基于BCF的砷低積累水稻品種篩選

周珍華， 谷有君， 劉匯川， 胡文玲， 黃蕊，柳賽花， 田發(fā)祥， 謝運(yùn)河*

(1.張家界市永定區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，湖南 張家界 427000；2.湖南省農(nóng)業(yè)對(duì)外經(jīng)濟(jì)合作中心，湖南 長沙 410005；3.湖南省農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)研究所，湖南 長沙 410125；4.農(nóng)業(yè)部長江中游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410125；5.農(nóng)田土壤重金屬污染防控與修復(fù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410125)

湖南省是我國著名的“有色金屬之鄉(xiāng)”，礦產(chǎn)資源開發(fā)造成農(nóng)田大面積受到重金屬污染。水稻是重金屬超標(biāo)最為嚴(yán)重的糧食作物之一，鎘、砷污染稻田是農(nóng)田重金屬污染治理的重點(diǎn)與難點(diǎn)[1]。種植低積累水稻品種已成為重金屬污染農(nóng)田安全利用的重要手段[2]。基于水稻基因型差異，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的重金屬低積累品種(系)的篩選工作。龔浩如等[3]通過盆栽試驗(yàn)從湘潭地區(qū)廣泛種植的82個(gè)早、晚稻品種中篩選出4個(gè)鎘低積累水稻品種；李貴松等[4]采用微區(qū)和小區(qū)試驗(yàn)分別比較了43個(gè)和6個(gè)水稻品種(系)對(duì)鎘累積的差異，篩選出2個(gè)適合浙江省種植的鎘低積累水稻品種；劉三雄等[5]通過3個(gè)不同污染程度的鎘污染稻田篩選出適合湖南省種植的鎘低積累品種及其不育系和恢復(fù)系；劉洋等[6]和方寶華等[7]創(chuàng)建了鎘低積累水稻品種的篩選、評(píng)價(jià)與鑒定方法；胡培松等[8]、尹宇杰等[9]則建立了低積累重金屬鎘水稻品種的選育方法。2014—2016年，湖南省開展了多年多點(diǎn)的鎘低積累水稻品種篩選，并發(fā)布了應(yīng)急性鎘低積累水稻品種推薦目錄[10]。也有部分學(xué)者基于鎘砷復(fù)合污染稻田研究了水稻鎘砷的累積規(guī)律，并開展了鎘砷低積累水稻品種的篩選[11-14]?？偟膩砜?，當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者主要側(cè)重于鎘低積累水稻品種的篩選及選育研究，但對(duì)砷低積累水稻品種的關(guān)注較少。

本研究在世界銀行貸款湖南省農(nóng)田污染綜合管理項(xiàng)目的支持下，基于項(xiàng)目區(qū)出現(xiàn)大量稻米砷超標(biāo)的現(xiàn)象，通過比較水稻砷累積的品種間差異，建立基于BCF(富集系數(shù))的砷低積累水稻品種篩選方法，篩選適合當(dāng)?shù)赝茝V種植的品種，為區(qū)域砷污染稻田的安全利用提供技術(shù)支撐，并為建立砷低積累水稻品種篩選評(píng)價(jià)方法提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及土壤

試驗(yàn)地點(diǎn)位于湖南省張家界市永定區(qū)。2019—2021年選址后坪街道大庸所村、崇文街道丁家莊村、尹家溪鎮(zhèn)西尹村的典型污染耕地進(jìn)行大田試驗(yàn)。試驗(yàn)地土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)地土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Soil physical and chemical properties in the experiment site

1.2 供試水稻品種及種植

2019年供試的水稻品種15個(gè)(P1～P15)，2020年15個(gè)(P16～P30)，2021年18個(gè)(P31～P48)。其中，年度間設(shè)置2個(gè)品種的驗(yàn)證試驗(yàn)，2019—2021連續(xù)3年種植的品種深兩優(yōu)5814(編號(hào)分別為P13、P27、P43)；2019和2020年連續(xù)2年種植的品種泰優(yōu)390(編號(hào)分別為P12和P16)；2019和2021年種植的品種隆兩優(yōu)華占(編號(hào)分別為P6和P37)、晶兩優(yōu)1212(編號(hào)分別為P10和P33)；2020和2021年種植的品種韻兩優(yōu)332(編號(hào)分別為P21和P39)、晶兩優(yōu)1468(編號(hào)分別為P24和P34)；供試水稻品種名稱見表2。

表2 2019—2021年供試水稻品種Table 2 Rice varieties from 2019 to 2021

5月上旬，根據(jù)氣候情況進(jìn)行育秧準(zhǔn)備，每個(gè)品種用網(wǎng)織袋單獨(dú)封裝，并用兩個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行品種標(biāo)識(shí)，一個(gè)內(nèi)置，一個(gè)外掛，采用常規(guī)方法進(jìn)行浸種催芽；同步準(zhǔn)備秧田，用育秧盤進(jìn)行育秧，每個(gè)品種10盤，每個(gè)品種間隔30 cm；秧田期水肥等田間管理。2019年5月7日播種，6月11日移栽；2020年5月10日播種，6月14日移栽；2021年5月4日播種，6月7日移栽。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，分小區(qū)進(jìn)行，每個(gè)品種3次重復(fù)，小區(qū)面積20 m2(5 m×4 m)，插秧密度為468株/小區(qū)(33.3 cm×12.8 cm)，小區(qū)間間隔0.8 m，無隔離田埂，以確保各小區(qū)水肥等一致。試驗(yàn)前先平整，確保試驗(yàn)田塊土壤理化性質(zhì)和土壤污染程度相對(duì)一致。本試驗(yàn)基肥皆施用復(fù)合肥(15∶15∶15)750 kg/hm2，插秧10 d后追施尿素150 kg/hm2。在80%以上的品種達(dá)到分蘗盛期開始曬田，曬田7 d，其余時(shí)間采用干濕交替的方式進(jìn)行水分管理；病蟲害防治及其它措施參照當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行。

1.4 測定項(xiàng)目與方法

試驗(yàn)前采集基礎(chǔ)土樣，分析土壤基本理化指標(biāo)；每個(gè)水稻品種成熟時(shí)，每小區(qū)按5點(diǎn)取樣法進(jìn)行水稻和土壤樣品取樣，每個(gè)點(diǎn)取水稻樣2株，并分別按照稻草和稻谷進(jìn)行分樣，烘干后稻草粉碎備用，稻谷則采用礱谷機(jī)去殼后，糙米粉碎備用。稻米和植株砷含量采用HNO3-H2O2(5∶2，V/V)微波消煮，樣品消煮完全后趕酸至近干，加少量稀硝酸溶液溶解后轉(zhuǎn)移定容待測；土壤總砷采用HNO3-HClO4-HF(5∶1∶2，V/V)消煮，樣品消煮完全后趕酸至近干，加少量稀硝酸溶液溶解后轉(zhuǎn)移定容；土壤有效態(tài)砷采用乙酸銨提取方法進(jìn)行，稱10.00 g土樣，加入1 mol/L的乙酸銨50 mL，25 ℃條件下180 r/min震蕩1 h后過濾，稀釋20～100倍后待用；所有樣品砷含量皆用儀器ICP-MS(iCap-Q，美國Thermo公司)進(jìn)行測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)用SPSS 17.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和方差分析。

根據(jù)收獲的成熟期稻米砷含量，與所對(duì)應(yīng)的生長土壤中總砷及有效態(tài)砷含量，計(jì)算稻米砷的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和富集系數(shù)。

稻米中砷的富集系數(shù)(BCFAs-T、BCFAs-A)的計(jì)算：

BCFAs-T=Crice/Csoil-T；BCFAs-A=Crice/Csoil-A

式中：Crice為糙米砷含量，單位mg/kg；Csoil-T為土壤總砷含量，單位mg/kg；Csoil-A為土壤有效態(tài)砷含量，單位mg/kg；

稻米中砷的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TFAs)的計(jì)算：

TFAs=Crice/Cstem

式中：Crice為糙米砷含量，單位mg/kg；Cstem為稻草砷含量，單位mg/kg。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同年份水稻品種稻米及莖葉的砷含量

測定2019—2021年不同水稻品種稻米及莖葉砷含量結(jié)果表明(表3～表5)，水稻稻米及莖葉砷含量均存在顯著的品種間和年份間差異。2019—2021年稻米砷含量變異系數(shù)分別為16.15%、19.36%、13.43%；砷平均含量分別為0.194±0.031、0.255±0.049、0.296±0.040 mg/kg，2020年和2021年稻米砷平均含量分別比2019年高31.4%(P<0.05)和52.6%(P<0.05)。莖葉砷含量變異系數(shù)分別為20.38%、20.98%、24.06%；砷平均含量分別為6.014±1.225、6.988±1.466、6.878±1.655 mg/kg，2020年和2021年的莖葉砷平均含量比2019年分別高16.2%和14.4%，差異不明顯。可見，同一年份內(nèi)不同水稻品種間稻米和莖葉砷含量差異顯著，且總體上表現(xiàn)為莖葉砷含量的變異度高于稻米；而不同年份間莖葉砷平均含量差異不明顯，且稻米砷平均含量的變化程度高于莖葉。

表3 2019年試驗(yàn)水稻品種砷含量及轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和富集系數(shù)Table 3 Arsenic content and transport coefficient and enrichment coefficient of experimental rice varieties in 2019

表4 2020年試驗(yàn)水稻品種砷含量及轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和富集系數(shù)Table 4 Arsenic content and transport coefficient and enrichment coefficient of experimental rice varieties in 2020

表5 2021年試驗(yàn)水稻品種砷含量及轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和富集系數(shù)Table 5 Arsenic content and transport coefficient and enrichment coefficient of experimental rice varieties in 2021

2.2 不同年份水稻品種的砷轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

2019—2021年不同水稻品種砷的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)結(jié)果(表3～表5)表明，水稻砷轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)存在顯著的品種間和年份間差異。2019—2021年砷轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)TFAs平均值分別為0.034±0.007、0.039±0.009、0.048±0.011，其變異系數(shù)分別為20.87%、22.66%和22.32%；2020年和2021年的砷平均轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)比2019年分別增加了14.7%和41.2%(P<0.05)，表明砷的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)品種間差異較大，也存在顯著的年份間差異。

2.3 不同年份水稻品種的砷富集系數(shù)

2019—2021年不同水稻品種砷的富集系數(shù)結(jié)果(表3～表5)表明，水稻砷富集系數(shù)BCFAs-T也存在顯著的品種間和年份間差異，而富集系數(shù)BCFAs-A僅存在顯著的品種間差異。2019—2021年砷平均富集系數(shù)BCFAs-T分別為0.010±0.002、0.019±0.004、0.022±0.003，2020年和2021年的砷平均富集系數(shù)BCFAs-T比2019年分別增加了90.0%(P<0.05)和120.0%(P<0.05)；砷平均富集系數(shù)BCFAs-A分別為1.900±0.031、1.906±0.369、1.872±0.251，2019—2021年BCFAs-A的差異皆不明顯。

2.4 砷低積累水稻品種篩選

對(duì)砷低積累水稻品種進(jìn)行評(píng)價(jià)可知，2019—2021年的稻米砷含量評(píng)價(jià)閾值分別為0.163、0.206、0.256 mg/kg，根據(jù)砷含量指標(biāo)進(jìn)行篩選，2019年的P5和P14、2020年的P21和P26、2021年的P35和P38為低砷品種；而計(jì)算2019—2021年砷富集系數(shù)BCFAs-T的評(píng)價(jià)閾值分別為0.009、0.016、0.019，砷富集系數(shù)BCFAs-A的評(píng)價(jià)閾值分別為1.593、1.537、1.621，根據(jù)該指標(biāo)，篩選出的品種同樣為2019年的P5和P14、2020年的P21和P26、2021年的P35和P38為低砷品種。

2019—2021年砷吸收積累特征。以稻米砷含量為評(píng)價(jià)指標(biāo)可知，2019—2021年稻米砷平均含量為0.251±0.058 mg/kg，其評(píng)價(jià)閾值為0.193 mg/kg，低砷品種為P2、P3、P5～P8、P10、P11、P13～P15和P21；以平均富集系數(shù)BCFAs-T為評(píng)價(jià)指標(biāo)可知，2019—2021年的砷富集系數(shù)BCFAs-T為0.017±0.006，其評(píng)價(jià)閾值為0.011，低砷品種為P1～P3、P5～P8、P10、P11、P13～P15；以平均富集系數(shù)BCFAs-A為評(píng)價(jià)指標(biāo)可知，2019—2021年的平均砷富集系數(shù)BCFAs-A為1.892±0.303，其評(píng)價(jià)閾值為1.589，低砷品種為P5、P14、P21、P24、P26、P28、P35和P38。

3 討 論

2019—2021年，本研究在同一地區(qū)的三個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的土壤氮磷鉀、有機(jī)質(zhì)等無顯著差異，但pH差異較大，其中崇文街道試點(diǎn)呈弱酸性，后坪街道試點(diǎn)接近中性，而尹家溪鎮(zhèn)試點(diǎn)則呈弱堿性。三個(gè)不同試點(diǎn)的砷污染特征也略有不同，后坪街道試點(diǎn)土壤總砷含量較高，但有效砷含量較低；崇文街道和尹家溪鎮(zhèn)兩試點(diǎn)的土壤總砷含量和有效砷含量差異不顯著。大量研究也表明，水稻砷吸收積累受環(huán)境、基因型及其互作影響明顯[15-17]。本研究從群體水平看，2019年稻米砷含量最低，2020年中等，2021年最高，而2019—2021年的秸稈砷含量年份間無顯著差異，表明稻米砷含量更容易受環(huán)境或氣候因子的影響，而莖葉砷含量更多的受基因型的調(diào)控；本研究結(jié)果還表明，同一品種稻米砷含量在不同年份間差異明顯，如深兩優(yōu)5814在2019—2021年的稻米砷含量分別為0.187 mg/kg(P13)、0.246 mg/kg(P27)、0.289 mg/kg(P43)，其他品種也表現(xiàn)出類似的特征，表明稻米砷的積累受環(huán)境影響明顯。王林友等[18]研究認(rèn)為，水稻對(duì)砷積累的基因型遠(yuǎn)沒有鎘鉛豐富，篩選到砷低積累水稻品種相對(duì)更難；柳賽花等[19]基于GGE雙標(biāo)圖和BLUP分析篩選鎘砷同步低累積水稻品種的研究表明，稻米砷含量差異主要受環(huán)境以及環(huán)境與品種互作的影響?？梢姡緦?duì)砷的吸收積累除受品種基因型差異的影響外，可能還受環(huán)境因子的影響。因此，選擇科學(xué)合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)，減少環(huán)境因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，更有利于客觀評(píng)價(jià)不同水稻品種的砷累積特征。

本研究采用平均值減去一倍標(biāo)準(zhǔn)偏差值作為低砷積累品種篩選評(píng)價(jià)閾值，是一種較為可靠的方法。本研究中，以稻米砷含量或富集系數(shù)(BCFAs-T、BCFAs-A)指標(biāo)按年度對(duì)供試品種進(jìn)行低砷積累品種篩選，結(jié)果分別為P5、P14、P21、P26、P35、P38；但以稻米砷含量為指標(biāo)對(duì)3年的試驗(yàn)品種進(jìn)行篩選，低砷積累品種為P2、P3、P5～P8、P10、P11、P13～P15和P21，與按年份篩選出的低砷品種差異極大；以富集系數(shù)BCFAs-T為指標(biāo)對(duì)3年的供試品種進(jìn)行篩選，低砷積累品種為P1～P3、P5～P8、P10、P11、P13～P15，與每年篩選出的低砷品種差異也極大；但以富集系數(shù)BCFAs-A為指標(biāo)對(duì)3年的供試品種進(jìn)行篩選，低砷積累品種為P5、P14、P21、P24、P26、P28、P35和P38，包含了按年份篩選出的低砷積累品種?？梢姡缘久咨楹亢屯寥烙行B(tài)砷計(jì)算不同水稻品種的富集系數(shù)，可有效降低環(huán)境因素引起的誤差，更適合作為篩選指標(biāo)。但由于土壤有效態(tài)砷含量的測定方法很多[20]，不同砷提取形態(tài)與砷活性及稻米砷積累存在較大差異[21]。因此，基于稻米砷累積與土壤砷活性的關(guān)聯(lián)，科學(xué)選擇合理的有效態(tài)砷提取方法，探明基因型與環(huán)境的互作關(guān)系，科學(xué)精準(zhǔn)地建立砷低積累品種篩選鑒定指標(biāo)及評(píng)價(jià)方法，可最大程度地降低環(huán)境因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，指導(dǎo)砷低積累水稻品種的篩選。

此外，本研究中的三個(gè)地點(diǎn)皆在張家界市永定區(qū)，年度間小氣候及土壤環(huán)境雖存在一定差異，但未經(jīng)過不同地區(qū)的區(qū)域大氣候環(huán)境差異的驗(yàn)證。因此，下一步還有待通過省內(nèi)或省級(jí)的不同水稻種植生態(tài)區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證低砷品種篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)及方法的可靠性和穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

(1)2019—2021年連續(xù)三年的砷低積累水稻品種篩選試驗(yàn)結(jié)果表明，水稻稻米及莖葉砷含量皆存在顯著的品種間和年份間差異；

(2)水稻砷轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和富集系數(shù)BCFAs-T(稻米砷含量/土壤總砷含量)皆存在顯著的品種間和年份間差異，而富集系數(shù)BCFAs-A(稻米砷含量/土壤有效態(tài)砷含量)僅存在顯著的品種間差異；

(3)富集系數(shù)BCFAs-A可作為砷低積累水稻品種的篩選指標(biāo)，能有效減少環(huán)境對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響；用該篩選指標(biāo)從供試品種中共篩選出P5、P14、P21、P24、P26、P28、P35和P38共8個(gè)砷低積累品種。