硒的不同价态和浓度对谷子硒含量和生理指标的影响

2019-07-23崔纪菡宋世佳史慧慧夏雪岩李顺国

山西农业科学 2019年7期

崔纪菡，刘猛，赵宇，宋世佳，史慧慧，夏雪岩，李顺国

（1.河北省农林科学院谷子研究所，河北省杂粮研究实验室，河北石家庄050035；2.河北省农林科学院，河北石家庄 050000；3.河北农业大学农学院，河北保定071001）

硒是动物和人类必需的微量元素[1-2]。硒元素在人体内的含量过多或过少都会导致人类疾病，世界范围内有5亿～10亿的人口缺硒[3]。多项研究表明，在加拿大、美国和日本等国家以及南非部分地区土壤中硒含量比较高，则在其基础上种植的作物、蔬菜以及牧草的硒含量也较高，随之人体内的硒摄入量也普遍较高，而欧洲土壤中硒含量比较低，相对应人体内硒的摄入量就比较低[4-6]。我国作为世界上缺硒最为严重的国家之一，大约有1亿多人口因为膳食结构中硒含量不足，造成人体的低硒状态[7-8]，而且缺硒往往会诱发克山病、癌症、脑血管疾病、肌营养不良、大骨节病、不孕症和心血管病等多种疾病[9-11]。饮食是人体摄取硒的主要途径，而饮食中的主要硒源来自植物硒，所以，通过生物强化生产富硒产品是增加人类饮食中硒摄入量的一个重要途径[12-13]。

谷子起源于我国，属于禾本科的一种植物，古时称稷、粟，有出土文物考证谷子距今已有8 700多年的种植历史[14]。谷子因其具有抗旱、耐瘠、水分利用效率高、适应性广、营养丰富、各种成分平衡、饲草蛋白含量高等突出特点，成为我国北方广大土地贫瘠、气候干旱、种植其他的作物经济效益较低的地区的主要栽培作物，同时世界其他各国谷子种植很少，在此意义上讲，谷子是我国提供给世界其他各国人民的一种特有的资源[15-17]。进行富硒的谷子产业开发是提高谷子种植效益的重要途径之一[18]。因此，生产富硒谷子具有广阔的发展前景。

增施硒肥是谷子补硒的一个主要途径，谷子对硒的吸收主要是以根系吸收硒酸盐和亚硒酸盐2种价态为主。目前，在增施硒肥对谷子的影响研究主要集中在单一价态（亚硒酸钠）硒对谷子的影响。王永会等[19]研究认为，在亚硒酸钠这一价态的不同浓度下处理的不同谷子品种，外源硒显著增加了谷子叶片SOD、POD活性，各浓度相较而言，30 g/hm2的处理效果较好，与对照相比，硒浓度在30 g/hm2时的可溶性糖、粗蛋白含量分别增加了32.6%和18.7%～24.4%。穆婷婷等[20]研究认为，不同浓度亚硒酸钠对不同谷子的不同生育时期施用会产生影响，适量亚硒酸钠可使谷子的生理特性提高、抗氧化性增强、籽粒硒含量和产量提高以及营养品质改善。在抽穗期时，叶面喷施亚硒酸钠67.84 g/hm2能提升谷子生理活性和增加产量；灌浆期喷硒对提高谷子籽粒硒含量和改善其品质指标最为明显，籽粒富硒效果为灌浆期＞抽穗期＞苗期，最适喷施硒67.84 g/hm2。关于不同价态的硒以及不同价态的硒共存时对谷子富硒程度的研究还比较少。

本试验在温室营养液培养条件下，研究了谷子在不同价态、不同浓度硒处理下谷子的含硒量、叶片SOD活性和叶绿素含量，旨在明确不同价态、浓度硒对谷子富硒程度的影响，为发展富硒谷子提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验于2017年5月5日至10月1日在石家庄河北省农林科学院谷子研究所温室进行，5：00—19：00为光照时间，强度为300 μm/（dm·s），温度为25～35℃；19：00至次日 5：00 为黑暗时间，温度为15～20℃，湿度为40%～75%。

1.2 试验材料

供试谷子为冀谷38，由河北省农林科学院谷子研究所培育并提供。

1.3 试验方法

试验在温室采用蛭石固定、营养液水培的方法进行。选取大小一致且饱满的谷子种子，用10%（V/V）的过氧化氢表面消毒30 min后用去离子水洗净，转移到装有蛭石的塑料花盆（直径为15 cm、高为13 cm）中进行播种，蛭石用量为450 g/盆，每盆种20粒种子，出苗后定苗为每盆10株。之后每3个小花盆放入到一个聚乙烯盆中培养。除硒以外的其他大量元素和微量元素均采用改良霍格兰营养液配方配制[21]，该溶液pH值调至6.0作为无硒营养液，另设3种硒形态供应处理，即无硒营养液分别和不同浓度的硒酸钠、亚硒酸钠以及硒酸钠和亚硒酸钠混合，硒酸盐和亚硒酸盐的浓度由低到高分别为 0，10-2，3×10-2mmol/L，共组成 9 个处理（表 1），每个处理3次重复。每2 d浇灌1次营养液。在谷子成熟期，每盆取5株谷子，先用自来水冲洗整个植株，然后用蒸馏水冲洗，分开根部与叶部，经65℃烘干称质量后粉碎，放于自封袋中备用。

表1 硒的价态及浓度 mmol/L

1.4 测定指标及方法

用95%的酒精提取叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素，分别在665，649，470 nm的波长下测定吸光度，计算得到叶绿素含量[22]。

采用氢化物发生-原子荧光光谱法（HG-AFS-8220）[23]测定植株样品的硒含量，化验单位为河北省产品质量监督检验研究院。

采用植物生理试验常规方法[24]，采集谷子的倒三叶，每个小盆均匀取样，混合剪碎后每个处理取0.3 g用于SOD活性的测定。

1.5 数据分析

试验数据采用Excel 2010和SPSS 18.0软件进行处理与分析，单因素方差分析采用邓肯检验。

2 结果与分析

2.1 不同硒处理对根部硒含量的影响

由图1可知，不同硒处理对根部硒含量影响显著，处理9（3×10-2mmol/L的硒酸钠加3×10-2mmol/L的亚硒酸钠）的根部硒含量最高，为426.7μg/g；无硒处理（CK）的根部硒含量最低，为31.9μg/g；表明添加外源硒利于根部硒含量的积累。在亚硒酸钠浓度为0 mmol/L时，无硒酸钠处理与1×10-2mmol/L硒酸钠处理的根部硒含量之间差异不显著，硒酸钠浓度在3×10-2mmol/L时根部硒含量则显著高于无硒酸钠处理和1×10-2mmol/L硒酸钠处理，表明硒酸钠浓度为3×10-2mmol/L时，最有利于根部硒含量的积累；在亚硒酸钠浓度为1×10-2mmol/L时，硒酸钠在0，1×10-2，3×10-2mmol/L3 个浓度处理下的根部硒含量差异显著，表现为随着硒酸钠浓度的提高，根部硒含量也随之增加，且硒酸钠浓度为3×10-2mmol/L时，最有利于根部硒含量的积累；在亚硒酸钠浓度为3×10-2mmol/L时，无硒酸钠处理的根部硒含量显著高于1×10-2mmol/L硒酸钠处理，硒酸钠浓度在3×10-2mmol/L处理下的根部硒含量显著高于无硒酸钠处理，表明在浓度3×10-2mmol/L的亚硒酸钠处理下，硒酸钠浓度为3×10-2mmol/L时，最有利于根部硒含量的积累；这3种情况均表明，在相同浓度的亚硒酸钠处理下，高浓度的硒酸钠更有利于根部硒含量的积累。不论硒酸钠在0，1×10-2，3×10-2mmol/L哪种浓度下，根部的硒含量均会随着亚硒酸钠浓度的增加而显著增加，表明在相同浓度的硒酸钠处理下，高浓度的亚硒酸钠更有利于根部硒含量的累积。

由表2可知，无机硒浓度极显著影响根部硒含量。随着硒酸钠浓度的提高，根部硒含量极显著增加，表明硒酸钠的浓度越高，越有利于根部硒的累积；随着亚硒酸钠浓度的提高，根部的硒含量也随之增加，表明亚硒酸钠的浓度越高，越有利于根部硒含量的积累。无机硒形态影响根部硒含量。相比不添加硒处理，添加硒酸钠处理根部硒含量提高了143.9%～316.8%，添加亚硒酸钠处理根部硒含量提高了20.5%～99.7%，表明硒酸钠更利于根部硒含量的累积。由上可知，无机硒浓度和形态显著影响根部硒的累积。

表2 硒的价态和浓度对根部硒含量的差异显著性分析

2.2 不同硒处理对叶部硒含量的影响

由图2可知，叶部硒含量会随着硒酸钠浓度的提高而增加，表明了硒酸钠的浓度越高谷子叶部的硒含量越高。在硒酸钠浓度≤1×10-2mmol/L时，叶部的硒含量均随着亚硒酸钠浓度的提高而增加；在硒酸钠为3×10-2mmol/L时，亚硒酸钠浓度变化对叶部硒含量没有显著影响，这说明在一定的硒酸钠浓度（≤1×10-2mmol/L）范围内，亚硒酸钠浓度提高，叶部硒含量也会随之增加，当硒酸钠达到一定浓度（≥3×10-2mmol/L）时，叶部的含硒量则不受亚硒酸钠浓度的影响。在9个处理中，3×10-2mmol/L的硒酸钠（处理3）、3×10-2mmol/L的硒酸钠与1×10-2mmol/L的亚硒酸钠（处理6）、3×10-2mmol/L的硒酸钠与3×10-2mmol/L的亚硒酸钠（处理9）的叶部硒含量均显著高于其他处理，硒含量分别是300.3，270.3，290.7 μg/g，三者之间差异不显著，表明硒酸钠浓度越高越有利于叶部硒含量的积累，并且当硒酸钠浓度足够高时，亚硒酸钠浓度对叶部硒含量产生影响很小，可以忽略不计，因此，引起叶部硒含量变化的主要因素是硒酸钠的浓度。

由表3可知，硒酸钠和亚硒酸钠的浓度显著影响叶部硒含量。在0 mmol/L浓度下，相比亚硒酸钠处理，硒酸钠处理的平均叶部硒含量提高了196.5%；在 1×10-2，3×10-2mmol/L 浓度下，硒酸钠处理的平均叶部硒含量比亚硒酸钠处理分别低0.9%，30.4%。表明，在低浓度时，硒酸钠对叶部硒含量的影响高于亚硒酸钠，在高浓度时，亚硒酸钠对叶部硒含量的影响高于硒酸钠。

表3 硒的价态和浓度对叶部硒含量的差异显著性分析

2.3 不同硒处理对叶部SOD活性的影响

由图3可知，无硒处理下的叶部SOD活性最高，为481.4 ΔOD560/（g·min）；处理8（1×10-2mmol/L的硒酸钠加3×10-2mmol/L亚硒酸钠）的叶部SOD活性最低，为267.3 ΔOD560/（g·min）。在相同浓度的亚硒酸钠处理下，1×10-2mmol/L或3×10-2mmol/L处理下的硒酸钠均对谷子叶片的SOD活性无影响，即SOD活性无显著差异；当硒酸钠为0 mmol/L时，亚硒酸钠为0 mmol/L时的SOD活性显著高于3×10-2mmol/L亚硒酸钠的处理，表明在相同浓度的硒酸钠处理下，亚硒酸钠的浓度越高，SOD活性越小。在相同浓度的亚硒酸钠处理下，当亚硒酸钠浓度为0 mmol/L或1×10-2mmol/L时，0 mmol/L硒酸钠处理下的SOD活性显著高于1×10-2，3×10-2mmol/L的硒酸钠处理下的SOD活性；当亚硒酸钠为3×10-2mmol/L时，硒酸钠的浓度对SOD活性无影响，但不论在任何浓度亚硒酸钠的处理下，随着硒酸钠浓度的增加，SOD活性降低。由上可知，谷子叶片的SOD活性受到硒处理的抑制，硒浓度越高SOD酶活性越小。

2.4 不同硒处理对叶绿素含量的影响

由图4可知，在相同浓度的亚硒酸钠处理下，当亚硒酸钠浓度较低（0，1×10-2mmol/L），硒酸钠的浓度较高（3×10-2mmol/L）时，叶绿素a和叶绿素b的含量高于较低浓度硒酸钠处理，表明较高的硒酸钠浓度有利于叶绿素a和叶绿素b含量的积累；类胡萝卜素的总含量基本无差异，大致在硒酸钠为1×10-2mmol/L时得到较多的积累，表明类胡萝卜素的总含量基本不受硒酸钠浓度的影响，且过高或过低的硒酸钠浓度都不利于类胡萝卜素总含量的累积。在相同浓度的硒酸钠处理下，叶绿素a和叶绿素b的含量差异不大，大致在亚硒酸钠为0 mmol/L时最高；类胡萝卜素的总含量在亚硒酸钠的3个浓度下均无显著差异，且以亚硒酸钠为0 mmol/L时类胡萝卜素的总含量较高，表明在相同浓度的硒酸钠处理下，不添加亚硒酸钠对积累叶绿素含量最为有利。对于在硒酸钠和亚硒酸钠处理下的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的总含量差异不是很大。

无机硒含量和形态对叶绿素含量的影响不显著，但不同处理的叶绿素含量存在差别。从图4可以看出，叶绿素a含量在处理7（0 mmol/L硒酸钠加3×10-2mmol/L亚硒酸钠）下达到最高，在处理2（1×10-2mmol/L硒酸钠加0 mmol/L亚硒酸钠）达到最低；叶绿素b含量在处理7（0 mmol/L硒酸钠加3×10-2mmol/L亚硒酸钠）以及处理8（1×10-2mmol/L硒酸钠加3×10-2mmol/L亚硒酸钠）下达到较高，在处理6（3×10-2mmol/L硒酸钠加1×10-2mmol/L亚硒酸钠）下达到最低；类胡萝卜素含量在处理8（1×10-2mmol/L硒酸钠加3×10-2mmol/L亚硒酸钠）下达到最高，在处理2（1×10-2mmol/L硒酸钠加0 mmol/L亚硒酸钠）下达到最低。

3 讨论

硒能被植物吸收利用的形态主要是硒酸盐和亚硒酸盐。薛瑞玲等[25]试验发现，外源亚硒酸钠和硒酸钠对小白菜叶片叶绿素的合成和生长均表现为低浓度促进高浓度抑制。本试验发现，在相同浓度的硒酸钠处理下，不添加亚硒酸钠对积累叶绿素含量最为有利，亚硒酸钠浓度的增加会使谷子叶绿素含量降低，低浓度的亚硒酸钠促进叶绿素合成的结论与薛瑞玲等[25]试验结论一致；在低浓度的亚硒酸钠处理下，叶绿素的含量随着硒酸钠浓度的增加而增加，这与薛瑞玲等[25]试验结论不符，可能是由于薛瑞玲等[25]是采用红油土为介质固定，本试验是以蛭石为介质固定，红油土的硒含量过高或其他元素含量不同引起的。

穆婷婷等[26]试验发现，谷子籽粒硒含量随着亚硒酸钠浓度的增加而增加，二者呈正相关。本研究发现，谷子的根部硒含量与叶部硒含量均随着亚硒酸钠浓度的增加而增加，表明高浓度亚硒酸钠有利于谷子各部分硒含量的积累。

穆婷婷等[20]研究发现，在一定亚硒酸钠质量浓度（≤67.84 g/hm2）内，亚硒酸钠能不同程度提高谷子叶片中SOD活性，一旦超过界定浓度范围，则表现为随着亚硒酸钠质量浓度的增加谷子叶片的SOD活性减弱。本研究发现，谷子叶片的SOD活性随着亚硒酸钠浓度的增加而减弱，可能是由于穆婷婷等[20]在大田中进行试验，本试验是水培试验，所使用的硒浓度高于足以引起SOD活性变化的界定值，因此，表现为二者呈负相关，这与前人研究结果基本一致，表明本试验的硒浓度超出了适合谷子叶片SOD活性增长的范围。

本试验发现，相比不添加硒处理，添加硒酸钠处理的根部硒含量提高了143.9%～316.8%，添加亚硒酸钠处理的根部硒含量提高了20.5%～99.7%，硒酸钠较亚硒酸钠更有利于根部硒含量的积累；高浓度硒酸钠有利于叶部硒含量的积累，并且当硒酸钠浓度足够高时亚硒酸钠浓度对叶部硒含量产生影响很小，可以忽略不计，由此可看出，引起叶部硒含量变化的主要因素是硒酸钠的浓度。这表明谷子的根部和叶部硒含量积累对硒酸钠的反应比较敏感。造成差异的原因可能是谷子对不同价态硒的吸收效果不同[27]，因硒酸钠的生物有效性高[28]，故谷子对硒酸钠的吸收效果要优于亚硒酸钠，这一结果与郭璐等[29]发现的小白菜对于硒酸盐和亚硒酸盐吸收效果不同的结果一致，因此，在开发富硒谷子产业时，合理有效地使用硒酸钠，防止片面使用亚硒酸钠而使土壤固定亚硒酸钠量过大造成亚硒酸钠毒害。