硒胁迫对紫花苜蓿硒积累及矿质元素吸收的效应

代惠萍，赵 桦，贾根良，陈德经，张兴昌，裴金金，冯佰利

(1.陕西理工大学，陕西省资源生物重点实验室，陕西 汉中 723001；2.陕西理工大学 生物科学与工程学院，陕西 汉中 723001；3.西北农林科技大学 理学院，陕西 杨凌 712100；4.中国科学院水利部 水土保持研究所，水利部水土保持生态工程技术研究中心，陕西 杨凌 712100；5.西北农林科技大学，旱区作物逆境生物学国家重点实验室，陕西 杨凌 712100)

硒胁迫对紫花苜蓿硒积累及矿质元素吸收的效应

代惠萍1，4，赵 桦2，贾根良3，陈德经1，张兴昌4，裴金金1，冯佰利5

(1.陕西理工大学，陕西省资源生物重点实验室，陕西 汉中 723001；2.陕西理工大学 生物科学与工程学院，陕西 汉中 723001；3.西北农林科技大学 理学院，陕西 杨凌 712100；4.中国科学院水利部 水土保持研究所，水利部水土保持生态工程技术研究中心，陕西 杨凌 712100；5.西北农林科技大学，旱区作物逆境生物学国家重点实验室，陕西 杨凌 712100)

为了探讨硒胁迫对紫花苜蓿硒积累及对其他矿质元素吸收的影响。以3种苜蓿阿尔冈金、大叶苜蓿、维多利亚为试材，采用土培试验方法，研究了硒胁迫对紫花苜蓿不同组织的生物量、转运系数、耐性指数、硒积累量、硒含量和矿质元素含量的影响及紫花苜蓿对硒的积累能力。结果表明：施以100 μmol/L硒时，硒处理显著提高了3个品种苜蓿根、茎、叶片的硒含量、耐性指数、硒积累量和K、P、Ca、Mg元素的吸收，当硒浓度为900 μmol/L时，则降低了阿尔冈金和维多利亚不同器官生物量及大叶苜蓿根的生物量积累，且降低了阿尔冈金和维多利亚不同器官及大叶苜蓿根和茎对Zn吸收积累量。不同品种间相比较，大叶苜蓿生物量、硒积累量和K、P、Mg元素吸收显著高于其他2个苜蓿，且差异显著。综合评价表明，大叶苜蓿对矿质元素和Se有较好的吸收和富集能力。

硒积累；紫花苜蓿；矿质元素

微量元素与人体健康有密切关系，土壤、水和食物中微量元素缺乏或过量会使人和动物患有一些特殊疾病[1]，硒(Se)是人和动物必需的微量元素，而植物在自然界硒循环转化、人类健康领域具有重要地位和作用，使得近年来植物硒研究领域也受到普遍关注[2]。同时，硒是人和动物体内谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)的组成成分，且 GSH-Px 可以消除脂质过氧化物的毒性作用[3-5]。前人的研究报道中硒对植物的生长有双重作用，适量的硒能够增强植物的抗氧化能力，促进植物生长与发育，过量硒对植物产生毒害，植物出现中毒症状，生长及生理活动受到抑制，植物细胞对硒的毒性最敏感的部位是一些特殊的和基本反应中需要 S 的部位，低浓度的 Se对植物吸收 S 的影响不大，反而会刺激作物的一些生理反应。

但当大量的 Se 取代 S 进入植物组织中，一些酶的疏基(-GSH)就会失去作用，含硒的疏基干扰细胞的正常生化反应和酶的功能[6-7]。同时，硒能够预防和抑制镉、砷、汞、银等有毒元素对机体的伤害[8-9]。在食物链中，由于硒主要来源于植物并最终来源于土壤，土壤中硒的含量、形态和作物对硒的吸收转化等都直接影响着食物链中硒水平[10-11]。因此，土壤中的硒一直是研究热点。

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)不仅是食品、饲料的重要来源，也在纺织、造纸等工业方面有着广泛的用途[12]。代惠萍等[13]研究证实，紫花苜蓿对锌和硒具有较高的富集能力，它生物量大、生长周期长、抗干旱和病虫害能力强，是一种潜在的、应用前景较好的重金属污染土壤修复植物。随着紫花苜蓿深加工的发展，污染的土壤上种植紫花苜蓿，收割后作为工业用途，避免紫花苜蓿体内的重金属进入食物链，对促进苜蓿产业健康可持续发展，保障环境安全具有重要的现实意义。

本研究通过添加外源硒，进一步探讨硒胁迫下紫花体内苜蓿吸收、积累及分配规律，其硒的形态转化及对其他矿质元素吸收的影响，为富硒紫花苜蓿在农业生态环境和预防硒缺乏促进健康等综合开发利用方面提供理论参考。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试材料为新疆大叶苜蓿、维多利亚、阿尔冈金3种紫花苜蓿栽培品种。

供试土壤为陕西理工大学生物工程学院试验地的园田土，采用园田土、草炭、蛭石，按照3∶1∶1的体积比充分混匀，自然风干，过2 mm 筛。然后取若干土样做本底值测试，并将其余土分装于塑料盆中。

1.2 试验设计

采用盆栽法，用25 cm×16 cm塑料盆，每盆土壤质量约 2 kg，于2014年3月播种，选饱满、无病虫害苜蓿种子，用0.1%的HgCl2消毒10 min，每盆播种20粒，在自然光照条件下培养，出芽15 d后间苗，每盆留15株长势均匀的幼苗。植株生长期间用Hoagland营养液浇灌，苜蓿幼苗生长2个月后，在去离子水中分别加入亚硒酸钠(Na2SeO3)母液配成不同质量浓度的处理液，施入土壤中，形成0(CK，硒亏缺)、100 μmol/L(低浓度硒)、900 μmol/L(高浓度硒)，3个处理，每处理重复6次，共54盆。培养期间，采用称重法，补充消耗的水分。在胁迫60 d 时进行收获，选择生长基本一致的植株，每个处理收获12株，将每株叶片分开，迅速用液氮速冻，保存于-80 ℃冰箱中，进行相关指标测定。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 矿质元素含量 植株样品矿质元素( K、Na、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn) 采用硝酸-高氯酸联合消煮，电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-OES)测定参考Dai等[12]。

1.3.2 生物量 不同浓度硒胁迫后60 d进行取样，每个处理取12株，将每株的叶片、根和茎分开，并用去离子水冲洗。然后烘箱内100 ℃杀青15 min，80 ℃下烘至恒重。之后用万分之一天平称量地上部干质量。

1.3.3 硒含量 将根、茎和叶片样品，粉碎成粉末，65%(m/V)HNO3消解，用原子荧光吸收分光度计测定Se含量[14]。

1.3.4 转运系数、耐性指数和硒积累量分析 转运指数(Translocation factor， Tf)，根据 Dai等[14]的方法计算转运指数，转运指数=地上部分硒含量/根部硒含量。耐性指数(Tolerance factor，Ti)=锌处理植物干质量/对照组织植物干质量[13]。硒积累量=植物地上(或根系)Se含量×植物地上(或根系)生物量。

1.4 数据分析

采用统计软件SPSS 12进行统计分析。One-Way ANOVA方差分析比较不同处理间各项指标的差异，通过LSD法进行差异显著性(P<0.05)分析。

2 结果与分析

2.1 硒对3种紫花苜蓿生物量的影响

表1可见，硒胁迫条件下，在60 d时，随着胁迫浓度增加，参试苜蓿根、茎和叶的生物量呈先增加后降低的变化趋势，100 μmol/L Se处理的参试苜蓿不同器官的生物量分别高于对照，而900 μmol/L Se处理的3种苜蓿根生物量比对照分别降低了20.5%，18.5%，19.4%，其900 μmol/L Se处理的阿尔冈金苜蓿和维多利亚茎和叶生物量比对照降低了31.3%，21.0%和41.4%，40.7%，而大叶苜蓿茎和叶生物量比对照增加了5.7%，7.0%。

表1 硒对3种紫花苜蓿生物量的影响表1 Effects of Se stress on the biomass in the different tissues of three cultivars of Medicage sativa

注：数据显示为平均值±SE(n=6)；同一品种和同一处理不同时间的不同字母表示差异达0.05显著水平(新复极差法)。表2-4同。

Note：Data indicate means±SE(n=6)；Different letter in same cultivars and treatment with different date mean significant differences at 0.05 level (LSR method).The same as Tab.2-4.

2.2 硒对3种紫花苜蓿体内硒含量的影响

表2表明，硒胁迫条件下，随着硒浓度增加，参试紫花苜蓿叶片、茎和根硒含量呈增加趋势，在60 d时，100 μmol/L Se处理的阿尔冈金、大叶苜蓿和维多利亚根分别比CK增加了3.9,15.9,4.4倍，茎中硒含量分别比CK增加了1.2，31.9，4.3倍，叶片中硒含量分别比CK增加了2.6，19.3，3.2倍，且900 μmol/L硒处理的不同苜蓿根分别比CK增加了23.3，113.6，71.9倍(P<0.05)，茎中硒含量分别比CK增加了15.3，68.4，79.3倍(P<0.05)，叶片硒含量分别比CK增加了27.6，36.8，26.8倍(P<0.05)。

表2 硒胁迫下紫花苜蓿不同器官硒含量的影响

2.3 硒对3种紫花苜蓿转运指数、忍耐指数和硒积累量的影响

表3表明，硒胁迫条件下，随着胁迫浓度增加，参试苜蓿根、茎和叶的硒积累量呈增加的趋势，而忍耐指数呈下降的趋势，在100 μmol/L硒处理的阿尔冈金和维多利亚叶片和茎的转运指数分别比对照降低了20.4%，50.2%和23.0%，1.7%，而大叶苜蓿叶片和茎的转运指数分别比对照增加了19.4%，95.9%，在900 μmol/L Se处理的大叶苜蓿叶片和茎的转运指数分别比对照降低了66.8%，38.0%，阿尔冈金茎的转运指数比对照降低了33.3%，而叶片比对照增加了12.5%，且维多利亚茎的转运指数比对照增加了10.5%，而叶片比对照降低了61.4%。随着硒处理浓度增加，3种苜蓿不同器官忍耐指数呈下降趋势，且忍耐指数分别大于0.5，100 μmol/L Se处理下参试苜蓿硒积累量分别高于相应的对照，在900 μmol/L硒处理叶片和根系硒积累量比对照增加了53.6%,31.9%,而茎比对照降低11.4%(阿尔冈金)；大叶苜蓿叶片、茎和根系硒积累量比对照增加了4.9，21.6，16.9倍；维多利亚叶片、茎和根系硒积累量比对照增加了2.4，8.8，7.8倍。

表3 紫花苜蓿转运指数、忍耐指数和硒积累量的影响

2.4 硒对3种紫花苜蓿矿质元素含量的影响

表4可知，Se胁迫条件下，随着胁迫时间延长，60 d时，在100 μmol/L Se处理的3种苜蓿根、茎和叶片中K、P、Ca、Mg元素含量分别高于对照，而阿尔冈金和大叶苜蓿的叶中Cu、Zn元素含量分别高于对照27.2%，16.2%和7.7%,35.1%，且大叶苜蓿茎中Cu含量高于对照20.0%，而茎中Zn低于对照34.8%，且阿尔冈金茎中Cu、Zn元素含量分别低于对照25.0%，27.8%，根中Cu元素含量低于对照14.3%，而Zn元素含量高于对照11.0%，大叶苜蓿根中Cu、Zn元素含量分别高于对照20.0%，2.2%，维多利亚茎中Cu、Zn元素含量分别高于对照7.1%，20.0%，且根系Cu元素含量高于对照7.7%，而Zn元素含量低于对照36.9%，叶片Cu元素含量低于对照7.1%，Zn元素含量高于对照15.1%；在900 μmol/L Se处理条件下，阿尔冈金根系中K、P、Fe、Cu分别高于对照11.2%，3.0%，45.8%，7.1%，而根中Ca、Mg、Zn元素含量分别低于对照17.0%，20.8%，6.1%，茎中K、Ca、Mg元素含量分别高于对照7.8%，44.8%，9.3%，而茎中Fe、Cu、Zn元素含量分别比对照降低了50.0%，37.5%，29.6%，其叶片中K、P、Ca、Mg元素含量分别高于对照，且Fe、Cu、Zn元素含量低于对照25.0%，9.1%，13.5%；大叶苜蓿根、茎、叶片中K、P、Fe、Ca、Mg元素含量分别高于对照，根和叶中Cu的含量分别高于对照10.0%，15.4%，茎中的Cu量高于对照10.0%，且叶片Zn含量高于对照43.2%，而根和茎中Zn含量低于对照28.9%，26.5%；维多利亚根中K、Fe、Ca、Mg、Cu元素含量分别高于对照，而维多利亚茎中K、P、Fe、Ca、Mg、Cu、Zn元素含量分别低于对照17.6%，13.5%，3.8%，53.5%，33.3%，14.3%，3.3%,且叶中K、P、Fe元素含量分别高于对照13.2%，20.8%，55.6%，而叶片Ca、Mg、Cu、Zn元素含量分别低于对照13.2%，16.3%，14.3%，32.1%。

2.5 硒浓度与3种苜蓿矿质元素含量的相关性分析

由表5可知，3种紫花苜蓿根中的K、P、Fe、Ca、Mg、Zn含量和硒呈显著正相关关系，而Cu和硒呈现不相关关系；茎中K、Fe、Ca、Mg、Zn的含量和硒具有显著相关性，而茎中P、Cu的含量和硒呈现不相关关系；叶片中K、Fe、Ca、Mg的含量和硒具有显著关系；而叶片中P、Cu、Zn的含量与硒呈不相关关系。以上可知，硒与其他矿质元素吸收具有相关性，说明它们在维持矿质元素吸收方面发挥重要作用，在苜蓿生长发育过程中起积极作用；苜蓿中K、Fe、Ca、Mg元素对硒元素吸收关系密切，对苜蓿富硒开发提供科学依据。

表4 硒对3种紫花苜蓿各器官矿质元素含量的影响

表5 硒对3种苜蓿品种不同组织中硒和矿质元素相关性分析(r)

注：ns.P>0.05;*.P>0.05。

Note:ns.P>0.05;*.P>0.05.

3 讨论与结论

关于硒对植物生长的影响，硒对植物生长发育的影响具有两面性，适量硒提高植物体内的能量代谢过程，促进植物生长发育，而高浓度硒处理则会对植物产生毒害[15-17]。本试验表明，在第60天时，不同浓度硒胁迫下，低浓度硒胁迫对大叶苜蓿的生长具有一定的促进作用，而在高浓度硒胁迫下，由于硒累积产生毒害作用，导致生物量下降。

植物对重金属污染土壤进行修复，不仅要看植物对重金属的耐性和吸收积累能力，还应考虑其向地上部转运重金属的能力[14]。本研究表明，100 μmol/L Se处理促进了阿尔冈金和大叶苜蓿不同器官对硒的吸收，其转运指数大于0.5，耐性指数大于0.5，不同紫花苜蓿相比，大叶苜蓿显著高于其他2个品种，这表明大叶苜蓿对硒的耐性及富集能力强，为其在硒污染土壤中的应用提供了理论依据。

植物对硒的吸收量与植物种类有很大关系，随土壤施硒量的增加，大蒜硒积累量呈下降趋势[18-19]，常琳琳等[20]研究表明，土壤施硒可以明显提高鸭儿芹根茎叶中硒的含量。本试验表明，通过土壤施硒可以使紫花苜蓿具有较高的富硒量，100，900 μmol/L Se胁迫时，根、茎和叶片硒含量均与施硒量呈显著的正相关，说明在高浓度Se 胁迫下，紫花苜蓿体内有较强的积累能力，这为紫花苜蓿富硒产品及其富硒农畜产品的研制提供可靠的理论依据。

100 μmol/L Se处理条件下，不同元素呈现出稳定的同步增长关系，且3种苜蓿不同器官中7种元素含量存在差异性，对矿质元素的吸收具有选择性。在900 μmol/L Se处理条件下，同一元素在不同苜蓿体内中含量明显不同，不同苜蓿相比，大叶苜蓿总体对矿质元素的吸收能力显著高于其他2种苜蓿，且根、茎和叶片中含量存在差异，尤其K、P、Mg元素在大叶苜蓿叶片的浓度高于根和茎，说明这些元素在大叶苜蓿叶片内较好的吸收和积累矿质元素，这与Li等[21]在小麦中研究结果相近。说明适宜浓度硒能够改善植物细胞内环境，进而有效提高植物的生长发育，当硒浓度过高则抑制Zn元素的吸收。

综上所述，本试验通过分析硒胁迫对3种苜蓿品种不同器官的生物量积累、硒的吸收、转运指数、耐性指数和硒积累量及矿质元素吸收量指标，并分析随着硒胁迫浓度增加发生的变化，综合分析可初步鉴定出，硒处理条件下大叶苜蓿叶片吸收积累矿质元素较高，阿尔冈金和维多利亚的耐硒能力较弱，与生产实际相符。

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Response of Se Stress on the Accumulation ofSe and the Absorption of Mineral Elements in Alfalfa

DAI Huiping1,4， ZHAO Hua2， JIA Genliang3， CHEN Dejing1， ZHANG Xingchang4， PEI Jinjin1， FENG Baili5

(1.Shaanxi University of Technology，Shaanxi Province Key Laboratory of Bio-resources， Hanzhong 723001，China; 2.School of Biological Science and Engineering， Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723001，China; 3.College of Science， Northwest A & F University， Yangling 712100，China; 4.Institute of Soil and WaterConservation， Chinese Academy of Science & Ministry of Water Resources， Research Centre on Soil andWater Conservation，Ministry of Water Resources，Yangling 712100，China; 5.Northwest A & F University， State Key Laboratory of Crop Stress Biology for Arid Areas， Yangling 712100，China)

In order to explore the effect of Se stress on the accumulation of Se and the absorption of other mineral elements in alfalfa.The effect of selenium stress on the accumulation of Se and the absorption of mineral elements in different alfalfa were investigated by pot experiments， including biomass content， translocation factor， tolerance factor，Se accumulation， Se content and mineral elements content in different tissues ofMedicagosativaL.. The results showed that the content of Se，tolerance factor， Se accumulation and mineral elements (K，P，Ca，Mg) were gradually increased when the Se stress increased to 100 μmol/L Se，compared with control(non-Se).After exposure to 900 μmol/L Se， Se stress markedly increased the Se accumulation in the different tissues of three alfalfas. However， Se stress markedly decreased the contents of biomass in the different tissues ofMedicagosativacv. Vitoria alfalfa and the root ofMedicagosativessp.， and it was markedly decreased the absorption of Zn content. Under different levels of Se stress, Se accumulation and mineral elements(K,P,Mg)，compared with other species. Thus， it was concluded thatMedicagosativassp.had high selenium resistance.

Selenium accumulation;MedicagosativaL.; Mineral element

2016-11-03

陕西省自然基金项目(2015JM3086)；国家自然科学基金项目(41571300)；陕南秦巴山区生物资源综合开发协同创新项目(QBXT-Z(P)-15-7)；陕西省科技厅项目(2015SZS-15-05)

代惠萍(1972-)，女，陕西武功人，副教授，博士，主要从事植物逆境生理学、土壤重金属污染植物修复研究。

贾根良(1965-)，男，河南杞县人，高级实验师，主要从事生物物理学研究。

S143.7

A

1000-7091(2017)02-0226-06

10.7668/hbnxb.2017.02.033