不同镉耐性水稻品种资源的筛选

洪 涌, 林金纶, 钟雪萌, 朱胜男, 王玉洁, 肖清铁,2, 郑新宇,2, 林瑞余,2

(1.福建农林大学生命科学学院，福建省农业生态过程与安全监控重点实验室，福建 福州 350002；2.福建农林大学作物生态与分子生理学福建省高校重点实验室，福建 福州 350002)

水稻是我国最重要的粮食作物之一[1]，但镉污染给稻米安全生产带来严重的威胁，防控稻米镉污染成为当前人们研究的热点问题[2].不同水稻品种(系)的镉吸收、积累能力存在显著差异[3]，杨祥田等[4]研究了浙江省主栽的11个单季杂交晚稻和常规晚稻，结果表明糙米的镉含量为：籼型杂交稻>粳型杂交稻>常规籼稻>常规粳稻.仲维功等[5]分析了43个水稻品种不同器官的镉含量，发现镉吸收能力高低为：常规籼稻>杂交籼稻>常规粳稻.He et al[6]的研究也表明籼稻的镉积累能力显著高于粳稻.龙小林等[7]通过研究镉胁迫下籼稻和粳稻的镉的吸收特性，认为在轻、中度污染的地区，通过品种选育可以显著降低水稻籽粒中的镉含量.因此，筛选高镉耐性、低镉积累的水稻品种被认为是解决稻米镉污染问题的有效途径之一[8-9].张锡州等[8]通过水培液加镉法，根据耐性指数和镉含量差异，经聚类后筛选得到15个高镉耐性的低镉积累水稻种质资源，包括“泸恢 602”、“泸恢 615”、“泸恢 17”等13个恢复系和2个保持系“玉香 B”、“D62B”.滕振宁等[10]在2015年湖南省低镉水稻筛选试验的基础上，进一步通过盆栽试验，得到了低镉积累性状稳定性较好的“两优早 17”和“株两优 706”.夏芳等[11]分析了轻、中、重度镉胁迫下8个水稻品种(系)的萌发和生长性状间的相关性，并通过聚类分析验证了水稻萌发、生长与镉耐性关联性.孟桂元等[12]通过种子发芽率、发芽指数、活力指数、发芽指数、胁迫指数等指标，从26个水稻品种中筛选到强耐镉性水稻Y两优1号和Q优1127.孙亚莉等[13]根据不同镉浓度处理下水稻种子的发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数、平均胚根长与胚芽长、幼苗鲜质量与幼苗干质量等指标，从50个水稻品种中筛选出黄华占、复选201选、丰青矮选中粒等16个强耐镉性的品种.这些为水稻镉耐性及镉污染防控研究提供了重要的种质资源.种子萌发和幼苗生长期是植物生命周期的重要阶段，也是对环境胁迫最敏感的时期[14]，所以种子萌发及苗期生长表现是评价作物抗逆性的重要指标[15]；同时，水稻的镉耐性在不同生育期内表现出一致性[16].因此，水稻种子萌发期的镉耐性可用于评价其生长全期的镉耐性[13].为获得我国南方主栽的不同镉耐性水稻品种，本试验收集了一批近年福建、广东、浙江和广西主栽的水稻种质资源，并通过测定镉污染下种子萌发及幼苗生长特性，综合评价不同水稻品种的镉耐性，以期为镉污染下水稻安全生产提供种质资源.

1 材料与方法

1.1 试验材料

供初筛试验的238份水稻材料为课题组采集的浙江、福建、广东、广西省近年的主栽品种，包括籼型常规稻28种、籼型杂交稻201种、粳型常规稻1种、粳型杂交稻4种、籼粳杂交稻4种；初筛得到的24份高低镉耐性水稻品种用于复筛，其中高、低耐性各包括籼型常规稻2种、籼型杂交稻10种.

1.2 水稻镉耐性的筛选

初筛试验：选取籽粒饱满的水稻种子，用0.5% NaClO溶液消毒20 min后，再用无菌水反复冲洗，置于蒸馏水中浸种60 min.种子定植于10孔×10孔海绵板上，然后放在36.5 cm×28.0 cm×5.0 cm的塑料盘中培养.每盘分别加入2 L镉浓度(以Cd2+计)为0(CK)、10、50 mg·L-1的溶液，置于培养室内发芽，温度设置为30 ℃，各处理10次重复.萌发期间，每日定量补充对应浓度的镉溶液，使海绵保持湿润，并观察种子发芽情况.萌发4 d后，记录发芽种子数，计算发芽势(germination potential, GP)和相对发芽势(relative germination potential, RGP)；萌发8 d后，测定种子发芽率(germination rate, GR)、发芽种子的胚根长度(radicle length, RL)、胚芽长度(germ length, GL)、幼苗鲜质量(fresh weight, FW)和干质量(dry weight, DW)，并计算种子活力指数(vigor index, VI)、发芽指数(germination index, GI).

复筛试验：种子的消毒、浸种方法与初筛试验相同，然后将水稻种子均匀摆放于铺有2层滤纸的培养皿内，每皿摆放种子20粒，分别加入5 mL镉浓度为0、5、10、30、50 mg·L-1的溶液，置于30 ℃恒温培养箱内培养，各处理3次重复.萌发期间，每日补充1 mL相应浓度的镉溶液，使滤纸保持湿润，并观察种子发芽情况，相关指标的测定方法与初筛试验相同.

1.3 水稻镉耐性评价

1.4 数据处理与统计分析

采用Microsoft Excel 2016进行数据统计分析与作图，结果以均值±标准差表示；采用IBM SPSS Statistics 21.0软件进行ANOVA和系统聚类分析，利用Duncan′s多重检验法进行数据差异显著性分析，P<0.05.聚类分析选择的指标包括：不同镉浓度下的水稻种子萌发的相对指标(RGP、RGR、RGI、RVI、RGL、RRL、RFW、RDW)及幼苗生长指标(GP、GR、GI、VI、GL、RL、FW、DW).数据标准化处理后，采用Ward(离差平方和法)和Euclidean距离进行系统聚类.

2 结果与分析

2.1 幼苗生长对镉处理的响应

不同品种水稻种子的GR、GP、GI、DW平均值随着镉处理浓度升高呈先升后降的趋势，VI、RL、GL、FW平均值随镉处理浓度的升高而下降.10 mg·L-1镉处理水稻的GR、GP、GI、FW、DW与对照无显著差异，但VI、RL、GL显著低于对照组；50 mg·L-1镉处理水稻种子的各发芽指标均显著低于对照(表1).说明不同品种水稻在种子萌发阶段均具有一定的镉耐性，但萌发种子的活力、生长发育明显受到镉污染抑制，高浓度的镉污染可显著抑制水稻的萌发与生长发育.

表1 不同浓度镉处理对不同水稻种子萌发及幼苗生长的影响1)Table 1 Effect of different levels of Cd stress on seed germination and seedling growth of different rice varieties

2.2 发芽指标对镉处理的响应

不同水稻品种的RGR、RGP、RGI、RFW、RDW均随着镉处理浓度的升高呈先升后降的趋势，RVI、RRL、RGL均随镉处理浓度升高显著下降.10 mg·L-1镉处理水稻的RGR、RGP、RGI、RFW均显著高于对照，RDW与对照组无显著差异，但RVI、RRL、RGL均显著低于对照；50 mg·L-1镉处理水稻的各项相对发芽指标均显著低于对照(表2).说明水稻种子发芽能力在低浓度镉污染下有所提高，但活力显著降低，生长发育受到显著抑制，高浓度镉污染显著抑制水稻的萌发及生长发育.

表2 不同浓度镉处理对不同水稻种子相对发芽指标的影响1)Table 2 Effect of different levels of Cd stress on relative germination indexes of different rice varieties

2.3 不同品种水稻镉耐性聚类分析

在剔除对照处理的发芽率低于80%水稻品种后，得到发芽率较高的水稻品种198个.系统聚类分析表明，以Euclidean距离12.5为基准，可将198个受测水稻品种分为3类：第Ⅰ类包含43个水稻品种，第Ⅱ类包含88个水稻品种，第Ⅲ类包含67个水稻品种(表3).

3类水稻在不同镉浓度处理下表现出镉耐性的差异(表4).在10 mg·L-1镉污染下，3类水稻的RGP和RGI均表现出显著差异，各发芽指标相对值均表现为第Ⅱ类>第Ⅲ类>第Ⅰ类；在50 mg·L-1镉污染下，各发芽指标相对值均表现为第Ⅰ类>第Ⅱ类>第Ⅲ类.结果表明，不同水稻品种的镉耐性为：第Ⅰ类>第Ⅱ类>第Ⅲ类.

2.4 高、低镉耐性水稻品种复筛结果

根据初筛得到的43个镉高耐性和67个镉低耐性水稻品种，兼顾常规稻和杂交稻品种，遴选出高、低镉耐性水稻各12份进行复筛试验，1～12号为高镉耐性水稻、13～24号为低镉耐性水稻(表5).

表3 水稻镉耐性初筛聚类结果Table 3 Hierarchical cluster analysis on rice Cd tolerance

表4 不同浓度镉处理下不同类别水稻镉耐性比较1)Table 4 Comparison on Cd tolerance of rice varieties under different levels of Cd stress

表5 24个复筛水稻品种信息Table 5 Information on rice varieties underwent secondary screen

镉浓度0～10 mg·L-1时，不同水稻种子的GR、GP随着处理浓度的升高先降低后升高，在10～50 mg·L-1时随着镉处理浓度升高逐渐下降；GI、VI、GL、FW、DW随着镉处理浓度的升高先升高后降低，RL随着镉处理浓度升高逐渐下降(表6).说明镉对不同水稻种子萌发和生长的抑制效应随镉处理浓度升高而增强.

表6 不同浓度镉处理对复筛水稻种子发芽指标的影响1)Table 6 Effect of different levels of Cd stress on germination indexes of rice varieties underwent secondary screen

当镉浓度为0～50 mg·L-1时，不同耐性水稻RGR、RRL、RDW随处理浓度升高而降低；0～10 mg·L-1镉处理下RGP与对照无显著差异，30、50 mg·L-1镉处理下随浓度升高而降低；RVI在0～30 mg·L-1镉处理下与对照无显著差异，50 mg·L-1镉处理显著低于对照.当镉浓度为0～50 mg·L-1时，RGI、RFW随处理浓度升高先升高后降低，RGL随处理浓度升高而升高(表7).

表7 不同浓度镉处理对复筛水稻种子相对发芽指标的影响1)Table 7 Effect of different levels of Cd stress on relative germination indexes of rice varieties underwent secondary screen

横坐标表示特征向量之间的距离(把类间距离最小的两类合并成一个新类，计算此类与其他类的距离，再将距离近的两类合并,每次减少一类，直至所有的模式数据合并成一类).图1 不同水稻品种镉耐性的聚类图Fig.1 Clustergram of rice varieties with different Cd tolerance

聚类分析结果表明(图1)，以Euclidean距离24.0为基准，可将复筛的水稻品种分为2类.第Ⅰ类包含16个水稻品种，福龙两优1031、谷优676、广8优169、广8优199、广8优673、广8优金占、隆两优1988、中组四号、T两优明占、Y两优837、百香139、丰田优553、广8优165、过山香、两优688、隆两优1377.第Ⅱ类包含8个水稻品种，金丝软占、宜优673、福龙优两优6387、特优671、Y两优5866、兆优5431、谷优2736、隆两优866.

根据两类水稻的镉耐性评价指标得出(表8)，在镉浓度为10 mg·L-1时，两类水稻的RVI、RDW存在显著差异，表现为第Ⅱ类>第Ⅰ类；镉浓度为50 mg·L-1时，RGP、RGR、RGI和RDW表现出显著差异，表现为第Ⅱ类>第Ⅰ类.总体上第Ⅰ类对镉胁迫敏感，第Ⅱ类表现出较高的镉耐性.

3 讨论与结论

3.1 镉胁迫对水稻种子萌发及幼苗生长的抑制

种子萌发是植物生命进程的起点，也是感受镉污染胁迫的起始阶段[18]，水稻过多地吸收和积累镉可导致其幼苗代谢紊乱，淀粉酶活性、根尖细胞有丝分裂等受抑制[14]，镉胁迫可通过氧化胁迫抑制水稻发芽过程[19].研究结果表明，10、50 mg·L-1镉处理均抑制了水稻的种子萌发、胚根及胚芽的生长，抑制作用随镉浓度上升而加强，表现出水稻镉毒害的剂量效应.镉污染对水稻种子萌发、幼苗发育均表现出显著的毒害作用，以幼苗根长生长对镉胁迫最敏感，受抑制程度最大，发芽势、发芽率受镉胁迫的影响程度相对较小，这与杨明等[20]的研究结果一致.本试验选用的水稻种质来自我国南方多个区域，分布广泛，镉污染对水稻种子萌发及幼苗生长具有普遍抑制作用，也佐证了镉污染对水稻生长的危害.

表8 水稻镉耐性比较Table 8 Comparison on Cd tolerance of different rice varieties

3.2 水稻品种间表现出镉耐性多样性

水稻不同品种及不同亚种间均存在镉吸收、转运与积累能力的差异[21].因此，不同品种水稻镉耐性不尽相同[22].初筛结果显示，不同水稻品种表现出镉耐性多样性，其中籼稻品种的镉耐性多样性比较丰富，可大致分为镉高耐性、镉常规耐性、镉低耐性.本试验所用的材料源于浙江、福建、广东、广西, 主栽品种以籼稻为主，粳稻、籼粳杂交稻相对较少，故未发现粳稻品种间的镉耐性多样性，难以评估籼、粳稻之间的镉耐性差异；籼稻资源丰富多样，包括多种常规稻与杂交稻，结果验证了籼稻品种间耐镉性状的多样性，与赵均良等[23]的研究结果一致.复筛结果进一步验证了籼稻品种间的镉耐性多样性，发现杂交籼稻与常规籼稻镉耐性无显著差异，与Yao et al[24]的研究结果一致.杂交稻存在杂种优势，通常具有更高的产量和更强生态适应性[25]，但水稻耐镉表现通常是基因型与环境互作的结果，而不是决定于杂交品种类型[26].因此，水稻品种间存在镉耐性的多样性，杂交稻与常规稻均可能具有较好的耐镉性状.在初筛与复筛试验中常规稻的镉耐性未发生明显的变化，部分杂交稻品种的镉耐性的表现并不一致.这一方面可能与杂交稻自身的遗传特性相关[27]；另一方面可能与2次筛选试验在筛选方法、镉处理浓度梯度等存在差异有关[28-30].可见，采用不同筛选方法得到的水稻镉耐性结果总体上比较一致，但因不同水稻品种对镉污染的敏感性不同，选择合理的镉处理浓度对区分水稻的镉耐性至关重要.

3.3 获得了镉耐性稳定的水稻种质资源

我国耕地的点位镉污染超标率达7.0%，水稻安全生产问题引起了人们的高度重视[31]，筛选、培育镉低积累水稻品种，以及镉低积累水稻的分子育种对降低稻米镉污染危害具有重要意义[32].同时，水稻的镉吸收、转运和积累能力与其镉耐性直接相关[33]，镉耐性的高低也体现在对镉污染的适应性强弱上.本试验中，金丝软占、宜优673、福龙优两优6387及特优671在初筛与复筛试验中均表现出较高镉耐性；而T两优明占、Y两优837、百香139、丰田优553、广8优165、过山香、两优688及隆两优1377在初筛与复筛试验中均表现出较低的镉耐性.这些耐镉性状表达较为稳定的品种均属籼稻，包括杂交稻与常规稻，可为研究籼稻镉积累特性和培育镉安全水稻品种提供材料，具有一定的研究开发前景，将为水稻镉污染适应性、水稻抗镉污染机制研究及镉低积累水稻分子育种提供重要资源[34].