低镉吸收水稻在嘉兴大田的种植表现

富昊伟，张红梅，黄海明，马兴华，李友发

(1.嘉兴市农业科学研究院，浙江 嘉兴 314016； 2.嘉兴市绿农种子有限公司，浙江 嘉兴 314000)

重金属镉对生物活性组织都有毒性，而且半衰期长达10～30年。人吸收的镉主要来自食物，大米作为中国人的主食，长期食用镉含量超标的大米(中国国标要求稻米中镉含量低于 0.2 mg·kg-1)，对人类的健康会产生重大危害[1]。在镉污染的土壤中种植的水稻，镉会通过水稻的根吸收进入茎秆和米粒之中，导致大米中的镉含量增高，因此，镉污染土地是生产“镉毒大米”的根本原因。对镉污染土壤的改良方法较多，如闲置多年不种植，使镉自然衰减，或通过种植其他非粮食作物吸收，待土壤镉含量达到标准，再种植粮食作物。但这些方法都有较大的局限性，如闲置对耕地的浪费在耕地短缺的我国就不适合国情，而种植其他非经济作物势必减少农户收入[2]。从育种的角度，较理想的办法是种植低镉吸收的作物品种：即使在镉污染的土壤中种植水稻，而产出的稻米中镉的含量仍能达国家标准。研究表明，水稻品种对镉吸收存在差异性，筛选低镉吸收的品种是有效的。但现在的育种实践中，很少有将低镉性状作为育种目标。这一方面可能是镉的测定比较费时、费财，另一个原因也可能低镉性状和其他经济性状如高产等有一定矛盾。但随着现代生物技术的发展，对镉吸收基因的功能研究日益清晰，利用生物技术获得低镉吸收种质的可能性大大增加了。在本研究中，我们利用CRISPR/Cas9基因编辑系统，对粳稻品系锡稻1号和甜粳1号编辑其镉吸收相关的基因OsLCT1，获得了3个低镉吸收的突变体(突变体基因编辑及筛选过程将另文发表)。这3个品系均为粳稻品系，为明确低镉吸收品系在产量和农艺性状与亲本相比的差异性及在粳稻主栽区域的应用前景，我们设计进行了本试验。

1 材料与方法

1.1 材料

参试材料为低镉1号、低镉2号、低镉3号和锡稻1号、甜粳1号，以及嘉兴市晚粳主栽品种秀水134。低镉1号、低镉2号为CRISPR/Cas9基因编辑系统编辑锡稻1号OsLCT1基因筛选获得的突变体，低镉3号为CRISPR/Cas9基因编辑系统编辑甜粳1号OsLCT1基因筛选获得的突变体。突变体经筛选定型，全基因组测序检测，已不含任何转基因成分。锡稻1号、甜粳1号，均系无锡哈勃有限公司经花培育种选育的粳稻品系。

1.2 方法

进行小区鉴定和大区品比试验，均以锡稻1号、甜粳1号和秀水134为对照品种(CK1、CK2和CK3)。

小区鉴定试验。采用完全随机区组设计，小区面积13.33 m2，重复3次。四周设3行以上保护行，种植对应小区品种。田间肥水管理按当地生产习惯统一操作。成熟时割除保护行后实收产量。

大区品比试验。3个鉴定品系和3个对照品种各种植200 m2，四周设同品种保护行，不设重复。田间肥水管理按当地生产习惯统一操作。成熟时割除保护行后实收大区稻谷产量。

1.3 调查项目

农艺性状调查。在大区品比中完成。苗期及分蘖期调查试验品种及对照的落田苗、最高苗；穗期记栽始穗期、齐穗期、成熟期并计算全生育期；收获前1 d取样5株，调查有效穗、株高、穗长、每穗实粒数、每穗总粒数、千粒重。

综合性状调查。记录叶片形态、耐寒性、抗倒性、田间白叶枯病、稻瘟病、稻纵卷叶螟等各项表现。

2 结果与分析

2.1 产量

小区及大区测产结果见表1。低镉1号和低镉2号是从锡稻1号(CK1)获得，小区平均产量分别为8.33、7.73 t·hm-2，比锡稻1号分别减产0.6%、7.8%。大区产量则低镉1号比锡稻1号增产2.4%，低镉2号减产4.1%。说明低镉1号的产量与亲本接近(小区略减而大区略增)。但低镉2号则小区和大区分别减产7.8% 和4.1%，减产达显著水平。说明即使对同一材料同一基因的编辑，获得的突变品系产量也有差异。低镉3 号是甜粳1号(CK2)的基因编辑筛选获得，小区和大区产量与甜粳1号相比，分别减产2.3%、1.0%，均未达显著水平，说明获得的低镉3号产量水平也和亲本接近。与嘉兴主栽品种秀水134(CK3)相比，低镉1号、2号及锡稻 1 号减产极显著(减产幅度小区21.9%～28.0%，大区10.3%～14.0%)。减产幅度大的主要原因是生育期差异。低镉3号与秀水134相比，小区产量减产2.6%，大区产量平产。显然，就产量而言，低镉3号在本试验的产量水平和秀水134相当，较有竞争力，而低镉1号、2号与秀水134的产量水平减产幅度很大。

表1 3个水稻低镉品系小区及大区试验产量表现

2.2 农艺特性及田间长势

表2表明，低镉1号、2号在嘉兴属于早熟晚粳类型，5月31日播种，8月23日始穗，10月6日已成熟可收割。与秀水134比，产量因子中，有效穗数增加，实粒数和千粒重明显下降。以低镉1号为例，有效穗增2.8%，实粒数-18.7%，千粒重-10.2%，理论产量-25.0%，和实际测产结果基本吻合。低镉2号、低镉3号经测算也和实际测产结果吻合。从3个产量因子分析，低镉品系与各自亲本比，有效穗差异不显著，结实率有显著降低，千粒重有降低但不显著。

表2 3个水稻低镉品系生育期及主要经济性状表现

从田间综合长相长势(表3)分析，低镉1号、2号、3号均青秆黄熟，抗倒伏。田间丰产性低镉3号及亲本甜粳1号和秀水134较好，与低镉1号、2号及锡稻1号有明显差别。试验田间未发现穗颈瘟、白叶枯病和纹枯病，这应该和及时防治病害有关。

表3 3个水稻低镉品系大田综合长势长相及田间抗性表现

3 小结与讨论

试验结果表明，低镉1号、2 号、3 号 3 个低镉品种和亲本比较，有效穗数略有增加，结实率和千粒重略有降低，理论产量总体上差别不大。即对低镉基因OsLCT1编辑筛选到的低镉1号、2号、3号，基本保持了各自亲本的农艺特性和产量水平。表明对低镉基因OsLCT1编辑可获得对产量影响较小的低镉突变体。

试验中低镉3号产量水平较高，已达到主栽品种秀水134的水准。表明突变体的产量水平和它的亲本的产量水平高度相关。这给我们指出了应用基因编辑技术获得新种质的思路，就是选择当地主栽品种，或比主栽品种更好的新品种(品系)用于基因编辑，这样才会取得事半功倍的效果。

作为浙北粮仓的嘉兴市污染比较严重，嘉兴市重金属含量地理监测系统(GIS)数据表明，重金属综合污染情况从轻到重分别为南湖、秀洲、平湖、海盐、海宁、桐乡、嘉善。因此，在嘉兴市筛选低镉吸收的水稻新品种，具有现实意义。