加拿大西部166个亚麻纯系种子镉含量变异及其与表型性状的关联研究

本文系统评估了166个来源广泛的亚麻纯系在加拿大西部四个试验点的镉（Cd）积累特性，揭示了种子Cd浓度与土壤Cd含量显著正相关（0.35–2.80 mg/kg），基因型间变异达五倍（0.31–1.50 mg/kg）。研究发现Cd积累与千粒重、株高、花色及种皮色无显著关联，但早熟材料呈现较低Cd积累趋势。研究筛选出具有稳定低Cd（如‘McGregor’）和高Cd（如‘Bison’）特性的品系，分别为食用亚麻育种和土壤镉污染植物修复（phytoremediation）提供种质资源。该研究为亚麻安全生产和遗传改良提供了重要数据支撑。

　　

引言

亚麻（Linum usitatissimum L.）作为重要的油料和纤维作物，其种子中的镉（Cd）积累问题日益受到关注。镉作为具有强生物毒性的重金属，可通过食物链在人体内富集，导致肾脏损伤、骨质疏松甚至致癌风险。国际机构对食品中镉含量设定了严格标准，例如欧盟规定亚麻籽镉限值为0.5 mg/kg，德国和新加坡的要求更为苛刻。加拿大作为全球主要亚麻生产国，年产约50万吨，其产品主要出口至欧洲，但随着亚麻在功能性食品中的应用增加，降低种子镉含量成为育种和生产的迫切需求。

材料与方法

研究材料来源于加拿大植物遗传资源库（PGRC）保存的亚麻核心种质资源。通过单粒传代（SSD）方法从141份种质中纯化出166个纯系，涵盖26个国家的遗传背景，包括115份微型核心种质、26份特殊油份特性材料及24个加拿大栽培品种。田间试验于2020–2021年在加拿大西部的萨斯卡通、莫尔登和梅利塔三个地点进行，共形成四个试验环境（莫尔登点重复两年）。采用改进的增强设计（MAD）安排田间布局，每个试点设置重复对照（CDC Bethune和AAC Bravo）。

镉含量检测采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）。种子样品经冷冻干燥研磨后，用硝酸（HNO₃）和过氧化氢（H₂O₂）微波消解，最终在2%硝酸基质中上机检测。土壤样品同步采集0–33 cm耕层，使用相同方法测定全镉含量。表型性状包括千粒重（TSW）、株高、花色、种皮色及物候期（始花期、盛花期和成熟期）均在田间规范记录。

结果与讨论

土壤镉含量在不同试点间差异显著：梅利塔（0.35 ± 0.05 mg/kg）和萨斯卡通（0.40 ± 0.06 mg/kg）属于低镉土壤，而莫尔登两点分别为1.94 ± 0.22 mg/kg（2020）和2.80 ± 1.29 mg/kg（2021），显著超过全球土壤镉背景值（0.53 mg/kg）。种子镉浓度与土壤镉含量呈明显正相关，四个试点的平均值分别为0.35 ± 0.12 mg/kg（梅利塔）、1.03 ± 0.26 mg/kg（萨斯卡通）、1.14 ± 0.41 mg/kg（莫尔登2020）和1.21 ± 0.36 mg/kg（莫尔登2021）。值得注意的是，尽管萨斯卡通与梅利塔土壤总镉水平接近，但种子镉积累更高，暗示土壤性质（如有机质含量、锌竞争吸收）可能影响镉的生物有效性。

基因型间变异分析显示，166个纯系种子镉浓度整体范围为0.31–1.50 mg/kg（平均0.93 ± 0.22 mg/kg），变异幅度达五倍，表明存在显著的遗传分化。然而，跨试点相关性分析表明基因型稳定性较低，相关系数仅介于0.35–0.53之间。这一结果说明环境效应对镉积累的影响不容忽视，也意味着低镉育种需在多环境下进行长期筛选。

研究筛选出一批具有稳定低镉特性的品系，包括CN 125265（‘McGregor’，加拿大）、CN 125275（巴基斯坦来源）、CN 125294（‘Laura’，荷兰）等，其平均镉浓度低于0.7 mg/kg且变异系数（CV%）小于50%。这些材料可作为食用亚麻育种的重要亲本。另一方面，高镉品系如CN 125270（‘Bison’，美国）、CN 125353（‘Redson’，美国）及CN 125385（俄罗斯来源）等（种子镉 > 1.39 mg/kg），在植物修复领域具有应用潜力。不过，镉在植物体内的分布存在组织特异性，以往研究表明根、叶中的镉浓度远高于种子，因此高镉品系的筛选需结合多器官评估。

表型性状关联分析显示，种子镉浓度与千粒重（TSW）、株高、花色及种皮色均无显著相关性，说明无法通过这些直观性状进行间接选择。早熟性则呈现一定趋势：营养生长期较短、成熟较早的材料镉积累量较低（与成熟期相关系数R = -0.50）。此外，地理起源并未表现出明显规律，仅美国来源材料平均镉浓度（1.03 mg/kg）略高于总体均值，而此前报道的印度材料低镉特性未得到证实。

结论

该研究系统解析了亚麻种子镉积累的遗传和环境调控机制。土壤本底镉含量是决定种子镉水平的关键因素，因此选择低镉土壤种植食用亚麻是最直接有效的安全生产策略。在遗传改良方面，由于基因型－环境互作显著，低镉育种需结合多环境鉴定和稳定性评价。本研究建立的纯系群体和表型数据库将为亚麻镉积累的遗传解析提供重要资源，也为面向食品安全和污染修复的品种选育奠定了材料基础。