硒对芸豆种子萌发、生理特性及营养品质的影响
2021-09-26史雅涵杜天庆翟红梅杨舒添李宇航路博宇崔福柱高志强
史雅涵 杜天庆 翟红梅 杨舒添 龚 芮 李宇航 路博宇 崔福柱 高志强
(山西农业大学农学院,030801,山西晋中)
硒是人类和动物生命中所必需的微量元素之一,也是谷胱甘肽过氧化物酶分子中的重要组成部分[1]。虽然硒占人体体重不到万分之一,但对人体有不可替代的作用[2]。缺硒会导致人体免疫力下降,容易引发克山病、大骨节病和心血管病等疾病,而硒摄入过量,会发生免疫功能调节障碍,促使肿瘤发生,还有可能出现硒中毒[3]。因此,补充适量硒对人体健康具有重要意义。有研究表明,缺硒多发生在以谷物类为主食的人群中,因为谷物类作物含硒量较低[4],远远不能满足人体的正常需要。我国的饮食习惯多以谷物类为主,因此通过施硒肥增加农作物的含硒量,从人们饮食上解决缺硒问题,提高机体含硒量,从而达到补硒的目的。芸豆是我国食用的主要豆类之一,含有丰富的营养物质,也是我国主要出口的食用豆类之一,其出口量在杂豆中占据第1位[5],其贸易量占整个食用豆类出口量的20%~25%[6]。除了人们平时食用外,芸豆在药用和保健等方面也具有重要的利用价值[7]。因此,研究硒对芸豆种子萌发、生理特性及营养品质的影响具有重要意义。
目前,研究作物富硒的方法有拌种、浸种和叶面喷硒等,其中叶面喷硒在大田作物中应用最广泛[8]。叶面喷硒是通过作物的叶片直接转运到作物的籽粒中,可减少对土壤的污染,富硒研究已广泛应用在玉米、谷子、大豆和小麦等作物上[9-12]。张驰等[13]研究表明,10~100μg/mL硒处理有利于提高花生种子的发芽率,而大于250μg/mL的硒处理效果相反。薛泰麟等[14]研究了小麦、玉米、大豆和油菜等作物,发现硒在这些作物体内具有抗氧化作用,并证明硒主要是通过谷胱甘肽过氧化物酶来实现抗氧化作用的。施用一定量的硒可提高绿豆叶片的叶绿素含量、过氧化物酶(POD)活性和可溶性蛋白含量,降低丙二醛(MDA)含量[15]。郭静成等[16]研究表明,施用一定浓度的硒可提高小麦、水稻和黄瓜等作物的还原型谷胱甘肽(GSH)含量,降低MDA含量,提高抗逆能力。还有研究表明,硒肥在一定程度上可改善作物的品质,如燕麦[17]、大豆[18]、玉米[19]和谷子[20]等。
目前,关于硒对芸豆影响的研究较少,通过研究硒对芸豆种子萌发、生理特性及营养品质的影响,确定最佳施硒量,为富硒芸豆生产提供参考依据。
1 材料与方法
1.1 供试材料
供试芸豆品种为“英国红”,是当前山西省主要种植的出口创汇优质品种。所用的硒源为Na2SeO3(分析纯,含量97%)。
1.2 试验设计
1.2.1 发芽试验 试验于2019年3月在山西农业大学栽培实验室进行。选取大小均匀、健康饱满的芸豆种子,采用Na2SeO3溶液浸种,设7个浓度梯度,分别为 0(J0)、7.5(J1)、15.0(J2)、22.5(J3)、30.0(J4)、37.5(J5)和 45.0mg/L(J6)(以纯硒计算),重复4次,共28个处理。将消过毒的培养皿编号,将芸豆种子用1%的氯化汞溶液浸种消毒5min,蒸馏水冲洗后,用滤纸吸干分别放入相应浓度的Na2SeO3溶液中浸种6h,将处理后的种子放入铺有2层含饱和水分滤纸的培养皿中,每个培养皿中均匀摆入20粒种子。在恒温培养箱25℃条件下模拟昼夜交替萌发试验,每天喷洒蒸馏水,保持种子湿润,培养7d,定期观察并记录种子发芽情况。
1.2.2 大田试验 试验于2019年5-8月在山西农业大学农作站(36°34′N,116°49′E)进行。采用完全随机区组设计,设4个叶面喷施硒水平,分别是0(P0)、10(P1)、20(P2)和 30g/hm2(P3),P0为喷施等量清水对照,重复3次,共12个小区,每小区面积15m2(5m×3m)。分别在芸豆的分枝期和开花期于叶片表面均匀喷施1L相应含量的Na2SeO3溶液,每次喷施硒量为总量的1/2,即0、5、10、15g/hm2。播前施复合肥450kg/hm2,全部作基肥一次性施入,种植密度为225 000株/hm2。
1.3 样品采集与指标测定
1.3.1 发芽指标 定期观察并记录种子的发芽情况,第3天计算发芽势,第7天统计发芽率和发芽指数,并随机测量4株的芽长,计算简化活力指数。发芽势(%)=(3d发芽种子粒数/供试种子总粒数)×100,发芽率(%)=(7d发芽种子粒数/供试种子总粒数)×100,发芽指数=∑(t时间发芽数/对应发芽天数),简化活力指数=第7天芽长/发芽率。
1.3.2 生理指标 于芸豆开花期喷硒7d后对不同处理分别选取有代表性植株倒数第3片完全展开的复叶的中间叶片,进行生理指标的测定。采用愈创木酚法测定POD活性;采用硫代巴比妥酸法测定MDA含量;采用二硫代二硝基苯甲酸(DTNB)与GSH显色法测定GSH含量;采用丙酮乙醇混合浸提法[21]测定叶绿素含量。
1.3.3 硒含量 用硝酸∶双氧水(3∶1)在微波消解仪中消解,利用ICP-MS(电感耦合等离子体-质谱法)测定籽粒硒含量。
1.3.4 营养品质 从每个处理中随机称取籽粒置于烘箱,60℃烘干至恒重后,研磨成粉末过筛,进行籽粒营养品质测定。采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量;采用间苯二酚法测定蔗糖含量;采用索氏提取法(即索克斯列特抽提法)测定粗脂肪含量;采用凯氏定氮法测定粗蛋白含量;采用蒽酮比色法测定粗淀粉含量。
1.4 数据处理
采用Microsoft Excel 2010进行数据分析与作图,用SPSS 16.0的新复极差法(Duncan)进行差异显著性分析。
2 结果与分析
2.1 硒浸种对芸豆种子萌发的影响
由表1可知,硒浸种对芸豆种子的萌发有促进作用。随着硒浸种浓度的增加,芸豆种子的发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数均呈现先升高后降低的趋势,在处理J4达到最大值,且均显著高于对照J0及其他处理(发芽指数除外)(P<0.05),处理J2、J3、J4间发芽指数无显著差异,但均显著高于J0及其他处理(P<0.05)。在处理J4下,芸豆种子的发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数相比J0分别提高了12.36%、17.31%、60.82%和91.34%。处理J4的芸豆种子萌发最好。
表1 硒浸种对芸豆种子萌发的影响Table 1 Effects of seed soaking with selenium on seed germination of kidney bean
2.2 叶面喷硒对芸豆生理指标的影响
2.2.1 对芸豆POD活性的影响 由图1a可知,芸豆POD活性随叶面喷硒量的增加而升高,各喷硒处理下芸豆POD活性均高于P0,分别提高了20.78%、29.69%和35.29%。在处理P3下芸豆的POD活性达到最大,为125.18U/g,且显著高于P0(P<0.05),其次为P2处理,而处理P1和P0之间无显著差异。
2.2.2 对芸豆MDA含量的影响 由图1b可知,芸豆的MDA含量随叶面喷硒量的增加呈降低趋势,各喷硒处理下MDA含量均显著低于对照P0(P<0.05),处理P3的MDA含量最小,为45.5mmol/g,比P0减少了20.32%。处理P1、P2的MDA含量比P0分别减少了8.06%和14.71%。处理P2与P3间无显著差异。
2.2.3 对芸豆GSH含量的影响 由图1c可知,芸豆GSH含量随叶面喷硒量的增加而增加,在处理P3时达到最大,为125.47μmol/g,显著高于其他处理(P<0.05),比对照P0增加32.34%,处理P1、P2的GSH含量相比P0分别增加了9.99%和21.90%。且各喷硒处理下芸豆GSH含量均存在显著差异(P<0.05)。
2.2.4 对芸豆叶绿素含量的影响 由图1d可知,芸豆叶绿素含量随叶面喷硒量的增加而增加,在处理P3时达到最大,为2.70mg/g,且显著高于其余处理(P<0.05),比对照P0增加了7.92%,处理P1、P2的叶绿素含量相比P0分别增加了2.91%、3.96%。相对于其他处理,处理P3提高芸豆叶绿素含量的效果最为明显。
图1 叶面喷硒对芸豆生理指标的影响Fig.1 Effects of foliar selenium spraying on physiological indexes of kidney bean
2.3 叶面喷硒对芸豆籽粒硒含量的影响
由图2可知,叶面喷硒处理下的芸豆籽粒硒含量相比对照P0显著提高。随着喷硒量的增加,芸豆籽粒硒含量呈增加趋势,在处理P3达到最大值,为0.22mg/kg,比P0增加了24.11%,且显著高于其他处理(P<0.05)。各叶面喷硒处理间芸豆籽粒硒含量均存在显著差异(P<0.05),显著高于P0。通过建立关系方程可以看出,叶面喷硒量与芸豆籽粒硒含量的关系呈二次线性回归,R2=0.9835。
图2 叶面喷硒对芸豆籽粒硒含量的影响Fig.2 The effects of foliar selenium spray on selenium content in kidney bean grains
2.4 叶面喷硒对芸豆籽粒营养品质的影响
叶面喷硒后芸豆籽粒营养品质含量的变化如表2所示,随着叶面喷硒量的增加,芸豆籽粒的可溶性糖、蔗糖、粗脂肪、粗蛋白及粗淀粉含量逐渐增加,且均在处理P3达到最大值,相比对照P0分别显著提高了23.65%、37.23%、75.00%、62.14%和32.21%(P<0.05)。其中,芸豆籽粒的P0处理可溶性糖含量显著低于P2和P3处理;芸豆籽粒的蔗糖含量在各处理下(P1除外)均显著高于对照P0(P<0.05);各处理芸豆籽粒的粗脂肪和粗蛋白含量均显著高于P0(P<0.05),但处理P2与P3间无显著差异;各处理芸豆籽粒粗淀粉含量均显著高于P0,且各处理间均存在显著差异(P<0.05)。
表2 叶面喷硒对芸豆营养品质的影响Table 2 The effects of foliar selenium spraying on the nutritional quality of kidney bean
2.5 硒含量与芸豆生理特性及营养品质的相关性
从表3可以看出,硒含量与POD活性、GSH含量呈极显著正相关,与MDA含量呈极显著负相关;与叶绿素含量呈显著正相关,与芸豆所有的营养品质呈极显著正相关。
表3 硒含量与芸豆生理特性及营养品质的相关性分析Table 3 Correlation analysis of selenium content and kidney bean physiological characteristics and nutritional quality
3 讨论
硒浸种对种子萌发起到促进作用。周大寨等[22]研究发现,在硒浸种试验中,当硒的质量分数为15.0mg/L时,红芸豆种子的发芽率和发芽势最大,随着硒质量分数的继续增大,发芽率和发芽势呈下降趋势。张凡等[23]研究发现,适宜浓度的硒(6mg/L)浸种可显著提高豇豆种子的发芽势和发芽率,促进豇豆苗菜生长,而高浓度硒浸种抑制豇豆生长。低浓度的硒可促进细胞膜的渗透调节,从而促进种子萌发,高浓度的硒会因其本身自由基性质对细胞产生毒害作用,抑制种子的萌发。本研究发现芸豆种子在30.0mg/L硒浸种浓度下萌发最好,浓度过高会抑制芸豆种子萌发。种子萌发受多种因素影响,作物种类、浸种时间、温度、培养方法与条件都会影响种子对硒的吸收。
本试验表明,叶面喷硒可以有效提高芸豆叶片的POD活性、GSH含量和叶绿素含量,降低MDA含量。有研究表明,在施用外源硒后能有效提高小麦[24]、芸豆[25]和大豆[26]等作物叶片的POD活性,降低MDA含量。翟红梅等[27]研究发现,施硒能有效提高红芸豆叶片的POD活性和GSH含量,降低MDA含量。硒可以调节抗氧化酶的活性,从而减少活性氧自由基;也可以通过形成硒蛋白来清除体内产生的活性氧自由基。有研究[28]表明,硒可以和GSH反应形成硒代半胱氨酸和硒代蛋氨酸,最后合成含硒蛋白。因此,如果植物施硒,为了完成硒的同化以及清除体内的活性氧自由基,将会产生更多的硫来合成GSH。台培东等[29]以小麦为材料,用Na2SeO3溶液处理,发现硒可以促进叶绿素的积累及其前体的形成。外界环境很容易影响植物的光合系统,当植物受到环境胁迫时,叶绿体会被破坏,直接导致光合作用中断。施用适宜浓度的硒,将会在一定程度上降低叶绿体被破坏的几率,从而增加叶绿素含量[30-32]。有试验[24]表明,合成叶绿素的重要物质是卟啉,硒能通过调节卟啉的合成来提高叶绿素的含量。
本研究发现,叶面喷硒可以有效提高芸豆籽粒硒含量。施硒可以有效提高玉米[33]、大豆[26]和芸豆[27]等作物籽粒中的硒含量。富硒豆类的硒含量标准为0.02~0.30mg/kg。本试验中,在喷硒量为10和30g/hm2下芸豆籽粒硒含量分别为0.09和0.22mg/kg,达到了富硒标准且未超出上限,并且未出现芸豆损伤的现象。由于试验年限较短,需要多年的试验来验证本试验结果。
施用适宜浓度的硒会提高籽粒的营养品质。本研究发现,叶面喷硒能够有效提高芸豆籽粒可溶性糖、蔗糖、粗脂肪、粗蛋白以及粗淀粉的含量。胡秋辉等[34]研究发现,喷施Na2SeO3显著提高了大豆脂肪含量,但对大豆蛋白质含量和氨基酸组成影响不显著。罗金华等[35]研究发现,红小豆的蛋白质含量随硒肥质量浓度的增加而逐渐增大,但脂肪含量的变化较小。郑阳等[36]研究表明,富硒处理后糯玉米籽粒中淀粉、粗蛋白、粗脂肪和可溶性糖含量均有增加。叶面施硒后可以间接促进籽粒内酸性转化酶活性的提高[37],在相同的时间内增加糖积累量[38]。同时硒参与碳水化合物的代谢,可能会影响代谢过程中有关的生物酶活性,从而增加芸豆籽粒可溶性糖、蔗糖和淀粉的含量[20]。而糖是合成脂肪的原料,芸豆籽粒糖含量的增加也会促进脂肪含量的增加。硒参与碳水化合物代谢、氨基酸代谢和次级代谢,有助于改善营养品质[39]。硒和硫的化学性质相似[40],施硒后,硒可以取代硫氨基酸中的硫原子,以硒代氨基酸的形式直接参与蛋白质的合成;硒作为tRNA的组成成分,也可以参与转运氨基酸以合成蛋白质,高硒处理会阻碍芸豆的正常生理代谢,同时也会导致粗蛋白含量的降低,本试验中未出现粗蛋白含量降低的现象,可能是试验中的最大喷硒量未达到高硒的状态[41-42]。有研究表明,作物籽粒中粗脂肪和粗蛋白含量之间多为负相关关系,与本试验结论不符。刘中奇等[43]研究发现,大豆籽粒发育过程中脂肪相对含量与蛋白质相对含量呈显著正相关,与本试验结论一致。在本试验中,芸豆籽粒的粗脂肪和粗蛋白含量均增加,且粗脂肪与粗蛋白两者之间呈极显著正相关关系,这可能与脂肪和蛋白质之间的转化速率有关,也可能与作物品种、土壤中有机质含量和环境因素不同等有关,具体原因还有待进一步研究。
4 结论
适宜硒浸种浓度(0~30.0mg/L)能够显著促进芸豆种子萌发,叶面喷硒处理有效提高了芸豆生理特性、籽粒硒含量及营养品质,为生产富硒芸豆奠定了基础。硒浸种在30.0mg/L时芸豆种子发芽能力最好,叶面喷硒量为30g/hm2时芸豆生理指标、籽粒硒含量及营养品质最优。