曾民，曾黎瓊，王玲仙，李娥賢，鐘巧芳，趙白英，郭蓉

（1.云南農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)與種質(zhì)資源研究所，昆明 650223；2.云南省農(nóng)業(yè)生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650223；3.云南農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，昆明 650205；4.元江縣農(nóng)村產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心，云南 元江 653300）

2014 年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》調(diào)查結(jié)果顯示，我國約2.0×107hm2耕地受到重金屬的污染，占總耕地面積的19.4%，其中鎘（Cd）污染位列第一[1]。水稻是我國第一大糧食作物，我國有2/3 的人口以水稻為主食，與其他作物相比，水稻具有大量吸收積累鎘的特性[2]，因此稻米安全成為事關(guān)糧食安全的重要課題[3]。研究表明，不同水稻品種對鎘的吸收和富集存在明顯的品種間遺傳差異[4]。因此篩選鎘低積累水稻資源，培育低鎘品種是解決水稻鎘污染問題最直接且最經(jīng)濟(jì)的方法[5]。目前，已從現(xiàn)有品種中篩選出多份鎘低積累品種[6-7]，但這些品種多屬于現(xiàn)代栽培稻，是以產(chǎn)量、品質(zhì)為育種目標(biāo)進(jìn)行選育的，為加快育種進(jìn)程，除目標(biāo)性狀外，會選擇其他性狀均相對一致的材料作為其親本，這將造成其后代遺傳背景相對狹窄，導(dǎo)致鑒定到的與鎘低積累相關(guān)的基因相對較少，進(jìn)一步增加了低鎘新種質(zhì)篩選的難度[8]。

野生稻是現(xiàn)代栽培稻的祖先，是水稻種質(zhì)資源的天然基因庫，在漫長的獨(dú)立進(jìn)化過程中，野生稻經(jīng)受各種災(zāi)害和不良環(huán)境的自然選擇，形成了極其豐富的遺傳多樣性，擁有栽培稻所不具有的或已消失的許多優(yōu)良遺傳基因。研究表明，從野生稻中發(fā)掘新耐性基因的幾率是現(xiàn)代栽培稻的50倍[9]。

本試驗(yàn)在鎘污染稻田種植120 份元江普通野生稻滲入系材料，通過測定各材料籽粒的鎘含量，篩選出鎘低積累和高富集的稻種資源，并分析元江普通野生稻滲入系后代籽粒鎘含量與田間主要農(nóng)藝性狀之間的相關(guān)性，探討能否通過田間農(nóng)藝性狀初步判斷滲入系株系籽粒鎘含量。本研究不僅可拓寬水稻在鎘吸收富集方面的遺傳背景，還可為低鎘品種的選育和水稻鎘積累機(jī)理的研究提供種質(zhì)材料。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及地點(diǎn)

選取元江普通野生稻BC3F4群體中表型差異的120 份滲入系株系作為試驗(yàn)材料，將其種植于鎘污染的農(nóng)田。該群體是以元江普通野生稻為母本，合系35 為父本，通過雜交、胚挽救、回交等方法形成的研究群體材料。120份滲入系株系包括秈稻78份，粳稻30份，彩色稻12份（包括紅米、紫米、黑米等）。

試驗(yàn)地位于滇南某鎘污染水稻主產(chǎn)區(qū)，該地土壤為水稻土，依照網(wǎng)格布點(diǎn)法采集土樣，測得的土壤基本性質(zhì)如表1所示。

表1 供試土壤的基本性質(zhì)Table1 Basic properties of the tested soil

1.2 田間試驗(yàn)方法

供試材料于2019 年3 月育秧并移栽于鎘污染的稻田內(nèi)。120 份株系材料按照水稻田間育種的方法安排試驗(yàn)，即每份株系材料捆成3份，120份材料作為一組，共分為3 組。每組采用隨機(jī)區(qū)組方式種植，120份材料每份均種植3 行，每行種10 株，株距15 cm，行距20 cm，材料與材料間隔25 cm。每個小區(qū)面積為0.54 m2（135 cm×40 cm）。田間記錄各小區(qū)苗數(shù)、株高、分蘗數(shù)、生育期、產(chǎn)量、生物量等農(nóng)藝性狀數(shù)據(jù)。

1.3 樣品采集與分析

水稻成熟后按小區(qū)單收，測定生物量，經(jīng)脫粒后晾曬烘干測定小區(qū)產(chǎn)量，將各小區(qū)的部分谷粒用礱谷機(jī)脫殼、粉碎機(jī)粉碎后，裝入干凈的10 號自封袋中保存?zhèn)溆?。所有籽粒樣品根?jù)《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中鎘的測定》（GB/T 5009.15—2014）標(biāo)準(zhǔn)測定，樣品用濕式消解法消解后，用石墨爐原子吸收光譜法測定鎘含量，利用大米植物國家標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)GBW10010（GSB-1）和空白樣進(jìn)行分析質(zhì)量控制。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用Microsoft Excel 2007 進(jìn)行均值、標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算和繪圖，利用SPSS 19.0 進(jìn)行方差分析和LSD多重比較，相關(guān)性分析采用皮爾遜（Pearson）相關(guān)系數(shù)法，采用非參數(shù)檢驗(yàn)中K個獨(dú)立樣本檢驗(yàn)不同類型水稻的差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 元江普通野生稻滲入系材料籽粒鎘積累的差異性

120 份滲入系材料鎘含量為0.05～3.57 mg·kg-1，最大值是最小值的71.4 倍，差異極顯著，其平均鎘含量為0.31 mg·kg-1。如圖1所示，滲入系材料籽粒鎘含量呈正態(tài)分布，其中14 份材料的鎘積累量＜0.10 mg·kg-1，40 份材料的鎘含量為0.10～0.19 mg·kg-1，25 份材料的鎘含量為0.20～0.29 mg·kg-1，20 份材料的鎘含量為0.30～0.39 mg·kg-1，11 份材料的鎘含量為0.40～0.49 mg·kg-1，7份材料的鎘含量為0.50～0.99 mg·kg-1，3 份材料鎘含量＞1.00 mg·kg-1，鎘含量＜0.10 mg·kg-1的占比11.7%，鎘含量在0.10～0.19 mg·kg-1間的占比33.3%。結(jié)果表明元江普通野生稻滲入系材料籽粒鎘含量多態(tài)性豐富，其中含有大量鎘低積累材料，可作為鎘低積累品種種質(zhì)資源，大部分籽粒鎘含量分布在父母親本籽粒鎘含量的范圍內(nèi)（元江普通野生稻籽粒鎘含量為0.10 mg·kg-1，合光35 籽粒鎘含量為0.42 mg·kg-1），符合雜交組合的遺傳分配定律。

2.2 不同類型滲入系材料鎘積累的差異性

依據(jù)性狀將120 份滲入系材料分為秈稻、粳稻和彩色稻3 種類型，如表2 所示，3 種類型水稻籽粒鎘含量均在種內(nèi)存在顯著差異，其變異系數(shù)較大，3種類型籽粒鎘含量最高值為最低值的75.8 倍。其中彩色稻的籽粒鎘含量與秈稻、粳稻間存在顯著差異（P＜0.05）；秈稻與粳稻間籽粒鎘含量不存在顯著差異。

表2 不同類型滲入系材料籽粒鎘含量Table2 Variations of Cd content in grain within 3 types of rice

2.3 滲入系籽粒鎘含量與農(nóng)藝性狀的相關(guān)性

籽粒鎘含量與滲入系株系農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析結(jié)果表明，株高、分蘗數(shù)、生物量及生育期等性狀與籽粒鎘含量均無相關(guān)性。如圖2 所示，籽粒鎘含量與水稻產(chǎn)量、結(jié)實(shí)率之間存在極顯著正相關(guān)性（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)分別為0.666和0.646。

對3 種類型滲入系株系進(jìn)行籽粒鎘含量與水稻產(chǎn)量、結(jié)實(shí)率的相關(guān)性分析：有色稻的籽粒鎘含量與水稻產(chǎn)量、結(jié)實(shí)率無相關(guān)性，粳稻和秈稻的籽粒鎘含量與水稻產(chǎn)量、結(jié)實(shí)率之間均呈極顯著正相關(guān)（圖3、圖4）。因此，可將產(chǎn)量和結(jié)實(shí)率作為篩選滲入系株系籽粒鎘含量的田間性狀。

對低鎘株系（籽粒鎘含量＜0.2 mg·kg-1）進(jìn)行產(chǎn)量和結(jié)實(shí)率的相關(guān)分析，如圖5 所示，產(chǎn)量與結(jié)實(shí)率呈極顯著正相關(guān)（r=0.511，P＜0.01）。這表明結(jié)實(shí)率是影響產(chǎn)量的主要因素之一。

3 討論

低鎘水稻品種選育的關(guān)鍵是挖掘與鎘累積相關(guān)的基因。不同水稻品種對鎘的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和分配的差異，本質(zhì)是基因不同導(dǎo)致的[10]。水稻根系通過Nrapm5、Nramp1等基因吸收土壤鎘[11-15]，HMA2、HMA3等基因參與鎘從根部到地上部的運(yùn)輸[16]，LCT1等基因?qū)㈡k轉(zhuǎn)運(yùn)到籽粒[17-19]。水稻基因解析了水稻對鎘的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及積累的過程，但依然未在水稻中發(fā)現(xiàn)顯著影響籽粒鎘含量的基因，在硬質(zhì)小麥中已發(fā)現(xiàn)能顯著降低籽粒鎘含量的基因，并加以應(yīng)用[20]。因此應(yīng)進(jìn)一步發(fā)掘水稻中與鎘積累相關(guān)的基因，更好地解析水稻吸收積累鎘的機(jī)制，為水稻低鎘品種選育提供理論依據(jù)。

新種質(zhì)資源引入有利于發(fā)掘到與鎘積累相關(guān)的基因[21-22]。云南土壤鎘背景值（0.218 mg·kg-1）極顯著高于全國水平（0.097 mg·kg-1），元江普通野生稻原生境就位于鎘高背景值區(qū)域范圍內(nèi)[23]。研究表明，元江普通野生稻與現(xiàn)代栽培稻相比具有有益礦質(zhì)元素含量高、有害重金屬含量低等特點(diǎn)[24-25]。研究材料元江普通野生稻滲入系后代群體，它是通過雜交、胚挽救、回交和自交等方法將元江普通野生稻染色體片段滲入到后代株系中，該群體株系遺傳背景相似，但存在不同大片段元江野生稻基因，是進(jìn)行野生稻基因挖掘的優(yōu)良群體材料。本試驗(yàn)通過對120 份滲入系后代籽粒鎘積累量的分析，發(fā)現(xiàn)滲入系后代籽粒鎘含量差異顯著，從中獲得了一批籽粒鎘低積累材料。這表明元江普通野生稻滲入系后代群體對鎘吸收積累方面的遺傳多樣性豐富，可能存在與籽粒鎘低積累相關(guān)的基因，但這還需要進(jìn)一步研究。

利用基因的連鎖遺傳來尋找與鎘相關(guān)的基因。水稻鎘研究難點(diǎn)之一是只能通過測定才能確定籽粒鎘含量，田間很難判斷，尤其在群體材料多時。基因并不是單獨(dú)存在于染色體上，而是和其他基因共同存在于染色體上，因此相鄰基因間存在連鎖遺傳的特性。與鎘積累相關(guān)的基因是和其他基因一起存在于染色體上，若其距離很近則會存在連鎖遺傳，如果能將籽粒鎘含量和其他性狀聯(lián)系起來則可以通過其他性狀間接對鎘積累相關(guān)基因進(jìn)行篩選，從而找到與鎘積累相關(guān)的基因。現(xiàn)有品種是以產(chǎn)量、品質(zhì)等性狀為育種目標(biāo)，通過系統(tǒng)選育方法選育而成，其遺傳背景相似、遺傳多樣性差。同樣育種要求導(dǎo)致其產(chǎn)量等相關(guān)農(nóng)藝性狀趨于一致，因此很難從農(nóng)藝性狀上分辨其差異，也不可能尋找到其與籽粒鎘含量間的關(guān)系。而元江普通野生稻滲入系群體形態(tài)差異性明顯，多保留有野生稻的各種性狀，因此可能存在與籽粒鎘含量有關(guān)系的性狀。由于滲入系群體的選育周期長、世代多、群體材料數(shù)量繁多，而且檢測成本較高，無法完全通過檢測的方法確定籽粒鎘含量。所以通過120 份滲入系材料籽粒鎘含量與田間農(nóng)藝性狀間的相關(guān)性研究，尋找到與籽粒鎘含量相連鎖的基因或者性狀，這有利于與鎘積累相關(guān)的滲入系后代群體的選擇、保存及研究。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)結(jié)實(shí)率、產(chǎn)量與籽粒鎘含量存在極顯著的相關(guān)性，這表明滲入系群體內(nèi)與產(chǎn)量和結(jié)實(shí)率有關(guān)的基因可能也與籽粒對鎘的吸收積累相關(guān)，通過對其進(jìn)行分子水平研究，是否能夠發(fā)現(xiàn)與水稻籽粒鎘積累相關(guān)的基因或者某種連鎖的基因，有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

（1）元江普通野生稻滲入系材料籽粒鎘積累差異極顯著，籽粒鎘含量遺傳多態(tài)性豐富，含有豐富的鎘低積累材料，鎘含量＜0.2 mg·kg-1的有54 份，占比為45%。

（2）元江普通野生稻滲入系籽粒鎘含量與水稻農(nóng)藝性狀中的產(chǎn)量和結(jié)實(shí)率顯著相關(guān)，與株高、分蘗數(shù)、生物量及生育期等性狀不存在相關(guān)性。

（3）元江普通野生稻滲入系后代所形成的3 種類型水稻籽粒鎘含量在秈稻、粳稻間差異不顯著，但二者均與彩色稻的籽粒鎘含量差異顯著。秈稻、粳稻的產(chǎn)量及結(jié)實(shí)率與籽粒鎘含量存在極顯著相關(guān)性。