硒、镉处理对马铃薯植株生长及硒镉吸收的影响

2021-09-05何雪邓承佳李威陆引罡刘克

作物研究 2021年4期

何雪，邓承佳，李威，陆引罡，刘克

(贵州大学农学院，贵阳 550025)

硒(Selenium，Se)被称为人体生命的保护剂，兼具营养和解毒功能，对人体具有积极作用，可提高人体免疫力和预防癌症[1]。硒作为人体重要的功能元素之一，只能从食物中摄取，因此，可通过种植富硒农作物，继而加工成富硒农产品，从而达到食物补硒的作用[2]。赵玉文等[3]研究表明，施用适量的硒肥(1 200 mL/hm2)在提高马铃薯产量的同时还可以提高土壤肥力。宋丽芳等[4]研究发现，适量外源硒(2.5～5.0 mg/L)能够促进苦荞生长发育，提高产量及籽粒硒含量。因此，作物种植过程中应用适宜浓度的外源硒可以满足人们从食物中摄取硒元素的目的。

贵州省土壤镉(Cadmium，Cd)背景值(0.659 mg/kg)远高于全国平均值[5]，是典型的镉地球化学异常区。马铃薯(Solanum tuberosum)是贵州旱地主栽作物之一，其中威宁县地处云贵高原边缘，是我国重要的马铃薯生产基地[7]。镉胁迫下，农作物产量和品质均会受到影响，而马铃薯块茎与土壤中镉直接接触，受镉毒害的影响远大于其他作物。邓禄军等[8]研究表明，镉胁迫影响了马铃薯块茎的产量和品质，随着Cd2＋浓度增加，马铃薯块茎鲜质量显著降低，干质量、比重、干物质积累率及淀粉含量极显著降低。另有研究表明，马铃薯对Cd 有偏好性[9，10]，马铃薯块茎、根、皮、茎叶中Cd 含量与土壤Cd 含量呈现出显著相关性(P<0.05)[11]。由此可见，研究镉毒害对马铃薯的影响十分有意义。

据相关文献报道，适宜浓度的硒具有缓解重金属毒害的作用，土壤中的硒对镉存在抑制作用，并且这种作用表现出双重效应[12－14]，即低镉水平下，适宜浓度的硒能明显地抑制作物对镉的吸收和累积，随着镉浓度的升高，这种抑制作用不断减弱，逐渐演变成协同作用。相应的，低浓度的硒能缓解镉的毒害作用，当硒浓度过高时，反而会加剧作物对镉的吸收。铁梅等[15]研究表明，土壤中低于1.5 mg/kg浓度的硒对含量小于5.0 mg/kg的镉具有拮抗作用，同时可促进萝卜的生长。另一方面，当镉进入植物体内导致氧化应激反应时，一定浓度的硒还能提高相关酶的活性，减轻氧化应激反应[16]。王华等[17]研究表明，适量的Se(2.5 mg/L)可提高白术幼苗的光合作用和促进白术幼苗的生长，过量的Se (≥5 mg/L)则会对其产生抑制作用。由此可见，外源硒缓解镉毒害作用的效应值得进一步探讨。

目前，不论是硒、镉单独处理，还是硒镉复合作用对马铃薯短期影响的相关研究还较少。本研究设置不同水平的硒、镉浓度，研究单一硒、镉及硒与镉复合对马铃薯的短期毒性作用，并探讨硒镉复合所产生的效应，旨在为进一步探索硒、镉对马铃薯的影响以及硒缓解镉毒害的效应机理，以为威宁县马铃薯生产提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试马铃薯品种为兴佳2 号，由贵州大学农学院提供。所采用的亚硒酸钠(Na2SeO3)和硫酸镉(CdSO4)均为分析纯。供试土壤类型为黄壤，采集自贵州省威宁县(104°16′13″E，26°49′57″N，海拔2 186 m)。供试土壤基本理化性质:pH 值为5.44，含碱解氮124.22 mg/kg、全氮1.55 g/kg、有效磷11.18 mg/kg、速效钾327.33 mg/kg、有机质36.24 g/kg、全硒0.82 mg/kg、全镉0.13 mg/kg。

1.2 试验设计

1.2.1 前期处理

(1)土壤处理。用于盆栽马铃薯的土样自然风干后，剔去残茬、碎砾，全部过孔径5 mm 筛。另取少部分用于常规分析和金属含量测定的土壤分别过孔径2、0.25、0.149 mm 筛。

(2)马铃薯处理。挑选饱满、大小基本一致(45 g左右)的马铃薯用10%的次氯酸钠消毒10 min，然后用去离子水浸泡1 h 去除真菌，放入洗净的烧杯中，加入去离子水保持60%的含水量。

(3)马铃薯培养。准确称取5 kg 土壤放入花盆中，将不同质量浓度的硒、镉配制成对应的镉和硒溶液后，均匀加入土壤中，放在室内培养。每天记录室温并适当补充水分，试验期间平均气温为12 ℃。

1.2.2 试验设计

硒处理:CK(不添加Se)、Se1(Se 4 mg/kg)、Se2(Se 8 mg/kg)、Se3(Se 16 mg/kg)、Se4 (Se 20 mg/kg)、Se5(Se 24 mg/kg)；镉处理:CK(不添加Cd)、Cd1(Cd 10 mg/kg)、Cd2(Cd 20 mg/kg)、Cd3(Cd 40 mg/kg)、Cd4(Cd 80 mg/kg)、Cd5(Cd 160 mg/kg)；硒镉复合处理:CK(不添加Se、Cd)，Se4－Cd10(Se 4 mg/kg、Cd 10 mg/kg)，Se8－Cd20(Se 8 mg/kg、Cd 20 mg/kg)，Se16－Cd40(Se 16 mg/kg、Cd 40 mg/kg)，Se20－Cd80 (Se 20 mg/kg、Cd 80 mg/kg)，Se24－Cd160(Se 24 mg/kg、Cd 160 mg/kg)。

试验为马铃薯发芽期盆栽试验，在自然条件下进行，所有处理重复3 次，共计54 盆。具体设计如表1。

表1 硒、镉及硒镉复合处理设计表Table 1 Design Table of Selenium，Cadmium and Selenium－Cadmium combined treatment mg/kg

1.2.3 试验时间及地点

试验时间为:2019 年3 月17 日—2019 年3 月31 日。试验地点为贵州大学西校区崇学楼农学院实验室。

1.3 测定指标及方法

将播种至出苗后15 d 的马铃薯植株从花盆里取出，先用自来水冲洗干净然后再用超纯水润洗3遍，用吸水纸擦干。于烘箱中105 ℃杀青15 min，65℃烘干至恒重。烘干后的植物样品粉碎过筛备用。

1.3.1 马铃薯植株硒、镉含量

将样品采用硝酸—高氯酸(体积比为5∶1)消解法消解8 h 后，于140 ℃左右电热板上赶酸至干，然后用超纯水定容至50 mL，用电感耦合等离子体质谱仪(ICP－MS)测定重金属硒、镉含量。为保证所测数据真实有效，试验中均设置平行样，采用国家马铃薯标准物质进行质量控制，所有酸试剂纯度均为优级纯。

1.3.2 马铃薯根长、芽长、根和芽鲜质量

完整取下根和芽，用水洗净后，采用吸水纸将水分吸干，之后用0.1 cm 分度值的卷尺分别测量根和芽的长度(从根生长点、芽生长点开始测量)、用万分之一电子天平称量根和芽的鲜质量并记录数据。

1.3.3 马铃薯植株过氧化物酶

过氧化物酶采用愈创木酚法测定[18]。

1.3.4 土壤理化性质及硒、镉含量

土壤样品中硒、镉含量采用HCl－HNO3－HClO4消解，用量分别为1、3、1 mL，用电感耦合等离子体质谱仪(ICP－MS)测定。土壤理化性质采用常规分析方法测定[19]。

1.4 数据分析

利用Excel 2010 和DPS7.05 软件进行数据处理和分析，其中差异显著性分析采用LSD 法(α＝0.05)。

2 结果与分析

2.1 硒、镉对马铃薯根、芽生长的影响

由表2 可见，硒的添加对马铃薯根、芽的生长呈促进作用，Se4(Se 20 mg/kg)处理马铃薯的根长、根鲜质量最大，Se3(Se 16 mg/kg)处理马铃薯的芽长、芽鲜质量最大，且各处理与CK 的差异均达显著水平。根长、根鲜质量在Se 含量超过20 mg/kg后开始下降，芽长、芽鲜质量在Se 含量超过16 mg/kg后下降。说明一定浓度的硒可促进马铃薯根、芽生长，浓度过高则效果减弱。

单一镉对马铃薯根、芽生长的影响如表2。镉对马铃薯根、芽生长的抑制作用随镉浓度的升高而增强，Cd5(Cd 160 mg/kg)处理马铃薯的根(根长、根鲜质量)、芽(芽长、芽鲜质量)均为最低值，较CK处理差异显著。根长、根鲜质量、芽长、芽鲜质量分别降低了88.67%、97.80%、85.77%、94.04%。

表2 不同硒、镉处理的马铃薯根、芽生长情况Table 2 The root and bud growth of potato under different selenium and cadmium treatments

不同硒镉复合处理马铃薯根、芽生长情况如表3。由表可见，芽鲜质量、芽长在处理组Se16－Cd40之前缓慢下降，说明在低于该浓度的硒与镉复合对马铃薯芽的生长表现出拮抗效应。超过该浓度时，芽的生长较对照组急剧下降，说明高于该浓度的硒与镉复合对马铃薯芽的生长表现出协同效应，加剧了硒、镉对芽的伤害。其中Se16－Cd40 处理组芽长达最大值，与其余处理组差异达显著水平，说明该浓度为适宜浓度，此时硒与镉复合呈现出来的效应维持在较稳定水平，有利于马铃薯芽的生长。

表3 不同硒镉复合处理的马铃薯根、芽及POD 活性变化Table 3 The changes of potato root，bud and POD activity under different selenium and cadmium treatments

根鲜质量、根长在处理组Se16－Cd40 之前呈缓慢下降趋势，说明低浓度的硒在一定程度上可缓解低浓度镉的毒害，低于该浓度的硒与镉复合对马铃薯根的生长表现出拮抗效应。超过该浓度时，根的生长较对照组处理急剧下降，说明随着硒、镉浓度的不断升高，硒与镉复合对马铃薯根的生长表现出协同效应，加剧了硒、镉对根的毒害。其中Se16－Cd40处理组根长达到最大值，与其余处理组相比差异达显著水平，说明该浓度的硒与镉复合对马铃薯根长的影响表现出强烈的拮抗效应，生物效应最好。

2.2 硒、镉对马铃薯植株过氧化物酶活性的影响

根据表4，随亚硒酸钠浓度的增加，POD 活性先降后升。Se4(Se 20 mg/kg)处理POD 活性最低，较对照降低了40.46%，差异达显著水平。Se5(Se 24 mg/kg) 处理POD 活性最高，较对照组增长了17.12%，差异达显著水平。说明亚硒酸钠浓度小于20 mg/kg时，外源硒对马铃薯植株没有产生胁迫作用或影响较小。亚硒酸钠浓度超过20 mg/kg时，外源硒的添加对马铃薯植株产生了胁迫作用，加剧了马铃薯植株内膜脂过氧化作用，对马铃薯发芽期的生长表现出抑制作用，马铃薯植株可能通过提高抗氧化酶活性来缓解硒胁迫的伤害。

表4 不同硒、镉处理的马铃薯植株POD 活性变化Table 4 Changes of POD activity in potato plants under different Selenium and Cadmium treatments U·g－1·min－1

同时，POD 活性与镉浓度呈正相关，Cd5(Cd 160 mg/kg)处理POD 活性最高，较对照增加了121.06%，差异达显著水平。

硒镉复合处理对马铃薯植株过氧化物酶(POD)的影响如表3。处理组Se16－Cd40 POD 酶活性最低，较对照组降低了6.23%，但没有显著差异。超过该浓度后，POD 活性急剧升高，Se24－Cd160 处理组POD 酶活性达最高值，较对照增加了42.49%，且差异达显著水平。这说明马铃薯植株在高硒与高镉胁迫下，细胞内活性氧的产生与清除间平衡状态被打破，导致自由基的急剧增加。比处理组Se16－Cd40 低的硒浓度则缓解了低镉胁迫下马铃薯植株内膜脂过氧化作用，硒和镉的拮抗效应提高了镉胁迫下马铃薯植株的抗氧化作用。浓度高于Se16－Cd40 的处理组，硒与镉复合则表现出协同效应，加剧了硒、镉胁迫下马铃薯植株内的膜脂过氧化作用。

2.3 硒、镉处理对马铃薯植株吸收硒、镉的影响

单一硒、镉处理下，马铃薯植株吸收硒、镉的情况如表5。马铃薯植株中硒的浓度随硒添加量的升高而升高，Se5(Se 24 mg/kg)处理马铃薯中的硒含量最高，与CK 及其他各处理差异均达显著水平，外源添加硒提高了马铃薯植株中的硒含量；马铃薯植株中镉的浓度随镉添加量的升高而升高，Cd5(Cd 160 mg/kg)处理马铃薯植株中的镉含量最大，与CK及各处理相比，均有显著差异。

表5 不同硒、镉处理的马铃薯植株吸收硒、镉情况Table 5 Uptake of Selenium and Cadmium by potato plants under different Selenium and Cadmium treatments mg·kg－1

硒缓解马铃薯植株镉毒害的效应如表6。硒镉复合处理较单一镉处理马铃薯植株中镉含量降低，Cd3 处理镉含量为0.17 mg/kg，但Se16－Cd40 处理中马铃薯植株镉含量仅为0.05 mg/kg，硒镉复合处理镉含量降低了70.59%；Cd4 处理镉含量为0.32 mg/kg，但Se20－Cd80 处理马铃薯植株中镉含量仅为0.11 mg/kg，较单一镉处理降低了65.63%；Cd5处理镉含量为1.43 mg/kg，Se24－Cd160 处理中马铃薯植株中镉含量仅为0.16 mg/kg，较单一镉处理降低了88.81%，差异达显著水平。综上，在相同镉含量下，加入一定浓度的硒，马铃薯植株中吸收的镉含量有一定程度的降低，这说明一定浓度的硒可以缓解马铃薯植株受到的镉毒害作用。

表6 硒缓解马铃薯植株镉毒害情况Table 6 Selenium alleviates cadmium toxicity in potato plants mg·kg－1

3 讨论

马铃薯的生长是从块茎上的芽萌发开始，从芽萌生至出苗是发芽期。其生长速度和品质取决于种薯、营养供给和环境等因素。但种子的萌发主要靠种子胚芽提供营养，外界因素如重金属对其影响较弱，但若环境中存在硒，可促进种子发芽[15]。已有研究表明，适量的Se(2.5 mg/L)可通过提高白术幼苗的光合作用和抗氧化系统来促进白术幼苗生长，而过量的Se(≥5 mg/L)则会对其产生抑制作用[17]。本研究发现，亚硒酸钠浓度为16～20 mg/kg时对马铃薯发芽期的生长有明显的促进作用，超过此浓度，促进作用逐渐减弱，最终产生抑制作用，这与前人的结果一致。但对于产生毒害的硒浓度范围，不同作物存在差异，最佳硒浓度也不相同。如铁梅等[15]研究表明，硒浓度只在2.5～5.0 mg/kg才能促进萝卜的生长；蔡天革等[20]对燕麦研究表明，施硒量超过15 mg/m2会对燕麦生长起抑制作用。前人的研究结果说明不同作物对硒的要求不同，这与作物本身的特性、环境条件(温度、水分、光照)、土壤理化性质(pH、Eh、CEC、有机质)等密切相关[21]。相关研究表明，硒能抑制植物的生长，并且随着植物种类不同而不同，如聚硒植物在极少量的硒(0.33～9 mg/L)处理下便能明显感受到刺激信号而生长加快，而非聚硒植物却不适应该硒浓度，其生长速率能够被显著抑制[22]。曾宇斌等[23]研究表明，大豆不同部位富硒能力不同，具体表现为:果>叶>茎>壳。本研究的结果显示，马铃薯不同部位需要的最佳硒浓度也有所差异(根:20 mg/kg、芽:16 mg/kg)，这可能也是不同部位对于硒的富硒能力存在差异所致。

当作物受到重金属胁迫时，其生长势必会受到影响，表现为生长缓慢、植株矮小、代谢紊乱等。综上可知，马铃薯对低浓度(10 mg/kg)镉有一定的耐受性，但随胁迫加剧，耐受性逐渐降低，这与李佩华等[24]的研究结果一致，当镉浓度达160 mg/kg时，根、芽表现出明显的毒害症状，马铃薯生长几乎停止。但作物耐受的镉浓度范围与李佩华等的研究有所差异，这源于不同植物及同一植物的不同品种对镉的耐受性不同。

比较单一镉处理和硒镉复合处理马铃薯植株中的镉含量，结果表明，有硒存在时马铃薯植株中镉含量降低，说明土壤中的硒能拮抗镉对马铃薯植株生长的毒害作用。硒与镉复合对马铃薯发芽期产生的生物效应与浓度的关系遵从Weinberg 原理，即三重生物学功能，较低浓度的硒、镉复合对马铃薯发芽期的生长有促进作用，而高浓度的硒、镉复合对马铃薯发芽期的生长有抑制作用，中间存在一个最佳浓度范围，该浓度范围内的硒、镉复合对马铃薯发芽期的生长表现出最佳的生物效应。本研究表明，≤16 mg/kg的硒与≤40 mg/kg镉复合对马铃薯发芽期的生长呈促进作用，但高于该浓度的硒、镉复合则对发芽期马铃薯的生长呈抑制作用，处理组Se16－Cd40马铃薯表现的生物效应最好。这与刘燕等[25]的结果一致。王海希等[26]研究了不同硒预处理对镉胁迫下荷花幼苗的生长，结果表明适宜浓度(12～24 μmol/L)的Se 处理可有效缓解Cd 胁迫对荷花品种“微山湖红莲”幼苗的毒害，有助于提高其对Cd 的耐性。