溶解性有机物影响下小麦苗对外源硒的吸收和生理特性研究

万鹰昕,刘伟,李楠

(北京联合大学 生物化学工程学院,北京 100023)

植物里所含有的硒元素被认为是人类摄入硒的主要来源[1-2]。微量的硒可以使植物过氧化物酶活性升高,抗氧化能力增强,从而提高植株的抗逆性和抗衰老能力[3]。土壤有机化合物存在的类型是植物吸收硒的重要影响因素之一。可溶性有机物(以下简称DOM)是经水从有机物质中浸提的后经0.45 μm滤膜过滤的有机物总称[4]。虽然土壤总有机质中DOM的含量占比少,但土壤中某些重金属元素的生物利用性和它紧密联系。本研究探讨DOM对小麦苗吸收硒及生理特性的影响,从而综合探讨硒的生物利用性,为富硒产品的研发提供帮助。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

小麦种子(郑麦9023)；Na2SeO3,分析纯；盐酸、硝酸、高氯酸均为优级纯；实验用水为去离子水；草炭土(德国大汉牌草炭土),基本理化性质如下[5]：pH 4.78、总Se 0.671 mg/kg、有机质237 mg/kg、CEC 4.8 cmol/kg、全氮 0.844%、全磷 0.042%、全钾 0.528%。

SKY-100C恒温振荡器；ML204电子天平；DHG-9036A电热恒温鼓风干燥箱；UV-800分光光度计；AFS-230原子荧光光度计。

1.2 草炭土中DOM的提取

草炭土经自然风干磨碎,过 1 mm 筛后按1∶20比例添加超纯水,摇床室温振荡16 h,然后4 ℃、8 000 r/min的转速下离心30 min,抽滤,使之通过0.5 μm孔径的滤膜,滤液即为草炭土中DOM的水溶液。DOM的TOC为160 mg/L。

1.3 实验方法

采用水培盆栽法。设置对照组和试验组,其中对照组为不添加亚硒酸钠和可溶性有机物,试验组的亚硒酸钠浓度分别为5,10,20 mol/L,添加的可溶性有机物的量分别为0,150 mL。每个处理重复3次。

小麦种子在育苗盆中加水浸泡24 h后,以湿润的滤纸遮盖住,直至小麦长出根。在育苗盆加入超纯水,培养3 d,加入亚硒酸钠和可溶性有机物,每隔3 d换一次培养液,培养7 d后收获。

1.4 样品处理

收获连根的小麦苗,用水冲洗,测定麦苗株高。将小麦苗分两部分处理。一部分麦苗收获后立即测定其生理指标,采用分光光度法测定丙二醛含量[6],采用茚三酮法测定脯氨酸含量[6]。

另一部分将麦苗的根部和地上部分分开,然后装于纸袋中,90 ℃杀青后60 ℃烘干。将烘干的小麦苗及根部用5∶1的HNO3和HClO4消解,采用氢化物发生-原子荧光光谱法测定硒的含量[7]。

用SPSS软件统计分析数据。

2 结果与讨论

2.1 DOM对小麦苗生长情况的影响

由图1可知,加入硒可增加小麦苗株高,所有硒处理均对小麦苗的株高有明显的促进作用。未加入DOM时,小麦苗株高在硒加入量10 μmol/L时最高,但当硒加入量20 μmol/L时,小麦苗株高却比硒加入量为5 μmol/L时更低。加硒与不加硒的培养对小麦苗株高有显著差异(p<0.05)。在同等量的加硒培养条件下,加入DOM时小麦苗株高更高,说明DOM对于小麦苗的生长有促进作用。且在硒加入量为20 μmol/L时,DOM存在对小麦苗株高的影响最大,差异极显著(p<0.01),表明了DOM降低了硒对植物生长的不利影响。

图1 DOM存在下,硒处理对小麦苗株高的影响Fig.1 Effect of selenium on the height of wheat seedlings in the presence of DOM

2.2 DOM对小麦苗吸收不同含量亚硒酸盐的影响

图2和图3分别为小麦苗根部和小麦苗茎叶富硒量随DOM和外源亚硒酸盐的变化情况。

图2 DOM对小麦苗根部富硒量的影响Fig.2 Effect of selenium on the selenium content of roots in the presence of DOM

由图2可知,小麦苗根中硒的含量随施硒量的增加而增多,不添加DOM组的小麦苗根部硒含量在施硒量20 μmol/L达到最多,为813.02 μg/g；施加了DOM的小麦苗根在施硒量为20 μmol/L时硒含量达到最多,为728.45 μg/g。经spss分析,无论是加硒组,还是加硒加DOM组,施硒量对小麦苗根中硒的含量有着显著影响(p<0.01)。但当比较同一外源亚硒酸钠的施加量时,DOM的添加降低了小麦苗根部的硒含量,说明DOM降低了小麦苗根部对硒的累积。

图3 DOM对小麦苗茎叶富硒量的影响Fig.3 Effect of different concentrations of selenium on the selenium content of shoots in the presence of DOM

随营养液中硒含量的增加,小麦苗对硒的吸收富集能力与根部表现不同。由图3可知,当未添加可溶性有机物时,在外源硒含量从5 μmol/L到10 μmol/L,小麦苗茎叶部硒含量增加了160.93%,但当培养液中硒增加到20 μmol/L时,小麦苗中硒的含量并未增加。可溶性有机物的存在对小麦苗吸收硒的影响在外源施硒量在5 μmol/L和10 μmol/L时并不显著。但在高亚硒酸钠(20 μmol/L)施加中,可溶性有机物对小麦苗中硒累积量的降低尤为明显,较不添加可溶性有机物培养时,小麦苗硒含量降低了56.92%。经spss分析,无论DOM是否存在,施硒量小麦苗茎叶部硒的含量有着显著影响(p<0.01)。

许多研究证明,植物体中的硒含量的提升能通过外源硒的施加获得[7-9],本研究也得到同样的结论,在一定外源硒的添加范围,小麦苗的根和叶部硒随培养液中硒含量的增加而升高。这是因为根是植物体中最重要的络合重金属的部位。但当施加的硒含量在20 μmol/L时,硒的毒害作用越来越明显,因此小麦苗的株高和硒含量在硒施加量20 μmol/L时较10 μmol/L下降。小麦苗叶部硒积累量远小于根部,这主要是因为小麦苗采取水培方式,水中的硒被根部吸收,但转运到叶部的大为降低。当DOM存在时,DOM中大量的—OH、—COOH、—C—O等基团与Se4+螯合[10],降低了根部对硒的吸收,同时也降低了小麦叶部硒的含量,且DOM存在和施硒量为20 μmol/L硒含量下降更为明显。

2.3 DOM对不同浓度Se4+下小麦苗脯氨酸含量的影响

脯氨酸的积累反映了植物适应于不良环境[6],重金属污染的环境下脯氨酸的含量被认为是植物的一种生理生化反应[7]。由图4可知,在0～20 μmol/L施硒范围内,小麦苗脯氨酸的含量均随着硒的增多而增加,在Se4+浓度为20 μmol/L时达到最大。在不添加DOM组,施硒量为20 μmol/L与5 μmol/L时脯氨酸含量差异显著(p<0.05)。另一方面,施加等量亚硒酸盐的情况下,添加DOM组比不加DOM组的小麦苗中脯氨酸的含量更高。但DOM的存在,使脯氨酸含量随Se4+浓度增加而升高的程度不同。硒含量为5 μmol/L和10 μmol/L时,DOM对小麦苗脯氨酸的影响不明显。而在硒含量为20 μmol/L时,脯氨酸的含量(134 μg/g)与不加入DOM(124 μg/g)相比增加了8.06%,说明可溶性有机物与硒产生协同作用,保护细胞膜结构稳定的作用增强,从而缓解了硒对小麦苗的胁迫。

图4 DOM存在下,硒处理对小麦脯氨酸的影响Fig.4 Effect of selenium on the proline content in the presence of DOM

2.4 DOM对不同浓度Se4+下小麦苗丙二醛含量的影响

丙二醛是衡量植物体内脂质过氧化大小的一项重要指标[6]。由图5可知,在DOM不存在时,与空白对比,少量的硒(5 μmol/L)会使得小麦苗丙二醛减少。可能是由于低硒对小麦苗的细胞膜伤害小,因此作为细胞膜脂过氧化最重要的产物之一的丙二醛产生的少。低剂量硒有助于植物通过自身的酶系和非酶系防御系统保护细胞免受进一步氧化损伤[11]。而在高浓度硒(20 μmol/L)作用下,硒对小麦苗的伤害已经超过了其自身的调节能力,细胞膜被严重损伤,造成丙二醛升高。但当加入DOM后,小麦苗的MDA较对照组的低,丙二醛含量对比同条件下没有DOM存在的小麦有明显降低,这有可能是Se4+与DOM形成了协同效应,保护了植物细胞膜。

图5 DOM存在下,硒处理对小麦苗丙二醛的影响Fig.5 Effect of different concentrations of selenium on the malonaldehyde content in the presence of DOM

本试验结果表明,外源Se4+含量的提高促进了小麦幼苗生长和脯氨酸含量提高；DOM不存在时,丙二醛含量先降低后升高,DOM存在时,丙二醛含量降低。其机制可能是Se4+参与调控植物螯合肽酶的活性；也可能是硒清除了植物体内自由基,降低了植物体内过氧化物的水平,从而提高了小麦苗的抗氧化能力和对逆境的抗性[7,12],从而提高小麦幼苗的生理机能,表现出一定的防护作用,这些都为作物的生长奠定了基础。

3 结论

施加相同的外源Se4+,DOM的存在可促使小麦幼苗的生长,增加脯氨酸含量和降低丙二醛含量。在高浓度的Se4+存在时,DOM的效应更加明显。其机制一方面可能是DOM的营养作用,促进了小麦苗的生长,增加了植物体对不良环境条件的适应；另一方面可能是可溶性有机物表现出与硒的协同作用,增加了小麦幼苗的抗逆性,降低了细胞膜脂损伤,从而促进了小麦幼苗的生长。但是,Se4+和可溶性有机物协同的剂量关系及机理还需进一步研究。