镉低积累水稻品种筛选及其在镉超标稻田的表现评价

李虎 吴子帅 陈传华 罗群昌 梁云涛 何金富 周新明 朱其南 李秋雯 刘广林

摘要：【目的】篩选镉低积累型水稻品种并开展镉超标稻田表现评价研究，为广西中低度镉污染稻田生产安全稻米提供品种和数据参考。【方法】以114份（V1～V114）水稻低镉品种育种材料为试验对象，从中筛选综合性状优良且籽粒表现为镉低积累的目标材料;对目标材料进行大田试验和盆栽试验验证，测定其在广西不同试验点的农艺性状和精米镉含量。【结果】初步筛选试验的114份参试材料中，除V102的精米镉含量低于最低检测值外，其余113份水稻育种材料的精米镉含量范围在0.01～0.35 mg/kg，平均值为0.10 mg/kg，筛选得到综合性状优良且精米镉含量较低的材料V111（审定后名称为桂育12）。桂育12在中低度镉污染区大田验证种植时，精米镉含量（0.01～0.10 mg/kg）未超出国家标准GB 2762—2017《食品安全国家标准食品中污染物限量》规定的限值（0.20 mg/kg）。盆栽试验结果表明，在pH为5.0，土壤镉含量3.0 mg/kg条件下，桂育12精米镉含量（0.34 mg/kg）有超标风险;各试验中土壤镉含量对桂育12部分农艺性状指标影响显著（P<0.05），但属于品种种植的正常波动范围，对米质和产量的综合影响有限。【结论】从114份水稻材料中筛选出的镉低积累品种桂育12，经多年多点试验验证，在中低度镉污染稻田产出的稻米镉含量不超标，籽粒镉低积累性状较稳定，综合性状表现受土壤镉含量影响较小，可在广西中低度镉污染稻田推广应用。

关键词： 镉低积累;优质稻;品种筛选;精米镉含量;农艺性状

中图分类号： S511                            文献标志码： A 文章编号：2095-1191（2022）01-0096-08

Screening of rice varieties with low cadmium accumulation and evaluation of their performance in rice fields with cadmium exceeding standard

LI Hu1， WU Zi-shuai1， CHEN Chuan-hua1， LUO Qun-chang1， LIANG Yun-tao1，

HE Jin-fu2， ZHOU Xin-ming3， ZHU Qi-nan1， LI Qiu-wen1， LIU Guang-lin1*

（1Rice Research Institute，Guangxi Academy of Agricultural Sciences/Guangxi Key Laboratory of Rice Genetics and Breeding/Guangxi Talent Highland of High Quality Rice Breeding Research， Nanning  530007，China; 2Agricultural Ecology and Resources Protection Station of Guangxi， Nanning  530007， China; 3Chongzuo Agricultural

Ecology and Resource Protection Station， Chongzuo， Guangxi  532200， China）

Abstract：【Objective】Screened rice varieties with low cadmium accumulation and carried out evaluation research on rice field performance with cadmium exceeding the standard to provide variety and data reference for the production of safe rice in Guangxi’s medium and low-level cadmium-polluted rice fields. 【Method】114 breeding materials of low-cadmium rice varieties（V1-V114）were selected as the test objects， and the target materials with excellent comprehensive properties and low cadmium accumulation were selected from the target materials; field tests and pot experiments were carried out to verify the target materials， their agronomic characteristics and polished rice cadmium content were tested at different test sites in Guangxi. 【Result】Among the 114 tested materials in the preliminary screening test， except for the cadmium content in polished rice of V102 which was lower than the lowest detection value， the cadmium content in po-lished rice of the remaining 113 rice breeding materials ranged from 0.01 to 0.35 mg/kg， with an average value of 0.10 mg/kg. The material V111 with excellent comprehensive properties and low cadmium content in polished rice was screened （named Guiyu 12 after certification）. When Guiyu 12 was planted in fields with medium and low levels of cadmium pollution， the cadmium content of polished rice （0.01-0.10 mg/kg） did not exceed the limit specified in the national standard GB 2762-2017 National Food Safety Standard Limits of Contaminants in Food （0.20 mg/kg）. The pot experiment results showed that under the conditions of pH 5.0 and soil cadmium content of 3.0 mg/kg， the cadmium content （0.34 mg/kg） of Guiyu 12 polished rice was at risk of exceeding the standard. The soil cadmium content in each experiment had a significant impact on some agronomic indicators of Guiyu 12（P<0.05）， but it belonged to the normal fluctuation range of the variety planting， and the comprehensive impact on rice quality and yield was limited. 【Conclusion】A low cadmium accumulation variety Guiyu 12 is selected from 114 rice materials. After years of multi-site experiments， it is verified that the cadmium content in rice produced by Guiyu 12 does not exceed the standard in the middle and low-level cadmium-contaminated rice fields， and the low cadmium accumulation traits in grains are relatively stable. The performance of comprehensive traits is less affected by soil cadmium content，which can be applied and popularized in Guangxi rice fields with low and medium cadmium pollution.

Key words： low cadmium accumulation;high-quality rice;selection of varieties; cadmium content in polished rice; agronomic traits

Foundation items： Key Research and Development Program of Guangxi（Guike AB1850041）;Science and Techno-logy Development Fund Project of Guangxi Academy of Agricultural Sciences（Guinongke 2021YT029）;Basic Scientific Research Project of Guangxi Academy of Agricultural Sciences（Guinongke 2020YM73）

0 引言

【研究意义】据调查，农产品的主要污染物为重金属类，其中镉是农业环境中最危险的重金属元素之一（卢红玲等，2014）。水稻是我国的主要粮食作物，镉可通过水稻自身的富集和转运作用积累于水稻植株体内，尤其是食用的稻米部位，从而威胁食品安全（林华等，2014）。广西作为我国水稻主产区之一，自然地质背景高（邓齐玉等，2019），相比其他土地利用方式，稻田土壤的镉污染更易引起因重金属污染带来的健康风险（陈桂芬等，2015）。对镉污染土壤的改良方法较多，如物理沉降法、化学调控法、植物或微生物修复等，这些方法虽有修复效果，但也存在工程量大、成本高、易二次污染、修复周期长及效果缓慢等局限性（彭少邦等，2014;高欣等，2020;李桂荣等，2020;庄静静和郭晖，2020）。而通过品种替换技术，选育适合广西当地镉污染农田利用的低积累水稻品种是一条解决稻米镉超标问题的便捷、有效方案。【前人研究进展】近年来，国内外关于水稻镉积累的研究主要集中在低镉水稻品种筛选及技术措施对水稻镉吸收的影响（杨春刚等，2008;刘昭兵等，2010;陈喆等，2013;王刚等，2017）。蒋彬和张慧萍（2002）通过大田试验对国内不同地区的239份水稻样品稻米镉含量进行分析，证明不同基因型稻米中镉含量差异极显著。张锡洲等（2013）以收集的具有明显遗传差异的145种水稻亲本材料为研究对象，通过水培试验研究水稻植株生长性状和镉积累特征，比较不同材料的镉耐性和镉积累差异，并以耐性指数和镉含量为指标筛选镉低积累种质资源，通过耐性分类，得到镉耐性较强的恢复系27种和保持系12种材料;并以镉含量为指标评价镉积累差异，获得13种恢复系镉低积累种质资源和2种保持系镉低积累种质资源。陈毓瑾等（2017）比较分析30个常规水稻品种对照处理和镉胁迫（2 mg/L）处理对水稻种子发芽率等指标的影响，得到镉胁迫指数均值最高的水稻品种IR24。滕振宁等（2017）以参加湖南省低镉水稻品种筛选试验的31个早稻品种为材料，使用非参数统计方法秩次分析法，对参试品种的稻米镉含量及其稳定性进行综合分析与评价，得到稻米低镉性能和镉含量稳定性均较好的品种两优早17和株两优706。张玉烛等（2017）在湖南省重金属污染区对285个水稻品种开展筛选验证试验，共筛选到25个应急性镉低积累品种。章秀梅等（2021）探讨种植镉低积累品种、全生育期淹水灌溉、碱性物质降酸、黏土矿物钝化及生理阻控（叶面肥）等5类技术联合应用对削减糙米镉积累的综合效果，结果表明，与常规种植比较，种植镉低积累品种可降低31.23%的糙米镉含量。【本研究切入點】当前低镉水稻品种筛选主要集中于市场上已存在的主栽品种，对选育材料的筛选报道较少，且广西未见有对选育目标为镉低积累水稻品种筛选的相关报道。【拟解决的关键问题】以114份水稻低镉品种育种材料为试验对象，从中筛选综合性状优良且籽粒表现为镉低积累的目标材料;对目标材料进行大田试验和盆栽试验验证，测定其在广西不同试验点的农艺性状和精米镉含量，为广西中低度镉污染稻田生产安全稻米提供品种和数据参考。

1 材料与方法

1. 1 供试材料

初步筛选种植材料为114份低镉品种育种材料（V1～V114），其中V1～V100为低世代低镉育种材料，V101～V114为正在审定或待送审定的低镉品种。

1. 2 试验方法

1. 2. 1 初步筛选试验 2016年3—7月于南宁试验点进行早稻试验，试验田土壤pH 5.7、总镉0.17 mg/kg，未超过国家标准GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（以下简称国标）风险值（pH≤5.5，0.3 mg/kg;5.5<pH≤6.5，0.4 mg/kg;6.5<pH≤7.5，0.6 mg/kg;pH>7.5，0.8 mg/kg。下同）。每个材料种植200株，常规大田管理，初步筛选综合性状优良且籽粒表现为镉低积累的目标材料。

1. 2. 2 大田验证试验 2016年3月—2020年11月分别在南宁A、南宁B、南宁C、靖西、崇左和宜州试验点对初步筛选的目标材料进行大田验证试验。目标材料种植50株，3次重复，常规大田管理。南宁A、南宁B、南宁C、靖西和崇左试验点测定目标材料籽粒镉含量;宜州试验点测定目标材料大田农艺性状指标，并与2018年广西水稻品种区试总结早优区汇总试验相关数据（http：//www.gxseed.com.cn/html/2019/breednotice_0125/2952.html）进行对比。宜州试验点土壤pH 5.5、总镉2.58 mg/kg，土壤镉含量超过国标风险值（0.3 mg/kg）8倍以上。

1. 2. 3 盆栽试验 于2020年3—7月在南宁A试验点网室对初步筛选的目标材料进行不同土壤pH和土壤镉添加量的早稻盆栽试验。土壤pH设3个梯度，分别为pH 5.0（A1）、pH 6.0（A2）和pH 7.0（A3）;土壤镉添加量设7个梯度，分别为0 mg/kg（B0）、0.5 mg/kg（B1）、1.0 mg/kg（B2）、1.5 mg/kg（B3）、2.0 mg/kg（B4）、2.5 mg/kg（B5）和3.0 mg/kg（B6）。3次重复，共63盆，每盆种植6株。种植前用稀盐酸和氢氧化钠溶液对pH进行8次调节，每次间隔3～5 d，采用精密pH试纸进行测定，直至pH稳定;采用外源添加氯化镉进行镉含量调节，添加氯化镉后多次搅匀稳定30 d。测定盆栽条件水稻籽粒镉含量和农艺性状指标。

1. 3 测定项目及方法

1. 3. 1 土壤镉含量测定 初步筛选试验和大田验证试验土壤样品于种植前采用整块田5点法混合取样，委托广州市谱尼测试技术有限公司检测土壤镉含量，检测方法参照GB/T 17141—1997《土壤质量铅、镉的测定石墨炉原子吸收分光光度法》。

1. 3. 2 精米镉含量测定 初步筛选试验和大田验证试验在水稻成熟期对小区采用5点法取样，混收晒干碾精米进行镉含量检测;盆栽试验在水稻成熟期整盆收获晒干碾精米，委托广州市谱尼测试技术有限公司进行镉含量检测，检测方法参照GB 5009.15—2014《食品安全国家标准 食品中镉的测定》。

1. 3. 3 产量与产量构成因素 大田验证试验宜州试验点于水稻成熟期，分小区全部收割晒干风净后折算每公顷产量，调查有效穗。取各小区代表性植株3株进行室内考种，考查穗数、千粒重、结实率、株高和穗长等指标。

1. 3. 4 外观和加工米质测定 大田验证试验宜州试验点和盆栽试验进行外观和加工米质测定，将收获的稻谷室内贮藏3个月后，用TP-JLG-2018砻谷机和Kett小型精米机分别测定糙米率和精米率;用SC-E型大米外观品质检测分析仪测定粒长、长宽比、垩白度、垩白粒率和透明度指标;用日本佐竹SATAKE RLTA10B-KC食味計测定直链淀粉含量。

1. 4 统计分析

采用Excel 2007进行数据整理，利用DPS v7.05进行统计分析。

2 结果与分析

2. 1 初步筛选试验结果

由表1可知，初步筛选试验中，除V102的精米镉含量低于最低检测值外，其余113份水稻材料的精米镉含量范围在0.01～0.35 mg/kg，平均值为0.10 mg/kg。所有参试材料中精米镉含量低于0.10 mg/kg的材料有68份，占比59.65%;介于0.10～0.20 mg/kg的材料有35份，占比30.70%;高于0.20 mg/kg的材料有11份，占比9.65%（图1）。可见，不同的水稻材料籽粒对镉的吸收积累差异明显，且在不超标土壤中种植仍会出现籽粒镉含量超出GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》限值（0.20 mg/kg）的情况。结合各试验材料的株高、粒型、产量等综合性状表现，选取精米镉含量较低的V111（2019年审定后名称为桂育12，镉含量0.01 mg/kg）进入后续试验。

2. 2 镉超标区域桂育12精米镉含量表现

2. 2. 1 大田试验桂育12精米镉含量情况 为明确筛选验证得到的镉低积累材料桂育12的适应性和稳定性，分别在南宁、靖西、崇左等地对桂育12开展多年多点镉污染稻田种植试验。由表2可知，桂育12在各试验点种植时精米镉含量均未超出GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》限值（0.20 mg/kg）。其中靖西试验点和南宁C试验点，土壤镉含量分别超过国标风险筛选值（0.4 mg/kg）3倍和4倍以上，桂育12精米镉含量平均值分别为0.01和0.03 mg/kg，表现并未超标。

2. 2. 2 盆栽试验桂育12精米镉含量情况 由图2可知，不同pH下，桂育12精米镉含量随着土壤镉含量的增加整体呈升高趋势，均在pH为5.0时最高。在同一土壤镉含量条件下，精米镉含量随pH的升高呈下降趋势（土壤镉含量1.5 mg/kg除外），当土壤镉含量为3.0 mg/kg、pH为5.0时精米镉含量为0.34 mg/kg，超出GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》限值（0.20 mg/kg），其他处理未出现超标情况。可见，土壤镉含量和pH均对水稻籽粒镉含量积累有重要影响，在pH较低环境种植，籽粒通常积累较多的镉，在土壤镉含量为0.5和1.0 mg/kg时，pH 5.0处理的精米镉含量均极显著高于pH 6.0和pH 7.0处理（P<0.01，下同）。整体来看，当土壤镉含量接近3.0 mg/kg且pH接近5.0时，种植桂育12存在籽粒镉含量超标风险。

2. 3 镉超标区域桂育12农艺性状表现

2. 3. 1 大田试验桂育12农艺性状表现 由表3可知，桂育12在土壤镉含量达国标风险筛选值8倍以上区域种植，千粒重、结实率、株高和粒长均低于区试数据，且差异达显著（P<0.05，下同）或极显著水平，有效穗数、穗长、产量、糙米率、精米率、长宽比、垩白粒率、垩白度、透明度和直链淀粉含量与区试数据差异不显著（P>0.05，下同）。从产量及产量构成因素分析，种植于镉超标区域的桂育12粒型变小，千粒重降低，株高下降，但有效穗数较高，穗长较长，产量未出现明显下降，属于群体中植株竞争养分的正常表现;米质指标中，除粒长极显著比区试短外，其他指标与区试差异较小。综上所述，桂育12在中重度镉超标区域种植，产量和米质处于正常波动范围，各指标综合表现并未因土壤镉含量的升高而出现明显的负向影响，整体表现较好。

2. 3. 2 盆栽试验桂育12农艺性状表现 由表4可知，随着pH升高，糙米率、精米率、长宽比、粒长均有不同程度降低，垩白粒率和垩白度则先升高后降低;土壤镉含量升高对糙米率、精米率、长宽比、粒长、垩白度影响不明显，无规律性变化，垩白粒率有不同程度提升。pH对桂育12的米质有不同程度的影响，其中对糙米率、精米率和长宽比有极显著影响，对垩白度有显著影响，对粒长和垩白粒率影响不显著;土壤镉含量对精米率有显著影响，对长宽比有极显著影响，对其他米质指标影响不显著。整体来看，土壤镉含量对桂育12的综合米质影响有限。

3 讨论

3. 1 镉低积累型水稻品种筛选

不同作物对重金属镉的吸收和积累有较大差异，甚至同一作物不同品种间对重金属镉的吸收和积累也差异明显，即存在基因型差异（徐燕玲等，2009）。从2014年开始，湖南先后通过多年多点大田及盆栽试验，从685个品种中筛选出49个相对较低的镉积累品种作为应急性镉低积累品种（陈彩艳和唐文帮，2018）。龚浩如等（2016）对湘潭地区广泛种植的82个早、晚稻品种进行盆栽试验，筛选出早稻品种株两优729和两优早17，晚稻品种丰源优272和C两优7号为湘潭地区应急性低镉品种。本研究筛选思路与上述研究基本相同，包括筛选试验和验证试验。但与以往研究不同的是，本研究的初步筛选试验是在不超标土壤中进行，目的是考虑部分材料或品种因基因型差异，在不超标地区也可能出现超标情况，所以本研究优先排除此种情况发生;另外，在不超标地区进行初筛可更好地排除土壤镉含量对水稻品种农艺性状的影响，便于综合性状优良的材料选择。但在不超标土壤开展筛选可能会因品种自身差异表现遗漏部分低镉材料，故今后在开展水稻品种或材料的镉低积累初步筛选验证时，建议在重度镉超标区开展籽粒镉积累量鉴定，同时在不超标地区开展材料农艺性状鉴定，最后结合两者综合表现较好的材料开展后续验证试验。

3. 2 镉低积累型品种认定与应用前景

目前尚无公认的评价低镉水稻品种的认定标准，且稻米镉的积累量会随着土壤理化性质等环境条件的变化而改变。在镉低积累品种筛选和认定时要求一次试验既能分辨出各品种镉积累量基因型差异，又要确保目标品种的稻米镉积累量不超标是一件非常困难的事情（陈彩艳和唐文帮，2018）。虽然镉低积累水稻品种判定评价较复杂，但多数研究认为镉低积累品种依旧是解决镉污染稻田安全利用问题的最佳途径（陈煜娴等，2015;廖芳芳等，2015;胡婉茵等，2021）。本研究在初步筛选供试材料后，先后多次开展早晚稻多区域验证，明确桂育12在中低度镉超标区种植籽粒表现不超标且稳定性较好，基本可认定为镉低积累型品种。另外，桂育12米质特优，产量表现稳定，连续两年获得广西好稻米十大优质品种总分第一名，且米质和产量未因土壤镉含量超标而发生明显负向变化。在综合性状表现上与其他仅追求籽粒镉低积累，但忽略由此带来重大农艺性状缺陷的品种相比具有明显优势，在镉污染稻田推广应用空间广阔。广西当前水稻镉低积累品种选育领域仍属空白阶段，桂育12的成功选育将有效缓解广西镉低积累水稻品种短缺问题，对广西中低度镉污染农用地实现安全利用具有重要意义。

4 结论

从114份水稻材料中筛选出的镉低积累品种桂育12，经多年多点试验验证，在中低度镉污染稻田产出的稻米镉含量不超标，籽粒镉低积累性状较稳定，综合性状表现受土壤镉含量影响较小，可在广西中低度镉污染稻田推广应用。

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（責任编辑 王 晖）