不同土壤硒水平对白术幼苗生长及部分生理特性的影响

2022-07-28张美德吴海棠张雅娟李大荣熊琳珂段媛媛周武先

广西植物 2022年6期

张美德, 吴海棠, 张雅娟, 李大荣, 熊琳珂, 段媛媛, 周武先*

( 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农业农村局，湖北恩施 445000 )

硒(selenium)是植物非必需营养元素，其对植物的生长具有促进或抑制作用，这种促进或抑制作用主要取决于植物体内硒元素浓度的大小。一般而言，低浓度的硒有利于植物的生长，过量的硒则会抑制植物的生长并产生毒害作用(金小琬等，2019)。适量硒可以提高植物的光合作用，主要通过促进植物叶绿素的合成，增加叶绿素的积累来实现(李秀启等，2019)。此外，硒元素还享有活性氧“清道夫”的美誉，能直接或间接参与植物体内过量活性氧的清除，其在生物体内的酶促和非酶促防御系统中均起着极为关键的抗氧化作用，从而可以提高植物对逆境的抵抗能力(Williams et al., 2009)。胡旭雅等(2019)的研究表明低浓度硒可促进薄壳山核桃幼苗生长，而高浓度硒则产生严重的抑制作用，且硒浓度越高，抑制作用越明显。周武先等(2021a)的研究表明适宜浓度的外源硒可以强化白术对钾的吸收从而促进白术的生长。王丹丹等(2021)的研究表明，适量的硒可以促进茶树的生长，提高茶叶的品质，提高茶叶茶多酚含量。Zhu等(2017)的研究表明，适量硒能提高轮叶党参的营养品质，增加其蛋白质、微量元素和大多数氨基酸的含量，从而提高了轮叶党参的品质和经济效益。

白术()为菊科苍术属多年生草本植物，是一种常用大宗中药材，以根茎入药，具补脾健胃、燥湿利水、止汗安胎等功能(药典一部，2020)，其主要药效成分苍术酮、苍术醇和白术内酯等具有抗氧化(Li et al., 2012)、去炎症(Li et al., 2007)、抗突变(Huang et al., 2006)和抗肿瘤(Wen et al., 2010)等作用。在我国，白术年用量达数万吨，同时也是重要的出口中药材，具有广阔的种植前景，因此研究硒对白术生长的影响具有重要意义。王华等(2019)的研究表明适量浓度的硒溶液浸种可以促进白术种子萌发，且叶面喷施适量硒肥可以促进白术幼苗的生长。黄思勇等(2020)的研究表明叶面喷施适量的硒肥可以显著提高白术的产量，并增加其根际土壤部分养分含量。Zhou等(2021)的研究表明叶面喷施适量硒肥可以显著提高白术的存活率和产量，并改善其根际土壤微生态环境。以往的研究主要集中于叶面喷施硒肥对白术生长的影响，而土施硒肥对白术产量及生理特性影响的研究仍未见报道。因此，本研究通过设置不同浓度的土壤硒处理，探索不同土壤硒水平对白术幼苗生长发育的影响，为白术幼苗高效优质繁育提供科学依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

白术种子于2019年11月采集于湖北省咸丰县小村乡李子溪村(108°54′51″ E, 29°53′05″ N，海拔832 m)。外源硒为亚硒酸钠(NaSeO，分析纯)，购自山东西亚化学股份有限公司。选用壤土和椰糠作为白术育苗的基质原材料，壤土和椰糠的基本性质见表1。试验所用育苗盘及32孔穴盘内径分别为52 cm × 26 cm× 8 cm和50 cm × 25 cm × 6 cm。

表 1 壤土和椰糠的基本性质Table 1 Basic chemical properties of the loam and coconut coir

1.2 试验设计

试验于2020年9月在湖北省农业科学院中药材研究所温室大棚中进行。将壤土和椰糠按体积比1∶1进行混合作为白术的育苗基质。白术播种前种子用清水浸泡2 h，之后用75%酒精消毒处理1 min，蒸馏水润洗干净后用3%次氯酸钠浸泡消毒10 min并漂洗干净，最后用蒸馏水润洗3～4次，晾干备用。分别设置6种不同的土壤硒处理：0、5、10、25、50、100 mg·kg。将硒溶解到水中，加水进土壤里搅拌均匀，对照使用等体积蒸馏水代替硒溶液，每个处理4次重复。将消毒好的种子均匀撒播于育苗盘中，每天根据育苗基质水分情况适量补水，保持基质湿润直到出苗。将长出两片真叶的白术幼苗移栽至装有不同硒浓度穴盘中，移栽后定期浇灌1/4 Hoagland’s营养液，并根据白术生长情况进行日常补水管理。分别在移栽0、7、14、21、28 d时测定幼苗形态指标，最后一次测定完成后进行破坏性取样，称量地上部和地下部鲜重，并剪取叶片装入取样袋中用于测定各项生理指标。

1.3 指标测定及方法

幼苗生长指标的测定：移栽后每7 d用直尺测量每个处理白术幼苗的叶长、叶宽和株高(茎基部到茎尖的长度)，并用便携式手持叶绿素仪(TYS-A, 浙江托普云农科技股份有限公司)测量叶片叶绿素相对含量(SPAD值)。培养结束后将白术幼苗拔出，用蒸馏水冲洗干净，吸水纸吸干表面水分，从茎基部剪断，将白术幼苗分为地上和地下部分，采用千分之一电子天平称量白术幼苗各部分鲜重，总鲜重=地上鲜重+地下鲜重。

抗氧化系统相关指标的测定参照施海涛(2016)的《植物逆境生理学实验指导》进行。采用紫外吸收法测定氧化氢酶(CAT)活性，以在规定条件下每min内引起D减少0.1的酶量为1个CAT活性单位；采用Sigma法测定过氧化物酶(POD)，以在规定条件下每min内引起D增加0.1的酶量为1个POD活性单位；采用硫代巴比妥酸法测定丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量；采用G-250考马斯亮蓝法可溶性蛋白(soluble protein，SP)含量；采用蒽酮法测定可溶性糖(soluble sugar，SS)含量；采用硝基四氮唑蓝还原法测定超氧阴离子自由基(·O)含量(任迎虹等, 2017)。

1.4 数据处理

参照周武先等(2019)的方法计算白术幼苗对不同硒处理的生理生长响应指数(physiological growth response index，PGRI)以及不同硒处理对白术幼苗生理生长的综合效应(combined effect，CE)。

试验数据采用Excel 2016软件进行处理；使用SPSS 20.0软件进行统计和分析，用One way ANOVA进行方差分析，用Ducan法(α=0.05)进行多重比较，用Pearson法进行相关性分析；使用Origin 8.5制图；图表中数据均使用平均值±标准偏差表示。

2 结果与分析

2.1 不同硒处理对白术幼苗形态特征及叶片SPAD值的影响

从图1可以看出，硒对白术幼苗的生长影响较大，呈现低浓度促进，高浓度抑制的现象，硒处理浓度为5 mg·kg时白术幼苗的株高和根长均最大(图1)。从图2可以看出，不同硒处理浓度处理下白术幼苗叶长、叶宽、株高和SPAD值均随时间变化呈不断上升的趋势。结束培养后，不同浓度硒处理对幼苗叶片的生长有一定的影响，结束培养后硒处理浓度为5 mg·kg时，幼苗的叶长和叶宽最大，与对照相比增幅分别为4.3%和9.1%，当硒处理浓度超过25 mg·kg时，白术幼苗叶长和叶宽显著低于对照，硒处理浓度达到100 mg·kg时，叶长和叶宽最小，降幅分别为15.3%和21.2%。硒处理浓度为5 mg·kg时，幼苗的株高最高，与对照相比差异性显著，增幅为7.7%。当硒处理浓度超过25 mg·kg时，白术幼苗的株高呈现下降趋势，在硒浓度达到100 mg·kg时降幅最大，为18.8%。SPAD值的变化趋势与株高类似，当硒处理浓度为5 mg·kg时SPAD值最高，与对照相比增幅为8.4%，当硒处理浓度超过25 mg·kg时，SPAD值呈现下降趋势，在硒浓度为100 mg·kg时SPAD值最低，与对照相比降幅为13.6%。

图 1 不同硒处理对白术幼苗生长的影响Fig. 1 Effects of different Se treatments on the growth of Atractylodes macrocephala seedlings

图 2 不同硒处理下白术幼苗形态特征和叶片SPAD值随时间的变化Fig. 2 Morphological characteristics and leaf SPAD values of Atractylodes macrocephala seedlings in different growth stages under different Se treatments

2.2 不同硒处理对白术幼苗生物量的影响

从图3可以看出，不同硒浓度处理下，白术幼苗鲜重基本呈现先上升后下降的趋势。5 mg·kg处理总鲜重与0、10 mg·kg处理相比无显著差异，但显著高于其他各处理(表2)。5、10、25 mg·kg硒处理地上部鲜重与对照相比无显著性差异，50、100 mg·kg地上部鲜重显著低于对照，与对照相比降幅分别为24.3%和50.0%。5 mg·kg硒处理的白术幼苗地下部鲜重高于对照处理，增幅为15.4%，50、100 mg·kg两个硒处理显著低于对照，降幅分别为19.2%和38.5%。10、25 mg·kg两个硒处理地下部鲜重与对照相比无显著性差异。

不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同。Different lowercase letters indicate significant differences between different treatments(P<0.05), the same below. 图 3 不同硒处理对白术幼苗鲜重的影响Fig. 3 Effects of different Se treatments on fresh weight of Atractylodes macrocephala seedlings

2.3 不同硒处理对白术幼苗抗氧化系统的影响

从图4可以看出，不同硒处理中，以5 mg·kg硒处理的白术幼苗叶片CAT活性最低，100 mg·kg硒处理最高，且与对照处理相比均达到显著性差异。10、25、50 mg·kg硒处理与对照相比无显著差异。5 mg·kg硒处理的白术幼苗叶片POD活性显著低于对照处理，100 mg·kg硒处理的白术幼苗叶片POD活性显著高于对照处理，其余硒处理与对照相比无显著差异。总体来看，不同浓度硒处理的白术幼苗CAT与POD活性变化趋势基本相同。白术幼苗叶片中的·O含量随着硒浓度的增加基本呈现逐渐上升的趋势，其中5、10、25 mg·kg硒处理的白术幼苗叶片中·O含量与对照处理相比没有显著性差异，50、100 mg·kg处理叶片中的·O含量显著高于对照处理。

图 4 不同硒处理对白术幼苗抗氧化系统的影响Fig. 4 Effects of different Se treatments on antioxidant system of Atractylodes macrocephala seedlings

随着硒处理浓度的升高，白术幼苗叶片中SS含量呈现先增加后减少的趋势，当硒浓度达到10 mg·kg时，白术幼苗叶片SS含量最高，为29.9 mg·g，相比于对照增幅为72.0%。随着硒处理浓度的增加，白术幼苗叶片中SP含量呈现先减少后增加的趋势，在硒处理浓度为100 mg·kg时，白术幼苗叶片SP含量最高，为14.2 mg·g，相比于对照增加了73.7%，10、25、50 mg·kg硒处理的SP含量与对照处理相比无显著性差异。5 mg·kg硒处理的白术幼苗叶片SP含量呈显著下降趋势，含量为5.57 mg·g，相比于对照降幅为32.1%。不同浓度硒处理间白术幼苗叶片MDA含量无显著性差异(图4)。

2.4 不同硒处理对白术幼苗生理生长的综合效应

由于形态特征、光合特性和生物量是评价白术幼苗生长状况的主要因素，因此本研究选取叶长、叶宽、株高、SPAD值以及鲜重作为评价外源硒对白术幼苗生长影响的考核指标。从表2可以看出，不同硒处理下白术幼苗生理生长响应指数(PGRI)存在差异；不同硒处理对白术幼苗生长的综合效应(CE)也存在显著差异。外源硒对白术幼苗生理生长的CE由大到小依次为5 mg·kg(0.336)>10 mg·kg(0.013)>25 mg·kg(-0.370)>50 mg·kg(-0.672)>100 mg·kg(-1.141)。随着硒处理浓度的升高，CE值呈现先增加后下降的趋势，并以5 mg·kg硒处理对白术幼苗生长的促生效果最佳，当硒处理浓度超过25 mg·kg时，白术幼苗的生长受到严重抑制。

表 2 不同硒处理对白术幼苗生理生长特性的综合效应Table 2 Comprehensive effects of different Se treatments on the morphological and physiological characteristics of Atractylodes macrocephala seedlings

2.5 白术幼苗生理生长指标的相关性分析和PCA分析

如表3所示， SPAD值与CAT活性、POD活性和SP含量呈极显著负相关关系，与·O含量显著负相关；CAT活性与POD活性和SP含量呈极显著正相关关系，与MDA含量和·O含量显著正相关；POD活性与SP含量及MDA含量呈极显著正相关关系，与·O含量显著正相关；SP含量与MDA含量呈显著正相关关系，与·O含量极显著正相关。说明白术幼苗的光合代谢与抗氧化系统间存在密切联系。

表 3 白术幼苗生理指标的相关性分析Table 3 Correlation analysis of physiological indexes of Atractylodes macrocephala seedlings

从图5可以看出，第一排序轴(PCA1)解释了变量的64.6%，第二排序轴(PCA2)解释了变量的15.4%，前两个排序轴累计解释了变量的80.0%。鲜重、株高、SAPD值、SP、CAT和POD等与PCA1显著相关，SS和·O与PCA2显著相关。这表明鲜重、株高、SAPD值、SP、CAT和POD等可作为反映白术幼苗生理生长的重要特征指标。此外，不同硒处理投影到PCA二维平面的样点分散聚集，表明不同硒处理下白术幼苗的生理生长特性存在差异。

LL. 叶长; LW. 叶宽; pH. 株高; SPAD. 叶绿素相对含量; FW. 鲜重; CAT. 过氧化氢酶; POD. 过氧化物酶; MDA. 丙二醛; SP. 可溶性蛋白; SS. 可溶性糖; ·O2-. 超氧阴离子自由基。LL. Leaf length; LW. Leaf width; pH. Plant height; SPAD. Soil and plant analyzer development; FW. Fresh weight; CAT. Catalase; POD. Peroxidase; MDA. Malondialdehyde; SP. Soluble protein; SS. Soluble sugar; ·O2-. Superoxide anion free radical.图 5 白术幼苗生长影响因素的PCA排序Fig. 5 PCA ordination of factors affecting the growth of Atractylodes macrocephala seedlings

3 讨论

3.1 硒对白术幼苗生长和光合代谢的影响

众多的研究表明，硒对植物生长发育具有明显的剂量效应，呈现低浓度促进高浓度抑制的现象(Schiavon et al., 2017；Zhou et al., 2021)。本研究结果显示，低浓度的硒处理(5 mg·kg)对白术幼苗叶长、叶宽以及株高均具有显著的促进作用，并在一定程度上增加了白术幼苗的总生物量，而高浓度的硒处理(≥25 mg·kg)则会抑制白术幼苗生长甚至产生严重的毒害作用。这与外源硒对黄瓜(Hawrylak et al., 2015)、小麦(姜宗昊等，2021)以及川党参(周武先等，2021b)等作物生长影响的研究结果类似。说明硒浓度的把控对通过外源施硒促进作物生长的农业技术开发尤为重要。叶绿素是植物进行光合作用的重要物质，同时也是植物进行光合作用及能量转换的基础(金小琬等，2019)，其含量可作为反映植物营养状况和光合能力的重要生理指标(冷芬等，2020)。本研究发现，硒处理浓度为5 mg·kg时，白术幼苗叶片SPAD值最高，随着硒处理浓度的增加SPAD值逐渐下降，当硒处理浓度为100 mg·kg时，白术幼苗叶片的SPAD值最低，说明低浓度的硒处理(5 mg·kg)可以促进白术幼苗的光合作用，而高浓度的硒处理(≥25 mg·kg)则会对白术幼苗的光合代谢产生抑制作用。

3.2 硒对白术幼苗抗氧化系统的影响

CAT和POD均为植物体内抗氧化酶系统的重要成员，可以有效抑制细胞膜脂质过氧化反应，帮助植物抵御逆境胁迫(杨舒贻等，2016)。CAT主要存在于植物的叶绿体、线粒体和内质网中，是过氧化物酶体的标志酶，其作用是将过氧化氢还原成水：2HO→ O+ 2HO，清除体内的过氧化氢，避免细胞遭受HO的毒害，是生物防御体系的关键酶之一。POD广泛存在于植物体中，是活性较高的一种蛋白酶，其与呼吸作用、光合作用以及生长素的氧化等都存在密切关系。MDA是生物膜系统脂质过氧化产物之一，可以用来表征植物细胞膜系统的受损程度。·O是生物体内氧分子在参与酶促或非酶促反应时，接受一个电子后形成的氧自由基，它可以进一步衍生为其他更活泼的氧自由基并引发过氧化反应，对细胞膜和生物大分子产生破坏作用(施海涛，2016)。因此，·O也是衡量植物在受到逆境胁迫时的重要生理指标。本研究结果显示，5 mg·kg硒处理的CAT和POD活性均显著低于对照，而100 mg·kg硒处理的CAT和POD活性显著高于对照。这可能是由于低浓度硒处理的土壤环境相比于对照处理更加适宜白术幼苗的生长，没有产生逆境胁迫，因此抗氧化酶活性水平较低；而高浓度的硒处理形成了较强的逆境胁迫，产生较多的氧自由基，植物细胞启动保护机制，调节相关基因表达，激活了CAT和POD活性。随着硒处理浓度的增加，白术幼苗体内的·O呈现逐渐上升的趋势，硒浓度达到100 mg·kg时，·O显著高于对照处理，这与高浓度硒处理白术幼苗CAT和POD活性显著增加相符。不同硒处理下白术幼苗MDA含量没有显著变化，可能是因为0～100 mg·kg的硒处理还未能使白术幼苗体内发生严重的脂质过氧化反应。

有研究表明，部分SP和SS可作为植物细胞内的渗透调节物质，维持胞内水分平衡，在遭遇逆境胁迫时植物会通过在体内主动积累SP和SS等渗透调节物质从而维持正常的细胞渗透压，以增强对逆境胁迫的适应能力(刘彬等，2020)。王华等(2019)的研究表明，随着喷施硒肥浓度的增加，白术幼苗可溶性蛋白呈现先增加后下降的趋势。本研究结果与王华等(2019)的研究结果相反，推测可能与白术幼苗所遭受的逆境胁迫程度不同有关，本研究中高浓度的硒处理可能使白术幼苗产生一种适应机制，通过增加SP含量维持正常的细胞渗透压，从而降低其受到的伤害。本研究中SS的变化与SP基本呈现相反的变化趋势，这可能是由于白术幼苗体内SP和SS在一定条件下可以相互转化，为了维持正常的细胞渗透压而形成的一种保护机制，但具体的作用机理还有待进一步研究。

3.3 硒对白术幼苗生理生长的综合效应

植物的形态特征和生理指标可以反映植物的生长状况，也是植物响应外界环境变化的方式之一(段媛媛等，2017；周武先等，2021a)。主成分分析法(PCA)是一种高效降维方法，通过PCA分析，可以筛选植物响应外界环境的主要生理生长指标，并进行针对性的分析，从而量化外界环境对植物生理生长的影响(段媛媛等，2017)。本研究对影响白术生理生长的因素进行了PCA分析，结果表明，白术的光合代谢和抗氧化系统间存在密切联系，两者相辅相成，相互影响，显著影响着白术幼苗的生长，其中鲜重、株高、SAPD值、SP、CAT和POD可作为反映白术幼苗生理生长状况的重要指标。本研究利用部分筛选出来的重要特征指标，计算出不同硒处理对白术生理生长影响的综合效应(CE)指数，量化了外源硒对白术幼苗生长的影响。研究结果显示，5 mg·kg硒处理对白术幼苗的生长具有显著的促进作用，而硒浓度超过25 mg·kg时对白术的生理生长则会产生一定的抑制作用，随着硒浓度的提高，抑制作用则更加明显。这可能与过量施硒使白术幼苗遭受逆境胁迫进而抑制了白术的生长有关。