用AMMI雙標圖分析早稻稻米鎘含量的基因型與環境互作效應

滕振寧，張玉燭，方寶華，劉洋，何洋，楊堅，何小娥

1.湖南省水稻研究所，湖南 長沙 410125；2.湖南農業大學農學院，湖南 長沙 410128

?

用AMMI雙標圖分析早稻稻米鎘含量的基因型與環境互作效應

滕振寧1，2，張玉燭1*，方寶華1，劉洋1，2，何洋1，2，楊堅1，2，何小娥1，2

1.湖南省水稻研究所，湖南 長沙 410125；2.湖南農業大學農學院，湖南 長沙 410128

摘要：以湖南省廣泛種植的31個早稻品種為基因型材料，在湖南省不同程度污染區選擇15個試驗點進行盆栽試驗，利用AMMI模型（主效可加互作可乘模型）研究基因型與環境互作效應對稻米鎘積累量及其穩定性的影響，以期篩選出具有低鎘積累和環境適應性水稻品種。結果表明，早稻稻米鎘含量受到基因、環境及兩者交互作用的影響，環境及基因與環境的互作效應對早稻稻米鎘含量有主導作用，變異平方和分別占總處理平方和的75.5%和21.7%；篩選出的V23（株兩優706）、V29（湘早秈45號）、V20（兩優早17）、V04（株兩優15）4個早稻品種，屬于稻米中Cd積累量較低且遺傳穩定性好的基因型，適合一般污染區大面積種植；通過選擇基因型與其有負向交互作用的地點組合可有效降低稻米鎘含量；利用AMMI模型分析多品種、多點低鎘品種篩選試驗，對評價、培育、篩選、推廣作物品種有指導意義。

關鍵詞：水稻；鎘；基因型與環境；AMMI模型

引用格式：滕振寧，張玉燭，方寶華，劉洋，何洋，楊堅，何小娥.用AMMI雙標圖分析早稻稻米鎘含量的基因型與環境互作效應［J］.生態環境學報，2016，25（4）:692-697.

TENG Zhenning，ZHANG Yuzhu，FANG Baohua，LIU Yang，HE Yang，YANG Jian，HE Xiaoe.AMMI-Biplot Analysis of Genotypic and Environmental Effects on Cadmium Content in Early Rice ［J］.Ecology and Environmental Sciences，2016，25（4）:692-697.

重金屬鎘（Cd）具有遷移性強，在環境中不能降解，同時還具有隱蔽性、滯后性的特點，它可以通過食物鏈危害人體健康（崔玉靜等，2003；肖相芬等，2009）。目前，中國耕地鎘污染嚴重，輕、中度污染土壤面積占有比例大，能否在這類耕地上生產出符合國家標準的稻米是目前亟待解決的問題。研究表明，作物對鎘的吸收和積累存在基因型間的差異（劉雙營等，2010；徐照麗等，2002；曾翔，2006；曾翔等，2006；李坤權等，2003；歐陽喜輝等，2008；江巧君等，2013；賈中民等，2011），篩選低鎘吸收品種為在輕度鎘污染土壤上持續生產質量安全產品提供了有效可行的途徑（代成成，2010；婁偉，2010；溫娜等，2015817-823）。

有研究表明，水稻稻米鎘含量不僅受到基因型影響，也受環境及兩者的交互作用影響（伍鈞等，2011；溫娜等，2015817-823；程旺大等，2006）。目前有關水稻基因型與環境互作效應對重金屬吸收的影響機理尚不清楚，而且相關研究的基因型、環境單一，很難反映水稻基因型、環境對稻米鎘含量的影響。本研究以湖南省審定通過的31個早稻品種為基因型材料，在湖南省不同程度污染區選擇15個試驗點進行盆栽試驗，通過AMMI模型研究基因型與環境互作效應對稻米鎘積累量及其穩定性的影響，試圖解釋基因型與環境互作的復雜機制，以期篩選具有低鎘積累和環境適應性水稻品種并為品種選育提供依據。

1　材料與方法

1.1試驗材料

選擇湖南省早稻大面積種植的早稻品種31個，由品種所有公司提供。

1.2試驗方法

根據土壤鎘含量，在湖南省選擇15個試驗點，分別代表15個濃度梯度，土壤來自各地區稻田自然土壤，從輕微污染區的0.35 mg·kg-1至重度污染區的4.61 mg·kg-1。采用盆栽土培試驗，盆缽口徑40 cm、底徑30 cm、高45 cm。土壤經過粉碎、過篩后每盆裝土15 kg。水稻種子經消毒后，采用小拱地膜保溫濕潤育秧，3月28日左右催芽播種于無污染秧田，秧齡30天移栽，每盆栽植4穴，每穴1苗，每處理設置4盆重復。全生育期淹水1～4 cm。施肥按每畝2萬兜、基肥每畝25%含量的復合肥50 kg、追肥每畝尿素8 kg、鉀肥7 kg為比例分盆稱量、施入、充分混勻土壤，確保不同盆內土壤肥力一致。病蟲草及鼠雀害按常規方法防治。水稻90%谷粒變黃時收獲，每品種4次重復單獨收割（3次重復用于鎘含量檢測，1次重復留樣備查），同時取土樣1 kg，對土壤和稻米鎘含量進行檢測。

1.3樣品分析

土壤全鎘及糙米鎘含量委托湖南省水稻研究所稻米及制品檢測中心檢測，稻谷風干后出糙、磨樣、過100目篩備用，稱取0.2 g樣品，采用體積比為4∶1的HNO3-HClO4對樣品進行消化，用石墨爐原子吸收法測定鎘含量。采用NY/T 1377─2007及GB/T 23739─2009標準測定土壤pH及有效鎘含量。

1.4AMMI模型統計分析及參數設定

AMMI模型將方差分析和主成分分析結合在一個模型，同時具有可加和可乘分量的數學模型，模型表達如下：

式中，yijk表示第i個基因型在第j個試點環境的第k次重復的Cd含量；u為總體Cd含量平均值；是第i個基因型的主效應；βj是第j個試點環境的主效應；λs是第s個交互效應主成分軸（IPCA）的特征值；γis是第s個主成分的基因型得分；δjs是第s個主成分的環境得分；N是模型主成分分析中主成分因子軸的總個數；ρij為殘差；為試驗誤差。

穩定性參數計算如下：

式中，N為顯著的IPCA個數；λis是第i個基因型在第s個IPCA上的得分。Di值越小，品種越穩定，Di值越大表示試點對品種差異的判別力越強。

1.5數據分析

一般數據統計采用Excel 2007軟件，模型數據分析利用DPS數據處理系統，采用Origin 8.0軟件作圖。

2　結果與分析

2.1不同試點早稻稻米鎘含量的變化

由表1可以看出，15個試驗點土壤pH值為4.7～7.7，土壤全鎘含量為0.5～4.61 mg·kg-1，有效鎘含量為0.24～1.56 mg·kg-1，試驗點土壤涵蓋了不同酸堿度、不同鎘污染程度土壤。

表1　不同試點對早稻稻米Cd含量的影響Table 1 Effect of different site on early rice Cd content

根據食品安全國家標準（GB2762─2012）和土壤環境質量標準（GB15618─1995），稻米和農田土壤中Cd的限量指標分別為0.2和0.3 mg·kg-1（pH＜6.5）、0.6 mg·kg-1（6.5＜pH＜7.5）、1.0 mg·kg-1（pH＞7.5）。由表1可知，在15個不同酸堿度及鎘含量土壤環境下，只有6個試驗點（H02、H03、H04、H06、H08、H15）出現稻米鎘含量超標現象，供試的31個早稻品種中，鎘含量超過國家標準的分別占93.55%、80.65%、19.35%、100%、6.45%、3.23%。6個鎘超標試點中僅有3個試點（H02、H03、H06）稻米鎘含量超過FAO/WHO規定的稻米鎘含量最大標準限量0.4 mg·kg-1，稻米鎘含量超標率分別為70.97%、25.81%、38.71%。在土壤偏堿性的試點（H12、H13、H14），土壤鎘含量雖超標，但其生產出的稻米卻合格。而在土壤鎘含量相對較低的試驗點（H2、H4），卻生產出一定比例Cd超標的稻米。

2.2早稻稻米鎘積累能力的AMMI模型分析

AMMI模型分析結果（表2）表明，基因型、環境及二者的互作對稻米Cd積累量均有顯著影響。早稻稻米鎘積累量在不同品種和地點間均達到極顯著水平（P＜0.01），其中地點和交互作用對早稻稻米鎘含量的變異平方和分別占處理平方和的75.5% 和21.7%，表明環境對早稻稻米鎘含量的影響大于基因型和交互作用。

表2　早稻稻米Cd積累量的AMMI分析結果Table 2 Results of AMMI analysis for Cd accumulation in early rice grain

圖1　早稻稻米Cd積累量的AMMI1雙標圖Fig.1 AMMI1 biplot of Cd accumulation in early rice

2.3早稻稻米鎘積累量的基因型與環境變異分析

雙標圖能直觀地反應品種與地點的交互作用，是分析基因和環境交互作用的有效工具。AMM1雙標圖橫軸表示稻米的平均鎘積累量，縱坐標表示品種與環境的交互效應（IPCA1），從水平方向上看，品種和環境（地點）的分散程度能夠表明相應的主效應。在垂直方向上，IPCA1絕對值越小，說明品種與環境互作效應越小，也就是品種越穩定。以IPCA1=0作平行線，品種與地點在同一側表示兩者具有正交互作用，反之則為負交互作用。

從圖1可以看出，早稻地點在水平方向的分散程度大于品種間的分散程度，表明地點間的變異大于品種間的變異。品種V03、V01、V14、V4和V22在各試點平均稻米鎘含量較低，分別為0.109、0.113、0.121、0.124和0.124 mg·kg-1，但這5個品種受環境影響較大。品種V20、V29、V23在各試點平均稻米鎘含量較低，且環境穩定性好，屬于較理想的穩定低鎘品種。品種V24和V2的鎘含量較高，稻米鎘含量分別為0.231和0.217 mg·kg-1，且該品種與環境的互作效應明顯，環境穩定性差。品種V16和V30稻米鎘含量相近，分別為0.206和0.204 mg·kg-1，但IPCA1值不同，表明這兩個品種在各地的表現有差異，其中V16表現最穩定。以IPC1=0作平行線，品種和地點被分為兩部分，表明不同品種與地點間的交互作用有差異。

圖2是以品種、地點的IPCA1和IPCA2為橫縱坐標繪制的雙標圖，圖中越靠近坐標原點的品種穩定性越好。此外，品種在地點與原點連線上的垂直投影到原點的距離表示這個品種與該地點交互作用的大小，連線越長交互作用越大，反之交互作用越小，若投影落在連線的反向延長線上則表示交互作用為負向。

從圖2分析可知，品種V27、V23、V29、V20、V28距離坐標原點較近，表明這5個品種的稻米鎘含量比較穩定，其中品種V23、V29、V20在各試點的平均稻米鎘含量較低，但由于品種與環境存在交互作用，在污染嚴重的H2、H6、H3地點要慎重選擇，例如H2試驗點適宜種植品種V29和V20，但不適宜種植品種V23，因為該品種在H2試驗點的稻米鎘積累量有較大的正向交互作用，在該地種植V23有增加稻米鎘含量的危險。

2.4早稻稻米鎘積累的穩定性

利用AMMI模型的主成分軸IPCA計算出的各品種穩定性參數Di值，可以定量的描述31個早稻品種的穩定性，穩定性參數見表3。

早稻品種稻米鎘積累量穩定性較好的品種依次為：V27、V23、V26、V29、V13、V20、V28、V31、V12、V04，綜合各品種的Cd積累量，可以認為：V23、V29、V20、V04屬于稻米中Cd積累量較低且遺傳穩定性好的基因型，適合于一般污染區大面積種植；V26和V12的稻米Cd積累量較高，且遺傳穩定，屬于穩定高積累品種，不適合在輕微度和輕度污染區種植；V03、V01、V14、V22、V06、V10的稻米Cd積累量較低，但遺傳穩定性相對較差，可以根據它們與各試驗點互作效應確定適宜的種植范圍。品種V30、V16、V02、V24在各試驗點的平均稻米鎘含量都超過0.2 mg·kg-1，且環境變異較大，不適宜在污染田塊推廣種植。

3　討論

水稻對重金屬的吸收和積累存在基因型差異，同時也受環境影響，即基因型與環境因子共同影響水稻籽粒的重金屬含量。僅根據土壤全鎘含量來劃分土壤安全區和污染區不能完全保證稻米鎘含量的安全性，在土壤全鎘含量很高的污染區也可生產出安全可食用的稻米，在土壤低鎘污染情況下也有一定比例的稻米鎘含量超標，這與溫娜等（2015）817-823、彭華等（2013）的結果基本一致。本試驗中稻米鎘含量超標的試點主要是酸性土壤或土壤偏中性且鎘含量較高的土壤，土壤偏堿性情況下，土壤鎘含量偏高也一般不會造成稻米鎘含量超標，這是由土壤類型、pH值、Cd的有效性及土壤微生物等多種因素共同造成的（周小梅等，2014；廉梅花等，2015；成顏君等，2008；杭小帥等，2009；林大松等，2007；王京文等，2015；黃爽等，2010）。

圖2　早稻稻米Cd積累量的AMMI2雙標圖Fig.2 AMMI2 biplot of Cd accumulation in early rice

本研究通過AMMI模型分析表明，基因型、環境及二者的互作對早稻稻米Cd積累量均有極顯著影響，進一步證實通過篩選和培育低鎘吸收品種從而減少稻米鎘含量的可行性，其中環境及兩者的互作效應是早稻稻米鎘積累的主導因素。在稻米鎘含量不超標區域，品種選擇對稻米鎘含量的影響較大，而在鎘含量超標區域，品種選擇作用較小（Makino et al.，2004）。因此，水稻生產不但要考慮品種差異，同時還應考慮地點環境差異，選擇某水稻品種在與其有負向交互作用的地點種植可有效降低稻米鎘含量。

表3　早稻稻米Cd積累量及穩定性參數Table 3 Stability parameter of Cd accumulation in early rice grain

中國重金屬污染嚴重，在污染的農田上收獲的產品重金屬含量往往超過國家標準的幾倍甚至是幾十倍，篩選低重金屬積累品種來減少作物對重金屬的吸收是非常必要的。本研究篩選出V23、V29、V20、V04 4個早稻品種，屬于稻米中Cd積累量較低且遺傳穩定性好的基因型，在一般鎘污染區推廣種植，有助于降低稻米鎘含量。

4　結論

（1）早稻稻米鎘含量受到基因、環境及兩者交互作用的影響，環境及基因與環境的互作效應對早稻稻米鎘含量有主導作用。因地制宜，通過選擇基因型與其有負向交互作用的地點組合可有效降低稻米鎘含量。

（2）篩選出的4個早稻品種，屬于稻米中Cd積累量較低且遺傳穩定性好的基因型，適合一般污染區大面積種植。

（3）利用AMMI模型分析多品種、多點低鎘品種篩選試驗，對評價、培育、篩選、推廣作物品種有指導意義。

致謝：本文引用了2015年湖南省早稻低鎘品種篩選試驗部分數據，對參加品種篩選試驗的工作人員的辛勤勞動，致以謝意！

參考文獻：

MAKINO T，LUO Y M，WU L H，et al.2010.Heavy metal pollution of soil andrisk alleviation methods based on soil chemistry ［J］.Pedologist，53（3）:38-49.

曾翔，張玉燭，王凱榮，等.2006.不同品種水稻糙米含鎘量差異［J］.生態與農村環境學報，22（1）:67-69.

曾翔.2006.水稻鎘積累和耐性機理及其品種間差異研究［D］.湖南:湖南農業大學.

成顏君，龔偉群，李戀卿，等.2008.2種雜交水稻對2種不同土壤中Cd吸收與分配的比較［J］.農業環境科學學報，27（5）:1895-1900.

程旺大，張國平，姚海根，等.2006.晚粳稻籽粒中As、Cd、Cr、Ni、Pb等重金屬含量的基因型與環境效應及其穩定性［J］.作物學報，32（4）:573-579.

崔玉靜，趙中秋，劉文菊，等.2003.鎘在土壤-植物-人體系統中遷移積累及其影響因子［J］.生態學報，23（10）:2133-2143.

代成成.2010.鎘低積累小白菜品種的篩選［D］.湖北:華中農業大學.

杭小帥，周健民，王火焰.2009.常熟市高風險區水稻籽粒重金屬污染特征及評價［J］.中國環境科學，29（2）:130-135.

黃爽，張仁鐸，張家應，等.2010.pH及含水率對土壤中鎘吸附及遷移規律的影響［C］//農業、生態水安全及寒區水科學——第八屆中國水論壇摘要集，哈爾濱:黑龍江大學:147-153.

賈中民，魏虹，孫曉燦，等.2011.秋華柳和楓楊幼苗對鎘的積累和耐受性［J］.生態學報，31（1）:107-114.

江巧君，周琴，韓亮亮，等.2013.有機肥對鎘脅迫下不同基因型水稻鎘吸收和分配的影響［J］.農業環境科學學報，32（1）:9-14.

李坤權，劉建國，陸小龍，等.2003.水稻不同品種對鎘吸收及分配的差異［J］.農業環境科學學報，22（5）:529-532.

廉梅花，孫麗娜，胡筱敏，等.2015.pH對不同富集能力植物根際土壤溶液中鎘形態的影響［J］.生態學雜志，34（1）:130-137.

林大松，徐應明，孫國紅，等.2007.土壤pH、有機質和含水氧化物對鎘、鉛競爭吸附的影響［J］.農業環境科學學報，26（2）:510-515.

劉雙營，李彥娥，趙秀蘭.2010.不同品種煙草鎘吸收的動力學研究［J］.中國農學通報，26（5）:257-261.

婁偉.2010.鎘鉛低累積蘿卜、胡蘿卜、茄子品種篩選及蘿卜鎘累積規律研究［D］.湖北:華中農業大學.

歐陽喜輝，趙玉杰，劉鳳枝，等.2008.不同種類蔬菜對土壤鎘吸收能力的研究［J］.農業環境科學學報，27（1）:67-70.

彭華，戴金鵬，紀雄輝，等.2013.稻田土壤與稻米中的鎘含量關系初探［J］.湖南農業科學，（7）:68-72.

王京文，李丹，柳俊，等.2015.耐鎘菌株對土壤鎘形態及土壤微生物群落結構的影響［J］.農業環境科學學報，34（9）:1693-1699.

溫娜，王景安，劉仲齊.2015.利用AMMI模型分析稻米鎘含量的基因型與環境互作效應［J］.農業環境科學學報，34（5）:817-823.

伍鈞，吳傳星，孟曉霞，等.2011.重金屬低積累玉米品種的穩定性和環境適應性分析［J］.農業環境科學學報，30（11）:2160-2167.

肖相芬，張經廷，周麗麗，等.2009.中國水稻重金屬鎘與鉛污染GAP栽培控制關鍵點分析［J］.中國農學通報，25（21）:130-136.

徐照麗，吳啟堂，依艷麗.2002.不同品種菜心對鎘抗性的研究［J］.生態學報，22（4）:571-576.

周小梅，趙運林，董萌，等.2014.鎘耐性促生細菌對洞庭湖鎘污染土壤微生物和酶活性的影響［J］.土壤通報，45（6）:1390-1395.

AMMI-Biplot Analysis of Genotypic and Environmental Effects on Cadmium Content in Early Rice

TENG Zhenning1，2，ZHANG Yuzhu1*，FANG Baohua1，LIU Yang1，2，HE Yang1，2，YANG Jian1，2，HE Xiaoe1，2
1.Hunan Rice Research Institute，Changsha 410125，China； 2.Hunan Agriculture university，Changsha 410125，China

Abstract：In this study，31 early rice cultivars，widely planted in Hunan Province，were selscted as genotype materials and were planted at 15 test sites of different degrees of pollution zone in Hunan Province by pot cultured.The AMMI model（additive main effects and multiplicative interaction model） was used to study the genotype and environment interactive effects on Cd content and stability in early rice，in order to get the low and stable Cd content rice varieties.The results showed that Cd content in early rice was influenced by genetype、environment and their interaction effect，environment and the interaction between genetype and environment had dominant effects on Cd content in early rice，with the variances accounting for 75.5% and 21.7% of total variance，respectively；V23（Zhuliangyou 706），V29（Xiangzaoxian 45），V20（Liangyouzao 17），V04（Zhuliangyou 15） four early rice varieties，which grain Cd content is low and stable，it can be widely planted in slight pollution soil； It can effectively reduce the cadmium content in Rice by selecting the genotype and its negative interaction sites； It has guidance significance by AMMI model to analyse multi variety and multi point test to evaluation，training，selection，promotion of crop varieties.

Key words：rice； cadmium； genotype and environment； AMMI model

DOI：10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.04.020

中圖分類號：X171.5

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5906（2016）04-0692-06

基金項目：湖南省科技重大專項（2011FJ1002）；湖南省重金屬污染耕地修復及農作物種植結構調整試點項目

作者簡介：滕振寧（1991年生），男，碩士研究生，從事水稻綠色栽培及生理生態研究。E-mail:sailingtzn@163.com

*通信作者。張玉燭，E-mail:yuzhuzhang@hotmail.com

收稿日期：2016-04-05