水稻镉砷累积的基因型和环境互作效应分析

关键词：水稻；镉；砷；重金属污染；基因型；环境影响

中图分类号：X53；S511；X173 文献标志码：A 文章编号：1672-2043（2025）01-0022-09 doi：10.11654/jaes.2024-0053

2014年环境保护部和国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国耕地土壤镉（Cd）、砷（As）污染较为严重，镉点位超标率为7.0%，砷点位超标率为2.7%。镉、砷复合污染已成为我国南方稻田重金属污染的主要形式[1]。“镉大米”、“毒大米”等事件的曝光致使湖南省稻米重金属质量安全受到社会广泛关注。水稻作为我国最主要的粮食作物之一，确保稻米重金属达标是当前农业生产急需解决的重大课题[2-3]。

水稻对镉、砷的吸收积累存在显著的基因型差异，湖南省基于多年多点大田试验筛选出一批应急性镉低积累水稻品种[4-5]，周珍华等[6]基于生物富集系数（BCF）筛选出了适合当地种植的砷低积累水稻品种。水稻对镉、砷的吸收积累受田间种植环境的影响也极为明显，占稻米镉、砷差异来源的87%[7]，且水稻对镉、砷的吸收积累受土壤镉、砷相异的化学行为的影响而呈显著负相关[8]。淹水或施用石灰等农田降镉技术往往引起水稻对砷积累的增加[9]，在镉、砷复合污染稻田的修复治理过程中往往顾此失彼，种植镉、砷低积累水稻品种是在不改变农民种植习惯的情况下实现稻米达标生产的最有效途径。但因水稻对镉、砷的吸收积累受其基因型和环境的共同调控[7，10]，如何科学筛选出稳定的镉、砷同步低积累的水稻品种是关键。蒋彬等[11]针对弱酸性复合污染稻田从239 份水稻材料中筛选出一批镉、砷低积累的水稻品种（如浙珍2号和浙9905），刘湘军等[12]和易春丽等[13]也基于当地镉、砷复合污染土壤筛选了一批适宜当地种植的镉、砷同步低积累水稻品种。然而，针对不同生态区的不同污染特征土壤，筛选出稳定的镉、砷同步低累积水稻品种却变得更加困难，这些研究报道也相对较少。

为科学指导镉、砷低积累水稻品种筛选及适宜种植地选择，本研究基于不同生态区、不同污染特征的稻田土壤调查了不同水稻品种对镉、砷吸收转运的特征，并运用GGE双标图和产量质量分数综合评价并筛选了产能较高的适宜推广的镉、砷低累积水稻品种，为污染农田稻米安全生产和镉、砷低积累水稻品种筛选鉴定提供参考。

1材料与方法

1.1试验材料

本试验选择湖南省9 个主栽水稻品种（V1～V9）为试验材料，分别为隆两优华占、晶两优1212、深两优5814、隆两优1988、和两优1号、C两优386、C两优87、深优9595和Y 两优9918。所有品种皆为杂交籼稻，其中深两优5814、隆两优1988、和两优1号、C两优386、深优9595 为一季稻，隆两优华占、晶两优1212、C两优87、Y两优9918为晚稻。

1.2试验地点

水稻田间试验选择湖南省不同生态区的镉污染稻田，其中湘南地区试验点3个，分别为永州祁阳市白水镇（S1）、郴州临武县武水镇（S2）和南强镇（S3）；湘西北地区试验点3个，分别为湘西州永顺县万坪镇（S4）和花垣县猫儿乡（S5），张家界市永定区枫香岗乡（S6）。6个试验点中，土壤呈酸性的3 个（S1、S2 和S4），土壤呈碱性的3个（S3、S5和S6）。各试验点土壤基本理化性质及镉、砷含量见表1。不同位点间土壤有机质含量和营养元素含量均差异显著。S1～S4位点土壤总镉含量相对较低，S5和S6位点总镉含量较高；而S1～S2位点土壤有效镉含量较高，S3～S6位点有效镉含量相对较低。

1.3 试验方法

在6个试验点分别对9个水稻品种开展田间小区试验，各3次重复，随机区组排列。小区面积20 m²，株行距分别为20 cm和23.3 cm，小区间不做田埂，以0.8 m宽空行隔开，确保整个田间水肥管理一致。试验前先用旋耕机匀田，使田间土壤理化性质和污染程度相对均匀；再平整田块，田面最高处与最低处落差不超过2cm，减少水分管理等农艺措施对各品种吸收转运镉、砷的影响。每个试验点皆按照当地一季稻种植习惯进行水稻育秧、移栽和水肥管理。

1.4 指标测定

水稻种植前采集耕作层（0～15 cm）土壤样品，测定土壤基本理化性质及土壤镉、砷含量。水稻种植后于成熟期在每个小区按5点取样法分别取水稻样品10株，分秸秆和稻谷样品，分别测定其中秸秆和糙米镉、砷含量。土壤样品采用混合酸HNO₃-HClO₄-HF（5∶1∶2，V/V）消解，消解完全后赶酸至近干，加少量稀硝酸溶液溶解后转移定容，采用ICP-MS（iCap-Q，美国Thermo公司）测定其中总镉和砷的浓度。土壤中有效态镉成分采用DTPA（二乙三胺五醋酸）溶液提取：称量10.00g过20目的土壤样品，加入50 mL（固液比1∶5）的DTPA溶液，振荡2h后过滤，稀释20倍后待测。土壤中有效砷采用乙酸铵提取方法进行：称10.00g土样，加入50 mL 的乙酸铵溶液（1mol·L^-1），在25 ℃条件下以180r·min^-1速率振荡1 h后过滤，稀释20～100倍后待测。水稻收获期在每个小区按5点取样法分别取水稻样品10株，并用清水洗净，再用去离子水润洗几次，分秸秆和稻谷样品。水稻植株在鼓风干燥箱里于105 ℃杀青30 min，再在70 ℃烘至恒质量。秸秆和糙米样品使用不锈钢粉碎机粉碎至过100目筛，然后使用混合酸HNO₃-H₂O₂（5∶2，V/V）按照EPA 3051a程序（样品消解温度以每分钟12 ℃的速率爬升到120 ℃ ，保持3 min，随后经6 min 爬升到150 ℃，保持6 min，最后经8 min爬升到185 ℃，保持20 min）经微波消解后待测（高通量高压微波消解仪，CEM MARS6，CEM，美国）。土壤浸提液和植株消解样品中镉、砷浓度均采用ICP-MS测定。

1.5 数据处理与统计

试验数据均为3次重复的平均值，运用Excel2003和SPSS 17.0进行统计和方差分析，Origin 2017作图。

GGE双标图：采用R-Studio的“GGEBiplotGUI”软件包作双标图分析。GGE 双标图的适应性分析：试验点距离原点的距离（线段长）越长，其区分力越强；把各个方向上距离最远的点用直线连接起来，构成一个多边形，通过中心对每条边做垂线，将双标图分为几个扇区，品种在扇区分布位于扇区内环境中，多边形顶角的品种重金属含量最高，反之则低。GGE双标图的稳定性分析：试验点线段和平均环境轴（GGE双标图中绿色带箭头的线）的角度是其对目标环境的代表性的度量，角度越小，代表性越强；品种与平均环境轴的距离（线段长）越大，其稳定性越差。

因子解释的百分比：当环境、品种、环境×品种为固定因素和方差来源，用于估计其影响时，采用一般线性模型程序来划分表型方差（籽粒镉和砷浓度的变化）。因子解释的百分比变化用百分数平方和（SS）表示，计算公式为：SS=SS 因子/总SS×100。

产量分数（AYS）：参照所有试验位点所有品种的产量平均值来评估各品种的产量潜力，一个品种的产量分数为零，表明该品种的产量在试验品种中处于平均水平。产量分数计算公式为：AYS=（X-μ）/σ。X 为同一品种在不同环境中的产量平均值，μ 为所有品种X 值的平均值，σ 为所有品种X 值的方差。

转运系数（TF）：稻米镉、砷含量分别与秸秆镉、砷含量的比值（TF_Cd=Cd_Rice/Cd_Stem；TF_As=As_Rice/As_Stem）；富集系数（BCF）：稻米镉、砷含量与土壤有效态镉、砷含量的比值（BCF_Cd=Cd_Rice/Cd_Soil；BCF_As=As_Rice/As_Soil）。

2 结果与分析

2.1 水稻镉吸收转运特征

不同地区不同水稻品种的稻米和秸秆的镉含量如图1 所示。试验点S1～S6 的稻米镉平均含量分别为（0.63±0.11）、（0.48±0.22）、（0.07±0.01）、（0.07±0.01）、（0.06±0.01）、（0.06±0.01）mg·kg^-1，秸秆镉平均含量分别为（2.91±0.47）、（1.75±0.38）、（0.22±0.03）、（0.30±0.08）、（0.26±0.04）、（0.16±0.03）mg·kg^-1。其中，试验点S1和S2的稻米和秸秆镉含量皆显著高于其他4个试验点。多因素方差分析表明不同试验点之间稻米镉含量具有极显著差异，不同品种间稻米镉含量也具有极显著差异，而环境和品种交互作用下稻米镉含量也表现出极显著差异（表2）。比较差异来源间离均差平方和百分比（SS%），环境所占的比重最大，达到了83.46%，为稻米镉含量变异的最大来源，其次为环境和品种交互作用（9.87%）。表明环境异质性对稻米镉含量的影响高于水稻基因型的影响。

不同试验点和不同水稻品种间的镉转运系数（TF_Cd）和富集系数（BCF_Cd）也均存在显著差异（图2，Plt;0.01），不同试验点间的TFCd在0.22～0.39之间，平均为0.28，且S6gt;S3gt;S2gt;S5gt;S4gt;S1；不同试验点间BCF_Cd在0.28～1.54之间，平均为0.72，且S1gt;S2gt;S6gt;S3gt;S4gt;S5。其中，S1 和S2 的BCF_Cd 显著高于S3～S5 试验点（Plt;0.001），且S1 和S2 的BCF_Cd 远高于TF_Cd（Plt;0.001）。整体上，水稻对镉的富集和转运都显著受到环境和品种的共同影响，环境对它们变异的作用更大（表2）。

2.2 水稻砷吸收转运特征

不同试验点和不同水稻品种间的稻米和秸秆砷含量皆差异显著（图3和表2，Plt;0.001）。S1～S6试验点的稻米砷平均含量分别为（0.17±0.02）、（0.20±0.05）、（0.18±0.03）、（0.11±0.02）、（0.09±0.02）、（0.19±0.03）mg·kg^-1，秸秆砷平均含量分别为（6.26±1.12）、（8.89±2.55）、（6.04±1.09、（1.66±0.62）、（2.12±0.43）、（5.49±0.85）mg·kg^-1。其中S4 和S5 两个试验点的稻米和秸秆砷含量皆显著低于其他4个试验点（S1～S3、S6）。差异分析也表明试验环境对稻米砷含量影响极为显著，是最大的变异来源（表2，56.56%），品种也解释了稻米砷含量变异的17.20%，说明环境和基因型共同影响了稻米砷含量，而环境异质性影响更大。

不同试验点不同水稻品种稻米砷的转运系数（TF_As）和富集系数（BCF_As）也存在显著差异（图4和表2，Plt;0.01）。不同试验点间的TF_As在0.02～0.07之间，平均为0.04，且S4gt;S5gt;S6gt;S3gt;S1gt;S2；不同试验点间BCF_Cd 在0.94～1.09 之间，平均为1.01，且S3gt;S4gt;S6gt;S2gt;S5gt;S1。稻米砷累积系数受到基因型的影响大于环境（SS%：35.10% vs 5.91%），而稻米砷从茎向籽粒转移系数则受环境影响更大，高于基因型（SS%：54.55% vs 4.55%）。6个试验点中，BCF_As 皆远高于TF_As（Plt;0.001），且在试验点S2～S6稻米砷含量和TFAs极显著正相关（Plt;0.01，表3），表明水稻茎部砷向地上部转运能力显著影响了籽粒砷含量。

综上可知，稻米镉、砷累积受到土壤环境和水稻基因型交互作用的影响。进一步分析土壤环境变量中各个参数对稻米镉、砷累积的影响。不同品种平均稻米镉含量和土壤有效镉浓度显著正相关（r=0.90，Plt;0.05），与土壤总镉含量没有显著相关性。土壤pH值和稻米镉含量负相关（r=-0.743），但没有达到显著性水平。不同品种稻米砷平均含量也和土壤有效砷浓度呈极显著正相关（r=0.98，Plt;0.01），与土壤总砷含量没有显著相关性。本试验中其他土壤化学性质对稻米镉、砷累积没有显著相关性。

2.3 不同生态区稻米镉砷含量的GGE双标图分析

GGE 双标图分别解释了环境（G）和环境基因互作（G×E）共同对稻米镉99.91% 的影响和对稻米砷79.70% 的影响（图5 和图6）。不同水稻品种稻米镉的适应性和稳定性双标图分析表明，S1和S2试验点对不同品种稻米镉积累具有较强的区分能力，且远高于其他4个试验点；V2和V1则分别是S1和S2环境中稻米镉含量最高的品种，V9和V8则分别是S1和S2环境中稻米镉含量最低的品种（图5）。S3～S6区分能力弱，表明该4个试验点不适合于水稻品种的稻米镉累积性能的鉴定。结合平均环境轴看，V1、V2、V3和V4 等4 个品种的平均稻米镉含量较高，V5、V6、V7、V8和V9等5个品种的平均稻米镉含量较低，但V9和V6保持稻米低镉含量的稳定性较差。可见，S1和S2试验点可有效进行水稻镉低积累品种的筛选，并筛选出V5、V8和V7 3个稳定的镉低积累水稻品种。

不同品种稻米砷的适应性和稳定性双标图分析表明，S2和S6对水稻稻米砷的积累具有较强的区分能力，S1、S3、S4、S5区分能力相当，且V7和V8分别是S2 和S6 环境中稻米砷含量最高的品种（图6）。S1、S2、S3、S5等4个试验点对品种的排序相似，代表性也较强；S4和S6试验点的代表性相对较弱，可以淘汰不稳定的品种。结合平均环境轴看，V4、V1、V3、V5、V2和V9等6个品种的平均稻米砷含量较低，且表现较为稳定；而V7和V8的稻米砷平均含量较高，且稳定性较差。可见，S1、S2、S3和S5试验点皆可有效进行水稻砷低积累品种的筛选，尤其S2试验点具有较高的区分能力和代表性，而V4、V1、V3、V5、V2和V9等6个品种具有较低的稻米砷累积性能且表现也较为稳定。

2.4 稻米产量

稻米产量在不同试验位点中和稻米镉含量没有显著相关性，但在所有位点环境中呈现出显著的负相关（Plt;0.05，表3）。稻米产量在一些位点中和稻米砷含量呈现显著和极显著负相关性（S1，Plt;0.05；S6，Plt;0.01），但在所有位点的样品中却没有显著相关性。

根据供试品种的产量分数（图7），对GGE双标图选择的较稳定的镉、砷低累积品种进一步评估，产量较低的品种被排除，因为它们的低产量可能会阻碍它们未来在农业生产中的应用。基于这一标准，试验选出了产能高于平均的1个低镉品种（V7）和3个低砷品种（V1，V9和V4）。为了实现镉、砷共污染土壤中稻米安全生产，产能相对较低的V5品种由于具有镉和砷同步低吸收能力，可作为应急性品种种植。未来还需进一步扩大品种筛选范围，以筛选出镉、砷同步低累积且稻米产量较高的品种进行推广应用。

3 讨论

稻米镉、砷累积受品种、环境以及品种×环境交互作用的影响[7，10]，Chi等[7]的研究表明环境对稻米镉、砷含量的影响占稻米镉、砷差异来源的87%。本试验在湖南南部和西北部两个不同的小气候区各选择了3个试验点，对9个水稻品种的镉、砷累积性能进行筛选鉴定，试验结果表明稻米镉、砷含量皆主要受环境条件的制约，其贡献率分别达83.46%和56.56%，其次是受品种以及品种和环境互作的影响。本试验中，稻米镉含量在不同试验点间的变异极大，平均稻米镉含量最高的试验点（S1：0.63 mg·kg^-1）是最低试验点（S6：0.06 mg·kg^-1）的10.5倍；而稻米砷含量地点间的变异相对要小，平均稻米砷含量最高的试验点（S2：0.20 mg·kg^-1）是最低试验点（S5：0.09 mg·kg^-1）的2.2倍。Duan等[8]报道我国华南地区的471个当地主栽水稻品种稻米镉和砷含量差异分别达32倍和4.0倍。可见，稻米对镉的吸收积累受环境的影响比砷更敏感。

尽管环境作用更大，本试验研究的差异性分析和GGE双标图分析结果仍表明，稻米镉、砷的累积是环境×基因交互作用的综合结果。水稻对镉、砷的吸收积累既受土壤镉、砷有效性的影响，也受水稻对镉、砷吸收转运及分配的调控。尤其是在干湿交替频繁的稻田土壤中，土壤镉、砷总量，pH影响了土壤中镉、砷形态及生物有效性[14-16]。不同水稻品种由于根际环境中金属有效性差异[17]、根细胞质膜中镉、砷吸收相关基因的表达[18]、根到茎的木质部装载运输有关的基因表达差异[19]等因素对镉、砷的累积能力存在极大的差异。可见，由于水稻对镉、砷的吸收积累受环境与水稻基因型的共同调控，通过多点多年的田间试验筛选稳定的镉、砷低积累水稻品种显得尤为重要，而借助相关的数据统计方法或模型工具对水稻品种的镉、砷低积累效果及稳定性进行综合评价，获得镉、砷及镉砷同步低积累的水稻品种用于指导中轻度重金属污染稻田的安全利用意义重大。

GGE双标图同时考虑了基因型效应和基因与环境互作效应，目前主要用于水稻[20]、玉米[21]、油菜[22]等品种的丰产优质、稳定性及适应性评价，很少用于对作物重金属的吸收积累能力及其稳定性评价。柳赛花等[10]通过GGE双标图和BLUP分析筛选出了镉、砷同步低累积水稻品种。本试验则通过GGE双标图和产量质量分数综合评价了6个试验点的区分性能和代表性，S1和S2两个试验点对不同品种稻米镉积累具有较强的区分能力，S1、S2、S3和S5试验点皆可有效进行砷低积累水稻品种的筛选；分析了9个品种的镉、砷低积累性能和稳产性，筛选出在不同环境中表现较为稳定的低镉累积水稻品种（V5、V7和V8）和低砷累积品种（V1、V2、V3、V4、V5 和V9），其中V5 为镉、砷同步低累积品种；同时，结合质量分数对其产量性能进行了综合评价，筛选出产能较高的低砷累积品种V1、V4、V9和低镉累积品种V7，而镉、砷同步低累积品种V5由于产量潜力较低，不适合大面积推广。

4 结论

（1）不同水稻品种的稻米镉、砷含量在不同试验点间差异极大，环境对稻米镉、砷吸收累积的影响均大于水稻自身基因型的作用。环境基因互作分别解析了稻米镉含量99.91% 和稻米砷含量79.70% 的贡献，其中环境对稻米镉、砷含量的贡献率分别达83.46%和56.56%。

（2）基于GGE双标图和质量分数分析，筛选出2个镉低积累水稻品种筛选试验点：S1（永州祁阳市白水镇）、S2（郴州临武县武水镇），4个砷低积累水稻品种筛选试验点：S1（永州祁阳市白水镇）、S2（郴州临武县武水镇）、S3（郴州临武县南强镇）、S6（湘西州花垣县猫儿乡）；筛选出了产能较高的低砷累积品种V1（隆两优华占）、V4（隆两优1988）、V9（Y两优9918）和低镉累积品种V7（C两优87）。

（3）GGE双标图与产量质量分数结合为镉、砷低积累水稻品种筛选试验点的选择、可推广的稳定镉、砷低积累水稻品种筛选等方面提供了一种经济可行的新方法。