外源硒对燕麦硒吸收分配及产量的影响

蔡天革, 陈丽娜, 范宪荣, 邵冉冉, 张慧娇, 唐凤德

(辽宁大学 a. 生命科学院, b. 商学院, 辽宁 沈阳 110036)

燕麦(AvenasativaL.)是禾本科燕麦属一年生草本植物,是一种世界性栽培作物[1],对于逆境的抵抗能力很强,营养价值高,应用方式多样,是一种具有高营养和医疗价值的经济作物.近20年来,中国、美国、日本等国家通过对人体临床表现的观察和对动物进行实验,证明燕麦具有预防和治疗高血脂症、控制糖尿病和肥胖症、提高机体免疫力、抗疲劳等作用,有益于儿童的生长发育、可改善性功能及提高记忆力.同时燕麦对发展畜牧业和生态建设也有重大意义[2-3].近年来,我国人民的生活水平逐渐提高,人们的饮食习惯也发生了很大变化,粗、杂粮深受大家喜爱.燕麦的脂肪、蛋白质和可溶性膳食纤维等营养物质的含量在粮食类作物中位于第一[4].燕麦在常见农作物中对于硒的蓄积能力相对较弱,并且我国的燕麦主产区普遍缺硒.燕麦的生长既受先天的遗传因素控制,也受后天栽培条件和环境的影响,在环境条件中,施肥是影响作用较大且相对易于调控的因素.

硒(Se)是维持人体和动物机体健康的痕量元素[5].人体内硒含量的不足会导致克山病、大骨节病、癌症等许多疾病,适当补充硒元素能起到预防癌症、抵抗HIV病毒和延缓机体衰老的作用[5-6].植物在硒生态循环过程中可将硒从无机态转变为有机态,是食物链中消费者吸收硒的直接来源[7].植物对硒的吸收与外源硒形态、植物类型、基因型及不同器官等有关[8].水溶性硒是植物吸收的主要形态[9].硒与硫的化学结构和性质相近,无机形态硒通过植物内硫的同化代谢途径转化为硒蛋白或其他形式的硒多糖等累积在植物体内[10].不同施硒方式影响作物的富硒能力,主要施用方式有叶面喷施、土壤基施、浸种和茎部注射等[11-12].适量补硒对作物籽粒增硒、增产效果明显[13].研究发现,叶面喷施螯合硒叶面肥可以提高水稻器官硒含量,且植株富硒效果优于籽粒,同时可以使水稻产量显著提高[14].郑威[15]等研究得出水稻吸收硒的能力由高到低依次为:叶片、茎秆、稻米,植物对硒的吸收能力与外源硒的施用量呈显著相关性,外源硒施用量越高,各器官硒含量相对增加.叶面喷施与土壤施硒均能提高小白菜的硒含量,且外源硒的施用量与小白菜的硒含量均达到了显著正相关,前者相关性要好于后者,该现象在玉米上也呈现出相似规律,相关系数为0.975 4,达到显著相关水平[16].目前国内外有关外源硒对燕麦硒吸收分配报道较少.本试验以白燕2号为材料,通过盆栽试验,在设定的施硒范围内,采用2种施用方式,在成熟期对测定各器官硒含量、硒转移系数、各器官硒分配、硒利用率、产量构成因素进行指标测定,研究外源硒对燕麦硒吸收分配的影响.

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试燕麦:来源于吉林省白城农业科学院,品种为白燕2号.

供试外源硒:内蒙古包头梅力耕公司的稀土·硒元素水溶调理剂.

供试土壤:风沙土,养分贫瘠,保水保肥能力差.采自科尔沁沙地南部辽宁省阜新市漳武县章古台镇.

1.2 试验设计

采用单因素试验设计,分别采用根部基施(T)与叶面喷施(Y)2种外源硒施用方式,每种施硒方式均设定5个施用量,外源硒用量分别为0(清水)、9、12、15、18 mg·m-2,土壤基施分别记为T1、T2、T3、T4,叶面喷施分别记为Y1、Y2、Y3、Y4,共9个处理.重复5次,共45个花盆,花盆的规格为半径10 cm,深25 cm.根部基施处理于播种期施入,先用去离子水将外源硒配制相应施用量溶液后,均匀喷施在土壤中,与土壤拌匀后,将种子种植在土壤中,覆土完成播种.叶面喷施处理于拔节期进行喷施处理,用小型喷雾器均匀喷施,每盆兑水量为20 mL.播种密度为200 kg·hm-2,播种深度4～5 cm.进行正常的除杂措施,每周浇水2次.外源硒具体施用方案见表1.

表1 外源硒施用方案Table 1 Application scheme of exogenous selenium

1.3 样品处理与测定

1) 产量构成因素测定.8月各组随机选取5株成熟后的燕麦,装入干净塑料袋中,写好标签,标明相应处理和日期,烘干后进行脱粒处理,对产量构成因素进行测定.包括穗长(用米尺测定植株穗长)、小穗数(每穗上对称生长的小穗总和即为小穗数)、穗粒数(平均每穗粒数)、穗粒重(平均每穗穗粒重)、千粒重(百粒法,随机选取100粒燕麦种子用电子天平测定重量后扩大10倍).

2) 硒含量测定.待燕麦成熟期时,各组随机选取5株燕麦整株挖出,将根部处理干净,然后将植株的各处理分装标记,置于牛皮纸内,封口后,将材料置于烘箱中105 ℃恒温杀青15 min,然后调至60 ℃恒温烘干至恒重.用小型粉碎机将各处理材料磨成粉末备用,测定前再于60 ℃烘箱中烘至恒重.采用紫外分光光度法测定硒含量[17],称取试样0.2 g于锥形瓶中,加10 mL硝酸和4 mL高氯酸,同时另取一空的锥形瓶,内加同体积的混合酸,冷消化过夜(18 h以上).次日用电沙浴在通风厨内缓慢加热,溶液开始冒黄烟,后为棕红烟,随温度升高红烟加剧,约2 min,将电沙浴调低至溶液微沸,红烟转弱为黄烟,溶液渐少且显黄色,继续消化至约8 mL左右,溶液呈无色或淡黄色时冷却取下.将消解液定容至10 mL后转移到干燥的锥形瓶,加水20 mL,加EDTA-2 Na溶液1 mL,用1 mol·L-1的盐酸溶液和氢氧化钠溶液调pH值接近2,然后加体积分数为0.2%的邻苯二胺5 mL,混匀后40 ℃水浴加热60 min,取出用10 mL甲苯萃取,将甲苯层倒于1 cm比色皿,测定335 nm吸光度.

制作标准曲线后按式(1)计算样品中硒含量.

(1)

式中:ωX为硒的质量分数,mg·kg-1;ρX为标准曲线查得硒的质量浓度,μg·mL-1;m为样品的质量,g;V为测定时吸取消解液的体积,mL.

1.4 数据统计和分析方法

利用Microsoft Excel 2007、GraphPad Prism 5和AI CS6进行数据计算和绘图,用SPSS 21进行数据分析和差异显著性检验(Duncan’s test).

硒转移系数=地上部全硒含量/地下部全硒含量[18-19];

硒利用率=(施硒处理籽粒硒含量-不施硒处理硒含量)×100%/施硒量.

2 结果与分析

2.1 施用外源硒对燕麦各器官硒吸收的影响

为了研究外源硒施用对燕麦各器官硒吸收的影响,对成熟期燕麦的根、茎、叶、穗及籽粒进行硒含量的测定.结果表明(图1)随外源硒施用量的增加,2种施用方式处理时,燕麦各器官的硒含量均呈现整体上升趋势,并且相同器官的硒含量在不同施用量之间呈现显著差异.其中根部基施处理,在相同外源硒施用量下,根部硒含量相对最高.叶面喷施外源硒处理时,在相同施用量时,燕麦叶片相较于其他器官硒含量最高.为明确2种施硒方式的外源硒施用量与燕麦器官硒含量的关系以及各器官硒含量之间的关系,对2种施硒方式处理下燕麦各器官硒含量之间进行了相关性分析,相关分析表明(表2、表3),根部基施外源硒量与燕麦根、茎、叶、穗、籽粒的相关系数(R)分别是:0.991、0.818、0.980、0.969、0.991,燕麦体内各部位硒含量与施硒量存在极显著相关(P≤0.01);叶面施硒量与燕麦根、茎、叶、穗、籽粒的相关系数(R)分别是:0.856、 0.947、0.991、0.982、0.950,燕麦体内各部位硒含量与施硒量存在极显著相关(P≤0.01),并且各器官硒含量之间也存在着极显著关系(P≤0.01).

图1 施用外源硒对燕麦各器官硒吸收的影响Fig.1 Effect of exogenous selenium on selenium uptake in various organs of oats(a)—根部基施; (b)—叶面喷施.

硒含量喷施溶液根茎叶穗籽粒喷施溶液10.991**0.818**0.980**0.969**0.991**根0.991**10.828**0.968**0.939**0.972**茎0.818**0.828**10.813**0.758**0.803**叶0.980**0.968**0.813**10.958**0.966**穗0.969**0.939**0.758**0.958**10.970**籽粒0.991**0.972**0.803**0.966**0.970**1

注:**代表达到0.01差异显著水平.

注:**代表达到0.01差异显著水平.

2.2 外源硒施用量对燕麦硒转移系数的影响

为了探讨不同施硒处理下硒在燕麦体内的转运情况,本研究计算了2种施硒方式下不同施用量处理之间燕麦的转移系数.如图2所示,随着外源硒施用量的增加,根部基施与叶面喷施2种处理方式燕麦的硒转移系数均呈现逐渐增加的趋势.根部基施各处理之间差异不显著,平均转移系数为1.72,而叶面喷施处理在Y3、Y4处理时的转移系数显著高于Y1、Y2处理.且平均转移系数为4.23,根部基施转移系数显著低于叶面喷施,叶面喷施处理是根部基施处理的2.46倍.

图2 施用外源硒对燕麦硒转移系数的影响

2.3 施用外源硒对燕麦硒含量比例变化的影响

随着施硒量的增加,燕麦体内的硒比例分布也随之变化,不同的施硒方式对燕麦体内硒比例影响存在明显的差异(图3、图4).如图3 所示,根

图3 根部基施外源硒对燕麦各器官中硒的比例变化的影响

图4 叶面喷施外源硒对燕麦各器官中硒的比例变化的影响

部基施处理,硒主要集中于根部,随着外源硒施用量的增加,根中硒所占百分比逐渐减少,叶中硒所占百分比总体趋势逐渐增加,籽粒中硒所占百分比总体趋势逐渐增加,茎中硒所占百分比略有增加.叶面施硒处理(图4),硒主要集中于叶,并且随着施硒量的增加,叶、籽粒中硒所占百分比总体趋势逐渐增加,茎中硒所占百分比总体趋势为先逐渐减小后有所增加,根中硒所占比例总体趋势为逐渐减少.CK处理时,燕麦体中硒比例由大到小依次为:根、穗、茎、叶、籽粒;根部基施处理时,燕麦体内硒比例由大到小依次为:根、穗、叶、茎、籽粒;叶面施硒处理时,燕麦体内硒比例由大到小依次为:叶、穗、根、茎、籽粒,随着施硒量的增加,这种现象更加明显.结果表明,施硒可以改变硒在燕麦体内的分布,根部基施方式使燕麦硒根部所占比例明显增加,叶面施硒方式使燕麦叶部硒所占比例明显增加.

2.4 施用外源硒对燕麦硒利用率的影响

随着外源硒施用量的增加,根部基施与叶面喷施处理燕麦的硒利用率均呈现先增加后降低的趋势(图5).其中T1处理时,硒利用率显著低于其他处理,T2、T3、T4处理时,硒利用率分别是T1处理的1.17、1.20、1.14倍.Y1处理时,硒利用率显著低于其他处理,Y2、Y3、Y4处理时,硒利用率分别是Y1处理的1.50、1.63、1.56倍.

图5 施用外源硒对燕麦硒利用率的影响

2.5 施用外源硒对燕麦籽粒硒含量的影响

通过对图6的分析可知,根部基施外源硒可显著提高燕麦籽粒硒含量.随着外源硒施用量的增加,燕麦籽粒硒含量显著增加.且外源硒施用量与籽粒硒含量呈线性相关,y= 0.015x+0.039 5(R2=0.984 3);叶面喷施外源硒可显著提高燕麦籽粒硒含量(图6).随着外源硒施用量的增加,燕麦籽粒硒含量显著增加.且外源硒施用量与籽粒硒含量呈线性相关,y=0.016 5x+0.020 8(R2=0.904 2).同一施硒量下,根部基施处理与叶面喷施处理差异并不显著.与国家富硒谷类食品硒含量范围(0.1～0.3 mg·kg-1)相比,根部基施、叶面喷施处理下,当外源硒施用量为18 mg·m-2时燕麦的籽粒硒含量均已超过富硒食品上限0.3 mg·kg-1,其余各处理均在国家富硒食品安全生产范围内.

图6施用外源硒对燕麦籽粒硒含量的影响

Fig.6Effectofexogenousseleniumonselenium contentinoatgrains

2.6 根部基施外源硒对燕麦产量构成因素的影响

为确定根部基施外源硒是否会对燕麦的产量造成影响,对相应处理的燕麦产量构成因素进行了测定.测定结果显示(表4),根部基施外源硒时燕麦的产量构成因素随施硒量的增加呈现先升高后降低的趋势.在T2处理时达到峰值,燕麦的小穗数、穗粒重和千粒重与CK呈显著性差异,穗长和穗粒数与CK差异不显著(P≤0.05),根部基施适量硒肥可增加燕麦产量.

表4 根部基施外源硒对燕麦产量构成因素的影响Table 4 Effects of root base application of exogenous selenium on the components of oat yield

注: 表中同列数字后不同字母代表达到0.05差异显著水平.

2.7 叶面喷施外源硒对燕麦产量构成因素的影响

为确定叶面喷施外源硒是否会对燕麦的产量造成影响,对相应处理时燕麦的产量构成因素进行了测定.如表5所示,叶面喷施适量外源硒会促进燕麦产量构成因素的提高.叶面喷施外源硒燕麦的产量构成因素随外源硒施用量增加呈现先升高后降低的趋势,在Y3处理时达到峰值,穗粒重和千粒重与CK达到显著性差异(P≤0.05),穗长、小穗数、穗粒数与CK差异不显著(P≤0.05).

表5 叶面喷施外源硒对燕麦产量构成因素的影响Table 5 Effect of foliar application of exogenous selenium on components of oat yield

注:表中同列数字后不同字母代表达到0.05差异显著水平.

3 讨 论

植物对于硒元素的吸收与其他营养元素类似,在一定范围内植物各器官对元素吸收量会随其施用量的增大而增加.当施用量超出一定范围时,随施用量增大,作物对元素的吸收与累积量会随之降低,利用率下降[20].硒在植物体内时,从有利到具有毒害作用的范围很窄,对植物施用适量外源硒会起到有利作用,而过度施用外源硒反而对植物造成毒害[21].植物含硒量有较大的变化幅度,同一作物的食用部分含硒量一般低于非食用部分.本研究结果表明,根部基施外源硒与叶面喷施外源硒均会提高燕麦植株的硒含量,且各器官硒含量与外源硒施用量呈显著正相关,但是2种外源硒施用方式的各器官所含的硒比例不同.根部基施外源硒时根部硒含量比例最高,燕麦体内硒含量由大到小依次为:根、穗、叶、茎、籽粒;叶面喷施外源硒时叶片所占硒含量比例最高,燕麦体内硒含量由大到小依次为:叶、穗、根、茎、籽粒.因而得出结论,燕麦的非食用部分硒含量明显高于食用部分,随着施硒量的增加,这种现象更加明显.2种施硒方式的硒转移系数均随外源硒施用量的增加呈逐渐增加的趋势,但根部基施的硒转移系数显著低于叶面喷施,可能是由于叶面喷施外源硒的方式不受土壤吸附作用的影响从而导致燕麦地上部位对外源硒利用率高,提高了硒转移系数.硒利用率随外源硒施用量的升高呈先升高后降低趋势,当外源硒施用量过高时会对燕麦植株造成毒害作用,硒利用率下降.2种外源硒施用方式在一定外源硒施用量范围内,燕麦籽粒的硒含量均符合国家富硒粮食标准.对于产量研究结果表明低施用量外源硒促进燕麦产量构成因素的增加,而高施用量外源硒对产量构成因素有一定的抑制作用.施用外源硒对小穗个数、穗粒重和千粒重有显著影响;但对穗长和穗粒数影响并不显著.

4 结 论

随着外源硒施用量的增加,燕麦体内硒含量不断上升,且施硒量与各器官硒含量呈显著正相关;硒转移系数根部基施处理显著低于叶面喷施;硒利用率受到外源硒施用量的影响,随施用量增加呈先升后降的趋势,在施硒量为15 mg·m-2时达到峰值;各器官中硒分配受施硒方式影响很大,根部基施时主要分布在根器官中,叶面喷施时硒主要分布在叶内.2种施用方式随外源硒施用量增加,燕麦产量呈现先升高后降低趋势.综上所述,燕麦外源硒最佳施用量为15 mg·m-2,在该施用量时可促进燕麦产量,且可显著提高籽粒硒含量并保证不高于富硒食品的硒含量上限(0.3 mg·kg-1).