高汙染風險農地，源頭把關水稻鎘含量

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農學報導

高汙染風險農地，源頭把關水稻鎘含量

刊登日：108/12/25

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行政院環境保護署自1982 年起進行土壤汙染調查，截至2017 年10 月20日，尚有3,652 筆農地公告為重金屬汙染控制場址，達500 多公頃。依據《土壤及地下水污染整治法》，上述場址整治完成前禁止栽種作物。八大重金屬中，鎘最易在水稻植體內轉運並累積，一定濃度內不會造成顯著毒害，若未進一步化驗，難以發現是否汙染。此外，重金屬累積受土壤及氣候因子、作物特性、作物栽培管理等因素影響，鎘濃度符合管制標準的合格農田，仍可能發生水稻鎘累積超標的風險。

衛生福利部訂定《食米重金屬限量標準》，鎘含量標準值為0.4 mg/kg，環境保護署針對食用作物農地訂定較其他用地更嚴格的監測標準值為2.5 mg/kg、管制標準值為5 mg/kg。若超過5 mg/kg，必須禁種、進行客土或植生復育等處理，完成整治作業才能恢復耕作。依據行政院農業委員會農業試驗所、環境保護署合辦計畫成果，當介於0.5 ～ 5 mg/kg，可嘗試調整作物栽培管理以控制超標風險。例如，種植不易吸收鎘的粳稻品種、施用石灰調整土壤酸鹼值，降低鎘吸收量；施用氯化鐵、搭配犁耕翻攪與抽去含鎘廢水，進行土壤改良。

然而，臺灣秈稻生產具長期穩定需求，並零星分散於各水稻生產區，僅從限定品種或特定生產區管制土壤鎘進入水稻生產鏈，不易達成全面管理之效。再者，目前優良品系選拔，不只評估外觀也同步篩檢重要基因型。針對上述瓶頸，選育秈稻新品系時，若能維持原先秈稻優良基因，適時保留粳稻低鎘累積的遺傳因子，將使鎘米風險緩解策略更加完整。

鎘累積能力來自先天，粳稻風險趨緩
臺灣每年水稻種植面積高達25 萬公頃，依據行政院農業委員會農糧署2015 年統計資料顯示，雖然以粳稻為主要栽培品種，然秈稻品種「臺中秈10 號」在2015 年第一期作種植面積位居前4 名，且自1979年品種命名後均為主要領先秈稻品種，穩定栽培於臺中縣、彰化縣、雲林縣等地區，正與主要中、小型電鍍工廠分布重疊，風險更不容忽視。

過去諸多研究顯示，秈稻品種重金屬累積能力較粳稻高，另依據郭鴻裕等人（2007）、Paul-Frans Römkens 等人（2009）研究指出，其進行大規模土壤與各品種鎘累積能力預測與模式建立，亦發現臺灣秈稻比「臺農67 號」等粳稻品種的鎘累積能力高出1 倍，當同樣種植於鎘濃度符合管制標準的農田，秈稻品種產生鎘米的風險高出許多。

土壤鎘在稻穀中的累積過程，主要是經過根部對土壤鎘的稀釋活化與吸收、木質部的容載與轉運，再經節間韌皮部聚集在稻穀內；因此，由水稻對鎘吸收、轉運和累積的生理模式，也決定了水稻各植體部位中鎘含量分布，大致循序著根部、莖葉、榖粒遞減。

隨著水稻重要性狀的遺傳資訊日漸豐碩，關於水稻鎘吸收或累積的遺傳研究，顯示第7 條染色體存在一個具顯著控制效果的熱區「qCdT7 基因座」，且確定具重要基因功能，包含根部吸收基因OsNramp1 、木質部運輸基因OsHAM3 等主效基因。OsNramp1 調控水稻根部細胞膜上鎘離子吸收通道的重要功能；例如，低鎘累積品種「日本晴」屬於低吸收基因型而抑止根部吸收過量鎘，而高鎘累積秈稻品種「Habataki」則反之。此外，同一染色體區域的OsHMA3 ，則能強化根部木質部細胞將鎘轉運進液泡，降低穀粒鎘累積；反之，高鎘累積品種的基因特性，使鎘離子不會被儲存在根部細胞液泡內，而是隨著維管束向上運輸，最終經莖稈轉運累積至稻穀，致使穀粒鎘含量較高。

兩極累積特性品種回交，
試種於高風險農地
針對根部吸收與木質部運輸的遺傳特性，對臺灣主要秈、粳稻栽培品種進行鎘累積基因型分析，結果發現臺灣主要粳稻品種均屬低鎘累積基因型；而秈稻OsNramp1 呈現高鎘累積基因型，OsHMA3 與粳稻同屬低鎘累積基因型。

確認臺灣品種的遺傳特性後，首先以低鎘累積特性粳稻品種「臺稉2 號」與臺中秈10 號雜交，再經連續3 年與臺中秈10號反覆回交，每次回交經過完整遺傳背景篩檢，挑選出帶有秈稻相似遺傳組成最高的優良品系，而基因型篩檢可於秧苗期進行，讓優良後代保留臺中秈10 號的遺傳背景，但在第7 條染色體上則保留粳稻對根部吸收及木質部運輸為低鎘累積特性的遺傳組成，如此不僅加速育種期程，更增加選育準確性。

過去大多利用水耕液培育水稻秧苗，在水溶液中調整重金屬濃度，藉此觀察秧苗對於目標重金屬的吸收程度。此方式雖能快速確認植體的吸收模式，但與實際田間土壤膠體的複雜特性仍存有若干落差，為確切評估改良品系在高風險田區的實際表現，將所有參試材料種植於高風險田區，並在成熟後從根部至稻穀逐一分開收穫，調查各部位累積程度。

參試材料除了秈稻改良品系「臺中秈10 號qCdT7 」、兩親本品種臺中秈10號、臺稉2 號，並有文獻顯示對照秈稻Habataki、低鎘累積粳稻品種「臺農71號」。於2015 年第一期作擇定臺中市后里區一處鎘超過監測標準值的高風險田區進行種植試驗，依據前期試驗已知田區土壤鎘梯度分布，顯示濃度範圍在1 ～4 mg/kg，並由東往西逐漸遞增，且靠近入水口處濃度較高，將所有試驗材料集中西區，並將改良新品系與兩親本種植於高濃度區，成熟後逐一收穫試驗材料外，試驗田區內以每間隔2 行、2 株（0.56 公尺 × 0.36 公尺）為土壤採樣密度，進行網格式土壤採樣，建立當期作土壤鎘濃度梯度分布，且各土壤取樣點均在行間與株間交叉點上，可供後續鄰近上下對角4 株樣品的背景濃度，計算植體生物濃縮係數（Bioconcentration factor, BCF）校正使用，以作為各植體相對累積程度評估使用。

各品種、品系的植體樣品於成熟期進行採樣調查，包含根部、莖部、糙米、稻殼；樣品前處理上，先以清水仔細清洗各部位植體樣品，以去除黏附的土壤、灰塵等，再以去離子水清洗，置入烘箱以70°C烘乾備用。各植體樣品經粉碎、酸處理後，以「感應耦合電漿質譜儀」測定鎘濃度。

改良品系鎘含量顯著下降，
農藝性狀仍相似
分析結果顯示，不論在根部、糙米、稻殼，經改良的新品系「臺中秈10 號qCdT7」其鎘含量均比輪迴親（該雜交親本作為多個世代反覆連續回交的栽培品種）臺中秈10 號呈顯著下降，詳述如下：根部以同屬秈稻品種的臺中秈10 號、Habataki為最高，相對累積程度（BCF 值）達4.0234、4.0478，依序遞減分別為臺農71號2.9924、提供親（該雜交親本只在生產1 次雜交後代後，僅作為提供優良特性的遺傳組成，不作為多個世代反覆回交使用）臺稉2 號2.6685、「臺中秈10 號qCdT7」2.2242，可知新品系與輪迴親臺中秈10號的相對累積程度達顯著差異，改良後下降幅度達44.7％。

莖部相對累積程度也是以Habataki 達0.9215 為最高，臺中秈10 號0.6212 次之，「臺中秈10 號qCdT7 」與另兩個粳稻品種的相對累積程度則為0.4667 ～ 0.3637，在最小顯著差異門檻0.1548 之下，「臺中秈10 號qCdT7」莖部相對累積程度與輪迴親雖未達顯著差異水準，然與輪迴親相比下降幅度達24.9％。

糙米相對累積程度與前述性狀排序相仿，以Habataki 達0.3706 為最高，臺中秈10 號0.2667 次之，「臺中秈10號qCdT7」0.1540 與臺農71 號0.1251、臺稉2 號0.1124 同屬於較低鎘累積者，「臺中秈10號qCdT7 」與秈稻品種達顯著差異，並較輪迴親臺中秈10 號減低42.2％。

稻殼相對累積程度也可以發現「臺中秈10 號qCdT7 」相對累積程度0.0562 為最低，與其他參試品種相較，鎘累積含量最少，其鎘吸收性可下降42.2％、能有效表現出低鎘累積特性，比輪迴親臺中秈10號降低許多風險。

除了植體鎘濃度分析，亦在採樣同時調查各項農藝性狀，如株高、產量構成要素、莖葉乾重、根部採樣乾重、收穫指數等性狀檢定，以確認經改良的新品系在其他性狀仍與輪迴親臺中秈10 號相似，維持原有品種的優良特性。

參試品種各性狀均具顯著差異（p <0.05），顯示各調查性狀均能穩定呈現品種間的遺傳差異。而新品系「臺中秈10 號qCdT7 」經過多次回交後，大部分遺傳組成已與輪迴親臺中秈10 號相仿，在2015年第一期作臺中市后里區試驗田區進行農藝性狀調查，兩者外觀亦高度相似。

「臺中秈10 號qCdT7 」株高107.7 公分、輪迴親臺中秈10 號109.7 公分相近；而分櫱數、每穗穎花數、稔實率、千粒重等產量構成要素均未達顯著差異，且呈高度相似，「臺中秈10 號qCdT7」僅每穗穎花數略增12.1％，分櫱數、稔實率、千粒重均維持相似程度下，似有增產趨勢，且莖葉乾重偏低約36.6 公克，收穫指數可達0.51，與臺中秈10 號收穫指數0.48 相比略增4.2％，但未達顯著差異。

本試驗成果首重於現地種植環境下探討秈稻後裔的鎘累積能力，對於目標種植環境具直接應用效益，並利用「分子標誌輔助育種」技術，透過控制性狀的基因，即可仿照醫院抽血檢驗是否帶有遺傳疾病的方式，抽取每株幼苗的核酸，檢查其基因型即分子標誌，依據檢查結果於幼苗期進行篩檢，不須等到植株成熟的形態表現才能進行選拔。

大幅改良栽培品種的生產風險，農民不須重新適應新品種的栽培管理，新品系選育能兼具水稻生產與食品安全，並作為緩解措施之一，對於農民生產與市場銷售等產業經濟發展提供保護作用，亦穩定臺灣水稻發展並提升環境永續利用。