常规水稻耐镉性及镉低积累种质的筛选

陈毓瑾 ，欧阳林娟 ，朱红 ，陈艳美 ，边建民 *

（1上海交通大学农业与生物学院,上海 200240；2江西农业大学农学院/江西省作物生理生态与遗传育种重点实验室,江西 南昌 330045）

重金属镉在人们的生产生活中起着重要的作用，可作特殊的易熔、耐磨合金、电镀防腐层等制造原料[1-2]。据统计，2014年自然人类因素导致约3万吨镉(Cd)离子进入生物圈，如金属矿的开采和冶炼、农药化肥的滥用，加上酸雨的作用使土壤中Cd离子的可溶性增加，毒性增强。我国重金属Cd污染农田面积已超过80000 hm2，且污染日趋严重，极大地制约了我国农业的可持续发展[3-5]。在粮食作物中，糙米Cd含量变异范围为0.06-0.99 mg/kg，精米中Cd含量为0.14-1.4 mg/kg，小麦粒中的含量为0.009-0.04 mg/kg[6-8]。近年来国内外有关于水稻等作物耐镉性及Cd积累的研究集中在探讨不同水稻品种或相关作物耐镉性和Cd累积情况[9-13]，如王刚等[11]通过盆栽试验，在无Cd与Cd胁迫 2种处理下比较得出水稻体内Cd含量大致为根>茎>叶>谷壳>籽粒，且Cd主要集中在根部，所选的8个水稻品种中籽粒Cd含量以品种‘春优84’表现出较低的Cd累积能力；杨春刚等[12]、Zhou等[14]的试验表明水稻糙米中的Cd含量只与水稻植株中的茎秆的Cd含量有关联，选择茎Cd含量低的水稻品种，可得到糙米对重金属Cd低积累的水稻品种；Fahad等[13]对不同锌肥处理和品种对作物Cd积累进行田间研究，试验表明在5种水稻品种中，锌施肥措施能显著降低植株积累的Cd的浓度，且与其他品种相比，shua-92和swat-2在耐镉性研究中表现较好。

为此，本试验通过对30份不同的水稻种质进行Cd胁迫对照处理，分析镉胁迫对水稻发芽率、发芽势、根芽长等性状的影响，运用最小显著差异数法（LSD法）筛选出Cd胁迫处理组与对照组无显著差异的品种即具有一定耐镉性的水稻品种，以期为水稻种质的进一步选育提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验使用了30份常规水稻品种，品种名称及来源见表1。

表1 30份常规水稻品种Tab.130 conventional rice varieties

1.2 方法

1.2.1 水稻种子的消毒

各品种挑选健康饱满的水稻种子用5%的NaClO溶液浸泡消毒30 min，之后将种子用去离子水反复冲洗干净，并接种于编号的培养皿中。其中5%的次氯酸钠溶液由氯含量为10%的次氯酸钠原液与水按照1∶1的比例配制而成。

1.2.2 水稻种子浸种、催芽

将消毒后的水稻种子接入培养皿并加入蒸馏水在28℃条件下浸泡24 h，之后将培养皿平铺在培养箱中，黑暗下催芽48 h。注意发芽时玻璃培养皿不要留水，只需让种子一直保持湿润即可。

1.2.3 镉溶液与去离子水对照处理

本试验设置2个Cd水平：0 mg/L(CK)和2 mg/L的CdCl2(以Cd2+浓度计)溶液，每个镉水平进行2次平行试验。在各处理的培养皿中，接入30粒饱满健康的水稻种子，用滴管吸取2 mg/L的CdCl2(以Cd2+浓度计)溶液10 mL滴入培养皿使其浸润种子，对照组种子在保证其他条件一致下用去离子水培养，并置于（30±1）℃人工培养箱中培养，培养箱设置为白天和黑暗各12 h。每天按时去培养箱观察，统计各处理培养皿中发芽数、发芽指数，如发现培养皿中无镉溶液或缺水，用滴管（2 mL）加入镉溶液或去离子水保持湿润。

1.2.4 发芽指数、根（芽）胁迫指数的测定方法

品种处理的发芽率、发芽指数的测定参照周青等[3]的方法，具体如下：发芽率为培养皿中发芽的种子数/供检测的种子数×100%，发芽指数GI=∑Gt/Dt，式中Dt为发芽日数；Gt为与Dt相对应的每天发芽种子数，且规定：水稻种质的根（芽）胁迫指数=胁迫下的根（芽）长/正常生长的根（芽）长。第7天时，用刻度尺量取各处理培养皿中的20粒水稻种子的根长和芽长，求出根（芽）长的Cd胁迫指数。

1.2.5 镉胁迫指数的单因素方差分析方法

所有记录的数据均为2次平行试验的平均值，采用SPSS 10.0统计分析软件进行数据分析，本试验对水稻根长Cd胁迫指数采用了单因素方差分析的方法筛选耐镉性优良的水稻种质[15-16]。

2 结果与分析

2.1 镉处理对不同水稻品种的发芽率和发芽指数的影响

由表2可知，2 mg/L的镉溶液与去离子纯水培养条件下，30个常规水稻品种的发芽率整体上存在的差异较小，均处于90%-100%的区间，但其中编号为8号的水稻品种CK和Cd培养下发芽率差异不明显且均较低，仅为68%左右；编号为16、17、24、25的水稻品种CK和Cd培养下发芽率差异较大，且镉处理下水稻的发芽率略高于纯水条件下，这一现象在其余的20多种种常规水稻品种均存在。

表2 水稻样本CK、Cd条件下实验7 d的发芽率、发芽指数对照表Tab,2 The germination rate and germination index of the rice samples under the condition of CK and Cd condition for 7 days

同样的方法分析2 mg/L的镉溶液培养与去离子水培养的30个常规水稻品种的发芽指数，整体上存在一定差异，其中编号为8的水稻品种在CK和Cd培养下发芽指数差异不明显且都较低，仅为6左右；编号为1、3、10、18的水稻品种在CK和Cd培养下发芽指数差异较为明显，且编号1、3、10的常规水稻品种在去离子水培养下发芽指数仅为8左右，而对应品种水稻在镉溶液培养下发芽指数接近10，数值更高；编号为18的常规水稻品种在CK和Cd培养下发芽指数差异较明显但总体偏低，在CK和Cd培养下的发芽指数分别为6和8.5左右。同样，本试验中30个常规水稻品种中也出现了在镉处理下水稻的发芽指数高于纯水培养条件下发芽指数的情况。

2.2 Cd胁迫对不同水稻品种幼苗生长的影响

根据试验第7天刻度尺量取的各处理培养皿中20粒水稻种子的根长和芽长的数据，统计2个处理下芽长与根长的平均值及芽长与根长胁迫指数，并对照列表（表3）。

表3 水稻样本CK、Cd条件下根长芽长、胁迫指数对照分析表Tab.3 Comparison of root and bud length and stress indexes of rice samples under CK and Cd condition

由表3的对照分析可见，水稻样本芽长胁迫指数大部分均小于1，表明2 mg/L的镉溶液培养对水稻幼苗的生长产生一定的抑制作用，但其中IR24、IR36、R388、18 号 C418、特青、923 六品种的水稻种子出现了在Cd溶液培养下促进芽伸长的现象，这与其余种质幼苗生长的表现不同；而分析表3中水稻种质的根长胁迫指数的数据，30个品种的值均小于1，表明Cd溶液的培养对水稻种子根长的伸长生长产生了抑制作用，而品种间根长胁迫指数存在显著差异，故对样本的根长胁迫指数采用最小显著差异数法（LSD法），通过对两两处理的根长胁迫指数单因素差异分析，并作出字母标记（表4、5）。

表4 水稻根长胁迫指数单因素方差分析表Tab.4 One-way analysis of variance of rice root length stress index

表5 不同品种水稻根长胁迫指数均值及标准差多重比较表Tab.5 Comparison table of the mean value and standard deviation of root stress index in different rice varieties

由表4可见，方差分析表按照胁迫指数的均值由高到低排列，胁迫指数越高表明该水稻种质耐镉性越强。1号水稻品种IR24的Cd胁迫指数均值最高，为66%，表明其他条件相同的情况下耐镉性最好，且与其余各品种都存在显著性差异；编号为4、16、8、24、26的水稻品种即南京 16、武运粳 7号、PSB-4、天丰B、923 Cd胁迫指数依次降低，但品种间在5%的置信区间下无明显差异；在1%的置信区间下，1号水稻品种IR24与其他水稻品种均存在极显著差异，而品种南京16、武运粳7号之间无极显著差异，但与PSB-4、天丰B、923这3种水稻种质存在极显著差异。表4中的泗稻8号、粳1711 Cd胁迫指数较低，且两者数据之间差异不显著，表明该品种水稻种质耐镉性较差，Cd溶液培养条件下对其根长的伸长生长抑制效应较明显。

3 讨论与结论

本试验结果表明，Cd溶液胁迫对水稻种子发芽率、发芽指数无显著的抑制效应，但对幼苗生长的芽长、根长抑制效果较明显。通过对LSD法分析水稻品种IR24耐镉性较好，而水稻品种粳1711、泗稻8号等种质耐镉性较差。

大量研究表明，水稻幼苗植株在高浓度的Cd溶液培养下，会出现老叶失绿，坏死，幼叶严重黄化的现象[7]；用低浓度的Cd营养液培养，一定程度上可抑制水稻的生根发芽。种子萌发的第一阶段是吸胀吸水，若种子直接在Cd溶液中吸胀，可能会破坏细胞膜从而阻碍种子萌发。因此，为排除Cd对种子吸胀过程的影响，种子先经过蒸馏水吸胀后再进行Cd胁迫处理，这样便于直接了解Cd胁迫对种子萌发过程的影响。由本试验结果可见，在所测得几个指标中Cd对水稻种子发芽率影响较小，芽长测量的数据在不同种质间差异较大，部分种质出现促进作用而其余种质出现抑制现象，则不能把芽生长数据作为评价水稻种质耐镉性的指标，这与前人的研究相似[17]；但Cd溶液处理对幼苗根长影响较明显，说明幼苗初期的根生长状况比种子萌发的状况更能体现Cd毒性的大小。种子吸胀发芽后，胚根快速吸水并突破种皮，这使胚根在Cd的积累量、Cd胁迫时间进程上大于胚芽，从而表现受害更深。因此，根是植物络合重金属的部位也是最易受到重金属中毒的部位。可以讨论推测，Cd的过量摄入将会影响细胞核RNA和DNA的活性，引起核酸的裂解，阻碍有丝分裂过程。有丝分裂出现异常将影响到细胞的分裂与生长，这是微观的表现，从宏观角度来说即为抑制了水稻种子胚根的伸长。

本试验中结合图2、图3可见，2 mg/L的Cd溶液的胁迫处理对水稻种子的发芽指数和发芽率不产生显著的促进或抑制效应，出于建立水稻耐镉性评价指标的考虑，直接推断出发芽率和发芽指数不能作为评价水稻品种耐Cd能力的指标这样的结论是不够严谨的。后续试验可以考虑将0-10 mg/L Cd溶液细分出更多浓度梯度来处理水稻品种，根据对照组和处理组试验结果的差异性得出结论会更严谨。

本试验中Cd胁迫处理对水稻种子的根长具有明显的抑制效应，考虑水稻根长作为评价水稻种质耐镉性的参考指标。本研究结果也表明，不同水稻品种对重金属Cd的耐性不同，且用不同的指标进行评价其结果也不完全一样，因此应该考虑最长根长，根长胁迫指数等一些指标综合评价水稻种质的耐镉性。本试验中芽长数据虽部分反映出Cd胁迫的抑制作用，但由于数个品种出现的芽长生长反常的现象，故不能完全将7 d的芽长Cd胁迫指数作为评价水稻种质耐镉性的评价指标，还需要考虑整个生长期幼苗的长度数值。后期进行试验探索建立出水稻种质耐镉性的综合评价指标，可为水稻耐Cd性及Cd低积累种质的筛选方案的制定奠定理论基础。

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