不同亞種間水稻糙米鎘含量及微量元素的差異分析

于江輝，翁綠水，宋嘉俊, 2，劉騰飛，蔣顯斌

(1.中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所/亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，長沙 410125；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙 410128；3.廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所/廣西水稻遺傳育種重點實驗室，南寧 530007)

【研究意義】水稻(OryzasativaL.)是世界上重要的糧食作物，全球近半數(shù)人口以稻米為主食，我國以大米為主食的人口在60%以上，且種植區(qū)域非常廣泛。但由于工業(yè)“三廢”排放及污水灌溉，化肥和農(nóng)藥的不合理使用等，導(dǎo)致土壤中重金屬鎘(Cd)含量急劇增加，在一定程度上影響水稻的質(zhì)量安全[1-2]。為避免水稻中Cd積累過量，科學(xué)家提出并研究了一些降低水稻籽粒Cd積累的技術(shù)措施，主要概括為利用化學(xué)或生物學(xué)方法阻礙稻田中的Cd通過根系進入植物體內(nèi)，或適當(dāng)?shù)霓r(nóng)藝措施與耕作制度相結(jié)合進而減少Cd在水稻植株內(nèi)的積累，有關(guān)研究表明以上方法雖有修復(fù)效果，但存在工程量大、成本高、易二次污染、修復(fù)周期長及效果緩慢等局限性[6]。因此，培育Cd低積累水稻品種被認(rèn)為是最經(jīng)濟有效的調(diào)控措施[7-8]，對人體健康、食品安全、糧食穩(wěn)產(chǎn)和環(huán)境保護等具有重要意義。此外，人體正常生理代謝需要約49種以上微量元素，任何元素的缺乏都可能不利于人體健康，其中微量元素Fe可防止貧血癥，微量元素Zn可提高免疫力。研究表明全世界有30%以上的人群由于缺Fe或Zn而造成了“隱形饑餓”，同時經(jīng)受著因微量元素缺乏導(dǎo)致的各種疾病的困擾[9-10]。為此，降低主糧作物的Cd含量和提高微量元素Fe、Zn含量具有重要的意義?！厩叭搜芯窟M展】近年來，就耐鎘水稻種質(zhì)資源的篩選及耐Cd品種的培育，科研人員進行了大量研究，并指出籽粒Cd含量在不同的亞種間、品種間有很大的差異[11-17]。Liu等[11]研究認(rèn)為，秈稻和秈型雜交稻的糙米Cd含量顯著高于粳稻和粳型雜交稻。曾翔等[12]以盆栽的方式對130份水稻品系的糙米Cd含量研究表明，特種稻>常規(guī)早稻>三系晚稻>兩系晚稻>常規(guī)晚稻>常規(guī)粳稻>爪哇稻。黃春艷等[13]在高Cd試驗田中鑒定603份水稻品系的糙米Cd含量，發(fā)現(xiàn)常規(guī)秈稻>常規(guī)粳稻，兩系雜交稻>三系雜交稻，雜交晚稻>雜交中稻>雜交早稻。Sun等[14]通過對617份水稻品種糙米Cd含量進行分析，研究也認(rèn)為秈稻糙米Cd含量顯著高于粳稻，秈型雜交稻的糙米Cd含量總體不高于秈型常規(guī)稻。研究表明Zn2+、Mn2+、Cu2+、Fe2+、Ni2+以輔因子的形式參與植物的光合作用、呼吸作用及氧化還原作用的相關(guān)蛋白質(zhì)或酶的構(gòu)建中，這些離子的功能涉及植物生理的眾多方面[18-19]。而Cd是一種非必須有毒重金屬元素，水稻植株或籽粒吸收和轉(zhuǎn)運Cd需借助必需微量金屬元素的離子通道，特別是由于Zn2+、Mn2+、Fe2+等二價陽離子與Cd2+具有相同的核外電子構(gòu)型，而且這些金屬轉(zhuǎn)運蛋白與對應(yīng)金屬離子結(jié)合特異性較低。因此，Cd2+能通過占用Zn2+、Fe2+、Mn2+等植物生長必需元素的離子通道進入植物體內(nèi)，從而導(dǎo)致植物體Cd含量的升高[20-21]。研究指出Zn2+和Cd2+同時存在拮抗和協(xié)同吸收作用機制，主要與土壤中對應(yīng)離子的形態(tài)及含量有關(guān)[22-23]。張標(biāo)金等[24]進一步研究指出，Mn促進Cd在水稻地上部分積累，且Cd、Mn互作與離子濃度及不同的水稻品系有關(guān)。而Sebastina等[25]報道，增加Fe、Mn含量可以降低水稻根系Cd積累量，表明Fe、Mn與Cd的吸收和積累存在拮抗作用。李嬌等[26]利用水培試驗也表明，增加Zn的供應(yīng)導(dǎo)致水稻根系Cd含量顯著降低，而莖Cd含量及轉(zhuǎn)運系數(shù)大幅度顯著提高?！颈狙芯壳腥朦c】國內(nèi)外學(xué)者對水稻耐Cd特性研究主要集中在不同水稻品種的差異上，或不同亞種間、雜交稻間稻米Cd含量的差異分析上，以及不同微量元素和Cd的吸收協(xié)同或拮抗作用的研究。但就通過不同亞種間雜交創(chuàng)制的水稻品系(如粳型、秈型、爪型、秈粳型、秈爪型)Cd積累差異比較、Cd與微量元素之間、微量元素相互之間關(guān)系的研究鮮見報道。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究以粳型、秈型、爪型、秈粳型、秈爪型共77份耐Cd水稻品系為材料，在Cd重度污染區(qū)全生育期種植，成熟期測定不同類型供試品系糙米Cd、Zn、Mn、Cu和Fe元素含量，旨在分析不同類型亞種、亞種間雜交改造耐鎘品系對Cd的累積特性，進一步分析5種類型水稻Cd含量和微量元素的關(guān)系及微量元素間的差異等，為高Fe、Zn且低Cd水稻品系的選育提供參考及種質(zhì)資源。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試品系為中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所水稻分子生態(tài)育種課題組通過雜交、回交、復(fù)交等常規(guī)育種方法選育的高世代穩(wěn)定秈型品系24份、秈粳型品系7份、秈爪型品系13份；引進秈型品系1份‘浙農(nóng)986’，引進粳型品系8份，引進爪型品系24份。上述77份品系為2015—2019年以低Cd鄰近品系‘湘晚秈12號’為對照篩選出的相對耐鎘水稻品種/品系(表1)。

表1 不同耐鎘品系的糙米鎘含量

1.2 試驗方法

供試品系于2020年種植在中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所北山試驗站(107°30′E，31°47′N)，所有品系5月30日播種，秧齡25 d移栽，每品系種植2行，每行10兜，單本移栽，株行距分別為17和20 cm。采用常規(guī)栽培方法進行田間管理。

試驗前取試驗區(qū)域距表層土20 cm的樣品采用王水消化-ICP檢測法進行土壤全Cd含量鑒定，采用二乙基三胺五乙酸(DPTA)萃取-ICP檢測法進行土壤有效Cd鑒定。經(jīng)檢測土壤全Cd含量0.97 mg/kg，是土壤Cd含量最大允許值(0.3 mg/kg)的3.23倍[27]，土壤有效Cd含量0.58 mg/kg，為重度鎘污染區(qū)。其他理化指標(biāo)：pH 5.3，有機質(zhì)35.5 g/kg，陽離子交換量7.32 cmol/kg，氮含量1.55 g/kg，磷含量0.72 g/kg，鉀含量13.7 g/kg。

供試耐Cd品系成熟后，每品種/品系隨機取8～10個單株主穗混合收種，曬干、脫粒、去穎殼，之后60 ℃將糙米烘干、磨樣，每品系用電子天平稱2 g樣本，用硝酸-高氯酸(v∶v= 5∶1)的混合酸進行消化。具體操作為：消化起始溫度設(shè)置為80 ℃，每穩(wěn)定30 min后依次升溫至120、160、220 ℃。在此過程中樣品由紅棕色逐漸轉(zhuǎn)化為無色透明態(tài)即為消化完全，繼續(xù)升溫至260 ℃待三角瓶內(nèi)樣品逐步呈“煙霧態(tài)”后，打開彎柄漏斗趕酸，當(dāng)三角瓶中液體酸基本蒸發(fā)并析出白色或淡黃色晶體為止。隨后用1%的稀硝酸溶液溶解析出的晶體，且轉(zhuǎn)移至比色管中定容至10 mL，過濾后將待測樣品由電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(Inductively coupled plasma optical emission spectrometer，ICPOES，Agilent technologies 700 Series，USA)檢測糙米重金屬元素Cd和微量元素Zn、Mn、Cu、Fe含量，取樣和測量重復(fù)3次。

1.3 數(shù)據(jù)分析

不同類型耐鎘品系糙米的Cd、Zn、Mn、Cu、Fe數(shù)據(jù)利用Microsoft Excel 2019進行常規(guī)統(tǒng)計；采用DPS 15.10軟件對不同試驗品系Cd和微量元素含量均值和標(biāo)準(zhǔn)差進行分析，隨后計算變異系數(shù)，變異系數(shù)(CV/%)=標(biāo)準(zhǔn)差/平均值×100%，同時，對不同類型水稻品系金屬元素含量進行多重比較和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同亞種、亞種間改良系耐鎘品系糙米Cd含量的差異分析

2.1.1 不同亞種、亞種間改良系Cd含量的分布 2015—2019年，以‘湘晚秈12號’為低Cd對照，將課題組粳型品系56份、秈型品系626份、爪型品系148份、秈粳型品系46份、秈爪型品系334份、粳爪型品系13份在重度Cd污染區(qū)進行耐鎘品系篩選，經(jīng)過5年時間篩選得到耐鎘粳型品系8份，占參試粳型品系的14.28%；秈型耐鎘品系25份，占秈型品系的3.99%；爪型耐鎘品系24份，占爪型品系的1.62%；秈粳型耐鎘品系7份，占秈粳型品系的15.22%；秈爪型耐鎘品系13份，占秈爪型品系的3.38%，而粳爪型沒有篩選到耐鎘品系。因此，秈粳型和粳型耐鎘品系篩選比例較高，粳爪型耐Cd品系篩選比例最低，其次為爪型品系。同時將篩選到的77份耐鎘品系于2020年進行糙米Cd含量分析。由圖1可知，所有品系的糙米Cd含量在0.35～0.87 mg/kg(對照‘湘晚秈12號’為0.8803 mg/kg)，平均Cd含量為0.7245 mg/kg，較對照降低17.7%。根據(jù)糙米Cd含量將所有品系分為6個區(qū)段，隨著Cd含量范圍的提高，對應(yīng)的水稻品系數(shù)量也逐漸增多，所占比例依次為1.3%、6.5%、11.7%、19.5%、27.3%、33.7.%。當(dāng)0.3

圖1 不同類型耐鎘品系糙米Cd積累的分布

2.1.2 不同亞種、亞種間改良系Cd含量的分析 前人對不同亞種間水稻進行Cd脅迫研究分析認(rèn)為糙米Cd含量為秈稻>粳稻>爪哇稻[11-12, 14]，據(jù)此推測不同亞種間雜交改良后代糙米Cd含量應(yīng)為秈粳交>秈爪交。本研究對5種亞種、亞種間改良系耐鎘水稻品系平均糙米Cd含量分析結(jié)果為秈粳型>秈爪型>秈型>粳型>爪型(表2)，同前人的研究及推測相印證。同一類型的耐鎘品系糙米平均Cd含量間亦有差異，其中變異系數(shù)最大的為秈型，其次為爪型，而粳型和秈爪型差異不明顯，變異系數(shù)不大，介于11.59%～20.03%；秈型、爪型、秈爪型Cd含量極大值較接近，而鎘含量極大值最小的為秈粳型品系，最大的為秈型品系；Cd含量極小值間存在明顯差異，最低的為秈型品系，最高的為秈粳型品系。因此，雖然本研究表明糙米平均Cd含量秈粳型最高、爪型最低，但并不代表單個Cd含量最高品系為秈粳型，或單個Cd含量最低品系為爪型，即同一亞種或亞種間改良系不同品系間有較大差異。

表2 不同類型水稻糙米Cd含量的比較

2.1.3 不同亞種、亞種間改良系和生育期的關(guān)系 水稻的生育期越長，其產(chǎn)量會相對較高，同時吸收并積累到植株自身的Cd會相對較多，因此人們憑直覺認(rèn)為，稻米Cd積累與生育期及產(chǎn)量成正比[28]。本研究對77份耐鎘品系的糙米Cd含量和生育期相關(guān)分析表明，稻米Cd積累與生育期間無顯著相關(guān)性(R=0.149，P=0.2476)，而就5種類型耐鎘水稻單獨分析時，粳型、爪型糙米Cd含量與生育期間為差異極顯著正相關(guān)(P<0.01，下同)，表明粳型、爪型品系生育期延長會增加糙米Cd的積累，因此，粳型、爪型耐鎘品系選育時應(yīng)選取生育期短的材料；而秈型、秈粳型、秈爪型糙米Cd含量與生育期間無差異顯著相關(guān)性(P>0.05，下同)，表明這3種類型品系糙米Cd含量不受生育期的影響。因此，其耐鎘品系的選育不用考慮生育期。而且本研究表明不同類型的耐鎘品系生育期之間有較大差異，其中爪型、秈爪型品系的生育期之間差異顯著(P<0.05，下同)，而其他類型品系間生育期差異不顯著。爪型品系的平均生育期最長，但變異系數(shù)較小，表明生育期較集中，熟期類型較一致；秈爪型品系的生育期平均最短，但變異系數(shù)最大，表明本研究的秈爪型品系熟期類型不同；粳型、秈粳型品系生育期較集中、變異系數(shù)小、熟期較一致；秈型品系生育期變異系數(shù)較大，表明熟期類型不同(表3)。

表3 不同類型耐鎘品系的生育期差異及生育期與糙米鎘含量的相關(guān)性

2.2 不同亞種、亞種改良系微量元素的分析

2.2.1 不同亞種、亞種改良系Cd含量和微量元素的關(guān)系 由表4可知，粳型水稻糙米Cd含量與Zn、Cu分別為差異極顯著正相關(guān)，表明粳型低Cd品系糙米Zn、Cu含量較低，而與Mn、Fe含量無差異顯著相關(guān)性；秈型水稻糙米Cd含量與Mn、Cu、Fe均為差異顯著正相關(guān)，與Zn含量為差異顯著負(fù)相關(guān)，說明秈型低Cd品系Mn、Cu、Fe含量較低，Zn含量較高；爪型水稻糙米Cd含量與Zn、Cu分別為差異極顯著、顯著正相關(guān)，與Mn、Fe含量無差異顯著相關(guān)性，表明爪型耐Cd品系糙米Cd、Zn、Cu含量協(xié)同降低；秈粳型水稻糙米Cd與Mn含量為差異顯著正相關(guān)，與其他元素間無顯著差異，表明秈粳型耐Cd品系Mn較低；秈爪型水稻糙米Cd與Zn、Mn、Cu、Fe 4種主要微量元素含量無差異顯著，表明秈爪型耐鎘品系糙米4種微量元素含量與Cd積累無關(guān)。綜上所述，高營養(yǎng)(高Fe、Zn)且低Cd水稻品系以秈爪型最理想，因為秈爪型耐Cd品系糙米中4種主要微量元素含量不受Cd積累量的影響。

2.2.2 不同亞種、亞種改良系微量元素的差異 進一步研究表明，Zn、Mn、Cu、Fe 4種微量元素含量在不同亞種、亞種改良系間的耐Cd水稻中有較大差異。由圖2可知，秈型水稻糙米Zn含量極顯著低于其余4種類型，且其他4種類型品系間差異不顯著，但爪型Zn含量最高，粳型次之，秈型Zn含量最低，Zn含量最高的爪型雜交創(chuàng)制而成的秈爪型Zn含量介于秈型和爪型之間，秈粳型水稻Zn含量介于秈型和粳型之間；粳型Mn含量極顯著高于秈型、秈粳型、秈爪型，高于爪型，但差異不顯著，秈粳型Mn含量最低，而且秈粳型、秈爪型Mn含量均低于其雙親類型(粳型、秈型、爪型)；秈型糙米Cu含量極顯著高于其他4種類型，其他4種類型水稻Cu含量接近且無顯著相關(guān)性，以Cu含量較高的秈型雜交創(chuàng)制而成的秈粳型、秈爪型水稻糙米Cu含量并未大幅度提高，而是與粳型、爪型較接近；糙米Fe含量最高的為爪型，且與秈粳型、秈爪型差異極顯著，與粳型、秈型差異顯著，秈粳型、秈爪型Fe含量均低于雙親類型。綜上所述，與稻米高營養(yǎng)相關(guān)的微量元素Fe、Zn在5種耐鎘類型品系中，以粳型、爪型品系較高，秈粳型、秈爪型次之，而秈型品系的Zn含量極低，營養(yǎng)價值不高。

同一圖中不同大、小寫字母分別表示在0.01和0.05的顯著性水平。

2.2.3 不同亞種、亞種改良系微量元素間的相關(guān)性分析 由表5可知，粳型耐鎘品系Cu與Zn之間R為差異極顯著正相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)較高(r=0.8826)，表明粳型耐鎘品系Zn和Cu的吸收具有協(xié)同作用，而其他元素間無顯著相關(guān)性；秈型耐鎘品系Zn與Cu、Fe之間為差異極顯著負(fù)相關(guān)，Cu、Mn、Fe之間互為差異顯著正相關(guān)，表明Zn與Cu、Fe的吸收為拮抗作用，而Cu、Fe、Mn的吸收互為協(xié)同作用；爪型耐鎘品系Fe和Mn之間為差異顯著正相關(guān)，即為協(xié)同作用，其他元素間無差異顯著相關(guān)性；秈粳型耐鎘品系除Cu、Fe間無顯著相關(guān)性外，Zn、Mn、Cu、Fe間互為差異極顯著正相關(guān)，均為協(xié)同作用，微量元素間含量較易調(diào)控；秈爪型耐鎘品系Zn、Mn、Cu、Fe之間為差異極顯著正相關(guān)，4種元素間互為協(xié)同作用，其中Fe與Zn之間相關(guān)系數(shù)最高，因此秈爪型品系低Cd高Fe、Zn型營養(yǎng)水稻品系最易培育。以上研究表明，不同類型耐鎘品系4種微量元素間的協(xié)同或拮抗作用不同，與不同亞種或亞種間互作的遺傳基礎(chǔ)關(guān)系密切。

表5 不同類型耐鎘品系Zn、Mn、Cu、Fe之間的相關(guān)性分析

3 討 論

Sun等[14]利用全生育期干濕交替的方法鑒定出617份水稻品種稻米Cd積累與生育期的關(guān)系，結(jié)果表明稻米Cd積累與生育期相關(guān)系數(shù)較低。研究發(fā)現(xiàn)，水稻低Cd基因與生育期基因存在連鎖累贅現(xiàn)象，稻米Cd積累和生育期都是有多基因控制的數(shù)量性狀，個別基因的連鎖并不代表二者的性狀一定存在相關(guān)性，而且生育期相同的品種，稻米Cd積累量也有較大差別[28]。而Duan等[29]采用常規(guī)的水分管理模式對471份水稻品種的稻米Cd積累與生育期的關(guān)系進行鑒定，結(jié)果表明稻米Cd積累量與生育期為顯著正相關(guān)。本研究通過對粳型、秈型、爪型、秈粳型、秈爪型5種類型的常規(guī)稻籽粒Cd含量和生育期的分析，結(jié)果表明在77份耐鎘品系不分類型的情況下，糙米Cd含量和生育期間無顯著相關(guān)性，印證前人的研究結(jié)果[14, 28]。而對不同類型的耐鎘品系進行分析，粳型、爪型品系糙米Cd含量和生育期間為差異極顯著正相關(guān)，秈型、秈粳型、秈爪型品系糙米Cd含量和生育期間無差異顯著相關(guān)性?？梢?，生育期對秈型或具有秈型遺傳背景的材料糙米Cd含量影響較小。由于水稻不同亞種間基因型的差異，導(dǎo)致Cd積累在不同亞種間有較大的差異，糙米Cd含量為秈稻>粳稻>爪哇稻[11-12, 14]，而且本研究對不同類型的耐鎘品系生育期的分析表明粳稻<秈稻<爪哇稻。因此，由于不同亞種間品系Cd含量及生育期的差異，導(dǎo)致5種類型品系籽粒Cd含量和生育期呈現(xiàn)出不同的相關(guān)關(guān)系。

Tan等[30]對575份水稻品系的11種礦質(zhì)元素研究發(fā)現(xiàn)糙米Cd含量與Zn、Mn、Cu、Fe含量呈顯著負(fù)相關(guān)。Pinto等[31]研究表明微量元素Mn和Zn主要通過拮抗作用來抑制Cd從營養(yǎng)器官向稻米的轉(zhuǎn)移。這些研究表明Cd和二價金屬離子間存在競爭關(guān)系和拮抗作用[20-21]。而Sun等[14]研究認(rèn)為，鎘污染稻田籽粒Cd含量與Cu、Fe、Mg、Mn、Ni、Pb、Zn等金屬元素含量無顯著相關(guān)性?？梢?，由于不同的試驗條件和不同的供試水稻材料，對Cd和二價金屬離子間的關(guān)系得出不同的試驗結(jié)果。而且前人對試驗材料沒有精準(zhǔn)分型，主要集中在不同品種Cd和金屬元素間關(guān)系的分析。本研究表明不同類型品系間由于基因型的不同對Cd和微量元素的吸收有較大差異，其中粳型耐鎘品系糙米Cd含量與Zn、Cu為差異極顯著正相關(guān)，秈型耐鎘品系糙米Cd含量與Mn、Cu、Fe為差異顯著正相關(guān)，與Zn為差異顯著負(fù)相關(guān)，爪型耐鎘品系糙米Cd含量與Zn、Cu為差異顯著正相關(guān)，秈粳型糙米Cd含量與Mn為差異顯著正相關(guān)，而對應(yīng)不同類型耐鎘品系其他測量元素間無顯著相關(guān)性，特別是秈爪型耐鎘品系糙米Cd含量與Zn、Mn、Cu、Fe間均無顯著相關(guān)性。因此，本研究揭示了不同類型耐鎘品系糙米Cd含量與多種微量元素間的不完全顯著相關(guān)關(guān)系，同時進一步說明5類型低鎘品系的培育對部分微量元素的吸收有影響，由于秈爪型品系糙米Cd含量與4種微量元素的含量無顯著相關(guān)性，研究認(rèn)為秈爪型低Cd高營養(yǎng)(高Zn、Fe)品系的選育意義較大。

近年來，利用分子生物學(xué)技術(shù)培育低Cd水稻品種取得較大的研究進展，截止目前，至少已經(jīng)克隆了34個調(diào)控水稻Cd吸收、運輸和積累的相關(guān)基因[3, 23]。其中一些基因不僅可以降低水稻籽粒Cd含量，而且對營養(yǎng)元素的吸收無影響。OsLCT2基因編碼的水稻低親和陽離子轉(zhuǎn)運蛋白OsLCT1是水稻韌皮部中Cd轉(zhuǎn)運的主要轉(zhuǎn)運子，OsLCTRNAi干擾導(dǎo)致籽粒Cd含量大約為對照組的50%，且籽粒中礦物質(zhì)營養(yǎng)成分以及植株生長和產(chǎn)量不受影響[32]；OsHMA3基因在水稻根中高度表達，位于根部液泡膜上，能與流入胞質(zhì)溶膠中的Cd螯合，限制其從根部向地上部位轉(zhuǎn)移從而降低植株中Cd積累，過表達OsHMA3可以顯著降低籽粒Cd含量且不影響其他微量元素[33]。因此，以本研究培育的相對低Cd高營養(yǎng)(高Zn、Fe)秈爪型品系為受體，以含有低鎘基因OsLCT2、OsHMA3等材料為供體，通過雜交、多代回交和MAS分子標(biāo)記跟蹤培育新的水稻品系，可進一步降低糙米鎘和協(xié)調(diào)微量元素的含量。此外，由于許多調(diào)節(jié)Cd吸收和積累的轉(zhuǎn)運蛋白普遍具有廣泛的底物范圍，除Cd元素外，還能夠運輸水稻生長發(fā)育所必需的微量元素(如Mn、Fe和Zn等)[34]。因此，有些基因?qū)ξ⒘吭氐奈找灿杏绊?。如OsIRT1和OsIRT2基因?qū)儆赯IP蛋白家族，對Cd2+和Fe2+有轉(zhuǎn)運作用[35]；ZIP家族中OsZIP5和OsZIP9基因?qū)n和Cd有向內(nèi)轉(zhuǎn)運的功能[36]；水稻的7號染色體OsNRAMP5基因主要負(fù)責(zé)必需元素Mn的轉(zhuǎn)運，還參與水稻中Cd、Fe元素的運輸，OsNRAMP5基因的敲除或表達量的減少會顯著降低水稻對Cd、Mn等的吸收，導(dǎo)致在缺Mn環(huán)境下會影響植株的生長，進而影響產(chǎn)量[37-40]。如果以本研究的秈爪型品系為受體，OsIRT1、OsIRT2、OsZIP5、OsZIP9、OsNRAMP5等低Cd基因為供體，進行雜交和多代回交及利用MAS跟蹤目的基因，使新選育的品系遺傳背景接近受體秈爪品系，能否進一步創(chuàng)制有效降低糙米Cd含量且不影響或?qū)ξ⒘吭匚沼绊戄^小的水稻新品系有待深入研究。

大量的研究表明水稻微量元素含量之間呈現(xiàn)不同的相關(guān)關(guān)系。Wang等[40]研究報道水稻籽粒中Cu、Zn和Mn之間均為差異顯著正相關(guān)。Ren等[41]研究表明水稻籽粒中Fe與Ca、As，Zn與Mg、Cu以及Mg與Cu之間均呈現(xiàn)正相關(guān)。李軍等[42]在土壤Cd含量為5 mg/kg的高度污染區(qū)種植32份粳稻品系，成熟后通過檢測稻米微量元素含量，研究表明Cu、Fe、Mn、Zn、Si之間為差異極顯著正相關(guān)。而國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于耐鎘水稻品系微量元素之間的關(guān)系研究較少，特別是不同亞種間及亞種間雜交選育的耐鎘水稻品系微量元素的關(guān)系研究鮮見報道。本研究表明，耐鎘水稻粳型、秈型、爪型、秈粳型、秈爪型籽粒微量元素之間的關(guān)系不同。粳型品系Cu與Zn為差異極顯著正相關(guān)，秈型品系Zn與Cu、Fe間均為差異極顯著負(fù)相關(guān)，同時Fe與Mn、Cu之間均為差異顯著正相關(guān)，爪型品系Fe與Mn為差異顯著正相關(guān)，秈粳型品系Zn、Mn、Fe之間以及Zn、Mn、Cu之間為差異顯著正相關(guān)，特別是秈爪型品系Zn、Mn、Cu、Fe之間為極顯著正相關(guān)。而且秈爪型品系4種微量元素與Cd含量無顯著相關(guān)性。因此，本研究認(rèn)為秈爪型耐鎘品系微量元素含量易于調(diào)控，提高4種微量元素的任何一種其余3種含量可能也會增加，進一步證實本研究提出的秈爪型低鎘高營養(yǎng)品系材料的選育對Cd及微量元素的含量易于調(diào)控的觀點。

4 結(jié) 論

本研究通過5種亞種及亞種間雜交改良系共77份耐鎘水稻品系糙米Cd和Zn、Mn、Cu、Fe 4種微量元素含量的分析，表明秈爪型品系糙米Cd含量和生育期間無差異顯著相關(guān)性，即生育期不會影響對Cd的吸收；秈爪型品系糙米Cd含量與4種微量元素的含量無顯著相關(guān)性，即糙米鎘含量的降低不會影響對微量元素的吸收，且Zn、Mn、Cu、Fe之間為差異極顯著正相關(guān)、互為協(xié)同作用，提高任何一種微量元素其余3種含量也會增加。因此，秈爪型品系糙米Cd低積累、且Fe、Zn高營養(yǎng)型水稻品系具有較好的培育前景。