水稻籽粒有毒重金属含量的基因型和环境效应研究

目前，我国已有大量农田受到有毒重金属的污染，这不仅影响作物生长和发育，降低产量与品质，并经作物吸收由食物链进入人体，对人类健康产生巨大威胁。因此，降低作物食用部分的有毒重金属含量具有重要的现实意义，尤其是水稻，它是我国也是全球最重要的粮食作物。水稻对一些有毒重金属的吸收、积累以及耐性存在显著的基因型差异，因此，筛选和培育籽粒有毒重金属积累低且对重金属耐性较强的品种，不仅是可能的，也是在轻、中度重金属污染土壤上持续生产安全稻米的一条经济、有效的途径。同时，水稻对有毒重金属的吸收也受土壤重金属有效性的影响，而土壤重金属有效性与环境因子密切相关。但目前有关水稻有毒重金属积累的基因型与环境效应及其机理尚不清楚，从而限制了相关育种和栽培工作的开展。本研究在前期预备试验和研究工作基础上，以我国稻米污染较为严重的Cd、Pb、As、Cr等有毒重金属为研究对象，研究了水稻籽粒中这几种有毒重金属积累的基因型与环境效应，筛选到若干个籽粒Cd、Pb、As、Cr含量低的基因型，并探索了水稻Cd耐性和低积累基因型的筛选方法及其Cd胁迫对水稻生长与营养代谢的影响。主要研究结果如下： 1．水稻籽粒重金属含量与土壤pH及DTPA提取态含量的关系 连续两年采集了浙江省晚粳稻区不同试点的土壤和水稻籽粒样品，测定分析了土壤DTPA提取态和籽粒As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni以及Fe、Zn含量。结果表明，不同试点土壤重金属DTPA提取态含量和籽粒重金属含量差异明显，分别有33.3％、5.0％和21.6％的水稻样品籽粒Cd、Cr和Pb含量超过FAO／WHO规定的谷物重金属最大允许值(0.1 mg／kg、1.0 mg／kg和0.2 mg／kg)，其它重金属含量则没有超标，表明浙江省目前对晚粳稻米安全性影响最大的重金属主要是Cd、Pb和Cr。pH值较低(土壤酸化)的土壤，As、Cd、Ni和Fe的有效含量较高。水稻籽粒重金属含量与土壤DTPA重金属含量之间呈极显著的正相关，但建立的回归模型预测准确度因重金属种类不同而存在着一定的差异。基于多个水稻品种籽粒重金属含量与土壤重金属DTPA提取态含量建立的模型，可较好地预测水稻籽粒的重金属含量。根据建立的预测模型，对照FAO／WHO提出的谷类重金属最大允许值，浙江省晚粳稻区采 摘要 用目前大面积推广的品种，生产安全稻米的土壤Cd、Cr、Pb的DTPA提取态含量临 界值分别为0.067 mg/kg、1 .474mg/kg和4.374 mg/kg。 2.水稻籽粒cd、cr、Pb和As低积累基因型的筛选 大田条件下，测定分析了来自浙江、江苏和上海以及日本等地的70个粳稻基 因型的Cd、Pb、Cr、AS含量，试图筛选到籽粒特定重金属含量低的水稻基因型， 同时以其中的31个基因型为材料连续进行了3年试验，研究籽粒中四种重金属含 量的基因型差异及其与经济性状的关系。结果表明，籽粒Cd、Cr、Pb、AS含量 的基因型效应达极显著水平，而年度效应较小。在参试的70个基因型中，一些基 因型稻米Cd、Cr、Pb、As含量明显较低，符合安全生产的要求，因此，以FAO/WHO 提出的谷物Cd、Cr、Pb、AS含量的最大允许值为基准，同时为了尽可能消除年 度及与基因型互作效应和其它因素(误差)对品种筛选的影响，以连续3年重复 试验获得的基因型主效应占总效应的比例为校正系数，筛选到一些籽粒Cd、Cr、 Pb、As含量低的基因型。籽粒Cd含量与每穗实粒数和单穗稻谷产量之间及籽粒 AS含量与粒重之间存在着显著的正相关，但籽粒Pb含量与穗着粒密度和收获指 数之间呈显著的负相关，结果证实了籽粒重金属积累受源库关系和籽粒同化物运 输、积累的影响，同时也启示出不同重金属在水稻籽粒中的积累模式存在着一定 的差异。 3.水稻籽粒中几种有毒重金属含量的基因型与环境变异 选择籽粒Cd、Cr、AS、Ni和Pb等重金属含量差异较大的12个晚粳稻基因 型，种植于在浙江省晚粳稻主产区嘉兴、湖州、杭州、宁波、绍兴等市的6个试 点，研究水稻籽粒中这几种重金属含量的基因型与环境变异，以及籽粒和土壤有 效态(DTPA提取态)Cd、Cr、As、Ni和Pb等重金属之间及与Fe、Zn含量之I司 的关系。结果表明，籽粒中这几种重金属含量存在较大的基因型与环境变异。环 境、基因型及其互作效应对籽粒中这5种重金属含量的效应均达极显著水平，启 示出筛选和选育籽粒重金属含量低的品种以及通过农艺措施减少稻米重金属含量 是可能的，但因不同重金属基因型与环境效应的差异应有所侧重。同时，由于稻 米中这5种重金属含量具有极显著的基因型与环境互作效应，且稻米中这几种重 金属含量的稳定性因环境、基因型而有较大差异，且亦因重金属种类而异。因此， 为降低稻米重金属含量，应针对特定重金属污染的环境进行基因型选择，并同时 程旺大博士论文水稻籽粒有毒重金属含量的基因型和环境效应研究 考虑基因型籽粒重金属含量的稳定性。结果还揭示，土壤中一些重金属常发生复 合污染，如Cd和Cr、AS或Ni间 高的稻米往往 呈正向联系， As和Pb含量也高， Cr和As间，Pb和As间。同时，Cd含量较 同样，稻米中Cr和Ni含量以及AS和Pb含量 此外，提高籽粒中的Fe含量有可能导致Cd含量的