李婷, 胡敏駿, 徐君, 蔣玉根, 閆慧莉, 虞軼俊, 何振艷*

(1.中國科學院植物研究所, 北方資源植物重點實驗室, 北京 100093; 2.杭州市富陽區(qū)農業(yè)技術推廣中心, 杭州 311400; 3.浙江省耕地質量與肥料管理總站, 杭州 310000)

鎘(cadmium，Cd)是一種有毒的重金屬，可通過食物鏈進入人體，對人體免疫、泌尿、神經等系統(tǒng)產生毒害作用。鎘的半衰期長達10～30年，其進入人體后可長期積累，導致骨損傷、腎病、血尿等疾病[1-2]，并進一步誘發(fā)癌癥和致畸，嚴重威脅人類健康[3]。我國耕地鎘污染問題突出，農作物安全生產面臨重大挑戰(zhàn)。2014年《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，我國土壤鎘的點位超標率為7.0%，在無機污染物中鎘超標點位率最高。2020年《中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》再次指出，影響農用地土壤環(huán)境質量的主要污染物是重金屬，其中鎘是首要污染物。

水稻(OryzasativaL.)是世界眾多國家的主要糧食作物。我國作為稻米生產和消費較大的國家之一，60%以上的人口以稻米為主食。相比于其他農作物，水稻在生長過程中易從土壤中吸收鎘元素，導致一些種植區(qū)籽粒鎘積累超過食品安全國家標準限量值0.2 mg·kg-1[4]。我國水稻籽粒鎘超標現(xiàn)狀不容樂觀，已有研究表明，在土壤高鎘污染地區(qū)，80%稻米鎘含量超標，平均鎘含量達現(xiàn)行國家標準的5.3倍[5-7]，給我國糧食安全帶來巨大威脅。因此，實現(xiàn)水稻的安全生產對我國糧食安全有著至關重要的作用。

水稻鎘低積累品種的選育是解決稻米鎘污染最經濟、可行的方法。不同水稻品種的鎘吸收和富集能力存在明顯差異，秈稻稻米鎘含量普遍高于粳稻數(shù)倍[8]，我國水稻種質資源豐富，不僅具有遺傳多樣性而且基因元件數(shù)量巨大，為鎘低積累水稻品種的選育提供了資源基礎。本文對目前已有鎘低積累水稻選育的進展進行了綜述，旨在為低鎘水稻的系統(tǒng)篩選、高效培育和快速推廣提供參考信息。

1 我國稻米鎘污染狀況

我國水稻籽粒鎘超標情況總體而言不容樂觀。Song等[9]對全國31個省、自治區(qū)、直轄市的食品調查結果顯示，在32種食品類別的228 687個樣品中，大米樣品的鎘含量最高。Mu等[10]對19個省份113份水稻籽粒樣品鎘含量進行了調研，結果顯示鎘超標率達7.96%。Yao等[11]調研中國主產區(qū)446份水稻樣品發(fā)現(xiàn)，籽粒鎘含量的平均值為0.186 mg·kg-1，最大值達到了2.138 mg·kg-1。

中國有六個稻作區(qū)，包括三個北方稻作區(qū)和三個南方稻作區(qū)，不同稻作區(qū)水稻籽粒鎘超標情況存在很大差異。水稻籽粒鎘含量呈現(xiàn)出明顯的地理分布特征，從北向南呈遞增趨勢，這可能與南方地區(qū)土壤鎘污染更嚴重有關。北方三個稻作區(qū)播種面積較小，稻作區(qū)與市場上大米鎘含量的調研結果顯示，僅在少數(shù)北方稻作區(qū)存在稻米鎘超標問題。張昌等[12]對黑龍江省查哈陽、五常、方正、響水、建三江五個地區(qū)的110份水稻籽粒樣品鎘含量進行了測定，籽粒鎘平均值為(0.004 0±0.008 1) mg·kg-1，未發(fā)現(xiàn)超標樣品。Wei和Cen[13]調研了北京市場上134份大米樣品的鎘含量，結果為(0.020 0±0.019 4)mg·kg-1。Xiao等[14]對陜西漢中92份水稻樣品籽粒鎘含量進行測定，平均值為0.22 mg·kg-1，超標率為22.8%，這與土壤鎘含量上升密切相關。整體來看，北方稻作區(qū)生產的水稻籽粒鎘污染程度較低，這可能與北方土壤鎘污染程度低和以粳稻品種為主的種植結構有關。

南方稻作區(qū)占全國水稻總播種面積的90%以上，與我國糧食產量密切相關，然而南方水稻產區(qū)稻米鎘超標問題較多。湖南省作為“有色金屬之鄉(xiāng)”，長期采礦導致部分稻田土壤鎘污染嚴重。Jiang等[15]收集了湖南省中部19個稻田95份水稻籽粒樣品，分析結果顯示，籽粒鎘含量范圍為0.289～0.967 mg·kg-1，平均值為0.567 mg·kg-1，超標率為100%，這與當?shù)赝寥梨k污染嚴重密切相關。湘潭地區(qū)的水稻籽粒鎘含量最大值達6.21 mg·kg-1，超標率在70%以上[16-17]。在洞庭湖周邊與資江流域，水稻籽粒鎘含量最大值達3.81 mg·kg-1，超標率大于50%[18-19]。在長沙、冷水江、瀏陽、攸縣等礦區(qū)附近的水稻籽粒最大鎘含量平均值為(0.472±0.194) mg·kg-1，超標率接近60%[20-22]。同屬于華中雙單季稻稻作區(qū)的浙江省也受到鎘污染威脅。He等[23]對2016年在浙江省溫嶺市采集的169份水稻樣品鎘含量進行了分析，發(fā)現(xiàn)20.7%的樣品超標。與2006年和2011年數(shù)據(jù)相比發(fā)現(xiàn)，近10年來溫嶺市水稻籽粒鎘濃度西低東高，東北部增幅最大(<10%)。Guo等[24]于2018年對浙江省金衢盆地的109份水稻樣品進行了區(qū)域實地調查，評估結果顯示，34%的水稻籽粒鎘含量超標。2019年，Lin等[25]調研了長江三角洲地區(qū)258份糙米樣品，發(fā)現(xiàn)4.6%大米樣品鎘含量超標。

南方其余水稻產區(qū)也存在一定的籽粒鎘超標。在華南雙季稻稻作區(qū)內，Zheng等[26]測定了珠江三角洲879份水稻籽粒鎘含量，平均為(0.17±0.20)mg·kg-1，超標率達29%。范云燕等[27]測定了南寧市市售的886份大米樣品鎘含量，超標率達19.19%。西南高原單雙季稻稻作區(qū)內，貴州銅仁230份水稻樣品鎘含量超標率為3.04%[28]。綜上所述，南方產區(qū)水稻籽粒鎘污染情況更為嚴峻，這可能與南方地區(qū)酸性土壤背景和以秈稻為主的種植結構密切相關。

總體來看，南方地區(qū)水稻鎘污染更為嚴重，對人體健康造成較高的風險，這可能與以下因素有關：①南方土壤鎘含量背景值高。②南方地區(qū)土壤偏酸性。土壤有效鎘含量與土壤pH顯著相關，酸性土壤中有效態(tài)鎘含量會增加，水稻對鎘的吸收也會增加。③南方種植結構以秈稻為主。與粳稻相比，秈稻具有更強的籽粒鎘積累能力，超標率更高。④南方居民膳食以水稻為主。我國南方地區(qū)大米每日人均攝入量為310 g，北方為116 g，食用量較大意味著鎘暴露風險更高。因此，為保障我國居民，尤其是鎘高風險地區(qū)的食品安全，亟需降低水稻籽粒中的鎘含量，以實現(xiàn)水稻安全生產。選育鎘低積累水稻品種作為最經濟可行的方法，目前已取得了一系列進展。

2 鎘低積累水稻品種篩選

相關報道顯示，部分水稻品種在優(yōu)先保護類耕地(鎘含量低于農用地土壤污染風險篩選值)區(qū)籽粒鎘含量超標，部分水稻品種在嚴格管控類耕地(鎘含量超過農用地土壤污染風險管制值)區(qū)籽粒鎘含量不超標[5, 29-34]，表明不同水稻品種適種的鎘污染土壤環(huán)境類型不同，阻控籽粒鎘積累的能力不同，根本上是品種間調控籽粒鎘積累特性的基因型存在顯著差異。我國水稻品種的多樣性為鎘低積累水稻品種的篩選提供了豐富的種質和基因資源。因此，可以根據(jù)水稻不同品種的籽粒鎘積累表型或基因型差異選擇籽粒鎘積累量較低的品種。其發(fā)展大體經歷了2個時期，即主要依賴表型檢測的常規(guī)篩選階段和以基因型為依據(jù)的分子標記輔助篩選階段(圖1)。

圖1 鎘低積累水稻品種的篩選方法[34]

2.1 常規(guī)篩選

常規(guī)篩選是指通過比較種植在相同土壤鎘污染條件下不同水稻品種的籽粒鎘積累表型來篩選低積累材料。目前各省都開展了低鎘水稻品種的篩選試驗，取得的主要進展如下。

湖南省是中國水稻生產大省之一，2009—2018年平均播種面積達418.86萬hm2。湖南省從2014年起開始大規(guī)模篩選低鎘主栽品種，經過連續(xù)的試驗，從685個主栽品種中篩選出了49個應急性鎘低積累品種[35]。張玉燭等[36]在2014—2016年收集雙季稻品種285個，在湖南鎘污染區(qū)進行了篩選及驗證試驗，從中篩選出應急性鎘低積累水稻品種25個，其中早稻品種12個，晚稻品種13個。其中早稻以湘早秈45號、株兩優(yōu)189、中嘉早17、株兩優(yōu)819、湘早秈32號表現(xiàn)最為突出，晚稻以湘晚秈12號、湘晚秈13號、金優(yōu)593表現(xiàn)較為突出。2016年，龔浩如等[37]開展了盆栽實驗，在3種不同鎘污染程度的土壤條件下，從湘潭地區(qū)種植廣泛的82個早、晚稻品種中篩選到4個應急性低鎘品種，包括早稻品種株兩優(yōu)729和兩優(yōu)早17，晚稻品種豐源優(yōu)272和C 兩優(yōu)7號。劉三雄等[38]以選育的20個新品系為研究材料，在三個不同污染程度的鎘污染區(qū)連續(xù)種植3年，篩選出鎘低積累不育系W115S和恢復系 R1195、R1514，可為配制鎘低積累組合提供親本。劉湘軍等[39]在土壤鎘背景值0.49 mg·kg-1的種植條件下，從祁陽縣18個水稻品種中篩選應急性鎘低積累水稻品種，篩選到2個鎘低積累水稻品種。Duan等[40]在中國南方三個中度污染地區(qū)(湖南省攸縣、湘潭市和浙江省杭州市富陽區(qū))為期兩年種植了471個當?shù)氐母弋a水稻品種，從中篩選出8個穩(wěn)定的鎘低積累品種。薛濤等[41]在長沙縣進行鎘低積累水稻品種篩選田間小區(qū)試驗，從8個早稻品種和10個晚稻品種中篩選到3個早稻品種中嘉早17、株兩優(yōu)189、華1s/R039，以及3個晚稻品種長兩優(yōu)772、長兩優(yōu)1419、長兩優(yōu)051，這6個品種被推薦為湖南地區(qū)中低鎘污染農田適宜推廣的鎘低積累水稻品種，其中中嘉早17、株兩優(yōu)189與張玉燭等[36]研究結果一致。

浙江省位于長江中下游，水稻常年播種面積在80萬hm2左右，品種類型十分豐富，在鎘低積累品種篩選方面也開展了一系列研究。Lin等[31]在浙江省東北部輕度鎘污染土壤上進行了為期兩年的田間試驗，從27個晚稻品種中篩選到了2個鎘低積累且高產的品種，分別為五優(yōu)103和五山絲苗。李桂松等[42]在浙江某輕度鎘污染農田上對49個水稻品種進行篩選試驗，結果顯示，甬優(yōu)538為鎘低積累品種，且高產穩(wěn)定，適宜在浙江省鎘低污染農田推廣種植。

其他省份也開展了大量篩選低鎘水稻品種和材料研究。張錫洲等[43]以具有明顯遺傳差異的145種水稻親本材料為研究對象，在2 mg·L-1Cd水培處理條件下，篩選到恢復系鎘低積累種質資源13種，保持系鎘低積累種質資源2種。王宇豪等[44]從西南地區(qū)8個水稻品種中篩選到2個高產且籽粒鎘含量低的品種川優(yōu)3203和川優(yōu)6203。馮愛煊等[45]從重慶市13個主栽品種中篩選到4個適宜當?shù)氐钠贩N，分別為隆兩優(yōu)534、Y兩優(yōu)1號、袁兩優(yōu)908和渝香203。江川等[46]通過土培盆栽實驗從60個水稻品種中篩選到1個鎘低吸收品種臺粳8號，在1 mg·kg-1Cd處理條件下，其籽粒鎘含量符合國標限量值。Chi等[29]在廣東省北部4個鎘砷污染的稻田中對51個水稻品種進行篩選，鑒定到兩個穩(wěn)定的雜交秈稻鎘低積累品種C35和C49。單天宇等[47]在廣東省韶關市鑒定到4個低鎘品種金優(yōu)463、金優(yōu)268、金優(yōu)433和株兩優(yōu)189，與當?shù)仄贩N相比，鎘從穎殼向籽粒的轉運能力更低，其中株兩優(yōu)189在湖南省鎘低積累水稻篩選試驗中也被張玉燭等[36]和薛濤等[41]列為應急低鎘品種之一，可在安全利用類土壤上種植而籽粒鎘含量低于國標限量值。

常規(guī)篩選是普遍應用的低鎘水稻品種篩選方法，但由于其依賴的水稻籽粒鎘積累表型易受稻田土壤環(huán)境質量、水肥管理措施等影響，常規(guī)篩選的“低鎘”水稻表型穩(wěn)定性差。另外，常規(guī)篩選從試驗到大田示范推廣需要時間長，應用具有地域范圍等限制性，目前真正商業(yè)化廣泛應用的還較少。由于環(huán)境型對水稻籽粒鎘積累性狀影響較大，穩(wěn)定可重復的低積累表型呈現(xiàn)目前已經成為低鎘積累水稻品種常規(guī)篩選的主要瓶頸。

2.2 分子標記輔助篩選

水稻籽粒鎘積累性狀是多基因控制的數(shù)量性狀，基因型是影響品種間籽粒鎘積累能力的根本內在因素，鎘積累相關基因的功能等位變異在水稻鎘積累能力差異中發(fā)揮重要作用。分子標記輔助篩選是利用與目標性狀基因緊密連鎖的基因設計分子標記，對目標性狀進行基因型篩選的一項育種技術，具有高效、準確、結果穩(wěn)定的優(yōu)點，可增加篩選的準確性和效率，為穩(wěn)定可重復地篩選低鎘水稻品種提供了可行方案。根據(jù)使用分子標記數(shù)目的不同，分子標記輔助篩選分為低密度和高密度兩種篩選類型。

低密度分子標記是基于已報道的功能基因或QTL開發(fā)的單個或多個分子標記，已發(fā)表或申請專利的水稻籽粒鎘積累相關分子標記大多數(shù)為基于KASP(kompetitive allele specific PCR，競爭性等位基因特異性PCR)分型的SNP分子標記，少數(shù)為InDel分子標記或DNA片段。目前已開發(fā)的或國家發(fā)明專利授權的低密度低鎘水稻篩選分子標記有OsNRAMP5、OsHMA3、Tons、R2ID3116、LCd-系列等(表1)，這些標記通過檢測待測水稻品種的基因型可快捷地預測水稻籽粒的鎘含量，篩選低鎘水稻種質資源。其中，麻密課題組[48-52]開發(fā)了5個與水稻籽粒鎘積累相關的KASP分子標記LCd-11、LCd-22、LCd-31、LCd-38、LCd-41；唐麗等[53]根據(jù)根部鎘轉運蛋白OsNRAMP5開發(fā)了位于起始密碼子ATG下游+938位的SNP分子標記TT；姚文元等[54]根據(jù)根部液泡鎘轉運蛋白基因OsHMA3開發(fā)的SNP分子標記被用于有效鑒別水稻籽粒鎘積累性狀。楊遠柱等[55]開發(fā)了水稻籽粒鎘含量相關基因qGCd2的分子標記R2ID3116。王天抗等[56]基于珞紅4A的7號染色體缺失片段處的插入序列開發(fā)了與水稻籽粒鎘低積累存在緊密關聯(lián)Tons分子標記。目前水稻籽粒鎘積累相關分子標記仍在陸續(xù)開發(fā)中。

表1 水稻籽粒鎘積累相關分子標記專利

低密度分子標記輔助篩選只能利用已經鑒定到的少數(shù)功能基因和QTL，難以解決目標基因育種過程中經常發(fā)生的遺傳連鎖累贅問題，且不能排除遺傳背景的干擾。全基因組測序和全基因組關聯(lián)分析(genome wide association study, GWAS)等技術的發(fā)展加深了人類對水稻基因組及基因功能的認識，解決了遺傳連鎖累贅問題，為利用高密度分子標記輔助篩選低鎘水稻提供了海量分子標記。Yan等[34]利用水稻微核心種質開展全基因組關聯(lián)分析，鑒定到水稻籽粒鎘積累相關的12個QTL和494個基因；Pan等[57]通過338份水稻材料的單核苷酸多態(tài)性和全基因組關聯(lián)分析鑒定到35個與籽粒鎘積累顯著相關的QTL。Zhao等[58]對來自全球53個國家的312份水稻進行全基因組關聯(lián)分析，獲得了14個鎘積累的QTL，其中7個在秈稻群體中鑒定，7個在粳稻群體中鑒定。全基因組高密度分子標記輔助篩選考慮了基因組中數(shù)萬甚至數(shù)百萬的分子標記信息，為未來通過數(shù)學模型等對水稻表型進行精準預測，實現(xiàn)基因組水平品種選育奠定了基礎。

3 鎘低積累水稻種質創(chuàng)制

鎘低積累水稻是保證人類食品安全的前提，創(chuàng)制鎘低積累水稻材料是育種家的主要任務之一。鎘低積累水稻育種方法可分為常規(guī)育種和分子育種。常規(guī)育種主要是通過水稻籽粒表型從水稻群體后代中選擇鎘低積累的材料。分子育種是一種新型的育種方法，以遺傳學、基因組學、分子生物學以及細胞生物學的研究進展為基礎，結合最新發(fā)展的各種生物技術，實現(xiàn)分子水平上對水稻鎘積累性狀的定向改良及新品種的培育。由于目前未有低鎘特性水稻品種授權，因此已有進展主要是低鎘種質創(chuàng)制研究(表2)。

表2 鎘低積累水稻材料創(chuàng)制

3.1 常規(guī)育種

常規(guī)育種包括雜交育種和誘變育種。雜交育種是通過篩選同時具有親本優(yōu)良性狀的后代，以其作為育種新材料的方法。其理論基礎是遺傳學的基因分離定律、自由組合定律、連鎖與交換規(guī)律等。目前低鎘水稻雜交育種的報道還較少，這是由于傳統(tǒng)的水稻雜交育種選育周期長、效率低，目前該方法多與分子標記輔助育種法結合開展。

誘變育種以基因突變?yōu)槔碚摶A，通過人為地利用物理、化學因素誘導發(fā)生遺傳變異，然后根據(jù)籽粒鎘積累性狀定向鑒定和選拔以創(chuàng)制低鎘水稻新材料。誘變源處理水稻材料后誘發(fā)的突變頻率遠高于植物自發(fā)突變(10-6)，由此產生的突變體既可作為推廣材料，也可作為優(yōu)質育種資源。日本科研人員Ishikawa等[59]利用高能碳離子束輻照溫帶粳稻材料越光(Koshihikari)的種子，產生了3個鎘低積累突變體(lcd-kmt1、lcd-kmt2和lcd-kmt3)，這3種突變體的籽粒鎘濃度均小于0.05 mg·kg-1，遠低于野生型越光的籽粒鎘含量平均值(1.73 mg·kg-1)，屬于鎘低積累新材料。此外，林園園等[60]利用重離子輻照秈稻品種9311籽粒，發(fā)現(xiàn)突變體水稻籽粒鎘積累量發(fā)生變異，并篩選出存在差異且可穩(wěn)定遺傳的、可供進一步創(chuàng)制籽粒鎘低積累的水稻材料。誘變育種產生的突變體不是轉基因植物，這可能更容易被消費者所接受。因此，利用誘變育種培育低鎘水稻新品種是實現(xiàn)種質資源創(chuàng)新的一項重要技術。

3.2 分子育種

分子育種包括分子標記輔助育種、基因工程、基因編輯和分子設計育種等。水稻分子育種突破了常規(guī)育種周期長、效率低及不穩(wěn)定的缺點，已成為現(xiàn)代水稻育種發(fā)展的主要方向。

3.2.1分子標記輔助育種 20世紀80年代，生物技術的發(fā)展促生了分子標記輔助育種(mole-cular assisted breeding, MAB)，使常規(guī)遺傳育種有了一定的可跟蹤性。分子標記輔助育種是利用與鎘積累性狀緊密連鎖的DNA分子標記或功能標記，從而對鎘積累性狀進行間接選擇，再結合常規(guī)育種手段培育新品種的現(xiàn)代育種技術，是分子標記輔助選擇和常規(guī)育種的有機結合。分子標記輔助選擇具有高效、準確、結果穩(wěn)定的優(yōu)點，可降低育種成本、增加選擇準確性和效率，是目前鎘低積累水稻分子育種的主要方式之一。

Takahashi等[61]對2個粳稻品種雜交衍生的 F5世代進行篩選，創(chuàng)制含有OsHMA3分子標記的用于修復鎘污染的水稻材料Akita110。陳彩艷等[35]利用4個低鎘分子標記，對5 769份具有秈粳雜交背景的父母本新品系進行分子標記輔助篩選，共篩選到攜帶1～3個低鎘分子標記的464S、141S 等8份兩系不育系和R772、R051等72份父本新品系。黃湘桂等[62]采用分子標記輔助選擇技術分別將稻瘟病抗性基因和鎘低積累相關基因OsHMA3導入水稻兩用核不育系創(chuàng)5S(C5S)，創(chuàng)制了聚合抗稻瘟病和鎘低積累基因的新材料Pi49+Pigm或者Pi49+Pi2-1。王天抗等[56]利用Tons分子標記從珞紅4A與IR28雜交的F2群體中的雜交后代中獲得了低鎘新材料Tonys。

3.2.2基因工程育種 基因工程(genetic engineering)可通過直接敲除或過表達基因改良水稻品種鎘積累特性，使水稻獲得鎘低積累性狀?；蚯贸饕椒ò≧NAi、T-DNA插入突變等。Uraguchi等[63]用RNAi技術沉默了水稻體內鎘轉運基因OsLCT1，減少了韌皮部介導的鎘轉運，lct1突變體植株在籽粒中積累的鎘大約是對照植株的一半。Yuan等[64]利用RNAi敲除OsMTP1后，與野生型相比，OsMTP1-RI突變體籽粒中鎘含量顯著下降。Sasaki等[65]鑒定到OsNramp5參與了水稻對錳的吸收和積累，敲除Nramp5則會在降低籽粒鎘含量的同時顯著降低水稻生長和產量。Das等[66]通過RNAi下調了水稻籽粒中OsPCS基因表達，獲得了3個籽粒鎘低積累突變體株系ihpL1、ihpL2和ihpL3。通過篩選帶有基因陷阱載體PGA2707標簽的T-DNA插入庫，Shimo等[67]得到了一個耐鎘的水稻突變體株系lcd，其是一個水稻Tos-17插入突變體，籽粒中鎘含量下降約50%，植株干重和產量與野生型沒有顯著差別。Takahashi等[68]在水稻中過表達OsHMA2，可顯著降低水稻籽粒中的鎘含量，且不影響其他元素含量。Lu等[69]將OsHMA3在優(yōu)質秈稻品種中嘉早17中過表達，結果發(fā)現(xiàn)過表達OsHMA3的水稻籽粒中鎘含量降低了94%～98%，且對產量和必需微量元素沒有顯著影響。

3.2.3基因編輯育種 基因編輯是指通過對調控目標性狀基因的堿基進行編輯，從而導致基因功能改變，最終性狀也發(fā)生改變。CRISPR/Cas9精確編輯技術是目前水稻育種研究中應用最廣的一種基因編輯技術，具有技術操作簡單、成本低且效率高的特點。

趙炳然團隊結合基因組編輯技術與雜交水稻技術，研創(chuàng)出低鎘恢復系、不育系并配制出低鎘雜交稻組合[74]。Tang等[70]使用CRISPR/Cas9系統(tǒng)敲除了金屬轉運蛋白基因OsNramp5來開發(fā)低鎘積累且無轉基因的新秈稻材料。osnramp5突變體的籽粒鎘含量始終低于0.05 mg·kg-1且產量未受影響，而華占(野生型秈稻)籽粒鎘含量從0.33～2.90 mg·kg-1。以華占(HZ)和隆科638S(638S)為背景的osnramp5純合突變體籽粒鎘含量極低，并且在鎘污染嚴重的稻田中生長正常。此外，HZ和638S突變體的雜交后代籽粒鎘含量迅速顯著降低。Hao等[71]敲除了水稻鈣離子/陽離子交換蛋白基因OsCCX2，突變體ccx2籽粒中鎘含量顯著降低。Tan等[72]利用CRISPR/Cas9創(chuàng)制了oszip7-1、oszip7-2和oszip7-3突變體，3個突變體根和莖節(jié)中鎘的積累增加，籽粒中鎘含量降低。

目前基因編輯技術尚未完全成熟，受到編輯范圍與突變類型的限制，也存在一定不足，例如脫靶率較高、不同基因編輯位點效率不同等。以上問題限制了基因編輯技術的大規(guī)模應用，基因編輯技術在培育低鎘水稻品種上有待進一步的深入探究和實踐。

3.2.4分子設計育種 隨著遺傳學、基因組學、分子生物學等領域的快速發(fā)展，科學家提出了設計育種 (breeding by design)，其理念是根據(jù)需求聚合優(yōu)異性狀基因培育優(yōu)異新品種。水稻分子設計育種又叫水稻分子模塊設計育種，是指在分子水平上定向改良水稻多基因調控的復雜形狀，以培育綜合性狀優(yōu)異的新品種。目前將分子設計育種分為三個步驟：①定位相關性狀的基因位點；②尋找所需育種目標的基因型；③設計育種方案并開展設計育種。分子設計育種可以有效提高目標性狀的預見性，加快育種效率，從而實現(xiàn)定向、高效的精確育種。

Liu等[73]發(fā)現(xiàn)，秈粳亞種間OsHMA3啟動子存在明顯秈粳分化，其中秈稻品種傾向攜帶高鎘積累等位基因GCC793-11。將低鎘積累等位基因GCC7PA64s導入秈稻中顯著降低了秈稻籽粒中的鎘含量并未影響農藝性狀。這為降低秈稻籽粒鎘積累提供切實可行的遺傳改良方法。Yan等[34]利用全基因組關聯(lián)分析技術和基因功能驗證體系，初次鑒定到一個參與鎘轉運的主要協(xié)助轉運蛋白超家族(major facilitator superfamily，MFS)成員OsCd1，該基因參與了水稻根部鎘吸收和籽粒鎘積累過程。OsCd1基因型在秈稻和粳稻中出現(xiàn)顯著分化，其中OsCd1V449主要在粳稻中存在,其鎘轉運能力顯著低于秈稻基因型OsCd1D449。將OsCd1V449導入秈稻品種9311和桂朝2號中可顯著降低其籽粒鎘含量，該低鎘基因型OsCd1V449對低積累秈稻品種的培育具有重要意義。

4 展望

目前,我國稻米鎘含量存在超標現(xiàn)象，威脅著食品安全和人民健康。鎘低積累水稻品種的選育作為目前最有效的應對措施，已成為水稻安全生產的主攻方向之一，并取得一系列進展。但是其中也存在一些問題和瓶頸：①水稻品種的地域限制性。低鎘水稻品種的篩選與創(chuàng)制都是基于某一地區(qū)的品種，是否能夠在其他鎘污染區(qū)域大規(guī)模種植應用還有待研究。②研究體系標準化。目前全國范圍內研究者基于各自的研究體系開展低鎘水稻品種篩選與培育，不同地域和品種間籽粒鎘積累特性不可科學比較。③水稻品種適種耕地鎘污染閾值的界定。根據(jù)《土壤環(huán)境質量 農用地土壤污染風險管控標準》將稻田土壤劃分為優(yōu)先保護類、安全利用類與嚴格管控類，不同水稻品種的適種鎘污染閾值不同，需要明確界定篩選和培育鎘低積累品種適種耕地的鎘污染閾值，有利于材料的推廣和水稻的安全生產。④高效實用的分子元件有待發(fā)掘。目前針對水稻鎘積累性狀的轉運分子機制已進行了大量研究，通過基因工程與基因編輯等方法利用相關鎘轉運基因在對水稻降鎘的同時會影響水稻正常生長或者其他重要農藝性狀，可用于育種的基因元件與QTL較少。鎘積累性狀的的其他分子調控機制尚有待解析，進一步挖掘高效實用的分子元件。

隨著基因組技術、大數(shù)據(jù)技術和分子生物學等的迅猛發(fā)展，水稻選育在理論和技術水平上有了大幅度提高，催生了全基因組選擇育種、精準設計育種和智能設計育種等新方法，水稻育種進入分子選育2.0時代，為突破以上瓶頸問題提供了有效的解決方案。全基因組選擇育種是一種基于與所需性狀關聯(lián)的高密度分子標記進行育種的新方法，具有更高的育種效率，對所需性狀預測更準確，可加快育種進展。目前，全基因組選擇育種技術是加速新基因型開發(fā)最有希望的育種方法，具有廣闊的應用前景。精準設計育種理論體系是最新提出的水稻育種體系，是指通過整合水稻種質資源的組學信息，通過遺傳學和系統(tǒng)生物學分析，從遺傳變異、表觀變異和環(huán)境變異三個維度揭示作物復雜性狀的精準調控機制，構建復雜性狀的精準控制理論體系，該體系將會引領育種技術走向精準、高效的跨越。智能設計育種是通過結合各類組學大數(shù)據(jù)與機器學習策略智能設計基因組育種模型，利用人工智能模擬來建立最優(yōu)創(chuàng)制方案來達到理想表型。鎘低積累水稻的全基因組選擇育種和精準設計育種正在如火如荼地進行中，新一代分子育種新體系新技術將引領未來育種新方向，驅動水稻育種加速向精準化、高效化和智能化發(fā)展，為鎘低積累水稻選育帶來新突破。