重庆市镉低积累水稻种质资源筛选试验

蒋刚 朱子超 黄乾龙 管玉圣 欧阳杰 何永歆 王楚桃 李贤勇

摘 要 本研究选用了25份重庆市农业科学院水稻研究所自育的水稻材料（遗传差异明显），设定5个土壤Cd含量梯度处理，用塑料桶进行盆栽试验，收获成熟的稻谷，送北京中科光析化工技术研究所测试精米中的Cd含量，以我国食品中污染物限量规定（GB2762-2012）为标准，比较不同材料在不同Cd浓度条件下积累的差异，筛选符合标准的Cd低积累种质资源。结果表明，25份材料的稻米在不同土壤Cd含量条件下表现最好的有神9B、神龙4B、192B，其余材料表现差异明显。

关键词 水稻;Cd低积累;筛选;应用;重庆市

中图分类号：S511 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.13.002

重金属污染是当今世界农业生产安全、农产品食用安全所面临的一个严峻问题[1]。重金属不但污染环境，更会对我们的身体健康造成极大危害，而镉（Cd）是危害最大的元素之一[2]。

虽然土壤自身也含有一定量的Cd，但其含量一般较低，危害不大，而工业生产废水和生活污水才是污染大户。近年来，由于一些地区的水资源较为紧张或灌溉水源缺乏，稻田不得不采用污水灌溉，加上土壤中原生重金属的释放，导致重金属污染加重特别是Cd污染加剧。据报道，我国有大约2.8×105 hm2农田已经被Cd污染，在这些被污染的土地上，每年生产高达1.46×1010 kg含Cd量超标的农产品[3]，给我国的农产品食用安全造成了极大隐患。稻米是人们的主要粮食之一，现有生产上应用的大多数水稻品种在Cd污染土壤中栽种后，其稻米中的Cd含量都会超过国家食品中污染物限量规定，严重威胁了我国水稻产业的可持续发展。

可喜的是，蒋彬等[4]、谭周磁等[5]研究表明，不同基因型的水稻品种对稻田Cd的积累表现完全不同。这些研究结果表明，在轻、中度污染地区，如果种植Cd低积累水稻品种，以此降低稻米中Cd含量，将其控制在安全范围内是可行的。生产上，各地方政府都非常重视这个问题，将Cd低积累水稻品种选育推广提在了重要日程上，开始对市场上的水稻品种进行筛选，符合要求的品种进行政府采购并鼓励农户种植。

社会需求加之国家对食品安全的重视，反过来也促进了Cd低积累水稻新品种的筛选和选育。国家投入了相当的资源和财力，开设了大量的项目进行Cd低积累水稻品种选育研究。现有研究多集中在对已推广应用的品种进行筛选，而直接以亲本材料的Cd低积累比较和种质资源的筛选来进行新品种选育的成功案例不多。而且，大多水稻Cd积累研究只考虑了单一Cd浓度胁迫因素，对水稻在不同Cd浓度条件下的Cd积累尤其是亲本材料和组合对照研究的案例较少。笔者采用前期初步筛选出的25个水稻品种或材料，对其在不同Cd浓度污染土壤中的Cd积累差异进行比较，试图获取在高Cd污染时仍然Cd低积累的水稻种质资源，选育Cd低积累水稻品种。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本试验采用的水稻材料由重庆市农业科学院提供，材料之间具有广泛遗传差异，具体命名和编号见表1。

1.2 试验设计

试验于2019年在重庆市农业科学院水稻研究所基地进行。供试土壤为当地未污染土壤，上一年采集晒干、磨碎，过2.5 mm孔径筛，装入塑料桶，每桶装入10 kg土壤和0.02 kg复混肥（15-15-15），混合拌匀后备用。

试验共设置5个土壤Cd浓度处理：0 mg·kg-1（CK）、0.2 mg·kg-1、0.5 mg·kg-1、1 mg·kg-1、2 mg·kg-1。所有材料在普通水田中育秧，待秧苗长到5叶后移栽入之前准备好的塑料桶中，每个材料重复3次。

1.3 样品采集分析

在参试材料的稻谷约九成熟时，收获稻谷，及时脱粒，用网袋分装晒干，送北京中科光析化工技术研究所按国标（GB2762—2012）测定精米中Cd含量。

1.4 数据分析

试验数据采用Excel 2019软件进行统计分析，用Cd积累指数衡量不同胁迫强度下的反应差异或Cd吸收特征差异。

Cd积累指数=[高浓度处理表现值（含量）-低浓度处理表现值（含量）]/低浓度处理表现值（含量）×100

2 结果与分析

2.1 稻米Cd含量比较

水稻吸收土壤中的Cd后积累在根、茎、叶、籽粒等多个部位，其分布情况较为复杂，而人们更关心的是稻米中的Cd含量是否符合安全标准，稻米能否安全食用，因此本试验只研究了不同Cd浓度土壤中的稻米Cd含量变化情况，结果如图1。

可以看出，土壤Cd浓度为0 mg·kg-1时，所有材料的稻米Cd含量未检出。在土壤中有Cd存在時，所有参试材料的稻米都吸附了一定量的Cd，但在土壤Cd浓度较低或较高时，稻米Cd含量的增加幅度不一样，有的材料增加幅度大、稻米Cd含量高，有的材料则增加幅度较小、稻米Cd含量较低;有的材料在土壤中Cd浓度较低时，仍然会吸附超量的Cd，超过国家安全标准，说明这些材料对Cd比较敏感，不适宜作材料选育Cd低积累品种。

在对照处理（土壤Cd浓度为0）中，各材料的稻米Cd含量均符合国家安全标准。土壤加Cd后，在同一Cd胁迫浓度下，不同材料的稻米Cd含量差异较大。由图1中可见，在土壤0.2 mg·kg-1 Cd处理条件下，稻米中Cd含量差异区间为0～0.285 6 mg·kg-1（含量为0是因为含量过低，仪器无法测定）;在土壤0.5 mg·kg-1 Cd处理条件下，稻米Cd含量差异区间为0～0.999 5 mg·kg-1;在土壤1 mg·kg-1 Cd处理条件下，稻米Cd含量差异区间在0.150 1～1.016 3 mg·kg-1;在土壤2 mg·kg-1 Cd处理条件下，稻米Cd含量差异区间在0.163 6～1.922 8 mg·kg-1。各参试材料稻米Cd含量的平均值差异明显，最高的3346R为0.784 6 mg·kg-1，最低的9B为0.093 3 mg·kg-1，最高的是最低的8倍多，材料间Cd积累差异明显。

2.2 Cd积累指数比较

为了更好地分析各种材料在不同Cd浓度胁迫时稻米Cd积累差异，我们以Cd积累指数进行比较，其Cd积累指数越大，表明该材料在高浓度Cd胁迫条件下的稻米Cd积累量增加愈多，对Cd胁迫更为敏感，反之则对Cd胁迫不敏感。Cd积累指数较小，要么是该材料在Cd低浓度胁迫时就积累了较多的Cd，在高浓度时增加幅度较小，要么是不同浓度Cd胁迫下积累量都较低，显而易见，后一种才是理想材料。从图2中可见，所有材料的Cd积累指数明显不同，72B、149B在低浓度Cd胁迫下时镉含量较低无法测定，导致Cd积累指数无法计算，但在低浓度Cd胁迫时稻米Cd积累量极低证明其稻米食用是安全的，而在高浓度协迫时，稻米Cd积累大幅度增加，超出安全范围，不能食用。这也是大多数材料表现出的共性，即Cd低浓度胁迫时稻米Cd含量不超标，Cd高浓度胁迫时稻米Cd含量超标，这也表明要选育完全Cd低积累品种的难度极大。其余材料中，156B的Cd积累指数值最高，为280.6，326B的Cd积累指数最小，仅有9.2，两者相差30.5倍，可见水稻对Cd的积累在不同材料之间差异极大。326B的Cd积累系数虽小，但其在低Cd胁迫时，稻米Cd含量已经较高，这类材料对选育稻米Cd低积累品种完全没有价值。9B、192B的Cd积累指数相对较小，而且其在不同浓度Cd胁迫下积累量都较低且符合安全标准，这就是理想的Cd低积累材料。

3 小结与讨论

综上所述，一般水稻品种或材料在土壤Cd浓度较低时，其稻米中的Cd含量符合国家安全标准;随着土壤Cd浓度上升，绝大部分品种或材料的Cd积累量大幅上升，严重影响稻米品质，但也有极少数水稻品种或材料表现良好，稻米Cd积累量仍较小。本研究的25份材料中，表现最好的是神9B（9B）、192B等材料，其在所有Cd浓度胁迫处理下的稻米Cd含量都符合国家安全标准，表明这两个材料具有Cd低积累特性;此外，72B、149B、157B、171B、199B、301B、328B、3306R等材料均在土壤中Cd胁迫中、低浓度下表现为稻米Cd积累值符合安全标准，但在土壤Cd浓度较高时，稻米Cd积累值超标，表明这类材料也具有一定的Cd低积累安全性。

目前推广应用的Cd低积累水稻品种在Cd污染不超标的土壤中种植时，其稻米Cd积累量一般能够低于国家安全标准;在Cd污染轻度超标情况下，种出来的稻米也能达到国家安全标准;但当土壤Cd污染严重超标时，稻米Cd积累量一般都超过国家安全标准。

绝对不积累Cd的水稻种质资源目前还未发现，但不同材料的Cd积累特性有所不同，因此利用Cd积累的基因型差异，从现有种质资源中筛选Cd低积累品种是育种工作者的必然选择。因为一个新的品种从转育材料到品种审定，一般需要5年以上时间，所以大多研究都是从现有成熟品种中筛选，完全从头开始选育成功的品种稀少，真正推广应用的就更少。赵步洪等在研究杂交水稻Cd积累特征中指出，亲本的Cd低积累特性可以在杂交稻组合中表现出来，即Cd积累量低的亲本可以配组出Cd积累量低的杂交稻新组合[6]。神9优28的成功选育与推广也证明了这一点。重庆市農业科学院水稻所选育的神9A具有低积累Cd的特性，其所配组合神9优28也已通过国家武陵山区、重庆市、四川省等的区域试验和审定，在生产中表现出了较好的Cd低积累特性。重庆市在2021年进行了“农用地安全利用重金属低积累品种采购项目”招标，采购Cd低积累品种，引导农民种植Cd低积累水稻品种，提高稻米的安全性。神9优28作为指定采购品种之一，市场反应热烈。

为了国民的稻米食用安全，有效降低稻米中Cd含量超过国家安全标准的风险，推广Cd低积累水稻品种在Cd污染区域种植势在必行。筛选和培育出一批Cd低积累水稻品种是今后育种工作的重要目标。

参考文献：

[1] 张汉波，施文，于春蓓，等.水分和氧气对铅锌矿渣中重金属耐受细菌活性的影响[J].农业环境科学学报，2004，23（1）：90-93.

[2] 韩多红，孟红梅. 重金属镉对阿尔冈金和金皇后种子发芽和出苗的影响[J].种子，2006（25）：71-72.

[3] 曾翔，张玉烛，王凯荣，等. 不同品种水稻糙米含镉量差异[J].生态与农村环境学报，2006，22（1）：67-69，83.

[4] 蒋彬，张慧萍.水稻精米中铅镉砷含量基因型差异的研究[J].云南师范大学学报（自然科学版），2002，22（3）：37-40.

[5] 谭周磁，陈嘉勤，薛海霞.硒（Se）对降低水稻重金属 Pb，Cd，Cr污染的研究[J].湖南师范大学自然科学学报，2000，23（3）：80-83.

[6] 赵步洪，张洪熙，奚岭林，等.杂交水稻不同器官镉浓度与累积量[J].中国水稻科学，2006，20（3）：306-312.

（责任编辑：易 婧）