叶面喷施硒对紫甘薯硒吸收、分配及品质的影响
2018-03-13侯松田侠刘庆
侯 松 田 侠 刘 庆
叶面喷施硒对紫甘薯硒吸收、分配及品质的影响
侯 松 田 侠 刘 庆*
青岛农业大学资源与环境学院, 山东青岛 266109
为研究叶面施硒条件下紫甘薯对硒的吸收利用特征及其品质效应, 于2015年和2016年分别布置紫甘薯叶面施硒田间试验, 设纯硒施用量0、30和60 g hm–23个水平, 研究了叶面喷施外源硒对紫甘薯块根产量、不同器官硒含量、块根硒累积量与硒利用率的影响, 并分析了块根中粗蛋白、氨基酸和矿质元素含量随施硒量的变化。结果表明, 施硒对紫甘薯块根产量的影响不显著, 但可提高块根中的总硒含量、有机硒含量和硒累积量, 60 g hm–2施硒量下, 块根中的硒含量可达311.3 µg kg–1(干重), 是对照处理的8.54倍; 随施硒量增加, 块根中硒含量和硒累积量显著增加, 块根对硒的利用率下降, 但施硒对块根中有机硒占总硒的比例无显著影响; 紫甘薯块根中的粗蛋白含量随施硒量增加而显著提高, 两个施硒量下分别比对照增加11.67%和29.71%; 60 g hm–2施硒量下, 块根中除苏氨酸外的其他7种人体必需氨基酸含量显著增加, 天冬氨酸、丝氨酸、谷氨酸等6种人体非必需氨基酸含量显著增加, 胱氨酸含量降低; 施硒还可提高紫甘薯块根中K、Na、Mg、Fe、Cu等元素的含量, 使块根中Ca、Mn等元素含量降低, 两个施硒量对块根中的Zn元素含量均未产生显著影响。本研究结果对富硒紫甘薯生产具有指导意义。
紫甘薯; 硒; 吸收与累积; 蛋白质; 氨基酸; 矿质元素; 叶面喷施
硒是人和动物必需的营养元素, 它能够参与人体各种代谢活动, 具有清除体内自由基、提高机体免疫力等多种生物学功能, 缺硒容易引起人体的多种疾病[1-2]。世界卫生组织资料表明, 我国三分之二的地区土壤缺硒[3], 仅靠天然食物中的硒并不足以满足人体的正常需要[4]。由于只有经过植物的生物转化形成的有机硒才是对人体安全形态的硒, 因此, 通过生物强化技术提高低硒地区农产品中的硒含量, 是实现人体补硒的有效途径[5-6]。前人针对不同作物富硒能力差异[7-8]、作物对硒的吸收与分配特征[9-10]、作物吸收与转化硒的影响因素及机制[11]及施硒对植物品质的影响[12]等开展了许多研究。在作物对硒的吸收方面, 认为硒与硫化学结构和性质相近, 无机形态硒通过植物硫同化代谢途径转化为硒蛋白或其他形式为硒多糖等在植物体内累积[13]。对硒的生理功能的研究认为适量硒可清除植物体内过量的自由基, 在一定程度上缓解低温、干旱及盐胁迫对植物的损伤[14-16], 从而对植物的生理过程产生重要影响[17]。针对施硒对作物品质影响的研究认为适量施硒可以改善作物品质, 但高施硒量可导致作物品质下降[12,18]。但是, 已有研究针对的作物主要以小麦、水稻、玉米、大豆等禾本科和豆科作物为主, 针对富硒甘薯的相关研究并不多见。
紫甘薯是一种薯肉呈紫色的甘薯品种, 其块根中富含的花青素可清除人体内自由基, 具有抗氧化和防衰老的作用, 比普通甘薯具有更高的营养与保健价值。郭文慧等[18]通过土壤施硒, 使紫甘薯块根中的硒含量达到0.495 mg kg–1(干重), 认为紫甘薯可作为作物富硒的良好载体, 但施用于土壤中的硒很容易被固定, 利用率低且易于带来环境风险。因此, 本文研究叶面喷施条件下, 硒在紫甘薯不同器官的分配特征及施硒对紫甘薯块根产量、蛋白质、氨基酸和矿质元素含量的影响, 为富硒紫甘薯生产提供理论支持与技术指导。
1 材料与方法
1.1 试验设计
分别于2015年和2016年的5月至10月在山东省胶州市胶莱镇青岛农业大学高科技示范园进行试验。土壤类型为沙姜黑土, 试验地块耕层土壤(0~20 cm), 2015年含碱解氮48.7 mg kg–1、速效磷26.3 mg kg–1、速效钾63.9 mg kg–1、有机质11.4 g kg–1、土壤全硒0.206 mg kg–1; 2016年含碱解氮50.5 mg kg–1、速效磷28.6 mg kg–1、速效钾62.5 mg kg–1、有机质11.2 g kg–1、土壤全硒0.207 mg kg–1。试验所用硒源为亚硒酸钠(Na2SeO3), 紫甘薯品种为宁紫2号, 薯苗由江苏省农业科学院提供。
采用随机区组设计, 3个处理, 纯硒施用量分别为0 g hm–2(CK)、30 g hm–2(Se1)、60 g hm–2(Se2)。试验小区面积24 m2, 每小区5垄, (垄长6 m×5垄, 垄宽0.8 m)。每处理重复3次。于定植后100 d前后(薯块膨大前期), 选晴朗无风的早上或傍晚施硒。按每小区处理用量将亚硒酸钠完全溶解于2 L去离子水后进行叶面喷施, 对不施硒的小区喷相同体积的清水, 相当于喷施液中纯硒浓度分别为0、36 mg L–1和72 mg L–1。为保证紫甘薯的正常生长发育, 每公顷施肥底150 kg尿素、450 kg过磷酸钙和300 kg硫酸钾。2015年5月12日栽插, 10月17日收获, 2016年5月16日栽插, 10月22日收获, 按小区产量换算得到单位面积产量。试验期间进行常规生产管理。
1.2 样品采集与指标测定
1.2.1 样品采集与处理 甘薯收获时, 从每个试验小区随机收获3垄, 按面积折算出紫甘薯块根产量。然后从每小区随机取紫甘薯15株, 取其每株重量在300~400 g薯块一个和茎蔓一根, 分别将其茎、叶、柄单独装袋带回实验室。将采集的地上部鲜样用去离子水洗净擦干, 于鼓风干燥箱中90°C杀青, 70°C烘干至恒重。将每个薯块纵切成条状, 约取50 g切碎混匀, 再用四分法取300 g左右于鼓风干燥箱中烘至恒重。最后将所有烘干后的紫甘薯样品用粉碎机磨细, 并过60目筛, 用于总硒、蛋白质、氨基酸等指标的测定。
1.2.2 样品测定 参照GB5009.93-2010[19]测定总硒含量; 参照Sun等[20]的方法测定有机硒含量; 用凯氏定氮法测定氮含量, 再乘以换算系数6.25即得薯块中粗蛋白含量[21]; 使用氨基酸分析仪测定薯块中氨基酸含量; 采用硝酸-高氯酸联合消煮, 电感耦合等离子体(ICP)法测定矿质元素含量。
1.3 数据处理与相关参数计算
经Microsoft Excel计算试验数据和作图, 用DPS数据处理系统(V14.5)统计分析数据, 用LSD法进行平均数间的差异显著性检验。因2015和2016两年试验数据相近, 变化趋势基本一致, 因此文中氨基酸与矿质元素含量结果仅取2016年数据进行分析。
块根硒积累量= 块根中硒含量×块根产量
块根硒利用率 = (施硒区块根硒累积量–对照区块根硒累积量)/施硒量×100%
2 结果与分析
2.1 叶面施硒对紫甘薯块根产量的影响
由图1可知, 各施硒处理紫甘薯块根产量在2015年和2016年分别稳定在29.7~31.6 t hm–2和28.9~30.7 t hm–2之间, 两年田间试验紫甘薯产量均略有下降, 但各处理之间的差异未达到显著水平。这与郭文慧等[18]的研究结果不同。
图1 不同施硒量下紫甘薯块根产量
同一年份不同处理间标以不同字母的值差异达显著水平(< 0.05)。
In each growing season, bars superscripted by the same letters are not significantly different at< 0.05.
2.2 施硒对紫甘薯各器官吸收硒的影响
2015年和2016年紫甘薯各器官中硒含量均随施硒量增加而增加, 差异显著(<0.05), 两年试验结果基本一致(表1)。不同施硒处理紫甘薯各器官硒含量均以叶中最高, 薯块最低, 其顺序是叶>茎>叶柄>块根。从不同施硒处理对紫甘薯块根中硒含量的影响来看, Se1处理下紫甘薯块根中硒含量, 2015年为对照的5.26倍, 2016年为对照的5.8倍; Se2处理下, 2015年为对照的7.56倍, 2016年为对照的8.54倍。可见, 在适宜施硒量条件下, 施硒可有效提高紫甘薯块根中的硒含量。
2.3 不同施硒量对紫甘薯块根中有机硒含量及其占比的影响
随施硒量增加, 紫甘薯块根中有机硒含量增加, 不同处理之间有机硒含量差异显著(表2)。不同施硒量下, 有机硒占总硒的比例为73.43%~78.56%, 各处理之间差异不显著。
2.4 不同施硒量下紫甘薯块根对硒的利用率
由表3可以看出, 2015年Se1和Se2处理块根中硒的累积量分别比对照增加了4.18倍和6.30倍, 紫甘薯块根对硒的利用率分别为5.05%和3.81%; 2016年Se1和Se2处理块根中硒的累积量分别比对照增加了4.04倍和6.93倍, 紫甘薯块根对硒的利用率分别为4.37%和3.75%。可见, 随施硒量增大, 紫甘薯块根对硒的累积量增加, 但块根对硒的利用率下降。
2.5 施硒对紫甘薯块根中蛋白质和氨基酸含量的影响
2.5.1 对粗蛋白含量的影响 由图2可以看出, 随施硒量增加, 紫甘薯块根中的粗蛋白含量增大, 其差异达显著水平(<0.05)。Se1和Se2处理下, 紫甘薯块根中的粗蛋白含量分别比对照增加了11.67%和29.71%。
2.5.2 对氨基酸含量的影响 本文测定了紫甘薯块根中18种氨基酸的含量。包括苏氨酸(Thr)、缬氨酸(Val)、亮氨酸(Leu)、异亮氨酸(Ile)、苯丙氨酸(Phe)、赖氨酸(Lys)、色氨酸(Trp)、蛋氨酸(Met) 8种人体必需氨基酸, 以及组氨酸(Hls)、精氨酸(Arg)、天冬氨酸(Asp)、丝氨酸(Ser)、谷氨酸(Glu)、甘氨酸(Gly)、丙氨酸(Ala)、胱氨酸(Cys)、酪氨酸(Tyr)、脯氨酸(Pro) 10种人体非必需氨基酸。
表1 不同施硒量下紫甘薯各器官中的总硒含量
同一年份不同处理间标以不同字母的值差异达显著水平(< 0.05)。
In each growing season, values followed by different letters within the same column are significantly different at< 0.05.
表2 不同施硒量下紫甘薯块根有机硒含量及其占总硒的比例
同一年份不同处理间标以不同字母的值差异达显著水平(< 0.05)。
In each growing season, values followed by different letters within the same column are significantly different at< 0.05.
表3 不同施硒量下紫甘薯块根的硒累积量和利用率
同一年份不同处理间标以不同字母的值差异达显著水平(< 0.05)。
In each growing season, values followed by different letters within the same column are significantly different at< 0.05.
图2 不同施硒量下紫甘薯各器官中的粗蛋白含量
同一年份不同处理间标以不同字母的值差异达显著水平(< 0.05)。
In each growing season, bars superscripted by different letters are significantly different at< 0.05.
由图3可以看出, 与对照相比, Se1处理紫甘薯块根中蛋氨酸含量显著提高, 其他7种人体必需氨基酸含量变化均不显著; Se2处理下, 紫甘薯块根中缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、蛋氨酸6种氨基酸的含量均显著高于对照, 与对照相比, 提高的幅度分别为25.0%、22.8%、21.7%、37.9%、16.7%、27.3%和250.0%; 紫甘薯块根中苏氨酸的含量则显著降低, 与对照相比, 降低的幅度为68.6%, 对赖氨酸含量的影响未达显著水平。
由图4可以看出, Se1处理显著提高了块根中谷氨酸、组氨酸含量, 提高的幅度分别为15.0%、143.0%, 显著降低了块根中胱氨酸、脯氨酸含量, 降低的幅度分别为42.8%、26.7%, 对其他6种人体非必需氨基酸含量的影响均不显著; Se2处理则显著提高了天冬氨酸、丝氨酸、谷氨酸、甘氨酸、酪氨酸、精氨酸等6种人体非必需氨基酸的含量, 提高的幅度分别为22.2%、28.6%、30.0%、21.7%、28.6%和26.1%, 显著降低了胱氨酸的含量, 降低的幅度为35.7%, 对丙氨酸、组氨酸和脯氨酸含量的影响不显著。
2.6 施硒对紫甘薯块根中矿质元素含量的影响
由表4可以看出, 施硒对紫甘薯块根中不同矿质元素含量的影响不同, 相同元素在不同施硒量的表现也存在差异。与CK处理相比, Se1处理下, 紫甘薯块根中K、Fe、Zn、Cu四种元素含量略有提高, 但未达显著水平, Ca显著降低, Na、Mg、Mn三种元素含量略有降低, 差异不显著; Se2处理下, K、Na、Mg、Fe、Cu五种元素含量均显著升高, Ca、Mn两种元素含量显著降低, 对Zn元素含量的影响仍不显著。
图3 不同施硒量下紫甘薯块根中8种人体必需氨基酸含量
不同处理间标以不同字母的值差异达显著水平(< 0.05)。
Bars superscripted by different letters are significantly different at< 0.05.
图4 不同施硒量下紫甘薯块根中10种人体非必需氨基酸含量
不同处理间标以不同字母的值差异达显著水平(< 0.05)。
Bars superscripted by different letters are significantly different at< 0.05.
表4 不同施硒量下紫甘薯块根中矿质元素含量
不同处理间标以不同字母的值差异达显著水平(< 0.05)。
Bars superscripted by different letters are significantly different at< 0.05.
3 讨论
3.1 叶面施硒对紫甘薯块根产量的影响
施硒对作物产量的影响存在两种观点。一是适量施硒可促进作物生长, 增加产量。如穆婷婷等[22]在谷子上的研究、殷金岩等[12]在马铃薯上的研究、郭文慧等[18]在紫甘薯上的研究等; 二是施硒对作物产量的影响不显著。如刘庆等在小麦上的研究[4]、张新军等[23]在裸燕麦上的研究等。但较为一致的观点认为施硒并非靠其自身营养功能直接提高作物产量, 而是通过改变作物生长的环境条件来实现[6,12]。总体上说, 施硒对作物产量的影响与作物种类、土壤的理化特性、施硒方式和施硒时期等有关[3]。郭文慧等[18]研究发现, 施硒对紫甘薯块根产量有促进作用, 主要因为土壤基施亚硒酸钠情况下, 硒对作物根系作用时间较长, 通过硒与土壤中其他营养元素的相互作用以及硒对植物生长的调节, 改善了紫甘薯的生长状况, 促进了紫甘薯的生长发育而增加了产量。本研究中施硒方式为叶面喷施, 施用时期为移栽后100 d的薯块膨大前期, 此时紫甘薯的“源”和“库”已建成, 块根产量的形成主要受光合产物由“源”向“库”转移速率和转移效率的影响, 硒对紫甘薯生长发育的促进作用较小, 而相同处理下各重复之间紫甘薯块根产量变异较大, 叶面施硒对块根产量的影响被其自身较大的变异所掩盖。
3.2 叶面施硒对紫甘薯块根硒累积量和利用率的影响
作物对硒的吸收与其他营养元素相似, 一定的施用量范围内, 作物可食部位的吸收量均随施用量的增加而增大[4], 这是施用外源硒进行作物富硒的理论基础。当施用量超过一定范围, 随施硒量增大, 作物对硒的吸收与累积量下降, 硒利用率降低[24]。与必需营养元素相比, 作物对硒的需求量低、敏感性高, 过量施硒或叶面喷施高浓度外源硒, 可能会干扰植物体内过氧化物酶的合成, 降低植物抵御环境胁迫的能力, 从而更易使作物受到毒害[25-26]。本研究中, 除对照外2个施硒量下叶面喷施硒的浓度分别为36 mg L–1和72 mg L–1, 属于对作物的安全浓度[4]。从研究结果来看, 随施硒量增加, 紫甘薯块根对硒的累积量增加, 但增加的比例低于施硒量增加的比例, 导致块根对硒的利用率下降。同时, 与谷类作物相比, 叶面施硒条件下, 紫甘薯块根对硒的利用率明显偏低, 这可能因为根茎类作物与谷类作物吸收与转运硒的机理存在差异。可见, 通过叶面喷硒的方式进行紫甘薯富硒时, 既要考虑作物可食部位的硒累积量, 又要考虑硒的利用率, 最终确定一个合理的施硒量和喷施浓度。
3.3 叶面施硒对紫甘薯块根蛋白质与氨基酸含量的影响
紫甘薯除富含花青素可去除人体自由基, 起到抗病防衰老作用外, 还含有丰富的蛋白质和氨基酸成分, 尤其富含其他谷类作物中缺少的赖氨酸。赖氨酸是人体必需氨基酸之一, 能促进人体发育、增强免疫功能, 并有提高中枢神经组织功能的作用。本研究结果显示, 叶面施硒可显著提高紫甘薯块根中粗蛋白和大多数氨基酸的含量, 这可能与植物中硒的代谢途径相关[8]。天然植物中硒主要以硒酸盐和有机态硒存在[10], 在玉米、小麦等谷类作物及大豆花生等油料作物中, 硒主要取代硫与氨基酸结合以硒代蛋氨酸(Se-Met)或硒代半胱氨酸(Se-Cys)的形式存在于蛋白质中[27]。杨玉玲[28]认为, 由于硒取代硫而与含硫氨基酸的结合, 可能会造成植物可食部位的含硫氨基酸含量的下降。但研究的结果显示, 施硒使蛋氨酸的含量增加, 胱氨酸的含量降低, 与杨玉玲的结果存在差异。硒对其他氨基酸含量的影响, 多数研究者则认为可能是进入植物组织中的硒影响了与蛋白质合成和分解相关的氮代谢酶活性所致[29]。可见, 硒对作物可食部位氨基酸含量的影响机理还需进一步深入研究。
3.4 施硒对紫甘薯块根中矿质元素含量的影响
矿质元素是作物生长发育必须的营养成分, 也是作物产量和品质形成的物质基础。由于不同元素间在作物根系吸收时存在协同或拮抗效应[4], 所以任一离子浓度的改变则可能会对其他离子的吸收产生影响。因本研究中施硒方式为叶面喷施, 对甘薯根系吸收土壤溶液中矿质元素的影响较小, 所以低硒施用量下, 块根中仅Ca元素含量出现显著下降; 当施硒量增大时, 紫甘薯体内硒的代谢对各元素的迁移转化影响增大, 块根中各矿质元素含量与对照相比其差异才达到显著水平。本研究中紫甘薯块根中矿质元素含量变化与郭文慧等[18]的结果不同, 原因则可能是基施与叶面喷施条件下, 硒对紫甘薯根系吸收各矿质元素的影响机制不同。
4 结论
叶面喷施外源硒可提高紫甘薯块根中的硒含量, 块根对硒的利用率随施硒量的增加而下降; 本试验用量下, 叶面施硒对块根产量的影响不显著。叶面喷施外源硒可显著提高紫甘薯块根中的粗蛋白含量; 60 g hm–2施硒量下, 块根中除苏氨酸之外的其他7种人体必需氨基酸含量均显著升高, 天冬氨酸、丝氨酸、谷氨酸等6种人体非必需氨基酸含量也明显增加, 施硒使块根中苏氨酸、胱氨酸含量下降, 不同施硒量对组氨酸和脯氨酸的影响不同。叶面喷施外源硒可提高紫甘薯块根中K、Na、Mg、Fe、Cu含量, 降低Ca、Mn含量, 两种施硒量对块根中Zn元素未产生显著影响。
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Effects of Foliage Spray of Se on Absorption Characteristics of Se and Quality of Purple Sweet Potato
HOU Song, TIAN Xia, and LIU Qing*
College of Resources and Environment, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, Shandong, China
In order to clarify the absorption characteristics of selenium (Se), root yield, Se utilization, content of amino acids and mineral elements in purple sweet potato, a field experiment of foliage spraying with three treatments of 0, 30, and 60 g ha–1pure Se application were carried out in 2015 and 2016 respectively. The root yield of purple sweet potato received no significantly effect from Se foliage spray, the Se content, organic Se content and the Se accumulation in root were improved, with a root Se content of 311.3 µg kg–1(DW), 8.54 times as high as that of the control under 60 g ha–1Se application. Se content and accumulation amount in root increased and the utilization rate of Se decreased significantly with the increase of Se application, while the content of organic Se in root received no significantly effect from Se foliage spray. With increasing Se application, the content of crude protein in root of purple sweet potato was significantly increased, which was 11.67% and 29.71% higher than that of CK under Se treatment of 30 g ha–1and 60 g ha–1respectively. Under 60 g ha–1Se application treatment, seven essential amino acids for human body contained in roots increased significantly except Threonine, and the other six nonessential amino acids in roots also increased significantly such as Asparagine, Serine, Glutamic acid, but the content of Cysteine decreased. Se application treatments increased the contents of K, Na, Mg, Fe, Cu and decreased the contents of Ca, Mn in roots of purple sweet potato, but had no effect on content of Zn. The results of this study are of significance guiding production of Se-enriched purple sweet potato.
purple sweet potato; selenium; absorption and accumulation; protein; amino acid; mineral elements; foliar spraying
2017-07-27;
2017-11-21;
2017-12-18.
10.3724/SP.J.1006.2018.00423
本研究由国家现代农业产业技术体系建设专项资金项目(CARS-10-B10), 山东省重点研发计划项目(2016GNC110020)和国家公益性行业科研专项项目(201303106)资助。
This study was supported by China Agriculture Research System (CARS-10-B10), the Key Project of the Shandong Research and Development Program (2016GNC110020), and Special Projects for Public Welfare Research (201303106).
Corresponding author刘庆, E-mail: qy7271@163.com, Tel: 0532-88030461
E-mail: hhousong@163.com
http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20171218.0937.016.html
