元江普通野生稻滲入系籽粒鎘評價及與農藝性狀的相關性分析

曾民，曾黎瓊，王玲仙，李娥賢，鐘巧芳，趙白英，郭蓉

（1.云南農業科學院生物技術與種質資源研究所，昆明 650223；2.云南省農業生物技術重點實驗室，昆明 650223；3.云南農業科學院經濟作物研究所，昆明 650205；4.元江縣農村產業發展中心，云南 元江 653300）

2014 年《全國土壤污染狀況調查公報》調查結果顯示，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濟的方法[5]。目前，已從現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代栽培稻，是以產量、品質為育種目標進行選育的，為加快育種進程，除目標性狀外，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，導致鑒定到的與鎘低積累相關的基因相對較少，進一步增加了低鎘新種質篩選的難度[8]。

野生稻是現代栽培稻的祖先，是水稻種質資源的天然基因庫，在漫長的獨立進化過程中，野生稻經受各種災害和不良環境的自然選擇，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良遺傳基因。研究表明，從野生稻中發掘新耐性基因的幾率是現代栽培稻的50倍[9]。

本試驗在鎘污染稻田種植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藝性狀之間的相關性，探討能否通過田間農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理的研究提供種質材料。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及地點

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材料，將其種植于鎘污染的農田。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）。

試驗地位于滇南某鎘污染水稻主產區，該地土壤為水稻土，依照網格布點法采集土樣，測得的土壤基本性質如表1所示。

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

1.2 田間試驗方法

供試材料于2019 年3 月育秧并移栽于鎘污染的稻田內。120 份株系材料按照水稻田間育種的方法安排試驗，即每份株系材料捆成3份，120份材料作為一組，共分為3 組。每組采用隨機區組方式種植，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。每個小區面積為0.54 m2（135 cm×40 cm）。田間記錄各小區苗數、株高、分蘗數、生育期、產量、生物量等農藝性狀數據。

1.3 樣品采集與分析

水稻成熟后按小區單收，測定生物量，經脫粒后晾曬烘干測定小區產量，將各小區的部分谷粒用礱谷機脫殼、粉碎機粉碎后，裝入干凈的10 號自封袋中保存備用。所有籽粒樣品根據《食品安全國家標準食品中鎘的測定》（GB/T 5009.15—2014）標準測定，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準參比物質GBW10010（GSB-1）和空白樣進行分析質量控制。

1.4 數據處理與統計分析

試驗數據利用Microsoft Excel 2007 進行均值、標準差計算和繪圖，利用SPSS 19.0 進行方差分析和LSD多重比較，相關性分析采用皮爾遜（Pearson）相關系數法，采用非參數檢驗中K個獨立樣本檢驗不同類型水稻的差異性。

2 結果與分析

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%。結果表明元江普通野生稻滲入系材料籽粒鎘含量多態性豐富，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（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存在顯著差異，其變異系數較大，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藝性狀的相關性

籽粒鎘含量與滲入系株系農藝性狀的相關性分析結果表明，株高、分蘗數、生物量及生育期等性狀與籽粒鎘含量均無相關性。如圖2 所示，籽粒鎘含量與水稻產量、結實率之間存在極顯著正相關性（P＜0.01），相關系數分別為0.666和0.646。

對3 種類型滲入系株系進行籽粒鎘含量與水稻產量、結實率的相關性分析：有色稻的籽粒鎘含量與水稻產量、結實率無相關性，粳稻和秈稻的籽粒鎘含量與水稻產量、結實率之間均呈極顯著正相關（圖3、圖4）。因此，可將產量和結實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）進行產量和結實率的相關分析，如圖5 所示，產量與結實率呈極顯著正相關（r=0.511，P＜0.01）。這表明結實率是影響產量的主要因素之一。

3 討論

低鎘水稻品種選育的關鍵是挖掘與鎘累積相關的基因。不同水稻品種對鎘的吸收、轉運和分配的差異，本質是基因不同導致的[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輸[16]，LCT1等基因將鎘轉運到籽粒[17-19]。水稻基因解析了水稻對鎘的吸收、轉運及積累的過程，但依然未在水稻中發現顯著影響籽粒鎘含量的基因，在硬質小麥中已發現能顯著降低籽粒鎘含量的基因，并加以應用[20]。因此應進一步發掘水稻中與鎘積累相關的基因，更好地解析水稻吸收積累鎘的機制，為水稻低鎘品種選育提供理論依據。

新種質資源引入有利于發掘到與鎘積累相關的基因[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域范圍內[23]。研究表明，元江普通野生稻與現代栽培稻相比具有有益礦質元素含量高、有害重金屬含量低等特點[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，是進行野生稻基因挖掘的優良群體材料。本試驗通過對120 份滲入系后代籽粒鎘積累量的分析，發現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的基因，但這還需要進一步研究。

利用基因的連鎖遺傳來尋找與鎘相關的基因。水稻鎘研究難點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系起來則可以通過其他性狀間接對鎘積累相關基因進行篩選，從而找到與鎘積累相關的基因。現有品種是以產量、品質等性狀為育種目標，通過系統選育方法選育而成，其遺傳背景相似、遺傳多樣性差。同樣育種要求導致其產量等相關農藝性狀趨于一致，因此很難從農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系。而元江普通野生稻滲入系群體形態差異性明顯，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藝性狀間的相關性研究，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的滲入系后代群體的選擇、保存及研究。試驗發現結實率、產量與籽粒鎘含量存在極顯著的相關性，這表明滲入系群體內與產量和結實率有關的基因可能也與籽粒對鎘的吸收積累相關，通過對其進行分子水平研究，是否能夠發現與水稻籽粒鎘積累相關的基因或者某種連鎖的基因，有待進一步研究。

4 結論

（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藝性狀中的產量和結實率顯著相關，與株高、分蘗數、生物量及生育期等性狀不存在相關性。

（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、粳稻的產量及結實率與籽粒鎘含量存在極顯著相關性。