外源硒对川党参生长的影响及其可能作用机制

2021-07-30周武先刘翠君段媛媛张美德艾伦强魏海英张雅娟

农业资源与环境学报 2021年4期

周武先，刘翠君*，段媛媛，张美德，艾伦强，魏海英，张雅娟

（1.湖北省农业科学院中药材研究所，湖北恩施 445000；2.恩施土家族苗族自治州中心医院，湖北恩施 445000；3.恩施土家族苗族自治州农业农村局，湖北恩施 445000）

硒（Selenium，Se）是人体必需的微量营养元素，日常摄入适量的硒对维持身体健康具有重要作用，缺硒容易引发心脑血管疾病、克山病以及大骨节病等[1]。大量的科学研究表明，外源施用适量的硒肥有利于促进作物生长，增强植物的抗逆境胁迫能力[2-4]，提高作物的产量和品质[5-6]。通过硒生物强化获得富硒植物资源是生产富硒农产品的安全有效途径，因此研究外源硒对植物生长发育的影响及适宜的施硒方式对推进我国硒产业健康发展具有重要意义[7]。

川党参（Codonopsis tangshenOliv.）为桔梗科多年生藤本植物，其干燥根是党参药材的主要来源之一，具有生津养血、补中益气和降血压等功效。2018 年1月，国家卫生健康委员会食品司将党参列入既是食品又是中药材物质目录，意味着党参不再仅以药品和保健品的形式存在，未来也将更多以食品形式出现，这将有利于党参的综合开发和利用，能够激发和带动党参产业发展。目前关于植物硒生物强化的研究报道较多，Li等[8]的研究表明，通过外源喷施硒肥可显著增加蓝莓浆果中的硒含量，达到生产富硒蓝莓食品的目的。Wang等[9]的研究表明，在含硒营养液中水培龙须菜可以增强其抗氧化能力，生产富硒龙须菜。Zhu等[10]的研究表明外源喷施硒肥可改善番茄的营养品质，生产富硒番茄。

目前关于党参硒方面的研究主要集中在硒化党参多糖的药理作用[11-12]，且试验材料多为党参（Co⁃donopsis pilosula（Franch.）Nannf.），川党参的硒生物强化研究仍未见报道。党参作为药食同源药材，具有广阔的市场消费前景，生产富硒党参可以进一步提高其经济价值，因此开展川党参硒生物强化研究具有重要意义。本研究通过对川党参喷施不同浓度硒肥，探索外源硒对川党参产量、品质、硒形态及其部分根际土壤养分的影响，分析川党参生理生态变化与根际土壤养分变化的潜在关系，试图从土壤的角度揭示外源硒对川党参生长的影响及其可能作用机制，并对其作用效果进行综合评价，为川党参富硒栽培提供理论依据和技术支撑，推动富硒川党参产业健康发展。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为1 年生党参幼苗，购自湖北省恩施市板桥镇新田村农户，经湖北省农业科学院中药材研究所鉴定为川党参（Codonopsis tangshenOliv.）。亚硒酸钠（Na2SeO3）作为硒源，购自成都艾科达化学试剂有限公司。

1.2 试验地概况

试验地点设置在恩施市板桥镇新田村湖北省农业科学院中药材研究所党参规范化栽培示范基地（30°32′15″N，109°12′44″E，海拔1 735 m），属于亚热带季风气候区，年平均气温10.8 ℃，年平均降雨量1 100 mm，无霜期200 d 左右。试验地土壤为泥质页岩发育的黄棕壤，耕层土壤容重为1.15 g·cm-3，pH 为4.52，硒含量0.15 mg·kg-1，有机质29.25 g∙kg-1，碱解氮130.39 mg∙kg-1，速效磷28.18 mg∙kg-1，速效钾188.94 mg∙kg-1。

1.3 试验设计

试验共设置6 个硒肥处理，分别为喷施0（CK）、25、50、100、200、400 g∙hm-2硒肥（以硒元素计），硒肥为亚硒酸钠水溶液。由于党参叶片表面有短绒毛和蜡质，容易造成硒肥溶液淋失，因此加入0.1%吐温80作为表面活性剂。每个处理三个重复（小区），每个小区5 m2，各硒肥处理每平方米分别喷施12.5、25、50、100、200 mg∙L-1硒肥溶液200 mL，对照处理喷施等体积的清水。2017 年11 月将试验地进行翻耕，施入3 000 kg∙hm-2有机肥（pH=7.80，有机质≥45%，N+P2O5+K2O≥5%）和750 kg∙hm-2复合肥（N+P2O5+K2O≥45%）作为基肥，翻耕均匀，肥料施用一周后，将健康且大小一致的一年生川党参幼苗进行移栽，保持种植密度一致，种植行株距为25 cm×10 cm，田间管理统一参照当地农户习惯模式进行。川党参于蕾期（2018年6 月）和花期（2018 年7 月）分别喷施一次不同浓度的硒肥。2018年9月采用钉耙现场测产采收（避免伤及根茎），使用抖根法收集川党参的根际土壤，阴干后用于检测土壤理化性质。党参根茎带回实验室清洗干净后测定其形态特征，50 ℃烘干后测定其总硒、无机硒、炔苷和多糖含量。

1.4 检测项目及方法

川党参根长采用直尺进行测量；茎粗使用游标卡尺（MNT-150）测定。每个小区按五点取样法随机取20株川党参，采用3 kg级乐祺电子秤（LQ-C30002）称质量，然后计算出每个小区的单株鲜质量。各处理小区的川党参全部挖出，使用30 kg级金旺电子秤（HY-809）称质量测产。川党参总硒含量参照《食品安全国家标准食品中硒的测定》（GB 5009.93—2017）进行检测；无机硒含量参照《湖北省食品安全地方标准富有机硒食品硒含量要求》（DBS 42/002—2014）进行检测。川党参有机硒含量=总硒含量-无机硒含量。参照胡佳栋等[13]的方法测定川党参多糖和炔苷含量。蒽酮−浓硫酸法测定川党参总糖含量；3，5−二硝基水杨酸（DNS）法测定还原糖含量。多糖质量浓度=总糖质量浓度-还原糖质量浓度。采用高效液相色谱法测定党参炔苷，色谱条件：Agilent C18 色谱柱（4.6 mm×150 mm，5 μm）；流动相水∶乙腈=75∶25；流速1 mL·min-1；柱温为室温（25 ℃）；检测波长为267 nm；进样量20 μL。

川党参根际土壤养分检测指标包括有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量，参考鲍士旦[14]的《土壤农化分析》进行测定。有机质含量采用重铬酸钾氧化还原滴定外加热法测定；碱解氮含量采用NaOH 碱解扩散法测定；速效磷含量采用0.03 mol∙L-1NH4F 和0.025 mol∙L-1HCl 浸提-钼蓝比色法测定；速效钾含量采用醋酸铵浸提-火焰光度计法测定。

参照周武先等[15]的方法计算川党参对外源硒处理的生理生长响应指数（Physiology and growth re⁃sponse index，PGRI）以及不同硒处理对川党参生理生长影响的综合效应（Comprehensive effect，CE）。即：

式中：C为对照值；T为处理值。PGRI>0，表示对某一生理生长指标具有促进作用；PGRI=0，表示没有影响；PGRI<0，表示具有抑制作用，绝对值的大小表示作用强度。

式中：CE 使用对应处理下川党参生理生长等正向指标的PGRI 算术平均值表示。CE>0 表示具有促进作用，值越大表明促进作用越强；CE=0 表示没有影响（相对）；CE<0表示具有抑制作用，绝对值越大表明抑制作用越强。n表示生理生长指标的个数。

1.5 数据处理

采用Excel 2007、SPSS 20.0 软件对数据进行统计分析和单因素方差分析（One-way ANOVA），采用新复极差法（Duncan）进行多重比较（α=0.05）。利用Pearson 法对川党参生理生长性状及其根际土壤理化性质进行相关性分析。采用Canoco 5.0 软件对川党参生理生长性状的影响因子进行RDA 排序。采用Origin 8.5作图，图表中数据均为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 不同硒处理对川党参根茎形态和产量的影响

从表1 可以看出，不同硒处理对川党参的根长无显著影响。相比于CK，100 g∙hm-2和200 g∙hm-2的硒肥处理可显著增加川党参茎粗，增幅分别为12.4%和13.6%。200 g∙hm-2的硒肥处理显著增加了川党参的单株鲜质量和产量，增幅分别为15.6%和9.7%。由此可见，喷施200 g∙hm-2的硒肥处理可显著促进川党参的生长。

表1 不同硒肥处理对川党参根茎形态和产量的影响Table 1 Effects of different Se treatments on root length，root diameter，fresh weight and yield of C.tangshen

2.2 不同硒处理对川党参品质的影响

由图1 可知，与CK 相比，25、50、100 g∙hm-2和200 g∙hm-2硒肥处理均显著增加川党参的多糖含量，分别增加了2.9、2.2、3.5 和3.6 个百分点。100、200 g∙hm-2和400 g∙hm-2硒肥处理显著增加了川党参的炔苷含量，增幅分别为27.1%、37.6%和36.5%。综上可知，100 g∙hm-2和200 g∙hm-2硒肥处理对川党参多糖和炔苷合成均有促进作用，是提升川党参品质的适宜施硒量。

图1 不同硒肥处理对川党参多糖和炔苷含量的影响Figure 1 Effects of different Se treatments on polysaccharide and lobetyolin content of C.tangshen

2.3 不同硒处理对川党参硒形态的影响

如图2 所示，随着外源喷施硒肥浓度的增加，川党参的无机硒、有机硒和总硒含量显著增加，且川党参的无机硒、有机硒和总硒含量与外源喷施硒肥的浓度存在显著的线性关系（P<0.001）。使用y表示川党参硒含量，x表示外源喷施硒肥的浓度。川党参无机硒含量与外源喷施硒肥浓度的函数关系为y=0.004 2x+0.019 1（r=0.979 1，P<0.001）；川党参有机硒含量与外源喷施硒肥浓度的函数关系为y=0.017 2x+0.088（r=0.981 9，P<0.001）；川党参总硒含量与外源喷施硒肥浓度的函数关系为y=0.021 4x+0.107（r=0.983 3，P<0.001）。外源喷施25 g∙hm-2硒肥时，川党参总硒含量最低，为0.174 mg∙kg-1；外源喷施400 g∙hm-2硒肥时，川党参总硒含量最高，为0.947 mg∙kg-1。喷施50～200 g∙hm-2硒肥处理时，川党参总硒含量为0.28～0.53 mg∙kg-1，有机硒占总硒的比例为80.1%～83.6%，均达到《湖北省食品安全地方标准富有机硒食品硒含量要求》（DBS 42/002—2014）富硒农产品的标准。从图2还可以看出，随着外源喷施硒肥浓度的增加，川党参有机硒占比逐渐增大，在喷施硒肥为200 g∙hm-2时达到最高，为83.6%，随后有机硒占比开始下降。所有硒处理的川党参有机硒比例均显著高于CK处理。综上可知，外源喷施硒肥的浓度不仅对川党参硒含量具有决定性作用，同时对川党参硒形态也会产生影响。

图2 不同硒处理对川党参硒形态的影响Figure 2 Effects of different Se treatments on selenium speciation of C.tangshen

2.4 不同硒处理对川党参部分根际土壤养分的影响

如图3 所示，不同外源硒处理对川党参根际土壤有机质和速效磷含量无显著影响。外源喷施100、200 g∙hm-2硒肥可显著增加川党参根际土壤碱解氮和速效钾含量，增幅分别为10.1%、13.3%和9.6%、17.4%。由此可知，外源喷施硒肥不仅影响川党参的生理生长，而且对其根际土壤养分含量也有影响。

图3 不同硒处理对川党参部分根际土壤养分的影响Figure 3 Effects of different Se treatments on partial rhizospheric soil nutrients of C.tangshen

2.5 不同硒处理对川党参产量和品质影响的综合效应

产量和品质是决定中药材经济价值的主要因素，因此本研究选取产量、多糖和炔苷（三者权重相同）作为评价外源硒对川党参生长作用效果的考核指标。从表2 可以看出，川党参对不同硒处理的生理生长响应指数不同，不同硒处理对川党参产量、多糖和炔苷影响的综合效应也存在差异。外源喷施25～400 g∙hm-2硒肥对川党参生长的影响总体表现为促进作用，但随着喷施硒浓度的提高，促进效果先增强后减弱，其中200 g∙hm-2硒肥处理对川党参生长的促进效果最强，CE 达到0.48。说明喷施适量硒肥对川党参生长具有较好的促进效果，过量喷施硒肥会导致促生效果减弱。

表2 不同硒处理对川党参产量和多糖、炔苷含量的综合效应Table 2 The comprehensive effects of different Se treatments on the yield，polysaccharide and lobetyolin content of C.tangshen

2.6 川党参生理生长性状和根际土壤养分的相关性和冗余分析

从表3 可知，川党参单株鲜质量、产量与根际土壤碱解氮和速效钾含量呈显著正相关。川党参无机硒和有机硒含量与总硒含量呈极显著正相关。川党参多糖与根际土壤碱解氮和速效钾含量呈显著正相关。川党参炔苷含量与总硒含量及根际土壤速效钾含量呈极显著正相关。由此可知，川党参的生理生长性状与根际土壤养分存在密切联系。

表3 川党参生理生长性状与总硒和根际土壤养分的相关性分析（r）Table 3 Pearson correlation coefficients between physiological and morphological traits,total selenium and rhizospheric soil nutrients of C.tangshen（r）

川党参的生理生长性状与部分根际土壤养分的RDA分析见图4，第1排序轴解释了变量的73.05%，第2排序轴解释了变量的18.42%，前两个排序轴解释了变量的90%以上，说明前两个主成分可以充分反映各项因子的变异程度。土壤养分因子按照变量贡献率从大到小依次表现为碱解氮（61.5%，P=0.002）>速效钾（59.2%，P=0.002）>速效磷（17.0%，P=0.258）>有机质（8.7%，P=0.660），这表明根际土壤碱解氮和速效钾含量是影响川党参生理生长性状的主要土壤养分因子。

图4 川党参生理生长性状和部分根际土壤养分的冗余分析Figure 4 The redundancy analysis of physiological and morphological traits and partial rhizospheric soil nutrients of C.tangshen

3 讨论

硒是一种天然的微量元素，对于植物的生长发育一般表现为双重作用，具有低浓度促进、高浓度抑制的作用效果[16]。本研究结果表明，喷施200 g∙hm-2的外源硒肥可显著促进川党参生长，增加其产量；当喷施400 g∙hm-2硒肥时，这种促进效果会大大减弱。这与Hawrylak-Nowak 等[17]研究的硒对黄瓜生长影响和Zhu 等[5]研究的硒对轮叶党参生长影响的结果类似。大量的研究表明，外源喷施硒肥可有效改善作物品质。Zhu等[10]的研究表明，在番茄花期叶面喷施1 mg∙L-1硒酸钠溶液（以Se 元素计，1 mg∙株-1）可提高番茄可溶性糖、氨基酸和维生素C 等营养成分含量。Zhu等[6]通过对葡萄叶面喷施氨基酸螯合硒肥（Cu+Fe+Mn+Zn+B≥100 g∙L-1，有机硒≥60 g∙L-1，在幼果期和果实膨大期共喷施三次，每次间隔10～15 d）500 倍液，发现外源硒肥提高了葡萄可溶性糖、可溶性蛋白和维生素C等营养成分含量，降低了葡萄有机酸含量。王清华等[18]发现在冬枣果实膨大期喷施45 mg·L-1亚硒酸钠溶液（以Se 元素计，27 mg∙株-1），可显著提升冬枣可溶性糖、维生素C和总黄酮等营养成分含量。本研究结果显示，在川党参蕾期和花期叶面喷施100～200 g∙hm-2外源硒肥可显著提高川党参多糖和炔苷含量，说明叶面喷施适量硒肥可有效改善川党参品质。

有研究表明，通过外源喷施硒肥可以提升谷类作物的硒含量。例如，Deng 等[19]对水稻喷施75 g∙hm-2硒肥，使稻米硒含量达到0.41 mg∙kg-1。Galinha 等[20]对小麦喷施100 g∙hm-2硒肥，使小麦硒含量达到2 mg∙kg-1。Wang 等[21]对玉米喷施200 g∙hm-2硒肥，使玉米硒含量达到1.6～1.8 mg∙kg-1。相比于其他研究，本研究设置的硒肥浓度虽然较高，但即使在川党参两个生育时期分别喷施一次25～400 g∙hm-2硒肥，川党参的硒含量也仅为0.17～0.95 mg∙kg-1。相比于谷类作物，川党参的硒富集能力较弱，这可能是由于川党参叶片有短绒毛和蜡质，容易造成硒肥溶液流失且不易被川党参吸收，也可能与不同种类的植物硒富集特性存在差异有关。以往的研究表明，相比于无机硒，有机硒对人体来说相对更加安全，且生物可利用性更高[22]。有机硒在谷类作物中占总硒的比例较大，一般高达80%[19，23]，而有关中药材有机硒比例的报道较少。本研究结果表明，川党参中的硒主要以有机硒形态存在（有机硒>70%），且有机化程度与喷施的外源硒浓度密切相关，当Se≤200 g∙hm-2时，随着喷施硒肥浓度的提高，川党参有机硒比例逐渐上升；当Se=400 g∙hm-2时，川党参有机硒比例下降，这与王清华等[24]研究的喷施不同浓度硒肥对沾化冬枣硒形态影响的结果类似，可能是由于川党参中的无机硒含量快速增加导致其转化为有机硒的能力不足。

植物和土壤是陆地生态系统的重要组成部分，两者相辅相成、相互影响。根际土壤是指受植物根系活动及其分泌物影响，在物理、化学和生物学性质上不同于其他土体的微域土区[25]。存在于植物根际能够促进植物生长的细菌被定义为植物根际促生菌[26]。部分植物根际促生菌具有固氮和活化矿质营养元素的功能[27]。外界环境变化可能会影响作物的生理代谢过程，致使植物根系分泌物成分发生改变，同时影响植物根际促生菌活性，进而引起一系列生物化学变化。根际土壤养分作为植物养分吸收的直接来源，其养分含量的变化直接影响作物的生理代谢过程，进而影响作物生长[28]。本研究结果表明，对川党参喷施100～200 g∙hm-2硒肥可显著提高其根际土壤碱解氮和速效钾含量，这与周武先等[29]前期发现叶面喷施适量硒肥可提高白术根际土壤速效钾含量的研究结果存在类似之处，可能是由于外源喷施硒肥引起川党参根系分泌物发生变化，刺激了根际土壤中具有固氮和解钾功能的植物根际促生菌的生长，从而增加了根际土壤中碱解氮和速效钾含量，但其具体原因还有待进一步研究。相关性分析结果表明，川党参产量和多糖含量与根际土壤碱解氮和速效钾含量呈显著正相关，炔苷含量与速效钾含量呈极显著正相关。RDA 分析也表明，碱解氮和速效钾含量是影响川党参生理生长的主要环境因子，这表明提高根际土壤碱解氮和速效钾含量可能是外源喷施硒肥提升川党参品质的重要原因之一。在实际生产过程中，外源喷施适量硒肥可作为生产富硒川党参及提高川党参产量、品质的有效途径。