.0 mg/kg（B2）、1.5 mg/kg（B3）、2.0 mg/kg（B4）、2.5 mg/kg（B5）和3.0 mg/kg（B6）。3次重復(fù)，共63盆，每盆種植6株。種植前用稀鹽酸和氫氧化鈉溶液對pH進行8次調(diào)節(jié)，每次間隔3～5 d，采用精密pH試紙進行測定，直至pH穩(wěn)定;采用外源添加氯化鎘進行鎘含量調(diào)節(jié)，添加氯化鎘后多次攪勻穩(wěn)定30 d。測定盆栽條件水稻籽粒鎘含量和農(nóng)藝性狀指標。

1. 3 測定項目及方法

1. 3. 1 土壤鎘含量測定 初步篩選試驗和大田驗證試驗土壤樣品于種植前采用整塊田5點法混合取樣，委托廣州市譜尼測試技術(shù)有限公司檢測土壤鎘含量，檢測方法參照GB/T 17141—1997《土壤質(zhì)量鉛、鎘的測定石墨爐原子吸收分光光度法》。

1. 3. 2 精米鎘含量測定 初步篩選試驗和大田驗證試驗在水稻成熟期對小區(qū)采用5點法取樣，混收曬干碾精米進行鎘含量檢測;盆栽試驗在水稻成熟期整盆收獲曬干碾精米，委托廣州市譜尼測試技術(shù)有限公司進行鎘含量檢測，檢測方法參照GB 5009.15—2014《食品安全國家標準 食品中鎘的測定》。

1. 3. 3 產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成因素 大田驗證試驗宜州試驗點于水稻成熟期，分小區(qū)全部收割曬干風(fēng)凈后折算每公頃產(chǎn)量，調(diào)查有效穗。取各小區(qū)代表性植株3株進行室內(nèi)考種，考查穗數(shù)、千粒重、結(jié)實率、株高和穗長等指標。

1. 3. 4 外觀和加工米質(zhì)測定 大田驗證試驗宜州試驗點和盆栽試驗進行外觀和加工米質(zhì)測定，將收獲的稻谷室內(nèi)貯藏3個月后，用TP-JLG-2018礱谷機和Kett小型精米機分別測定糙米率和精米率;用SC-E型大米外觀品質(zhì)檢測分析儀測定粒長、長寬比、堊白度、堊白粒率和透明度指標;用日本佐竹SATAKE RLTA10B-KC食味計測定直鏈淀粉含量。

1. 4 統(tǒng)計分析

采用Excel 2007進行數(shù)據(jù)整理，利用DPS v7.05進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2. 1 初步篩選試驗結(jié)果

由表1可知，初步篩選試驗中，除V102的精米鎘含量低于最低檢測值外，其余113份水稻材料的精米鎘含量范圍在0.01～0.35 mg/kg，平均值為0.10 mg/kg。所有參試材料中精米鎘含量低于0.10 mg/kg的材料有68份，占比59.65%;介于0.10～0.20 mg/kg的材料有35份，占比30.70%;高于0.20 mg/kg的材料有11份，占比9.65%（圖1）。可見，不同的水稻材料籽粒對鎘的吸收積累差異明顯，且在不超標土壤中種植仍會出現(xiàn)籽粒鎘含量超出GB 2762—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》限值（0.20 mg/kg）的情況。結(jié)合各試驗材料的株高、粒型、產(chǎn)量等綜合性狀表現(xiàn)，選取精米鎘含量較低的V111（2019年審定后名稱為桂育12，鎘含量0.01 mg/kg）進入后續(xù)試驗。

2. 2 鎘超標區(qū)域桂育12精米鎘含量表現(xiàn)

2. 2. 1 大田試驗桂育12精米鎘含量情況 為明確篩選驗證得到的鎘低積累材料桂育12的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，分別在南寧、靖西、崇左等地對桂育12開展多年多點鎘污染稻田種植試驗。由表2可知，桂育12在各試驗點種植時精米鎘含量均未超出GB 2762—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》限值（0.20 mg/kg）。其中靖西試驗點和南寧C試驗點，土壤鎘含量分別超過國標風(fēng)險篩選值（0.4 mg/kg）3倍和4倍以上，桂育12精米鎘含量平均值分別為0.01和0.03 mg/kg，表現(xiàn)并未超標。

2. 2. 2 盆栽試驗桂育12精米鎘含量情況 由圖2可知，不同pH下，桂育12精米鎘含量隨著土壤鎘含量的增加整體呈升高趨勢，均在pH為5.0時最高。在同一土壤鎘含量條件下，精米鎘含量隨pH的升高呈下降趨勢（土壤鎘含量1.5 mg/kg除外），當土壤鎘含量為3.0 mg/kg、pH為5.0時精米鎘含量為0.34 mg/kg，超出GB 2762—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》限值（0.20 mg/kg），其他處理未出現(xiàn)超標情況。可見，土壤鎘含量和pH均對水稻籽粒鎘含量積累有重要影響，在pH較低環(huán)境種植，籽粒通常積累較多的鎘，在土壤鎘含量為0.5和1.0 mg/kg時，pH 5.0處理的精米鎘含量均極顯著高于pH 6.0和pH 7.0處理（P<0.01，下同）。整體來看，當土壤鎘含量接近3.0 mg/kg且pH接近5.0時，種植桂育12存在籽粒鎘含量超標風(fēng)險。

2. 3 鎘超標區(qū)域桂育12農(nóng)藝性狀表現(xiàn)

2. 3. 1 大田試驗桂育12農(nóng)藝性狀表現(xiàn) 由表3可知，桂育12在土壤鎘含量達國標風(fēng)險篩選值8倍以上區(qū)域種植，千粒重、結(jié)實率、株高和粒長均低于區(qū)試數(shù)據(jù)，且差異達顯著（P<0.05，下同）或極顯著水平，有效穗數(shù)、穗長、產(chǎn)量、糙米率、精米率、長寬比、堊白粒率、堊白度、透明度和直鏈淀粉含量與區(qū)試數(shù)據(jù)差異不顯著（P>0.05，下同）。從產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素分析，種植于鎘超標區(qū)域的桂育12粒型變小，千粒重降低，株高下降，但有效穗數(shù)較高，穗長較長，產(chǎn)量未出現(xiàn)明顯下降，屬于群體中植株競爭養(yǎng)分的正常表現(xiàn);米質(zhì)指標中，除粒長極顯著比區(qū)試短外，其他指標與區(qū)試差異較小。綜上所述，桂育12在中重度鎘超標區(qū)域種植，產(chǎn)量和米質(zhì)處于正常波動范圍，各指標綜合表現(xiàn)并未因土壤鎘含量的升高而出現(xiàn)明顯的負向影響，整體表現(xiàn)較好。

2. 3. 2 盆栽試驗桂育12農(nóng)藝性狀表現(xiàn) 由表4可知，隨著pH升高，糙米率、精米率、長寬比、粒長均有不同程度降低，堊白粒率和堊白度則先升高后降低;土壤鎘含量升高對糙米率、精米率、長寬比、粒長、堊白度影響不明顯，無規(guī)律性變化，堊白粒率有不同程度提升。pH對桂育12的米質(zhì)有不同程度的影響，其中對糙米率、精米率和長寬比有極顯著影響，對堊白度有顯著影響，對粒長和堊白粒率影響不顯著;土壤鎘含量對精米率有顯著影響，對長寬比有極顯著影響，對其他米質(zhì)指標影響不顯著。整體來看，土壤鎘含量對桂育12的綜合米質(zhì)影響有限。

3 討論

3. 1 鎘低積累型水稻品種篩選

不同作物對重金屬鎘的吸收和積累有較大差異，甚至同一作物不同品種間對重金屬鎘的吸收和積累也差異明顯，即存在基因型差異（徐燕玲等，2009）。從2014年開始，湖南先后通過多年多點大田及盆栽試驗，從685個品種中篩選出49個相對較低的鎘積累品種作為應(yīng)急性鎘低積累品種（陳彩艷和唐文幫，2018）。龔浩如等（2016）對湘潭地區(qū)廣泛種植的82個早、晚稻品種進行盆栽試驗，篩選出早稻品種株兩優(yōu)729和兩優(yōu)早17，晚稻品種豐源優(yōu)272和C兩優(yōu)7號為湘潭地區(qū)應(yīng)急性低鎘品種。本研究篩選思路與上述研究基本相同，包括篩選試驗和驗證試驗。但與以往研究不同的是，本研究的初步篩選試驗是在不超標土壤中進行，目的是考慮部分材料或品種因基因型差異，在不超標地區(qū)也可能出現(xiàn)超標情況，所以本研究優(yōu)先排除此種情況發(fā)生;另外，在不超標地區(qū)進行初篩可更好地排除土壤鎘含量對水稻品種農(nóng)藝性狀的影響，便于綜合性狀優(yōu)良的材料選擇。但在不超標土壤開展篩選可能會因品種自身差異表現(xiàn)遺漏部分低鎘材料，故今后在開展水稻品種或材料的鎘低積累初步篩選驗證時，建議在重度鎘超標區(qū)開展籽粒鎘積累量鑒定，同時在不超標地區(qū)開展材料農(nóng)藝性狀鑒定，最后結(jié)合兩者綜合表現(xiàn)較好的材料開展后續(xù)驗證試驗。

3. 2 鎘低積累型品種認定與應(yīng)用前景

目前尚無公認的評價低鎘水稻品種的認定標準，且稻米鎘的積累量會隨著土壤理化性質(zhì)等環(huán)境條件的變化而改變。在鎘低積累品種篩選和認定時要求一次試驗既能分辨出各品種鎘積累量基因型差異，又要確保目標品種的稻米鎘積累量不超標是一件非常困難的事情（陳彩艷和唐文幫，2018）。雖然鎘低積累水稻品種判定評價較復(fù)雜，但多數(shù)研究認為鎘低積累品種依舊是解決鎘污染稻田安全利用問題的最佳途徑（陳煜嫻等，2015;廖芳芳等，2015;胡婉茵等，2021）。本研究在初步篩選供試材料后，先后多次開展早晚稻多區(qū)域驗證，明確桂育12在中低度鎘超標區(qū)種植籽粒表現(xiàn)不超標且穩(wěn)定性較好，基本可認定為鎘低積累型品種。另外，桂育12米質(zhì)特優(yōu)，產(chǎn)量表現(xiàn)穩(wěn)定，連續(xù)兩年獲得廣西好稻米十大優(yōu)質(zhì)品種總分第一名，且米質(zhì)和產(chǎn)量未因土壤鎘含量超標而發(fā)生明顯負向變化。在綜合性狀表現(xiàn)上與其他僅追求籽粒鎘低積累，但忽略由此帶來重大農(nóng)藝性狀缺陷的品種相比具有明顯優(yōu)勢，在鎘污染稻田推廣應(yīng)用空間廣闊。廣西當前水稻鎘低積累品種選育領(lǐng)域仍屬空白階段，桂育12的成功選育將有效緩解廣西鎘低積累水稻品種短缺問題，對廣西中低度鎘污染農(nóng)用地實現(xiàn)安全利用具有重要意義。

4 結(jié)論

從114份水稻材料中篩選出的鎘低積累品種桂育12，經(jīng)多年多點試驗驗證，在中低度鎘污染稻田產(chǎn)出的稻米鎘含量不超標，籽粒鎘低積累性狀較穩(wěn)定，綜合性狀表現(xiàn)受土壤鎘含量影響較小，可在廣西中低度鎘污染稻田推廣應(yīng)用。

參考文獻：

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（責(zé)任編輯 王 暉）