不同鎘耐性水稻品種資源的篩選

洪 涌, 林金綸, 鐘雪萌, 朱勝男, 王玉潔, 肖清鐵,2, 鄭新宇,2, 林瑞余,2

(1.福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，福建省農(nóng)業(yè)生態(tài)過程與安全監(jiān)控重點實驗室，福建 福州 350002；2.福建農(nóng)林大學(xué)作物生態(tài)與分子生理學(xué)福建省高校重點實驗室，福建 福州 350002)

水稻是我國最重要的糧食作物之一[1]，但鎘污染給稻米安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的威脅，防控稻米鎘污染成為當(dāng)前人們研究的熱點問題[2].不同水稻品種(系)的鎘吸收、積累能力存在顯著差異[3]，楊祥田等[4]研究了浙江省主栽的11個單季雜交晚稻和常規(guī)晚稻，結(jié)果表明糙米的鎘含量為：秈型雜交稻>粳型雜交稻>常規(guī)秈稻>常規(guī)粳稻.仲維功等[5]分析了43個水稻品種不同器官的鎘含量，發(fā)現(xiàn)鎘吸收能力高低為：常規(guī)秈稻>雜交秈稻>常規(guī)粳稻.He et al[6]的研究也表明秈稻的鎘積累能力顯著高于粳稻.龍小林等[7]通過研究鎘脅迫下秈稻和粳稻的鎘的吸收特性，認(rèn)為在輕、中度污染的地區(qū)，通過品種選育可以顯著降低水稻籽粒中的鎘含量.因此，篩選高鎘耐性、低鎘積累的水稻品種被認(rèn)為是解決稻米鎘污染問題的有效途徑之一[8-9].張錫州等[8]通過水培液加鎘法，根據(jù)耐性指數(shù)和鎘含量差異，經(jīng)聚類后篩選得到15個高鎘耐性的低鎘積累水稻種質(zhì)資源，包括“瀘恢 602”、“瀘恢 615”、“瀘恢 17”等13個恢復(fù)系和2個保持系“玉香 B”、“D62B”.滕振寧等[10]在2015年湖南省低鎘水稻篩選試驗的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過盆栽試驗，得到了低鎘積累性狀穩(wěn)定性較好的“兩優(yōu)早 17”和“株兩優(yōu) 706”.夏芳等[11]分析了輕、中、重度鎘脅迫下8個水稻品種(系)的萌發(fā)和生長性狀間的相關(guān)性，并通過聚類分析驗證了水稻萌發(fā)、生長與鎘耐性關(guān)聯(lián)性.孟桂元等[12]通過種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、發(fā)芽指數(shù)、脅迫指數(shù)等指標(biāo)，從26個水稻品種中篩選到強耐鎘性水稻Y兩優(yōu)1號和Q優(yōu)1127.孫亞莉等[13]根據(jù)不同鎘濃度處理下水稻種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、平均胚根長與胚芽長、幼苗鮮質(zhì)量與幼苗干質(zhì)量等指標(biāo)，從50個水稻品種中篩選出黃華占、復(fù)選201選、豐青矮選中粒等16個強耐鎘性的品種.這些為水稻鎘耐性及鎘污染防控研究提供了重要的種質(zhì)資源.種子萌發(fā)和幼苗生長期是植物生命周期的重要階段，也是對環(huán)境脅迫最敏感的時期[14]，所以種子萌發(fā)及苗期生長表現(xiàn)是評價作物抗逆性的重要指標(biāo)[15]；同時，水稻的鎘耐性在不同生育期內(nèi)表現(xiàn)出一致性[16].因此，水稻種子萌發(fā)期的鎘耐性可用于評價其生長全期的鎘耐性[13].為獲得我國南方主栽的不同鎘耐性水稻品種，本試驗收集了一批近年福建、廣東、浙江和廣西主栽的水稻種質(zhì)資源，并通過測定鎘污染下種子萌發(fā)及幼苗生長特性，綜合評價不同水稻品種的鎘耐性，以期為鎘污染下水稻安全生產(chǎn)提供種質(zhì)資源.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供初篩試驗的238份水稻材料為課題組采集的浙江、福建、廣東、廣西省近年的主栽品種，包括秈型常規(guī)稻28種、秈型雜交稻201種、粳型常規(guī)稻1種、粳型雜交稻4種、秈粳雜交稻4種；初篩得到的24份高低鎘耐性水稻品種用于復(fù)篩，其中高、低耐性各包括秈型常規(guī)稻2種、秈型雜交稻10種.

1.2 水稻鎘耐性的篩選

初篩試驗：選取籽粒飽滿的水稻種子，用0.5% NaClO溶液消毒20 min后，再用無菌水反復(fù)沖洗，置于蒸餾水中浸種60 min.種子定植于10孔×10孔海綿板上，然后放在36.5 cm×28.0 cm×5.0 cm的塑料盤中培養(yǎng).每盤分別加入2 L鎘濃度(以Cd2+計)為0(CK)、10、50 mg·L-1的溶液，置于培養(yǎng)室內(nèi)發(fā)芽，溫度設(shè)置為30 ℃，各處理10次重復(fù).萌發(fā)期間，每日定量補充對應(yīng)濃度的鎘溶液，使海綿保持濕潤，并觀察種子發(fā)芽情況.萌發(fā)4 d后，記錄發(fā)芽種子數(shù)，計算發(fā)芽勢(germination potential, GP)和相對發(fā)芽勢(relative germination potential, RGP)；萌發(fā)8 d后，測定種子發(fā)芽率(germination rate, GR)、發(fā)芽種子的胚根長度(radicle length, RL)、胚芽長度(germ length, GL)、幼苗鮮質(zhì)量(fresh weight, FW)和干質(zhì)量(dry weight, DW)，并計算種子活力指數(shù)(vigor index, VI)、發(fā)芽指數(shù)(germination index, GI).

復(fù)篩試驗：種子的消毒、浸種方法與初篩試驗相同，然后將水稻種子均勻擺放于鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿內(nèi)，每皿擺放種子20粒，分別加入5 mL鎘濃度為0、5、10、30、50 mg·L-1的溶液，置于30 ℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)，各處理3次重復(fù).萌發(fā)期間，每日補充1 mL相應(yīng)濃度的鎘溶液，使濾紙保持濕潤，并觀察種子發(fā)芽情況，相關(guān)指標(biāo)的測定方法與初篩試驗相同.

1.3 水稻鎘耐性評價

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與作圖，結(jié)果以均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示；采用IBM SPSS Statistics 21.0軟件進(jìn)行ANOVA和系統(tǒng)聚類分析，利用Duncan′s多重檢驗法進(jìn)行數(shù)據(jù)差異顯著性分析，P<0.05.聚類分析選擇的指標(biāo)包括：不同鎘濃度下的水稻種子萌發(fā)的相對指標(biāo)(RGP、RGR、RGI、RVI、RGL、RRL、RFW、RDW)及幼苗生長指標(biāo)(GP、GR、GI、VI、GL、RL、FW、DW).數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，采用Ward(離差平方和法)和Euclidean距離進(jìn)行系統(tǒng)聚類.

2 結(jié)果與分析

2.1 幼苗生長對鎘處理的響應(yīng)

不同品種水稻種子的GR、GP、GI、DW平均值隨著鎘處理濃度升高呈先升后降的趨勢，VI、RL、GL、FW平均值隨鎘處理濃度的升高而下降.10 mg·L-1鎘處理水稻的GR、GP、GI、FW、DW與對照無顯著差異，但VI、RL、GL顯著低于對照組；50 mg·L-1鎘處理水稻種子的各發(fā)芽指標(biāo)均顯著低于對照(表1).說明不同品種水稻在種子萌發(fā)階段均具有一定的鎘耐性，但萌發(fā)種子的活力、生長發(fā)育明顯受到鎘污染抑制，高濃度的鎘污染可顯著抑制水稻的萌發(fā)與生長發(fā)育.

表1 不同濃度鎘處理對不同水稻種子萌發(fā)及幼苗生長的影響1)Table 1 Effect of different levels of Cd stress on seed germination and seedling growth of different rice varieties

2.2 發(fā)芽指標(biāo)對鎘處理的響應(yīng)

不同水稻品種的RGR、RGP、RGI、RFW、RDW均隨著鎘處理濃度的升高呈先升后降的趨勢，RVI、RRL、RGL均隨鎘處理濃度升高顯著下降.10 mg·L-1鎘處理水稻的RGR、RGP、RGI、RFW均顯著高于對照，RDW與對照組無顯著差異，但RVI、RRL、RGL均顯著低于對照；50 mg·L-1鎘處理水稻的各項相對發(fā)芽指標(biāo)均顯著低于對照(表2).說明水稻種子發(fā)芽能力在低濃度鎘污染下有所提高，但活力顯著降低，生長發(fā)育受到顯著抑制，高濃度鎘污染顯著抑制水稻的萌發(fā)及生長發(fā)育.

表2 不同濃度鎘處理對不同水稻種子相對發(fā)芽指標(biāo)的影響1)Table 2 Effect of different levels of Cd stress on relative germination indexes of different rice varieties

2.3 不同品種水稻鎘耐性聚類分析

在剔除對照處理的發(fā)芽率低于80%水稻品種后，得到發(fā)芽率較高的水稻品種198個.系統(tǒng)聚類分析表明，以Euclidean距離12.5為基準(zhǔn)，可將198個受測水稻品種分為3類：第Ⅰ類包含43個水稻品種，第Ⅱ類包含88個水稻品種，第Ⅲ類包含67個水稻品種(表3).

3類水稻在不同鎘濃度處理下表現(xiàn)出鎘耐性的差異(表4).在10 mg·L-1鎘污染下，3類水稻的RGP和RGI均表現(xiàn)出顯著差異，各發(fā)芽指標(biāo)相對值均表現(xiàn)為第Ⅱ類>第Ⅲ類>第Ⅰ類；在50 mg·L-1鎘污染下，各發(fā)芽指標(biāo)相對值均表現(xiàn)為第Ⅰ類>第Ⅱ類>第Ⅲ類.結(jié)果表明，不同水稻品種的鎘耐性為：第Ⅰ類>第Ⅱ類>第Ⅲ類.

2.4 高、低鎘耐性水稻品種復(fù)篩結(jié)果

根據(jù)初篩得到的43個鎘高耐性和67個鎘低耐性水稻品種，兼顧常規(guī)稻和雜交稻品種，遴選出高、低鎘耐性水稻各12份進(jìn)行復(fù)篩試驗，1～12號為高鎘耐性水稻、13～24號為低鎘耐性水稻(表5).

表3 水稻鎘耐性初篩聚類結(jié)果Table 3 Hierarchical cluster analysis on rice Cd tolerance

表4 不同濃度鎘處理下不同類別水稻鎘耐性比較1)Table 4 Comparison on Cd tolerance of rice varieties under different levels of Cd stress

表5 24個復(fù)篩水稻品種信息Table 5 Information on rice varieties underwent secondary screen

鎘濃度0～10 mg·L-1時，不同水稻種子的GR、GP隨著處理濃度的升高先降低后升高，在10～50 mg·L-1時隨著鎘處理濃度升高逐漸下降；GI、VI、GL、FW、DW隨著鎘處理濃度的升高先升高后降低，RL隨著鎘處理濃度升高逐漸下降(表6).說明鎘對不同水稻種子萌發(fā)和生長的抑制效應(yīng)隨鎘處理濃度升高而增強.

表6 不同濃度鎘處理對復(fù)篩水稻種子發(fā)芽指標(biāo)的影響1)Table 6 Effect of different levels of Cd stress on germination indexes of rice varieties underwent secondary screen

當(dāng)鎘濃度為0～50 mg·L-1時，不同耐性水稻RGR、RRL、RDW隨處理濃度升高而降低；0～10 mg·L-1鎘處理下RGP與對照無顯著差異，30、50 mg·L-1鎘處理下隨濃度升高而降低；RVI在0～30 mg·L-1鎘處理下與對照無顯著差異，50 mg·L-1鎘處理顯著低于對照.當(dāng)鎘濃度為0～50 mg·L-1時，RGI、RFW隨處理濃度升高先升高后降低，RGL隨處理濃度升高而升高(表7).

表7 不同濃度鎘處理對復(fù)篩水稻種子相對發(fā)芽指標(biāo)的影響1)Table 7 Effect of different levels of Cd stress on relative germination indexes of rice varieties underwent secondary screen

橫坐標(biāo)表示特征向量之間的距離(把類間距離最小的兩類合并成一個新類，計算此類與其他類的距離，再將距離近的兩類合并,每次減少一類，直至所有的模式數(shù)據(jù)合并成一類).圖1 不同水稻品種鎘耐性的聚類圖Fig.1 Clustergram of rice varieties with different Cd tolerance

聚類分析結(jié)果表明(圖1)，以Euclidean距離24.0為基準(zhǔn)，可將復(fù)篩的水稻品種分為2類.第Ⅰ類包含16個水稻品種，福龍兩優(yōu)1031、谷優(yōu)676、廣8優(yōu)169、廣8優(yōu)199、廣8優(yōu)673、廣8優(yōu)金占、隆兩優(yōu)1988、中組四號、T兩優(yōu)明占、Y兩優(yōu)837、百香139、豐田優(yōu)553、廣8優(yōu)165、過山香、兩優(yōu)688、隆兩優(yōu)1377.第Ⅱ類包含8個水稻品種，金絲軟占、宜優(yōu)673、福龍優(yōu)兩優(yōu)6387、特優(yōu)671、Y兩優(yōu)5866、兆優(yōu)5431、谷優(yōu)2736、隆兩優(yōu)866.

根據(jù)兩類水稻的鎘耐性評價指標(biāo)得出(表8)，在鎘濃度為10 mg·L-1時，兩類水稻的RVI、RDW存在顯著差異，表現(xiàn)為第Ⅱ類>第Ⅰ類；鎘濃度為50 mg·L-1時，RGP、RGR、RGI和RDW表現(xiàn)出顯著差異，表現(xiàn)為第Ⅱ類>第Ⅰ類.總體上第Ⅰ類對鎘脅迫敏感，第Ⅱ類表現(xiàn)出較高的鎘耐性.

3 討論與結(jié)論

3.1 鎘脅迫對水稻種子萌發(fā)及幼苗生長的抑制

種子萌發(fā)是植物生命進(jìn)程的起點，也是感受鎘污染脅迫的起始階段[18]，水稻過多地吸收和積累鎘可導(dǎo)致其幼苗代謝紊亂，淀粉酶活性、根尖細(xì)胞有絲分裂等受抑制[14]，鎘脅迫可通過氧化脅迫抑制水稻發(fā)芽過程[19].研究結(jié)果表明，10、50 mg·L-1鎘處理均抑制了水稻的種子萌發(fā)、胚根及胚芽的生長，抑制作用隨鎘濃度上升而加強，表現(xiàn)出水稻鎘毒害的劑量效應(yīng).鎘污染對水稻種子萌發(fā)、幼苗發(fā)育均表現(xiàn)出顯著的毒害作用，以幼苗根長生長對鎘脅迫最敏感，受抑制程度最大，發(fā)芽勢、發(fā)芽率受鎘脅迫的影響程度相對較小，這與楊明等[20]的研究結(jié)果一致.本試驗選用的水稻種質(zhì)來自我國南方多個區(qū)域，分布廣泛，鎘污染對水稻種子萌發(fā)及幼苗生長具有普遍抑制作用，也佐證了鎘污染對水稻生長的危害.

表8 水稻鎘耐性比較Table 8 Comparison on Cd tolerance of different rice varieties

3.2 水稻品種間表現(xiàn)出鎘耐性多樣性

水稻不同品種及不同亞種間均存在鎘吸收、轉(zhuǎn)運與積累能力的差異[21].因此，不同品種水稻鎘耐性不盡相同[22].初篩結(jié)果顯示，不同水稻品種表現(xiàn)出鎘耐性多樣性，其中秈稻品種的鎘耐性多樣性比較豐富，可大致分為鎘高耐性、鎘常規(guī)耐性、鎘低耐性.本試驗所用的材料源于浙江、福建、廣東、廣西, 主栽品種以秈稻為主，粳稻、秈粳雜交稻相對較少，故未發(fā)現(xiàn)粳稻品種間的鎘耐性多樣性，難以評估秈、粳稻之間的鎘耐性差異；秈稻資源豐富多樣，包括多種常規(guī)稻與雜交稻，結(jié)果驗證了秈稻品種間耐鎘性狀的多樣性，與趙均良等[23]的研究結(jié)果一致.復(fù)篩結(jié)果進(jìn)一步驗證了秈稻品種間的鎘耐性多樣性，發(fā)現(xiàn)雜交秈稻與常規(guī)秈稻鎘耐性無顯著差異，與Yao et al[24]的研究結(jié)果一致.雜交稻存在雜種優(yōu)勢，通常具有更高的產(chǎn)量和更強生態(tài)適應(yīng)性[25]，但水稻耐鎘表現(xiàn)通常是基因型與環(huán)境互作的結(jié)果，而不是決定于雜交品種類型[26].因此，水稻品種間存在鎘耐性的多樣性，雜交稻與常規(guī)稻均可能具有較好的耐鎘性狀.在初篩與復(fù)篩試驗中常規(guī)稻的鎘耐性未發(fā)生明顯的變化，部分雜交稻品種的鎘耐性的表現(xiàn)并不一致.這一方面可能與雜交稻自身的遺傳特性相關(guān)[27]；另一方面可能與2次篩選試驗在篩選方法、鎘處理濃度梯度等存在差異有關(guān)[28-30].可見，采用不同篩選方法得到的水稻鎘耐性結(jié)果總體上比較一致，但因不同水稻品種對鎘污染的敏感性不同，選擇合理的鎘處理濃度對區(qū)分水稻的鎘耐性至關(guān)重要.

3.3 獲得了鎘耐性穩(wěn)定的水稻種質(zhì)資源

我國耕地的點位鎘污染超標(biāo)率達(dá)7.0%，水稻安全生產(chǎn)問題引起了人們的高度重視[31]，篩選、培育鎘低積累水稻品種，以及鎘低積累水稻的分子育種對降低稻米鎘污染危害具有重要意義[32].同時，水稻的鎘吸收、轉(zhuǎn)運和積累能力與其鎘耐性直接相關(guān)[33]，鎘耐性的高低也體現(xiàn)在對鎘污染的適應(yīng)性強弱上.本試驗中，金絲軟占、宜優(yōu)673、福龍優(yōu)兩優(yōu)6387及特優(yōu)671在初篩與復(fù)篩試驗中均表現(xiàn)出較高鎘耐性；而T兩優(yōu)明占、Y兩優(yōu)837、百香139、豐田優(yōu)553、廣8優(yōu)165、過山香、兩優(yōu)688及隆兩優(yōu)1377在初篩與復(fù)篩試驗中均表現(xiàn)出較低的鎘耐性.這些耐鎘性狀表達(dá)較為穩(wěn)定的品種均屬秈稻，包括雜交稻與常規(guī)稻，可為研究秈稻鎘積累特性和培育鎘安全水稻品種提供材料，具有一定的研究開發(fā)前景，將為水稻鎘污染適應(yīng)性、水稻抗鎘污染機制研究及鎘低積累水稻分子育種提供重要資源[34].