外源喷施氨基酸肥对豆瓣菜生长与硒吸收的影响

肖家昶,雷凤芸,格 桑,马俊英,贺茂林,李艳文,郑阳霞,*

(1.四川农业大学 园艺学院,四川 成都 611130; 2.成都市农林科学院 农业装备研究所,四川 成都 611130; 3.西藏自治区山南市农业技术推广中心,西藏 山南 856000)

硒(selenium)是对人类身体健康至关重要的必需微量元素,摄入适量水平的硒能够提高人体的抗氧化能力和预防某些疾病,包括肝病、肿瘤、心血管病和大骨节病等[1-2]。对于植物而言,适宜浓度的硒可促进植物生长发育,增加光合色素的含量,提高作物产量和品质,并增强作物对逆境胁迫的抗性等[3-5]。植物能够将土壤中的无机硒转化为有机硒,提高食物链中的硒含量,从而降低人类硒摄入不足的风险[6]。因此,通过合适的技术和措施来提高植物的富硒能力是非常有必要的。

研究表明,施用氨基酸肥可以调节植物生长和植物对微量元素的吸收。氨基酸在植物代谢和生理过程中发挥重要作用,包括增强细胞膜通透性,改善细胞渗透调节,解毒活性氧,保持膜完整性,激发H+-ATP酶、铁螯合还原酶和过氧化物酶活性等[7-10]。此外,氨基酸作为一种有机氮源,可螯合一些金属离子,通过络合作用带入植物体内,提高植物体内的养分利用率[11]。研究表明,新型聚氨酸增效肥料的施用能积极调控土壤氮、磷、钾养分的可利用率[12],以及促进切花菊对氮、磷和钾元素的吸收[13],同时提高常绿草中氮含量[14]。说明氨基酸肥可以提高植物的养分利用率并促进植物生长,然而,目前关于氨基酸肥协同提高植物吸收硒的研究很少。

豆瓣菜(NasturtiumofficinaleR. Br.),又名西洋菜,是十字花科豆瓣菜属中的多年生水生草本植物[15]。豆瓣菜的茎叶柔嫩多汁、营养丰富,富含维生素、氨基酸等营养物质。豆瓣菜作为硒富集蔬菜,已成为膳食硒补充剂的重要来源,通过合理措施提高豆瓣菜对硒的富集,将能够改善人体对硒摄入不足的情况。鉴于此,本文研究了氨基酸肥对豆瓣菜生长和硒吸收的影响,为富硒豆瓣菜生产提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试豆瓣菜为四川雅安野生豆瓣菜。供试试剂为氨基酸水溶性肥(游离氨基酸≥100 g·L-1,百士威),亚硒酸钠(Na2SeO3,分析纯,麦克林)。

1.2 方法

试验于2021年6月至9月在四川农业大学成都校区大棚进行。2021年6月,将水稻土风干、压碎、混匀后,过6.72 mm(3目)筛,称取3.0 kg风干土装于塑料盆(直径25 cm×高10 cm),每盆施入3 g无机复合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)作基肥,使其与土壤充分混匀,之后加入32.88 mg Na2SeO3(以溶液形式加入土壤中),使土壤硒质量分数为5 mg·kg-1,保持水淹状态,放置30 d,其间不定期翻土进行混合,充分混匀。水稻土基本理化性质为pH值7.09,全氮1.50 g·kg-1,全磷0.76 g·kg-1,全钾18.02 g·kg-1,碱解氮94.82 mg·kg-1,速效磷6.30 mg·kg-1,速效钾149.59 mg·kg-1,未检测出硒。

2021年7月,选择长势一致、植株健壮、未受硒影响、无病虫害(高约5 cm,5～7个叶片)的豆瓣菜嫩茎扦插于盆中,每个处理重复3盆,每盆扦插3株。试验过程中保持水位高于土壤2 cm。将15个盆完全随机摆放,盆与盆之间的间隔为10 cm。为减弱边际效应,在豆瓣菜生长过程中不定期交换盆与盆之间的位置,并及时清除杂草,防治病虫害。2021年8月,扦插30 d后,向豆瓣菜幼苗喷施不同浓度的处理液(氨基酸水溶性肥分别稀释0、600、900、1 200、1 500倍),每盆喷施25 mL,7 d喷施1次,共喷施4次,培养30 d后测定豆瓣菜的生理生化指标和硒元素含量。

1.3 样品采集与测定方法

选取基部完全叶,用蒸馏水洗净并用滤纸擦干水分,进行指标测定,光合色素含量、抗氧化酶活性和可溶性蛋白含量测定方法参照文献[16]。光合色素含量采用分光光度法测定,以丙酮-乙醇-水混合液(纯丙酮∶无水乙醇∶蒸馏水体积比为4.5∶4.5∶1)为提取液,通过测定663、645、470 nm处的吸光度计算叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量。SOD活性采用氮蓝四唑(NBT)还原法,560 nm波长下测定吸光度。POD活性采用分光光度法,350 nm波长下测定吸光度。CAT活性采用紫外分光光度法,240 nm波长下测吸光度。可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝法测定,595 nm波长下测定吸光度。

随后整株采收,用自来水将根系和地上部分的土壤清洗干净,再用去离子水冲洗3次。将植物的根、茎和叶分装,于110 ℃杀青15 min,75 ℃烘干至质量不变,测定生物量;之后粉碎,过0.15 mm(100目)筛,称取0.5 g干样,后加入硝酸-高氯酸(体积比为4∶1)放置12 h消化至溶液透明,过滤,定容至50 mL,使用iCAP 6300感应耦合等离子体光谱仪(Thermo Scientific,Waltham,MA,USA)测定豆瓣菜各部分的硒含量[17]。取种植过豆瓣菜的土壤,自然风干后过1.00 mm(16目)筛,用氢化物原子荧光光谱法测定土壤有效硒含量[18]。用pH计测定土壤pH值。

1.4 数据处理

使用Excel 2019软件整理数据,使用SPSS 20.0软件进行单因素方差分析、相关性分析和主成分分析,使用Orign 2019b软件绘图,图表中的数据为平均值±标准差。相关参数计算公式如下。

mu=ms+ml;

(1)

Rr/s=mr/mu;

(2)

cu,Se=(cs,Se×ms+cl,Se×ml)/mu;

(3)

mSe=cSe×md。

(4)

式(1)～(4)中:mu表示地上部分生物量;ms表示茎生物量;ml表示叶生物量;Rr/s表示根茎比;mr表示根生物量;cu,Se表示地上部分硒含量;cs,Se表示茎硒含量;cl,Se表示叶硒含量;mSe表示硒总积累量;cSe表示硒含量;md表示干重。

2 结果与分析

2.1 氨基酸肥对豆瓣菜生物量的影响

由表1可知,不同浓度的氨基酸肥均可提高豆瓣菜根、茎、叶和地上部分的生物量,并随着氨基酸肥稀释倍数的增加呈现出先上升后下降的趋势,在稀释900倍时达到最大值,分别较对照显著增加73.03%、74.23%、48.26%和56.65%。豆瓣菜的根冠比仅在稀释900倍时较对照有显著升高。

表1 氨基酸肥对豆瓣菜生物量的影响

2.2 氨基酸肥对豆瓣菜光合色素含量的影响

由表2可知,不同浓度的氨基酸肥处理均可提高豆瓣菜叶片中的光合色素含量,并随着氨基酸稀释倍数的增加,叶片中的叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量均呈现出先上升后下降的趋势,在稀释900倍时达到最大值,分别较对照显著增加了21.99%、13.85%、19.48%和38.64%。

表2 氨基酸肥对豆瓣菜光合色素含量的影响

2.3 氨基酸肥对豆瓣菜抗氧化酶活性与可溶性蛋白含量的影响

由表3可知,不同浓度的氨基酸肥均可以促进豆瓣菜叶片中抗氧化酶活性的提高,随着氨基酸肥稀释倍数的增加,豆瓣菜中POD、SOD和CAT活性均呈现出先上升后下降的趋势,在稀释900倍时达到最大值,分别较对照显著提高17.45%、22.99%和166.70%;不同浓度的氨基酸肥处理均可抑制豆瓣菜叶片中可溶性蛋白含量积累,在稀释900倍时达到最低,较对照显著降低34.58%。

表3 氨基酸肥对豆瓣菜抗氧化酶活性与可溶性蛋白含量的影响

2.4 氨基酸肥对豆瓣菜硒含量的影响

由表4可知,氨基酸肥显著降低了豆瓣菜根、茎、叶和地上部分的硒含量。其中,豆瓣菜根系中硒含量随着氨基酸肥稀释倍数的增加而持续降低,而茎、叶和地上部分硒含量随着氨基酸肥稀释倍数的增加呈现出先下降后上升的趋势。

表4 氨基酸肥对豆瓣菜硒含量的影响

2.5 氨基酸肥对豆瓣菜硒总积累量的影响

由表5可知,随着氨基酸肥稀释倍数的增加,豆瓣菜根和茎的硒总积累量呈现出先增加后降低的趋势,分别在稀释900倍和1 200倍时达到最大值,较对照显著增加48.47%和41.20%;豆瓣菜叶片和地上部分硒总积累量呈现出不断增加的趋势,并均在稀释500倍时达到最大值,分别较对照显著增加14.67%和19.94%。

表5 氨基酸肥对豆瓣菜硒总积累量的影响

2.6 氨基酸肥对豆瓣菜根际土壤pH值和土壤有效硒含量的影响

由图1-A可知,氨基酸肥降低了土壤有效硒的含量,且随着稀释倍数的增加,土壤中有效硒含量呈现先降低后增加的趋势,并在稀释900倍时达到最低值,较对照显著降低了10%。由图1-B可知,喷施不同浓度的氨基酸肥可以增加豆瓣菜的根际土壤pH值,稀释600、900、1200倍时较对照显著升高。

图1 氨基酸肥对豆瓣菜土壤有效硒含量和pH值的影响

2.7 豆瓣菜各指标之间的相关性

由表6可知,豆瓣菜根系生物量与叶绿素a含量、类胡萝卜素含量、SOD活性、POD活性、CAT活性、根系硒总积累量呈显著或极显著正相关(0.01≤P<0.05),与土壤有效硒含量呈显著负相关(0.010.05),与地上部分硒总积累量呈显著负相关(0.01

表6 豆瓣菜各指标间的相关性

2.8 主成分分析

通过主成分分析,计算各项目的主成分特征值和贡献率,结果见表7。前2个主成分特征值均大于1,累计贡献率大于95%,说明前2个主成分基本包含了全部变量的主要信息,因此选前2个主成分进行综合评价即可。第1主成分特征值为13.18,贡献率为82.35%,叶绿素a含量、总叶绿素含量、类胡萝卜素含量、POD活性载荷量正向较大,分别为0.996、0.991、0.980、0.988。可溶性蛋白和土壤有效硒含量载荷量负向较大,分别为-0.984和-0.870;第二主成分的特征值为2.06,贡献率为12.87%,载荷正向值较大的是根系硒总积累量,赋值结果为0.733。根据主成分综合模型得出综合得分Y=(0.823 5×F1+0.128 7×F2)/0.952 31,从而计算出各氨基酸肥的综合得分。综合得分可反映出不同浓度氨基酸肥对豆瓣菜生长的影响,分值越高,表明该处理对豆瓣菜生长的促进作用越好,由高到低分别为900>1 200>1 500>600>0,稀释900倍时效果最佳。

表7 各项目成分的载荷矩阵、特征值、贡献率与累计贡献率

3 讨论

氨基酸在植物代谢和生理过程中发挥重要作用。有研究表明,施用氨基酸肥对苜蓿[19]和大白菜[20]的生长、产量和品质有促进作用,还可以增加大豆[21]和洋葱[22]的干物质积累。本试验结果与前人一致,施用氨基酸肥促进豆瓣菜地上和地下部分生长,提高生物量的积累。原因是氨基酸肥中包含的游离氨基酸可以被叶片直接吸收,从而为叶绿素合成前体氨基乙酰丙酸(ALA)补充谷氨酸,同时氨基酸作为天然螯合剂与土壤中微量元素形成络合物,增加了根系对营养元素的吸收,共同促进了豆瓣菜的生长和生物量积累[23-25]。

氨基酸肥可以间接作为叶绿素合成的前体,促进叶绿素的合成,提高叶片中叶绿素相对含量与光化学能量转换效率,并维持叶绿体基粒片层和叶绿体膜结构完整[26-27]。ALA是一种氨基酸类五碳化合物,是所有生物体内卟啉化合物生物合成的前体,是叶绿素、血红素和植物激素合成的关键前体[28],在植株生长过程中,施用ALA能显著增加植物叶片中叶绿素相对含量,改善类胡萝卜素的生物合成,提高叶片光合特性[29-30],并且提高核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶活性,保护光系统Ⅱ反应中心供体侧放氧复合体的活性,促进光合电子传递链的电子传递,减少反应中心捕获的光能以热能形式耗散比率,提高光化学能量转化效率,从而有利于光合暗反应和光合产物积累[31-32]。本试验中,喷施氨基酸肥增加了豆瓣菜叶片中的叶绿素含量和类胡萝卜素的含量,这与前人结果一致,说明氨基酸肥对豆瓣菜的光合色素合成有积极作用,推测是因为氨基酸肥能为豆瓣菜提供叶绿素的合成前体,从而促进豆瓣菜光合色素含量的增加。

氨基酸类物质可以作为渗透调节物质参与植物细胞渗透调节,同时可以作为酶的保护剂缓解胁迫和清除活性氧[33]。研究表明,施用氨基酸可以增加超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)的活性和提高总抗氧化能力[34],缓解镉胁迫下水稻和金鱼藻的脂质过氧化程度,并提高CAT、SOD活性[7,35],还可促进盐胁迫下小白菜幼苗生长,提高叶片抗氧化酶活性、维持渗透调节物质脯氨酸含量[36]。本试验中施用氨基酸肥促进了豆瓣菜叶片中POD、SOD和CAT活性的提高,并降低了可溶性蛋白含量,其原因是氨基酸通过其侧链基团与蛋白质三维结构发生相互作用,改变其构象,从而影响抗氧化酶活性[37]。氨基酸促进豆瓣菜硒总积累量的提高,而硒与硫醇发生强烈的氧化还原反应产生自由基超氧化合物,需要提高抗氧化酶活性来维持细胞氧化平衡[38]。无机硒进入豆瓣菜植株后会合成含硒游离氨基酸,使可溶性蛋白合成原材料减少,导致豆瓣菜中可溶性蛋白含量降低[16]。

氨基酸还是一种生理活性物质,可以提高肥料进入植物细胞膜的亲和力和利用率[39]。其通过羧酸基团(—COOH)和氨基团(—NH2)与微量元素形成稳定的络合物,从而提高植物中不可移动微量元素的生物利用度和迁移率[40]。研究表明,氨基酸肥可以促进钾、钙和镁的吸收和转运[41],提高锰的流动性和生物利用度[42],提高芒果果肉的硒含量[33],同时还可以通过提高土壤微生物量和酶活性来促进土壤养分转化,提高土壤中全氮、有效磷和速效钾含量[43]。本试验中不同浓度的氨基酸肥可以增加豆瓣菜根、茎、叶中的硒总积累量,降低豆瓣菜根、茎和叶的硒含量,是因为氨基酸肥对豆瓣菜硒吸收的促进作用弱于对豆瓣菜生物量积累的促进作用,导致施加氨基酸肥后豆瓣菜根系吸收硒的总量虽增加,而豆瓣菜的硒含量却明显降低。豆瓣菜生物量、叶绿素含量、抗氧化酶活性、土壤有效硒含量、豆瓣菜硒总积累量和硒含量之间存在相关性,其中生物量与硒含量之间存在负相关,说明生物量积累会导致硒含量的降低。

4 结论

氨基酸肥通过提高豆瓣菜叶片中叶绿素含量和类胡萝卜素含量来增加豆瓣菜的生物量,通过增加抗氧化酶活性来提高抗氧化能力,促进其生长,同时促进豆瓣菜对硒的吸收,提高硒总积累量。因此,氨基酸肥可以促进豆瓣菜生长,同时提高豆瓣菜对硒总量的积累,氨基酸肥稀释900倍时效果最优。