镉低积累农作物筛选研究进展

镉 (Cd) 是自然界中毒性最大的重金属元素之一, 也是重点监控与污染物排放量控制的5种重金属之一[1]。因其迁移性强、毒性大、极易被植物吸收和积累[2], 通过食物链最终富集在人体内, 引起慢性重金属中毒, 严重危害人类健康[3]。因此, 如何有效降低农作物可食用部分重金属镉的含量, 日益受到人们的关注。

1 我国耕地土壤镉污染现状

近年来, 我国耕地土壤镉污染状况日益严重, 根据环境保护部最新公布的《全国土壤污染状况调查公报》[4]表明, 在我国耕地重金属污染因子中, 镉污染超标率位居第一, 受镉污染的耕地面积超过20万hm2, 每年生产的镉含量超标农产品达15万t。随着我国经济的迅速发展, 对矿产资源的大量开发, 滥用农药化肥, 城市污水污泥农用, 导致环境中镉污染日益严重。从近年来发表的相关调查报告来看, 全国各地都普遍存在不同程度的镉污染问题。宋春然[5]等对贵州省农业土壤调查结果显示, 全省有36.79%的地区镉超标, 且Cd单因子污染指数为4.05, 属于镉的重度污染区。黎勇[6]等对广西的29个县的580块农田土壤进行为期2年的动态监测, 结果表明, Cd的平均含量达0.86 mg/kg, 镉的点位超标率为49.94%, 污染普遍严重。部分研究者对农作物可食用部分的检测过程中均发现镉超标现象[7,8]。

2 筛选镉低积累农作物的必要性

如何有效降低农作物体内的重金属镉含量, 传统方法是通过物理沉降法、化学调控法来降低农田土壤中重金属含量, 虽有些修复效果显著, 但存在很多的问题, 如工程量大、成本高而且容易造成2次污染, 而生物修复作为一种环境友好型修复方法, 具有广泛的应用前景, 但也存在局限性, 如修复周期长、效果缓慢[9]。相对于以上修复方法而言, 目前被国内外研究者普遍认为切实可行的方法是选育镉低积累品种来降低农作物对重金属的吸收和积累, 从而降低农作物体内的重金属镉含量。因为我国农田土壤受重金属镉污染的范围较广, 且人多地少, 不可能将大面积的镉中轻度污染农田休耕或污染修复, 而在这些农田上收获的农作物可食部分镉含量超过国家食品卫生标准的几倍甚至几十倍, 威胁人体健康。因此, 筛选镉低积累农作物品种来降低食物链中重金属镉的富集更具必要性和可行性, 主要原因在于以下几方面:

(1) 自然界中作物种类繁多, 而且每种作物有很多基因型或栽培变种, 由于筛选镉低积累品种的程序简单易行, 得到的镉低积累品种可直接在当地推广应用, 相对于转基因品种更安全环保, 为筛选镉低积累品种提供了可行性[10]。

(2) 大量研究表明, 不同的农作物对重金属镉的吸收和积累有很大差异, 甚至同一作物不同品种间对重金属镉的吸收和积累也有很大差异, 即基因型差异[11,12,13]。这为选育镉低积累品种提供了理论依据。

(3) 近年来, 许多研究者已在多种作物上开展了低积累品种的筛选研究, 获得了很多成效, 如水稻[14]、油菜[15]、番茄[16]等筛选出了重金属低积累品种, 积累了许多数据, 为开展重金属镉低积累农作物筛选奠定了基础。

3 镉低积累农作物筛选标准

目前关于重金属低积累作物还没有明确定义, 大多数研究者[10,12,17]认为通过种植重金属低积累作物来降低农作物的重金属吸收和积累, 且可供食用的部位重金属含量低于国家食品卫生标准, 以满足安全食用。刘维涛[10,18]等认为镉低积累品种的筛选标准至少应具备以下特征:

(1) 筛选的低积累农作物地上部和根部重金属镉含量均很低, 或者可供食用的部位重金属镉含量低于国家食品卫生标准;

(2) 筛选的低积累农作物对重金属镉的累积量小于土壤中重金属镉的浓度, 即富集系数<1;

(3) 筛选的低积累农作物从其他部位向可食部位转运重金属镉能力较差, 即转运系数<1, 即该农作物吸收的重金属镉主要累积在根部, 向地上部转运较少;

(4) 筛选的低积累农作物对镉毒害具有较高的耐受性, 在镉高污染土壤下能够正常生长, 且生物量无显著下降。

该标准对今后镉低积累作物筛选具有一定指导意义, 但尚需进一步的研究工作加以完善和细化。

4 镉低积累农作物筛选现状及展望

为了保障农产品的安全生产和人类健康, 筛选镉低积累农作物品种已成为国内外研究热点。目前, 已筛选出的镉低积累作物有硬粒小麦[19]、水稻[20]、大白菜[11]、玉米[21]、番茄[22]、花生[23]等。20世纪90代初, 加拿大就开始了对硬粒小麦Cd低积累品种的筛选, 通过与其他国家引进的小麦基因型对比研究, 发现基因型间Cd积累存在显著差异[19], 并用于实际生产。硬粒小麦遗传学研究表明, 硬粒小麦Cd低积累的性状是由单基因控制, 并且这一性状具有较高的遗传性, 这为Cd低积累基因型的选育奠定了基础[24,25]。目前国内外对镉低积累农作物的筛选主要集中在水稻。吴启堂[26]曾报道过不同水稻品种间镉积累存在显著差异, 差异可达1倍以上, 这为选育镉低积累的水稻品种奠定基础。蒋彬等[27]通过大田试验对国内不同地区的239份水稻稻米中Cd含量进行了分析, 也证明不同基因型稻米中Cd含量差异极显著。随着研究的深入, 一些关于水稻稻米镉低积累的相关基因开始被报道, 如研究表明金属转运蛋白在水稻对重金属的耐性和积累中起着重要作用[28]。刘维涛等[11]筛选出的镉低积累大白菜品种丰源3号在盆栽试验中对Cd富集能力最差且耐性较强, 在田间试验时, 生产的大白菜也符合农产品安全质量无公害蔬菜安全要求 (GB18406.1-2001) 。

摘要：不同农作物对重金属镉的吸收和积累存在差异, 甚至同一作物不同品种间对重金属镉的吸收和积累也有很大差异, 因此, 可通过选择种植可食部位低积累镉的农作物, 有效降低镉进入食物链中, 这是镉污染土壤持续安全生产农作物的一条经济、有效的途径。概述中国镉低积累农作物研究现状, 总结了镉低积累农作物筛选标准, 为轻中度耕地土壤进行镉低积累农作物筛选提供理论依据。

关键词：镉,低积累,农作物,筛选,标准

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