用AMMI双标图分析早稻稻米镉含量的基因型与环境互作效应

滕振宁，张玉烛，方宝华，刘洋，何洋，杨坚，何小娥

1.湖南省水稻研究所，湖南 长沙 410125；2.湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128



用AMMI双标图分析早稻稻米镉含量的基因型与环境互作效应

滕振宁1，2，张玉烛1*，方宝华1，刘洋1，2，何洋1，2，杨坚1，2，何小娥1，2

1.湖南省水稻研究所，湖南 长沙 410125；2.湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128

摘要：以湖南省广泛种植的31个早稻品种为基因型材料，在湖南省不同程度污染区选择15个试验点进行盆栽试验，利用AMMI模型（主效可加互作可乘模型）研究基因型与环境互作效应对稻米镉积累量及其稳定性的影响，以期筛选出具有低镉积累和环境适应性水稻品种。结果表明，早稻稻米镉含量受到基因、环境及两者交互作用的影响，环境及基因与环境的互作效应对早稻稻米镉含量有主导作用，变异平方和分别占总处理平方和的75.5%和21.7%；筛选出的V23（株两优706）、V29（湘早籼45号）、V20（两优早17）、V04（株两优15）4个早稻品种，属于稻米中Cd积累量较低且遗传稳定性好的基因型，适合一般污染区大面积种植；通过选择基因型与其有负向交互作用的地点组合可有效降低稻米镉含量；利用AMMI模型分析多品种、多点低镉品种筛选试验，对评价、培育、筛选、推广作物品种有指导意义。

关键词：水稻；镉；基因型与环境；AMMI模型

引用格式：滕振宁，张玉烛，方宝华，刘洋，何洋，杨坚，何小娥.用AMMI双标图分析早稻稻米镉含量的基因型与环境互作效应［J］.生态环境学报，2016，25（4）:692-697.

TENG Zhenning，ZHANG Yuzhu，FANG Baohua，LIU Yang，HE Yang，YANG Jian，HE Xiaoe.AMMI-Biplot Analysis of Genotypic and Environmental Effects on Cadmium Content in Early Rice ［J］.Ecology and Environmental Sciences，2016，25（4）:692-697.

重金属镉（Cd）具有迁移性强，在环境中不能降解，同时还具有隐蔽性、滞后性的特点，它可以通过食物链危害人体健康（崔玉静等，2003；肖相芬等，2009）。目前，中国耕地镉污染严重，轻、中度污染土壤面积占有比例大，能否在这类耕地上生产出符合国家标准的稻米是目前亟待解决的问题。研究表明，作物对镉的吸收和积累存在基因型间的差异（刘双营等，2010；徐照丽等，2002；曾翔，2006；曾翔等，2006；李坤权等，2003；欧阳喜辉等，2008；江巧君等，2013；贾中民等，2011），筛选低镉吸收品种为在轻度镉污染土壤上持续生产质量安全产品提供了有效可行的途径（代成成，2010；娄伟，2010；温娜等，2015817-823）。

有研究表明，水稻稻米镉含量不仅受到基因型影响，也受环境及两者的交互作用影响（伍钧等，2011；温娜等，2015817-823；程旺大等，2006）。目前有关水稻基因型与环境互作效应对重金属吸收的影响机理尚不清楚，而且相关研究的基因型、环境单一，很难反映水稻基因型、环境对稻米镉含量的影响。本研究以湖南省审定通过的31个早稻品种为基因型材料，在湖南省不同程度污染区选择15个试验点进行盆栽试验，通过AMMI模型研究基因型与环境互作效应对稻米镉积累量及其稳定性的影响，试图解释基因型与环境互作的复杂机制，以期筛选具有低镉积累和环境适应性水稻品种并为品种选育提供依据。

1　材料与方法

1.1试验材料

选择湖南省早稻大面积种植的早稻品种31个，由品种所有公司提供。

1.2试验方法

根据土壤镉含量，在湖南省选择15个试验点，分别代表15个浓度梯度，土壤来自各地区稻田自然土壤，从轻微污染区的0.35 mg·kg-1至重度污染区的4.61 mg·kg-1。采用盆栽土培试验，盆钵口径40 cm、底径30 cm、高45 cm。土壤经过粉碎、过筛后每盆装土15 kg。水稻种子经消毒后，采用小拱地膜保温湿润育秧，3月28日左右催芽播种于无污染秧田，秧龄30天移栽，每盆栽植4穴，每穴1苗，每处理设置4盆重复。全生育期淹水1～4 cm。施肥按每亩2万兜、基肥每亩25%含量的复合肥50 kg、追肥每亩尿素8 kg、钾肥7 kg为比例分盆称量、施入、充分混匀土壤，确保不同盆内土壤肥力一致。病虫草及鼠雀害按常规方法防治。水稻90%谷粒变黄时收获，每品种4次重复单独收割（3次重复用于镉含量检测，1次重复留样备查），同时取土样1 kg，对土壤和稻米镉含量进行检测。

1.3样品分析

土壤全镉及糙米镉含量委托湖南省水稻研究所稻米及制品检测中心检测，稻谷风干后出糙、磨样、过100目筛备用，称取0.2 g样品，采用体积比为4∶1的HNO3-HClO4对样品进行消化，用石墨炉原子吸收法测定镉含量。采用NY/T 1377─2007及GB/T 23739─2009标准测定土壤pH及有效镉含量。

1.4AMMI模型统计分析及参数设定

AMMI模型将方差分析和主成分分析结合在一个模型，同时具有可加和可乘分量的数学模型，模型表达如下：

式中，yijk表示第i个基因型在第j个试点环境的第k次重复的Cd含量；u为总体Cd含量平均值；是第i个基因型的主效应；βj是第j个试点环境的主效应；λs是第s个交互效应主成分轴（IPCA）的特征值；γis是第s个主成分的基因型得分；δjs是第s个主成分的环境得分；N是模型主成分分析中主成分因子轴的总个数；ρij为残差；为试验误差。

稳定性参数计算如下：

式中，N为显著的IPCA个数；λis是第i个基因型在第s个IPCA上的得分。Di值越小，品种越稳定，Di值越大表示试点对品种差异的判别力越强。

1.5数据分析

一般数据统计采用Excel 2007软件，模型数据分析利用DPS数据处理系统，采用Origin 8.0软件作图。

2　结果与分析

2.1不同试点早稻稻米镉含量的变化

由表1可以看出，15个试验点土壤pH值为4.7～7.7，土壤全镉含量为0.5～4.61 mg·kg-1，有效镉含量为0.24～1.56 mg·kg-1，试验点土壤涵盖了不同酸碱度、不同镉污染程度土壤。

表1　不同试点对早稻稻米Cd含量的影响Table 1 Effect of different site on early rice Cd content

根据食品安全国家标准（GB2762─2012）和土壤环境质量标准（GB15618─1995），稻米和农田土壤中Cd的限量指标分别为0.2和0.3 mg·kg-1（pH＜6.5）、0.6 mg·kg-1（6.5＜pH＜7.5）、1.0 mg·kg-1（pH＞7.5）。由表1可知，在15个不同酸碱度及镉含量土壤环境下，只有6个试验点（H02、H03、H04、H06、H08、H15）出现稻米镉含量超标现象，供试的31个早稻品种中，镉含量超过国家标准的分别占93.55%、80.65%、19.35%、100%、6.45%、3.23%。6个镉超标试点中仅有3个试点（H02、H03、H06）稻米镉含量超过FAO/WHO规定的稻米镉含量最大标准限量0.4 mg·kg-1，稻米镉含量超标率分别为70.97%、25.81%、38.71%。在土壤偏碱性的试点（H12、H13、H14），土壤镉含量虽超标，但其生产出的稻米却合格。而在土壤镉含量相对较低的试验点（H2、H4），却生产出一定比例Cd超标的稻米。

2.2早稻稻米镉积累能力的AMMI模型分析

AMMI模型分析结果（表2）表明，基因型、环境及二者的互作对稻米Cd积累量均有显著影响。早稻稻米镉积累量在不同品种和地点间均达到极显著水平（P＜0.01），其中地点和交互作用对早稻稻米镉含量的变异平方和分别占处理平方和的75.5% 和21.7%，表明环境对早稻稻米镉含量的影响大于基因型和交互作用。

表2　早稻稻米Cd积累量的AMMI分析结果Table 2 Results of AMMI analysis for Cd accumulation in early rice grain

图1　早稻稻米Cd积累量的AMMI1双标图Fig.1 AMMI1 biplot of Cd accumulation in early rice

2.3早稻稻米镉积累量的基因型与环境变异分析

双标图能直观地反应品种与地点的交互作用，是分析基因和环境交互作用的有效工具。AMM1双标图横轴表示稻米的平均镉积累量，纵坐标表示品种与环境的交互效应（IPCA1），从水平方向上看，品种和环境（地点）的分散程度能够表明相应的主效应。在垂直方向上，IPCA1绝对值越小，说明品种与环境互作效应越小，也就是品种越稳定。以IPCA1=0作平行线，品种与地点在同一侧表示两者具有正交互作用，反之则为负交互作用。

从图1可以看出，早稻地点在水平方向的分散程度大于品种间的分散程度，表明地点间的变异大于品种间的变异。品种V03、V01、V14、V4和V22在各试点平均稻米镉含量较低，分别为0.109、0.113、0.121、0.124和0.124 mg·kg-1，但这5个品种受环境影响较大。品种V20、V29、V23在各试点平均稻米镉含量较低，且环境稳定性好，属于较理想的稳定低镉品种。品种V24和V2的镉含量较高，稻米镉含量分别为0.231和0.217 mg·kg-1，且该品种与环境的互作效应明显，环境稳定性差。品种V16和V30稻米镉含量相近，分别为0.206和0.204 mg·kg-1，但IPCA1值不同，表明这两个品种在各地的表现有差异，其中V16表现最稳定。以IPC1=0作平行线，品种和地点被分为两部分，表明不同品种与地点间的交互作用有差异。

图2是以品种、地点的IPCA1和IPCA2为横纵坐标绘制的双标图，图中越靠近坐标原点的品种稳定性越好。此外，品种在地点与原点连线上的垂直投影到原点的距离表示这个品种与该地点交互作用的大小，连线越长交互作用越大，反之交互作用越小，若投影落在连线的反向延长线上则表示交互作用为负向。

从图2分析可知，品种V27、V23、V29、V20、V28距离坐标原点较近，表明这5个品种的稻米镉含量比较稳定，其中品种V23、V29、V20在各试点的平均稻米镉含量较低，但由于品种与环境存在交互作用，在污染严重的H2、H6、H3地点要慎重选择，例如H2试验点适宜种植品种V29和V20，但不适宜种植品种V23，因为该品种在H2试验点的稻米镉积累量有较大的正向交互作用，在该地种植V23有增加稻米镉含量的危险。

2.4早稻稻米镉积累的稳定性

利用AMMI模型的主成分轴IPCA计算出的各品种稳定性参数Di值，可以定量的描述31个早稻品种的稳定性，稳定性参数见表3。

早稻品种稻米镉积累量稳定性较好的品种依次为：V27、V23、V26、V29、V13、V20、V28、V31、V12、V04，综合各品种的Cd积累量，可以认为：V23、V29、V20、V04属于稻米中Cd积累量较低且遗传稳定性好的基因型，适合于一般污染区大面积种植；V26和V12的稻米Cd积累量较高，且遗传稳定，属于稳定高积累品种，不适合在轻微度和轻度污染区种植；V03、V01、V14、V22、V06、V10的稻米Cd积累量较低，但遗传稳定性相对较差，可以根据它们与各试验点互作效应确定适宜的种植范围。品种V30、V16、V02、V24在各试验点的平均稻米镉含量都超过0.2 mg·kg-1，且环境变异较大，不适宜在污染田块推广种植。

3　讨论

水稻对重金属的吸收和积累存在基因型差异，同时也受环境影响，即基因型与环境因子共同影响水稻籽粒的重金属含量。仅根据土壤全镉含量来划分土壤安全区和污染区不能完全保证稻米镉含量的安全性，在土壤全镉含量很高的污染区也可生产出安全可食用的稻米，在土壤低镉污染情况下也有一定比例的稻米镉含量超标，这与温娜等（2015）817-823、彭华等（2013）的结果基本一致。本试验中稻米镉含量超标的试点主要是酸性土壤或土壤偏中性且镉含量较高的土壤，土壤偏碱性情况下，土壤镉含量偏高也一般不会造成稻米镉含量超标，这是由土壤类型、pH值、Cd的有效性及土壤微生物等多种因素共同造成的（周小梅等，2014；廉梅花等，2015；成颜君等，2008；杭小帅等，2009；林大松等，2007；王京文等，2015；黄爽等，2010）。

图2　早稻稻米Cd积累量的AMMI2双标图Fig.2 AMMI2 biplot of Cd accumulation in early rice

本研究通过AMMI模型分析表明，基因型、环境及二者的互作对早稻稻米Cd积累量均有极显著影响，进一步证实通过筛选和培育低镉吸收品种从而减少稻米镉含量的可行性，其中环境及两者的互作效应是早稻稻米镉积累的主导因素。在稻米镉含量不超标区域，品种选择对稻米镉含量的影响较大，而在镉含量超标区域，品种选择作用较小（Makino et al.，2004）。因此，水稻生产不但要考虑品种差异，同时还应考虑地点环境差异，选择某水稻品种在与其有负向交互作用的地点种植可有效降低稻米镉含量。

表3　早稻稻米Cd积累量及稳定性参数Table 3 Stability parameter of Cd accumulation in early rice grain

中国重金属污染严重，在污染的农田上收获的产品重金属含量往往超过国家标准的几倍甚至是几十倍，筛选低重金属积累品种来减少作物对重金属的吸收是非常必要的。本研究筛选出V23、V29、V20、V04 4个早稻品种，属于稻米中Cd积累量较低且遗传稳定性好的基因型，在一般镉污染区推广种植，有助于降低稻米镉含量。

4　结论

（1）早稻稻米镉含量受到基因、环境及两者交互作用的影响，环境及基因与环境的互作效应对早稻稻米镉含量有主导作用。因地制宜，通过选择基因型与其有负向交互作用的地点组合可有效降低稻米镉含量。

（2）筛选出的4个早稻品种，属于稻米中Cd积累量较低且遗传稳定性好的基因型，适合一般污染区大面积种植。

（3）利用AMMI模型分析多品种、多点低镉品种筛选试验，对评价、培育、筛选、推广作物品种有指导意义。

致谢：本文引用了2015年湖南省早稻低镉品种筛选试验部分数据，对参加品种筛选试验的工作人员的辛勤劳动，致以谢意！

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AMMI-Biplot Analysis of Genotypic and Environmental Effects on Cadmium Content in Early Rice

TENG Zhenning1，2，ZHANG Yuzhu1*，FANG Baohua1，LIU Yang1，2，HE Yang1，2，YANG Jian1，2，HE Xiaoe1，2
1.Hunan Rice Research Institute，Changsha 410125，China； 2.Hunan Agriculture university，Changsha 410125，China

Abstract：In this study，31 early rice cultivars，widely planted in Hunan Province，were selscted as genotype materials and were planted at 15 test sites of different degrees of pollution zone in Hunan Province by pot cultured.The AMMI model（additive main effects and multiplicative interaction model） was used to study the genotype and environment interactive effects on Cd content and stability in early rice，in order to get the low and stable Cd content rice varieties.The results showed that Cd content in early rice was influenced by genetype、environment and their interaction effect，environment and the interaction between genetype and environment had dominant effects on Cd content in early rice，with the variances accounting for 75.5% and 21.7% of total variance，respectively；V23（Zhuliangyou 706），V29（Xiangzaoxian 45），V20（Liangyouzao 17），V04（Zhuliangyou 15） four early rice varieties，which grain Cd content is low and stable，it can be widely planted in slight pollution soil； It can effectively reduce the cadmium content in Rice by selecting the genotype and its negative interaction sites； It has guidance significance by AMMI model to analyse multi variety and multi point test to evaluation，training，selection，promotion of crop varieties.

Key words：rice； cadmium； genotype and environment； AMMI model

DOI：10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.04.020

中图分类号：X171.5

文献标志码：A

文章编号：1674-5906（2016）04-0692-06

基金项目：湖南省科技重大专项（2011FJ1002）；湖南省重金属污染耕地修复及农作物种植结构调整试点项目

作者简介：滕振宁（1991年生），男，硕士研究生，从事水稻绿色栽培及生理生态研究。E-mail:sailingtzn@163.com

*通信作者。张玉烛，E-mail:yuzhuzhang@hotmail.com

收稿日期：2016-04-05