硒酸钠对小麦幼苗生长及微量元素积累的影响

尹梦娇，赵立松，梁月秀，王艳胜，丁鹏程，贾举庆，王爱萍，杨珍平，孙 敏，尹雪斌，高志强，，张春来

（1.山西农业大学农学院，国家功能杂粮技术创新中心，山西省旱作栽培与作物生态重点实验室，山西省黄土高原特色作物高效生产协同创新中心，山西太谷030801；2.山西功能农业研究院，山西太谷030801）

微量营养元素不仅对人类健康很重要，对植物生长也至关重要。其中，硒具有抗癌、抗氧化、抗逆境、防衰老、拮抗重金属等多种生物学作用[1]，是人和动物必需的一种重要的微量元素，人体补硒主要来源于动物性肉制品、微生物及植物等[2]。目前已开发出多种硒肥技术（缓控释硒肥、纳米硒肥、微生物硒肥、螯合硒肥等），2种或多种技术的综合应用，优势互补，是提高硒肥利用率及作用效果的重要举措[3]。然而，硒是一把双刃剑，过量的硒会对植物、动物和人类产生危害。与其他元素不同，硒从有益作用到有害作用的范围是十分狭窄的，当摄入量低于40μg/d时，认为人体处于缺硒状态，而当摄入量大于400μg/d时，则会出现硒中毒症状[4]。

铁对于植物中的各种细胞功能是必不可少的，参与光合作用、呼吸作用、叶绿素生物合成、DNA合成和激素合成[5-6]，但过量的铁对植物有毒。锌作为超过300种酶的辅助因子，是许多蛋白质的结构成分，包括大量的转录因子[5，7-8]，作物中的锌毒性很小，锌肥已被证明是提高叶片和谷物锌含量的有效途径。已有研究表明，增施锌肥能增强小麦根系在干旱胁迫下的稳定性，改善小麦根系发育状况，对缓解干旱胁迫下小麦减产有重要作用[9]。钼是植物硝酸还原酶和植物体内固氮菌中钼黄素蛋白酶的主要成分之一，此外，钼能激发磷酸酶活性，促进作物内糖和淀粉的合成与运输，且有利于作物早熟，是7种重要的微量营养元素之一。钼还是动物体内肝、肠中黄嘌呤氧化酶、醛类氧化酶的基本成分之一，也是亚硫酸肝素氧化酶的基本成分。铜是多种酶的组成成分，与植物碳素同化、氮素代谢、光合作用、吸收作用、氧化还原过程及植株抗病、抗寒、抗旱能力均有密切联系。

在自然界中，农作物主要吸收转化土壤中的硒酸盐和亚硒酸盐，为人及哺乳动物提供硒。小麦在氧气比较充足、土壤比较干燥的碱性和氧化环境中生长，土壤中硒酸盐含量较多，容易被植物吸收[10]，具有溶解度和生物有效性高的特点，在植物体内易迁移转化，易淋溶，因而，对生物的毒害作用也相对较高，被认为是植物硒中毒的主要硒价态[11]。

植物根系对硒酸盐的吸收是通过硫酸盐转运子进行的。在植物吸收营养物质的过程中，高浓度硫酸盐在一定程度上可以抑制硒酸盐的吸收[12]，并且这2种离子在吸附和吸收过程中发生竞争，植物对硒酸盐的吸收受硫酸盐竞争作用的影响，硫酸盐转运蛋白的突变可影响细胞对硒酸盐的耐受能力[13]，表明硒酸盐可通过硫酸盐转运蛋白转运进细胞内。BUCHNER等[14]研究结果表明，在缺硫处理下，植物根系中硫酸盐转运子的基因表达会上调，所以，当将硫缺乏培养的植物置于硒酸盐环境中，植物根系可以吸收更多的硒。

小麦是世界上产量第三大的谷类作物，也是第二大粮食作物，是人类和动物中硒的主要膳食来源[15]。小麦是一种非硒累积型作物，对硒酸盐的吸收很大程度上受硫酸盐的影响。营养元素之间的相互作用会影响植物的营养状况、健康和产量。硫酸盐与硒酸盐在植物体内的相互作用是否又会对植物生长及其他微量元素产生影响。有研究表明，叶片组织中营养价值高的植物可以促进其生长，因此，有可能提高可食用谷物的产量和矿物质含量[16-17]。

本试验选取2个小麦品种冬黑1号（黑小麦品种）和洛旱6号（普通小麦），采用营养液培养方法，研究不同浓度硒酸钠在硫酸盐存在或缺乏时对小麦幼苗生长及矿质营养元素含量的影响，并筛选出最适的硒酸钠浓度，使其在促进小麦硒吸收的同时不影响其他微量元素的吸收和小麦生长，不仅对提高谷物营养元素含量有一定的作用，对今后研究小麦富硒也有一定的意义。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试小麦品种为冬黑1号（黑小麦品种）和洛旱6号（普通小麦）。

1.2 试验方法

种子发芽前用自来水清洗浮选去掉瘪粒，用30%的过氧化氢消毒15 min，洗净后用饱和硫酸钙溶液浸泡过夜。待种子吸胀后，半浸入0.5 mmol/L的CaCl2溶液中萌发，当叶片展开时，挑选长势一致的幼苗洗净，移入1/5 Hoagland营养液中，营养液组成 为：KNO31.0 mmol/L、CaNO3·4H2O 1.0 mmol/L、MgSO4·7H2O 0.457 mmol/L、KH2PO40.1 mmol/L、Mn-SO4·H2O 1×10-3mmol/L、H3BO33×10-3mmol/L、（NH4）6Mo7O24·5H2O 1×10-3mmol/L、ZnSO4·7H2O 1×10-3mmol/L、CuSO4·5H2O 2×10-4mmol/L、铁盐Fe（Ⅲ）-EDDHA 6×10-2mmol/L，生物缓冲液MES（KOH调节pH为6.0）2.0mmol/L。植物生长在25℃/14h光照和20℃/10h黑暗条件，相对湿度为60%～70%，光照强度为240μmol/（m2·s）的人工气候箱中培养，每3 d更换一次营养液，24 h连续通气。

小麦幼苗在营养液中生长21 d后，转入正常（加硫处理，+S）、缺硫（将营养液中相应的硫酸盐更换为对应的氯化物，-S）营养液中。植物生长在容积为1.5 L的育苗穴中，每个处理设3个重复，每隔3 d更换一次营养液。7 d后在营养液中分别添加不同浓度的硒酸钠（Na2SeO4浓度分别为0、0.5、1.0、2.5、5.0、10.0μmol/L），生长条件不变，处理7 d后收获，每个浓度设3个重复，每个重复至少5株苗，以正常营养液和缺硫营养液不加硒酸钠处理为对照，分别为CK1和CK2。收获时先测定各植株的苗高、根长和叶绿素含量，收获的植株将根、茎、叶分离，用去离子水将各部分洗净，吸水纸吸干，用于矿质元素测定，然后计算硒耐受指数。

1.3 样品中矿质元素的测定

洗净的根、茎、叶在65℃烘箱中干燥72 h，称量干质量，直至恒质量，烘干的样品密封保存用于矿质元素铁、铜、锌、硒和钼分析。

称量0.1g的干燥样品于消解罐中，室温下6 mL HNO3和2 mLH2O2预消解过夜，然后将样品加热至120℃2 h，接着在195℃加热30 min。将样品在赶酸仪中赶酸2 h，冷却至室温并用超纯水milliQ水定容至10 mL，使用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定样品中的矿质元素含量。使用空白和内标钇来证实所获得的分析结果的准确性。根据严格的质量保证/质量控制（QA/QC）制备和分析试验样品，以确保数据分析的准确和可靠。

1.4 数据分析

所有试验均重复进行3次；数据使用SPSS 16.0软件进行多重比较、显著性差异分析。

2 结果与分析

2.1 小麦幼苗生长反应分析

在营养液中生长3周龄的小麦幼苗，分别在正常（+S）、缺硫（-S）营养液中处理7 d，再分别添加不同浓度的硒酸钠处理7 d，幼苗有4～6片叶。硫酸盐充足时，小麦幼苗长势差异较小，但硫缺乏时差异较为明显。在缺硫营养液（-S）处理下，以硒酸钠浓度为0μmol/L的处理作为对照（CK2），硒酸钠浓度为0.5、1.0μmol/L时，冬黑1号已有分蘖产生（图1-b、c）；添加10.0μmol/L硒酸钠时，2个品种的叶片均有不同程度的变黄（图1-d、f）。

从表1和图2可以看出，对冬黑1号而言，硫充足（+S）处理下，硒酸钠浓度为2.5μmol/L时，小麦苗高、根长、叶绿素含量和硒耐受指数最高。硫缺乏时，硒酸钠浓度为0.5μmol/L处理下，苗高、根长和硒耐受指数最高，硒酸钠浓度为2.5μmol/L时，叶绿素含量最高，其次是1.0μmol/L硒酸钠浓度处理后的苗高、根长、叶绿素含量和硒耐受指数，且差异不显著。

表1 不同处理下小麦幼苗的硒耐受指数

对洛旱6号而言，硫充足时，硒酸钠浓度为5.0μmol/L时，小麦根长、叶绿素含量和硒耐受指数最高，硒酸钠浓度为10.0μmol/L时，苗高最高，其次是5.0μmol/L硒酸钠浓度处理。硫缺乏时，硒酸钠浓度为0.5μmol/L时，根长和硒耐受指数最高，硒酸钠浓度为2.5μmol/L时，小麦苗高和叶绿素含量最高，其次是5.0、1.0μmol/L硒酸钠浓度处理，且没有显著性差异。

不同硫酸盐处理下，小麦幼苗对硒酸钠浓度的适应性不同。硫充足（+S）时，2.5、5.0μmol/L硒酸钠处理以及硫缺乏时0.5、1.0μmol/L硒酸钠处理的小麦幼苗生长状况更好，硫缺乏时高浓度硒酸钠处理会对小麦幼苗造成毒害，而硫酸盐可以减弱这种毒害作用。

2.2 硒、钼、铁、铜、锌含量分析

2.2.1 硒含量分析 从图3可以看出，在缺硫营养液（-S）中，2个小麦品种根、茎、叶各部位的硒含量随着硒酸钠浓度的增加持续增加，在硒酸钠浓度为5.0μmol/L时，小麦根、茎、叶的硒含量已经比低浓度硒酸钠处理下时显著甚至极显著增加。

在硫充足营养液（+S）中，小麦幼苗茎和叶的硒含量随硒酸钠浓度的增加持续增加，硒酸钠浓度为0.5μmol/L时，与CK1相比，根中的硒含量略有降低，但差异不显著，随着硒酸钠浓度的增加，根中的硒含量持续增加，小麦根、茎、叶的硒含量在10.0μmol/L硒酸钠处理下显著高于其他浓度处理。正常营养液中，除CK1外的其余处理中，根中的硒含量总是低于相同浓度硒酸钠处理下的叶片硒含量，表明根部吸收的外源硒酸钠向地上部转运。CK1根部的硒含量高于叶片，且高于0.5μmol/L硒酸钠处理下的根，可能是由于没有外源硒时，植物内源硒含量较低且很少以硒酸盐形式存在，不足以向地上部转运，使根部硒含量高于叶片，添加0.5μmol/L硒酸钠时，小麦幼苗吸收的外源硒酸钠在植物体内迁移转运，故叶片的硒含量高于根部，而根部吸收的硒酸钠与硫酸盐之间存在竞争作用，高浓度硫酸盐对硒酸钠有抑制作用，所以，根部硒含量有所降低，随后添加更高浓度的硒酸钠时，硒酸钠在与硫酸盐的竞争作用中逐渐占据优势，促进硒的吸收积累与转运。

缺硫营养液（-S）处理下小麦根、茎、叶各部位的硒含量总是高于正常营养液（+S）培养的小麦。硒酸钠浓度高于2.5μmol/L时，缺硫处理（-S）下的小麦叶片硒含量比正常营养液（+S）处理极显著增加，5.0μmol/L以上时，缺硫培养（-S）的小麦根和茎的硒含量比正常营养液（+S）处理下的极显著增加。缺硫营养液（-S）处理下硒在根、茎、叶中的积累量分别可达正常营养液（+S）的13、20、31倍，表明缺硫处理可以显著增加小麦幼苗硒含量，而硫酸盐与硒酸盐的竞争作用使正常营养液（+S）中培养的小麦幼苗硒含量低于缺硫（-S）培养的幼苗。

2.2.2 钼含量分析 从图4可以看出，随着硒酸钠浓度的变化，正常营养液（+S）处理下，小麦根、茎、叶各部位的钼含量均没有显著性差异，+S处理下，在不添加硒酸钠时根中的钼含量最高，添加硒酸钠后根部钼含量降低，硒酸钠会抑制根部对钼酸盐的吸收，说明硫充足时根部吸收的钼酸盐与硒酸钠之间存在竞争作用；高浓度硒酸钠处理使叶片钼含量增加，表明叶片中钼的积累可能是通过硒的协同作用完成的。

缺硫营养液（-S）中，随着硒酸钠浓度的变化，根、茎、叶的钼含量均有显著差异；不添加硒酸钠时，根中的钼含量一般最低，高浓度的硒酸钠（5.0μmol/L或10.0μmol/L）会降低叶片的钼含量，表明硫缺乏时，根部对钼酸盐的吸收是通过硒酸盐的协同作用完成的，叶片中高浓度硒酸钠可能会抑制钼酸盐的积累。

在2种营养液处理下，根和茎中的钼含量基本低于叶片，表明钼酸盐也是从根部向地上部转运的。与硒变化类似，缺硫营养液处理（-S）下根、茎、叶中的钼含量较添加相同浓度硒酸钠的正常营养液（+S）处理有极显著增加，表明钼在缺硫处理下吸收转运能力更强，植物吸收的钼酸盐与硫酸盐之间存在竞争作用。

2.2.3 铁、铜、锌含量分析 由图5～7可知，2种营养液处理下，根中的铁、铜和锌含量比叶片的含量高，表明这3种元素在植物体的转移能力较弱，主要集中在根部。与CK1相比，营养液中添加硒酸钠以及硫缺乏处理均降低了小麦幼苗根部铁、铜和锌的含量，但是高浓度硒酸钠可以提高根部铁、铜和锌含量，使其接近于CK1处理。在2种营养液中，适宜浓度硒酸钠可以增加叶片中铁、铜和锌含量，硒酸钠浓度过高会降低叶片铁、铜、锌含量。

3 结论与讨论

RAMOS等[19]研究表明，硒酸盐处理比亚硒酸盐处理可使植物积累更多的硒，在小麦幼苗中，供应硒酸盐（）比亚硒酸盐（）增加硒含量更有效，故试验用硒酸钠处理小麦幼苗，外界硫酸盐环境的变化会影响植物对外源硒酸钠的吸收与积累。营养元素之间的相互作用会影响植物生长状况及营养元素的积累。研究表明，叶片组织中营养价值高的植物可以促进其生长，有可能提高可食用谷物的产量和矿物质含量[16-17]，故叶片硒含量的增加有利于提高谷物硒含量，但外源硒酸钠浓度很容易偏高，导致叶片硒含量提高的同时抑制其他微量元素的吸收积累，并影响植物正常生长发育。故研究不同浓度外源硒酸钠在不同硫酸盐环境中对小麦幼苗生长及微量元素的积累，同时筛选出最适的外源硒酸钠浓度，以便为今后富硒小麦的研究积累经验。

从小麦生长状况及各矿质元素分析表明，低浓度硒酸钠可以促进小麦幼苗生长并增加植株铁、铜、锌、硒、钼等各种有益元素的含量，这与GUERRERO等[20]的研究结果一致。但是营养液中硫酸盐的有无会影响小麦幼苗的最适硒酸钠浓度，在正常营养液（+S）处理下，尽管2.5、5.0μmol/L硒酸钠均能促进小麦生长，但5.0μmol/L硒酸钠处理下，根、茎、叶各部位的微量元素含量更高，所以，外界硫酸盐充足时，2个品种的最适硒酸钠浓度为5.0μmol/L。与此类似，缺硫营养液（-S）处理下，2个品种的最适硒酸钠浓度均为1.0μmol/L，此时小麦苗高、根长、叶绿素含量和硒耐受指数均较高，且能促进叶片中铁、铜、锌、硒、钼等元素的积累。此外，缺硫处理下硒酸钠浓度为0.5、1.0μmol/L时，冬黑1号已经有分蘖产生。

不同营养液处理下，铁、铜和锌在植物体内的迁移能力较差，主要是在根部积累，硒酸钠和硫缺乏处理均会降低根部铁、铜和锌含量，但是适宜浓度硒酸钠可以提高叶片铁、铜和锌含量。HOPPER等[21]研究发现，植物吸收的硒酸盐很容易从根部转移到地上部。本研究结果表明，在不同营养液添加外源硒酸钠后，小麦根部硒和钼含量总是低于叶片，表明硒酸钠和钼酸盐可以从根部向地上部转运，主要集中在地上部，随着硒酸钠浓度的提高，小麦幼苗根、茎、叶的硒含量整体上也随之增加。SHINMACHI等[22]研究发现，根组织很少发生Se和Mo富集，表明这2种元素有效地转移到植物的地上部。

缺硫处理能提高小麦幼苗根、茎、叶的硒和钼含量，且随着硒酸钠浓度的增加，差异呈显著甚至极显著，表明硫酸盐可能分别与硒酸钠和钼酸盐存在竞争作用。SCHIAVON等[23]研究表明，由于硫（S）和硒（Se）之间的化学相似性，当施用高剂量的硒酸盐或硫酸盐时，可观察到植物吸收硒酸盐和硫酸盐之间的拮抗作用。硫充足时添加硒酸钠会降低根部钼含量，表明硫充足时根部吸收的钼酸盐与硒酸钠之间存在竞争作用；硫缺乏时根中钼含量在硒酸钠浓度为0μmol/L时最低，添加硒酸钠会促进根部钼的吸收，高浓度的硒酸钠（5.0μmol/L或10.0μmol/L）会抑制叶片钼含量的积累，表明硫缺乏时，根部对钼酸盐的吸收与硒酸盐有协同作用，叶片中高浓度硒酸钠通过与钼酸盐的竞争作用降低叶片钼积累。DESOUZA等[24]研究发现，小麦幼苗中SeO42-与S和Mo具有较强的协同作用。FITZPATRICK等[25]研究证明，硒酸盐和钼酸盐都通过硫酸盐转运蛋白转运。

缺硫营养液（-S）处理下，硒酸钠浓度为10μmol/L时，2个小麦品种都出现毒害症状，叶片开始变黄，叶绿素含量、根长和硒耐受指数均最低，与其他处理相比，此时叶片中只有硒含量最高，即缺硫处理下添加高浓度的硒酸钠使植物体内硒含量增加，进而对植物产生毒害作用，当硫酸盐存在时，可以减弱硒酸钠的毒害作用。

适宜浓度硒酸钠能促进小麦幼苗生长，提高小麦植株尤其是叶片微量元素含量，促进叶片中硒的积累，在小麦后续生长过程中可以进一步提高小麦籽粒中营养物质的含量，对富硒小麦的研究有一定作用。

志谢：感谢扬州大学李韬教授、南京农业大学范晓荣教授对项目的帮助和建议。