元江普通野生稻渗入系籽粒镉评价及与农艺性状的相关性分析

时间：2024-05-24

曾民，曾黎琼，王玲仙，李娥贤，钟巧芳，赵白英，郭蓉

（1.云南农业科学院生物技术与种质资源研究所，昆明 650223；2.云南省农业生物技术重点实验室，昆明 650223；3.云南农业科学院经济作物研究所，昆明 650205；4.元江县农村产业发展中心，云南元江 653300）

2014 年《全国土壤污染状况调查公报》调查结果显示，我国约2.0×107hm2耕地受到重金属的污染，占总耕地面积的19.4%，其中镉（Cd）污染位列第一[1]。水稻是我国第一大粮食作物，我国有2/3 的人口以水稻为主食，与其他作物相比，水稻具有大量吸收积累镉的特性[2]，因此稻米安全成为事关粮食安全的重要课题[3]。研究表明，不同水稻品种对镉的吸收和富集存在明显的品种间遗传差异[4]。因此筛选镉低积累水稻资源，培育低镉品种是解决水稻镉污染问题最直接且最经济的方法[5]。目前，已从现有品种中筛选出多份镉低积累品种[6-7]，但这些品种多属于现代栽培稻，是以产量、品质为育种目标进行选育的，为加快育种进程，除目标性状外，会选择其他性状均相对一致的材料作为其亲本，这将造成其后代遗传背景相对狭窄，导致鉴定到的与镉低积累相关的基因相对较少，进一步增加了低镉新种质筛选的难度[8]。

野生稻是现代栽培稻的祖先，是水稻种质资源的天然基因库，在漫长的独立进化过程中，野生稻经受各种灾害和不良环境的自然选择，形成了极其丰富的遗传多样性，拥有栽培稻所不具有的或已消失的许多优良遗传基因。研究表明，从野生稻中发掘新耐性基因的几率是现代栽培稻的50倍[9]。

本试验在镉污染稻田种植120 份元江普通野生稻渗入系材料，通过测定各材料籽粒的镉含量，筛选出镉低积累和高富集的稻种资源，并分析元江普通野生稻渗入系后代籽粒镉含量与田间主要农艺性状之间的相关性，探讨能否通过田间农艺性状初步判断渗入系株系籽粒镉含量。本研究不仅可拓宽水稻在镉吸收富集方面的遗传背景，还可为低镉品种的选育和水稻镉积累机理的研究提供种质材料。

1 材料与方法

1.1 试验材料及地点

选取元江普通野生稻BC3F4群体中表型差异的120 份渗入系株系作为试验材料，将其种植于镉污染的农田。该群体是以元江普通野生稻为母本，合系35 为父本，通过杂交、胚挽救、回交等方法形成的研究群体材料。120份渗入系株系包括籼稻78份，粳稻30份，彩色稻12份（包括红米、紫米、黑米等）。

试验地位于滇南某镉污染水稻主产区，该地土壤为水稻土，依照网格布点法采集土样，测得的土壤基本性质如表1所示。

表1 供试土壤的基本性质Table1 Basic properties of the tested soil

1.2 田间试验方法

供试材料于2019 年3 月育秧并移栽于镉污染的稻田内。120 份株系材料按照水稻田间育种的方法安排试验，即每份株系材料捆成3份，120份材料作为一组，共分为3 组。每组采用随机区组方式种植，120份材料每份均种植3 行，每行种10 株，株距15 cm，行距20 cm，材料与材料间隔25 cm。每个小区面积为0.54 m2（135 cm×40 cm）。田间记录各小区苗数、株高、分蘖数、生育期、产量、生物量等农艺性状数据。

1.3 样品采集与分析

水稻成熟后按小区单收，测定生物量，经脱粒后晾晒烘干测定小区产量，将各小区的部分谷粒用砻谷机脱壳、粉碎机粉碎后，装入干净的10 号自封袋中保存备用。所有籽粒样品根据《食品安全国家标准食品中镉的测定》（GB/T 5009.15—2014）标准测定，样品用湿式消解法消解后，用石墨炉原子吸收光谱法测定镉含量，利用大米植物国家标准参比物质GBW10010（GSB-1）和空白样进行分析质量控制。

1.4 数据处理与统计分析

试验数据利用Microsoft Excel 2007 进行均值、标准差计算和绘图，利用SPSS 19.0 进行方差分析和LSD多重比较，相关性分析采用皮尔逊（Pearson）相关系数法，采用非参数检验中K个独立样本检验不同类型水稻的差异性。

2 结果与分析

2.1 元江普通野生稻渗入系材料籽粒镉积累的差异性

120 份渗入系材料镉含量为0.05～3.57 mg·kg-1，最大值是最小值的71.4 倍，差异极显著，其平均镉含量为0.31 mg·kg-1。如图1所示，渗入系材料籽粒镉含量呈正态分布，其中14 份材料的镉积累量＜0.10 mg·kg-1，40 份材料的镉含量为0.10～0.19 mg·kg-1，25 份材料的镉含量为0.20～0.29 mg·kg-1，20 份材料的镉含量为0.30～0.39 mg·kg-1，11 份材料的镉含量为0.40～0.49 mg·kg-1，7份材料的镉含量为0.50～0.99 mg·kg-1，3 份材料镉含量＞1.00 mg·kg-1，镉含量＜0.10 mg·kg-1的占比11.7%，镉含量在0.10～0.19 mg·kg-1间的占比33.3%。结果表明元江普通野生稻渗入系材料籽粒镉含量多态性丰富，其中含有大量镉低积累材料，可作为镉低积累品种种质资源，大部分籽粒镉含量分布在父母亲本籽粒镉含量的范围内（元江普通野生稻籽粒镉含量为0.10 mg·kg-1，合光35 籽粒镉含量为0.42 mg·kg-1），符合杂交组合的遗传分配定律。

2.2 不同类型渗入系材料镉积累的差异性

依据性状将120 份渗入系材料分为籼稻、粳稻和彩色稻3 种类型，如表2 所示，3 种类型水稻籽粒镉含量均在种内存在显著差异，其变异系数较大，3种类型籽粒镉含量最高值为最低值的75.8 倍。其中彩色稻的籽粒镉含量与籼稻、粳稻间存在显著差异（P＜0.05）；籼稻与粳稻间籽粒镉含量不存在显著差异。

表2 不同类型渗入系材料籽粒镉含量Table2 Variations of Cd content in grain within 3 types of rice

2.3 渗入系籽粒镉含量与农艺性状的相关性

籽粒镉含量与渗入系株系农艺性状的相关性分析结果表明，株高、分蘖数、生物量及生育期等性状与籽粒镉含量均无相关性。如图2 所示，籽粒镉含量与水稻产量、结实率之间存在极显著正相关性（P＜0.01），相关系数分别为0.666和0.646。

对3 种类型渗入系株系进行籽粒镉含量与水稻产量、结实率的相关性分析：有色稻的籽粒镉含量与水稻产量、结实率无相关性，粳稻和籼稻的籽粒镉含量与水稻产量、结实率之间均呈极显著正相关（图3、图4）。因此，可将产量和结实率作为筛选渗入系株系籽粒镉含量的田间性状。

对低镉株系（籽粒镉含量＜0.2 mg·kg-1）进行产量和结实率的相关分析，如图5 所示，产量与结实率呈极显著正相关（r=0.511，P＜0.01）。这表明结实率是影响产量的主要因素之一。

3 讨论

低镉水稻品种选育的关键是挖掘与镉累积相关的基因。不同水稻品种对镉的吸收、转运和分配的差异，本质是基因不同导致的[10]。水稻根系通过Nrapm5、Nramp1等基因吸收土壤镉[11-15]，HMA2、HMA3等基因参与镉从根部到地上部的运输[16]，LCT1等基因将镉转运到籽粒[17-19]。水稻基因解析了水稻对镉的吸收、转运及积累的过程，但依然未在水稻中发现显著影响籽粒镉含量的基因，在硬质小麦中已发现能显著降低籽粒镉含量的基因，并加以应用[20]。因此应进一步发掘水稻中与镉积累相关的基因，更好地解析水稻吸收积累镉的机制，为水稻低镉品种选育提供理论依据。

新种质资源引入有利于发掘到与镉积累相关的基因[21-22]。云南土壤镉背景值（0.218 mg·kg-1）极显著高于全国水平（0.097 mg·kg-1），元江普通野生稻原生境就位于镉高背景值区域范围内[23]。研究表明，元江普通野生稻与现代栽培稻相比具有有益矿质元素含量高、有害重金属含量低等特点[24-25]。研究材料元江普通野生稻渗入系后代群体，它是通过杂交、胚挽救、回交和自交等方法将元江普通野生稻染色体片段渗入到后代株系中，该群体株系遗传背景相似，但存在不同大片段元江野生稻基因，是进行野生稻基因挖掘的优良群体材料。本试验通过对120 份渗入系后代籽粒镉积累量的分析，发现渗入系后代籽粒镉含量差异显著，从中获得了一批籽粒镉低积累材料。这表明元江普通野生稻渗入系后代群体对镉吸收积累方面的遗传多样性丰富，可能存在与籽粒镉低积累相关的基因，但这还需要进一步研究。

利用基因的连锁遗传来寻找与镉相关的基因。水稻镉研究难点之一是只能通过测定才能确定籽粒镉含量，田间很难判断，尤其在群体材料多时。基因并不是单独存在于染色体上，而是和其他基因共同存在于染色体上，因此相邻基因间存在连锁遗传的特性。与镉积累相关的基因是和其他基因一起存在于染色体上，若其距离很近则会存在连锁遗传，如果能将籽粒镉含量和其他性状联系起来则可以通过其他性状间接对镉积累相关基因进行筛选，从而找到与镉积累相关的基因。现有品种是以产量、品质等性状为育种目标，通过系统选育方法选育而成，其遗传背景相似、遗传多样性差。同样育种要求导致其产量等相关农艺性状趋于一致，因此很难从农艺性状上分辨其差异，也不可能寻找到其与籽粒镉含量间的关系。而元江普通野生稻渗入系群体形态差异性明显，多保留有野生稻的各种性状，因此可能存在与籽粒镉含量有关系的性状。由于渗入系群体的选育周期长、世代多、群体材料数量繁多，而且检测成本较高，无法完全通过检测的方法确定籽粒镉含量。所以通过120 份渗入系材料籽粒镉含量与田间农艺性状间的相关性研究，寻找到与籽粒镉含量相连锁的基因或者性状，这有利于与镉积累相关的渗入系后代群体的选择、保存及研究。试验发现结实率、产量与籽粒镉含量存在极显著的相关性，这表明渗入系群体内与产量和结实率有关的基因可能也与籽粒对镉的吸收积累相关，通过对其进行分子水平研究，是否能够发现与水稻籽粒镉积累相关的基因或者某种连锁的基因，有待进一步研究。