叶面喷施硒肥对不同基因型谷子农艺性状及籽粒硒含量的影响

岳琳祺, 郭佳晖, 白雄辉, 施卫萍, 郭平毅, 郭杰

(山西农业大学农学院, 山西 太谷 030801)

硒是人体必需的微量元素，对生物体的新陈代谢及植物的生长发育具有重要作用。硒参与细胞免疫、抗氧化、DNA保护和修复等基础生物学过程，并且可以预防癌症、抑制癌细胞增殖[1-3]。缺硒会导致甲状腺功能减退、心血管疾病、免疫系统减弱、认知能力下降及增加各种癌症的发病率[4-6]。然而硒在地球上的丰度很低，我国地壳中硒含量的丰度为0.058 mg·kg-1，低于世界平均水平，是硒缺乏较严重的国家之一[7]。由于人体不能直接合成硒，通过食物吸收是人体补充硒最主要、最安全的途径，因此，提高作物的富硒能力、增加作物体内的硒含量对改善人类健康问题具有重要意义[8]。

谷子(SetariaitalicaL.)起源于我国，具有抗旱、耐贫瘠、水分利用率高、适应性强、生育期短等特点，非常适于我国干旱半干旱地区种植。其营养价值丰富，富含蛋白质、脂肪、膳食纤维、抗氧化剂、植物化学物质和多酚等，具有较高的保健作用[9-10]。叶面喷施亚硒酸钠可以提升谷子的光合特性，增加穗重、穗粒重及千粒重，提高谷子产量[11]。适当浓度的硒肥可以促进谷子生长发育，提高谷子籽粒硒含量[12]。不同生育期内喷施亚硒酸钠可以改善谷子品质，增加谷子的叶酸、粗蛋白和脂肪含量[13]。但硒对谷子的影响存在品种间差异性，韩昀桦[14]对52份谷子材料灌浆期喷施67.84 g·hm-2亚硒酸钠， 发现5份品种在硒处理后穗长增加，而7份品种在硒处理后穗长降低。杨亮等[15]通过对99份小麦材料进行高浓度硒处理，发现不同小麦品种的株高、千粒重、有效叶面积等农艺性状对硒处理的响应差异较大，高浓度硒使29份小麦品种千粒重下降，40份小麦品种叶片SPAD值增加。可见，不同遗传背景的材料富硒能力及硒敏感性存在较大差异，然而目前硒处理对谷子影响的研究多以单一品系或单一生态区的种质为研究材料，未系统性地探究不同谷子种质资源富硒能力及硒敏感性差异。本研究拟选取31份不同地理位置及来源的谷子为材料，抽穗期喷施110 g·hm-2亚硒酸钠，比较它们农艺性状及硒含量的变化，并结合聚类分析及主成分分析，筛选具有较强富硒能力的谷子品种，以期为缺硒地区谷子品种选育提供借鉴，同时为谷子富硒机理研究提供材料。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料由山西农业大学农学院作物遗传育种重点实验室提供，经前期试验从200份谷子种质资源中筛选出31份表型差异较大的品种(表1)，分别来自不同的生态区且遗传背景具有较大差异，其中，山西9份，河北4份，甘肃、河南、黑龙江各1份，其余品种来源不详。

1.2 试验方法

1.2.1田间试验设计田间试验于2019年5—10月在山西省晋中市太谷区山西农业大学申奉试验基地进行。采用随机区组设计，小区面积10 m2，一小区10行，行长2 m，行宽0.5 m，每行100粒开沟点播，株距2 cm，设置三次重复。

于抽穗期对31份谷子材料喷施亚硒酸钠溶液，前期研究结果表明，叶面喷施110 g·hm-2的亚硒酸钠可显著提高谷子品种的籽粒硒含量[16-18]，因此选择硒处理浓度为110 g·hm-2，并设置清水对照，兑水量为450 L·hm-2。

1.2.2农艺性状测定于谷子成熟期取样，每个品种取三次重复，风干后参照《谷子种质资源描述规范和数据标准》[19]测量株高(plant height, PH),茎粗(stem diameter, SD)、穗长(panicle length, PL)、穗粗(panicle diameter, PD)穗重(spike wieght, SW)、穗粒重(spike grain weight, SGW)、千粒重(thousand-grain weight, TGW)、穗码数(spike number, SN)。

1.2.3籽粒硒含量的测定称取0.3 g研磨成粉状的籽粒样品装入消解管，加入6 mL浓硝酸和2 mL双氧水在微波消解仪(CEM MARS6)中进行消解，消解液在170 ℃赶酸仪(北京安南科技，EHD-24)内赶酸，溶液剩余1 mL时冷却定容至10 mL容量瓶中，用一次性针膜过滤后，用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS，Thermo iCAP QC)测定溶液中的硒含量。

1.3 数据分析

利用SPSS 23方差分析及聚类分析，用R语言(R3.6.0)FactoMineR和factoextra进行主成分分析，并用corrplot和ggplot2做主成分因子载荷图[20]，用Sigmaplot 14.0和OriginPro 2015绘制图表[15]。

2 结果与分析

2.1 叶面喷施硒肥对谷子主要农艺性状的影响

从图1可以看出，硒处理后谷子平均穗长24.7 cm，比对照增加0.4 cm，差异不显著(P>0.05)；硒处理后平均穗粗27.68 mm，增加了1.55 mm，差异显著(P<0.05)；穗重极显著提高(P<0.01)，平均穗重25.80 g，增加3.66 g；硒处理也显著提高了谷子的穗粒重(P<0.05)，平均穗粒重增加了3.091 g。从图1还可以看出，硒处理降低了谷子的穗码数，平均穗码数比对照少了3个，千粒重增加了0.084 g，差异不显著(P>0.05)；株高和茎粗喷硒处理后都有极显著的下降(P<0.01)，分别比对照下降了6.1 cm和0.69 mm。结果说明，叶面喷施硒肥增加了谷子的穗粗、穗重、穗粒重，降低了株高和茎粗。

表1 31份谷子品种名称及来源Table 1 Names and sources of 31 foxtail millet varieties

2.2 叶面喷施硒肥对不同品种谷子穗部性状的影响

在抽穗期喷施110 g·hm-2的亚硒酸钠后，不同谷子品种的穗部性状(穗长、穗粗、穗重、穗粒重、穗码数、千粒重)变化存在差异(图2)。20个谷子品种的穗长都有所增加，长穗7和山西红谷在硒处理后穗长显著(P<0.05)增加，增幅分别为6.43和3.97 cm，三变脸在硒处理后穗长显著降低(P<0.05)，降幅为6.27 cm；硒处理后谷子的穗粗总体呈增加趋势，97外引4、长穗7、三变脸、特黄2、宽九、山西红谷的穗粗增幅都在5 mm以上，其中长穗7的增幅最大，为6.66 mm，夏2、97鉴5和瓦屋里在硒处理之后穗粗均有明显下降，其中瓦屋里降幅最大，为7.14 mm；31份参试品种中仅夏2和97鉴5的穗重表现出抑制作用，其余品种均表现为促进作用，增幅最大的品种为97外引4，增幅达到10.290 g；长穗7的穗粒重在硒处理后显著增加(P<0.05)，增幅达13.121 g，坝谷232(7.889 g)、长穗2(9.745 g)、特黄2(7.378 g)和山西红谷(6.211 g)增幅均在50%以上，97鉴5的穗粒重降幅较大，达7.808 g；穗码数总体呈下降趋势，地方品种三变脸的穗码数降幅最大，11份品种的穗码数增加，但仅长穗7(34)、黑谷(29)的增幅较明显；不同品种的千粒重对硒肥的响应差异较大，半数的品种表现出千粒重增加，半数的品种千粒重减少，变幅集中在0.5 g以内，地方品种狗尾谷的变幅最大，较对照千粒重减少了1.470 g。

注：*和**分别表示与对照相比在P<0.05和 P<0.01水平差异显著。Note: * and ** indicate significant differences at P<0.05 and P<0.01 levels compared with CK, respectively.图1 硒处理对谷子农艺性状的影响Fig.1 Effect of selenium treatment on agronomic characters of foxtail millet

2.3 叶面喷施硒肥对不同品种谷子株高、茎粗的影响

如图3所示，22份谷子品种的株高较对照下降，97外引4、紫秆青和瓦屋里的株高显著降低(P<0.05)，瓦屋里的降幅最大，达30.7 cm，其余品种的降幅主要集中在10～20 cm，9个品种的株高表现出增加趋势，生矮2号的增幅最大，为16.9 cm。31份谷子品种中，21份品种表现为茎粗下降，且降幅主要集中在2～4 mm，降幅最大的是沁州黄(3.60 mm)，其次是瓦屋里(3.35 mm)，均为地方品种，10份品种表现为茎粗增加，长穗2的增幅最大，达3.50 mm。

2.4 叶面喷施硒肥对谷子籽粒硒含量的影响

叶面喷施硒肥对谷子籽粒硒含量有较大影响，不同谷子品种籽粒硒含量也存在明显差异。硒处理前，谷子籽粒硒平均含量为0.103 mg·kg-1；硒处理后，谷子籽粒硒平均含量为0.130 mg·kg-1，提高了26%。从图4可以看出，品种之间差异明显，31份种质资源中，坝谷232、狗尾谷、坝矮2、生矮2号的硒含量增值均在0.050 mg·kg-1以上，狗尾谷的增值最大，为0.069 mg·kg-1；长穗7、紫秆青、沁州黄、豫谷11的硒含量增值均在0.010 mg·kg-1以下，沁州黄的增值最小，为0.003 mg·kg-1。

2.5 谷子种质资源的聚类分析

根据不同品种谷子硒处理后农艺性状的变化值做聚类分析，在欧氏距离20处，可将31份谷子种质资源分成4类，三变脸为第一类，表现为穗粗、千粒重增加，穗长、穗重、穗粒重、穗码数、株高、茎粗均下降且降幅较大，可见，110 g·hm-2的亚硒酸钠对三变脸的生长多表现为抑制作用；长穗7为第二类，除株高变化不明显外，其余农艺性状均表现为增加趋势，且多数农艺性状增幅较大，表明110 g·hm-2的硒浓度对长穗7的生长有较好的促进作用。瓦屋里、97鉴5、夏2为第三类，表现为穗粗明显下降，株高、茎粗也均呈下降趋势。其余品种聚成一类。

2.6 谷子种质资源农艺性状及硒含量的主成分分析

通过对31份谷子种质资源8个农艺性状及硒含量进行主成分分析，结果见表2，谷子品种间的差异主要集中在前4个主成分，累计贡献率达76.11%。其中，第一主成分的特征值为2.43，贡献率为27.01%；第二主成分的特征值为2.32，贡献率为25.76%；第三主成分的特征值为1.23，贡献率为13.2%；主成分四特征值为0.87，贡献率为9.63%。

图2 硒处理后不同谷子品种穗部性状的变化Fig.2 Change of panicle traits of different foxtail millet varieties after selenium treatment

图3 硒处理后不同谷子品种株高、茎粗的变化Fig.3 Change of plant height and steam diameter of different foxtail millet varieties after selenium treatment

图5 谷子种质资源聚类结果Fig.5 Cluster of foxtail millet germplasm resources

根据每个主成分的因子构成做主成分因子载荷图(图6)可以看出，主成分1主要由穗重和穗粒重构成，主成分2主要由穗长和硒含量构成，主成分3主要由穗码数构成，主成分4主要由千粒重因子构成。

表2 谷子主要农艺性状特征值及贡献率Table 2 Characteristic values and contribution rates of main agronomic traits of foxtail millet

图6 主成分因子载荷Fig.6 Principal component factors distribution

3 讨论

硒是体内抗氧化酶的重要组成部分，具有增强人体免疫力、预防癌症及心血管疾病、促进新陈代谢等功能，对人体健康具有重要意义[21-25]。我国约72%的地区为缺硒地区，因此，通过提升植物体内的硒含量，增加硒摄入量，对改善缺硒现象具有重要作用[26]。本研究发现，对31份谷子种质资源抽穗期喷施110 g·hm-2亚硒酸钠后，不同谷子品种农艺性状及硒含量的变化存在较大差异。

3.1 硒处理对谷子农艺性状的影响

抽穗期喷施110 g·hm-2的亚硒酸钠后，谷子的穗长、穗粗、穗重、穗粒重、千粒重有所增加，穗码数、株高和茎粗呈下降趋势。吴季蓉[27]在不同时期对谷子叶片喷施不同浓度的亚硒酸钠，研究结果显示，适宜浓度的外源硒对谷子的穗长、穗粗、穗重和千粒重均有一定的促进作用，在抽穗期喷施33.92 g·hm-2的亚硒酸钠，对谷子的株高也具有促进作用。本研究中，抽穗期喷施110 g·hm-2的亚硒酸钠使谷子株高表现出抑制作用，相比对照显著下降，因此，较高的硒浓度可能对谷子的生长产生不利影响。其他作物中也有类似的结果，李根林等[28]在小麦的研究中发现，喷施亚硒酸钠可以增加小麦的穗长、结实小穗、成穗数、穗粒数和千粒重，降低小麦的株高。此外，本研究通过比较硒肥处理后不同谷子品种农艺性状的变化发现，110 g·hm-2的硒浓度下不同谷子品种各农艺性状的变化差异较大，可见不同基因型谷子硒敏感性不同。

3.2 硒处理对谷子硒含量的影响

Liu等[29]测定来自不同地区的200份谷子材料的硒含量，发现硒含量平均值为0.100 mg·kg-1，其中来自山西地区的谷子硒含量平均值最高，达0.110 mg·kg-1。本研究供试的31份品种平均硒含量为0.103 mg·kg-1，硒含量范围从0.052(坝矮2)～0.158(夏2)mg·kg-1，有9份品种来自山西，硒含量均值为0.109 mg·kg-1，高于平均值。硒肥处理后，31份谷子品种硒含量均有提高，增幅范围在0.003(沁州黄)～0.069(狗尾谷)mg·kg-1，可见，不同品种对硒肥的响应差异较大，狗尾谷在硒肥处理后硒含量有较大的提升，体现了较强的富硒能力。

3.3 谷子种质资源硒敏感性聚类分析及主成分分析

聚类分析广泛应用于谷子、小麦等种质资源的筛选和评价[30-34]，苑乂川等[35]通过对160份谷子种质资源苗期耐低磷性进行聚类分析，将材料分为四类，分别为低磷敏感型、低磷较敏感型、较耐低磷型和耐低磷型。韩飞等[36]通过对63份谷子种质资源进行聚类分析，根据材料的耐盐性将材料分为四类，分别为极端耐盐种质、耐盐种质、盐敏感种质和极端盐敏感种质，并筛选出峰红谷、晋汾106号、晋谷57、汾特11号、济谷16共5份耐盐种质。本试验将31份谷子种质资源分为4类，第一类材料为硒敏感型材料三变脸，施硒后农艺性状明显下降，对110 g·hm-2的亚硒酸钠耐性较差；第二类材料为耐硒型材料长穗7，表现为喷施硒肥后农艺性状有较明显的提升，对110 g·hm-2的硒处理耐性较好；其余材料分别聚为第三类和第四类。由此表明，较高的硒浓度会对硒敏感型品种的生长发育造成不利影响，但是对耐硒性较好的材料，高浓度硒处理会促进其生长发育，从而有效改善性状表现，提高产量及品质。通过对谷子农艺性状进行主成分分析，结果显示，谷子品种差异主要集中在前四个主成分，分别对应的主要载荷因子为穗重、穗粒重，穗长、硒含量，穗码数，千粒重。除有正向效应的载荷因子外，主成分二、三、四中均存在负载荷因子，其中，穗粗是主成分二中负值较大的载荷因子，表现为穗粗越大，穗长和硒含量的值相对减少。陈茜午等[37]对56份谷子种质资源主要农艺性状的主成分分析中发现，主茎节数是第一主成分中的负载荷因子，主茎节数增加，穗重和穗粒重减少。可见，农艺性状间存在矛盾关系，增强优良性状并平衡好各农艺性状，才可以有效提高产量，提升育种效率。