硒酸鈉對小麥幼苗生長及微量元素積累的影響

尹夢嬌，趙立松，梁月秀，王艷勝，丁鵬程，賈舉慶，王愛萍，楊珍平，孫 敏，尹雪斌，高志強(qiáng)，，張春來

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，國家功能雜糧技術(shù)創(chuàng)新中心，山西省旱作栽培與作物生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西省黃土高原特色作物高效生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心，山西太谷030801；2.山西功能農(nóng)業(yè)研究院，山西太谷030801）

微量營養(yǎng)元素不僅對人類健康很重要，對植物生長也至關(guān)重要。其中，硒具有抗癌、抗氧化、抗逆境、防衰老、拮抗重金屬等多種生物學(xué)作用[1]，是人和動(dòng)物必需的一種重要的微量元素，人體補(bǔ)硒主要來源于動(dòng)物性肉制品、微生物及植物等[2]。目前已開發(fā)出多種硒肥技術(shù)（緩控釋硒肥、納米硒肥、微生物硒肥、螯合硒肥等），2種或多種技術(shù)的綜合應(yīng)用，優(yōu)勢互補(bǔ)，是提高硒肥利用率及作用效果的重要舉措[3]。然而，硒是一把雙刃劍，過量的硒會對植物、動(dòng)物和人類產(chǎn)生危害。與其他元素不同，硒從有益作用到有害作用的范圍是十分狹窄的，當(dāng)攝入量低于40μg/d時(shí)，認(rèn)為人體處于缺硒狀態(tài)，而當(dāng)攝入量大于400μg/d時(shí)，則會出現(xiàn)硒中毒癥狀[4]。

鐵對于植物中的各種細(xì)胞功能是必不可少的，參與光合作用、呼吸作用、葉綠素生物合成、DNA合成和激素合成[5-6]，但過量的鐵對植物有毒。鋅作為超過300種酶的輔助因子，是許多蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)成分，包括大量的轉(zhuǎn)錄因子[5，7-8]，作物中的鋅毒性很小，鋅肥已被證明是提高葉片和谷物鋅含量的有效途徑。已有研究表明，增施鋅肥能增強(qiáng)小麥根系在干旱脅迫下的穩(wěn)定性，改善小麥根系發(fā)育狀況，對緩解干旱脅迫下小麥減產(chǎn)有重要作用[9]。鉬是植物硝酸還原酶和植物體內(nèi)固氮菌中鉬黃素蛋白酶的主要成分之一，此外，鉬能激發(fā)磷酸酶活性，促進(jìn)作物內(nèi)糖和淀粉的合成與運(yùn)輸，且有利于作物早熟，是7種重要的微量營養(yǎng)元素之一。鉬還是動(dòng)物體內(nèi)肝、腸中黃嘌呤氧化酶、醛類氧化酶的基本成分之一，也是亞硫酸肝素氧化酶的基本成分。銅是多種酶的組成成分，與植物碳素同化、氮素代謝、光合作用、吸收作用、氧化還原過程及植株抗病、抗寒、抗旱能力均有密切聯(lián)系。

在自然界中，農(nóng)作物主要吸收轉(zhuǎn)化土壤中的硒酸鹽和亞硒酸鹽，為人及哺乳動(dòng)物提供硒。小麥在氧氣比較充足、土壤比較干燥的堿性和氧化環(huán)境中生長，土壤中硒酸鹽含量較多，容易被植物吸收[10]，具有溶解度和生物有效性高的特點(diǎn)，在植物體內(nèi)易遷移轉(zhuǎn)化，易淋溶，因而，對生物的毒害作用也相對較高，被認(rèn)為是植物硒中毒的主要硒價(jià)態(tài)[11]。

植物根系對硒酸鹽的吸收是通過硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)子進(jìn)行的。在植物吸收營養(yǎng)物質(zhì)的過程中，高濃度硫酸鹽在一定程度上可以抑制硒酸鹽的吸收[12]，并且這2種離子在吸附和吸收過程中發(fā)生競爭，植物對硒酸鹽的吸收受硫酸鹽競爭作用的影響，硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的突變可影響細(xì)胞對硒酸鹽的耐受能力[13]，表明硒酸鹽可通過硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)細(xì)胞內(nèi)。BUCHNER等[14]研究結(jié)果表明，在缺硫處理下，植物根系中硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)子的基因表達(dá)會上調(diào)，所以，當(dāng)將硫缺乏培養(yǎng)的植物置于硒酸鹽環(huán)境中，植物根系可以吸收更多的硒。

小麥?zhǔn)鞘澜缟袭a(chǎn)量第三大的谷類作物，也是第二大糧食作物，是人類和動(dòng)物中硒的主要膳食來源[15]。小麥?zhǔn)且环N非硒累積型作物，對硒酸鹽的吸收很大程度上受硫酸鹽的影響。營養(yǎng)元素之間的相互作用會影響植物的營養(yǎng)狀況、健康和產(chǎn)量。硫酸鹽與硒酸鹽在植物體內(nèi)的相互作用是否又會對植物生長及其他微量元素產(chǎn)生影響。有研究表明，葉片組織中營養(yǎng)價(jià)值高的植物可以促進(jìn)其生長，因此，有可能提高可食用谷物的產(chǎn)量和礦物質(zhì)含量[16-17]。

本試驗(yàn)選取2個(gè)小麥品種冬黑1號（黑小麥品種）和洛旱6號（普通小麥），采用營養(yǎng)液培養(yǎng)方法，研究不同濃度硒酸鈉在硫酸鹽存在或缺乏時(shí)對小麥幼苗生長及礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量的影響，并篩選出最適的硒酸鈉濃度，使其在促進(jìn)小麥硒吸收的同時(shí)不影響其他微量元素的吸收和小麥生長，不僅對提高谷物營養(yǎng)元素含量有一定的作用，對今后研究小麥富硒也有一定的意義。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試小麥品種為冬黑1號（黑小麥品種）和洛旱6號（普通小麥）。

1.2 試驗(yàn)方法

種子發(fā)芽前用自來水清洗浮選去掉癟粒，用30%的過氧化氫消毒15 min，洗凈后用飽和硫酸鈣溶液浸泡過夜。待種子吸脹后，半浸入0.5 mmol/L的CaCl2溶液中萌發(fā)，當(dāng)葉片展開時(shí)，挑選長勢一致的幼苗洗凈，移入1/5 Hoagland營養(yǎng)液中，營養(yǎng)液組成 為：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、鐵鹽Fe（Ⅲ）-EDDHA 6×10-2mmol/L，生物緩沖液MES（KOH調(diào)節(jié)pH為6.0）2.0mmol/L。植物生長在25℃/14h光照和20℃/10h黑暗條件，相對濕度為60%～70%，光照強(qiáng)度為240μmol/（m2·s）的人工氣候箱中培養(yǎng)，每3 d更換一次營養(yǎng)液，24 h連續(xù)通氣。

小麥幼苗在營養(yǎng)液中生長21 d后，轉(zhuǎn)入正常（加硫處理，+S）、缺硫（將營養(yǎng)液中相應(yīng)的硫酸鹽更換為對應(yīng)的氯化物，-S）營養(yǎng)液中。植物生長在容積為1.5 L的育苗穴中，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，每隔3 d更換一次營養(yǎng)液。7 d后在營養(yǎng)液中分別添加不同濃度的硒酸鈉（Na2SeO4濃度分別為0、0.5、1.0、2.5、5.0、10.0μmol/L），生長條件不變，處理7 d后收獲，每個(gè)濃度設(shè)3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)至少5株苗，以正常營養(yǎng)液和缺硫營養(yǎng)液不加硒酸鈉處理為對照，分別為CK1和CK2。收獲時(shí)先測定各植株的苗高、根長和葉綠素含量，收獲的植株將根、莖、葉分離，用去離子水將各部分洗凈，吸水紙吸干，用于礦質(zhì)元素測定，然后計(jì)算硒耐受指數(shù)。

1.3 樣品中礦質(zhì)元素的測定

洗凈的根、莖、葉在65℃烘箱中干燥72 h，稱量干質(zhì)量，直至恒質(zhì)量，烘干的樣品密封保存用于礦質(zhì)元素鐵、銅、鋅、硒和鉬分析。

稱量0.1g的干燥樣品于消解罐中，室溫下6 mL HNO3和2 mLH2O2預(yù)消解過夜，然后將樣品加熱至120℃2 h，接著在195℃加熱30 min。將樣品在趕酸儀中趕酸2 h，冷卻至室溫并用超純水milliQ水定容至10 mL，使用電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）測定樣品中的礦質(zhì)元素含量。使用空白和內(nèi)標(biāo)釔來證實(shí)所獲得的分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)嚴(yán)格的質(zhì)量保證/質(zhì)量控制（QA/QC）制備和分析試驗(yàn)樣品，以確保數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確和可靠。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有試驗(yàn)均重復(fù)進(jìn)行3次；數(shù)據(jù)使用SPSS 16.0軟件進(jìn)行多重比較、顯著性差異分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥幼苗生長反應(yīng)分析

在營養(yǎng)液中生長3周齡的小麥幼苗，分別在正常（+S）、缺硫（-S）營養(yǎng)液中處理7 d，再分別添加不同濃度的硒酸鈉處理7 d，幼苗有4～6片葉。硫酸鹽充足時(shí)，小麥幼苗長勢差異較小，但硫缺乏時(shí)差異較為明顯。在缺硫營養(yǎng)液（-S）處理下，以硒酸鈉濃度為0μmol/L的處理作為對照（CK2），硒酸鈉濃度為0.5、1.0μmol/L時(shí)，冬黑1號已有分蘗產(chǎn)生（圖1-b、c）；添加10.0μmol/L硒酸鈉時(shí)，2個(gè)品種的葉片均有不同程度的變黃（圖1-d、f）。

從表1和圖2可以看出，對冬黑1號而言，硫充足（+S）處理下，硒酸鈉濃度為2.5μmol/L時(shí)，小麥苗高、根長、葉綠素含量和硒耐受指數(shù)最高。硫缺乏時(shí)，硒酸鈉濃度為0.5μmol/L處理下，苗高、根長和硒耐受指數(shù)最高，硒酸鈉濃度為2.5μmol/L時(shí)，葉綠素含量最高，其次是1.0μmol/L硒酸鈉濃度處理后的苗高、根長、葉綠素含量和硒耐受指數(shù)，且差異不顯著。

表1 不同處理下小麥幼苗的硒耐受指數(shù)

對洛旱6號而言，硫充足時(shí)，硒酸鈉濃度為5.0μmol/L時(shí)，小麥根長、葉綠素含量和硒耐受指數(shù)最高，硒酸鈉濃度為10.0μmol/L時(shí)，苗高最高，其次是5.0μmol/L硒酸鈉濃度處理。硫缺乏時(shí)，硒酸鈉濃度為0.5μmol/L時(shí)，根長和硒耐受指數(shù)最高，硒酸鈉濃度為2.5μmol/L時(shí)，小麥苗高和葉綠素含量最高，其次是5.0、1.0μmol/L硒酸鈉濃度處理，且沒有顯著性差異。

不同硫酸鹽處理下，小麥幼苗對硒酸鈉濃度的適應(yīng)性不同。硫充足（+S）時(shí)，2.5、5.0μmol/L硒酸鈉處理以及硫缺乏時(shí)0.5、1.0μmol/L硒酸鈉處理的小麥幼苗生長狀況更好，硫缺乏時(shí)高濃度硒酸鈉處理會對小麥幼苗造成毒害，而硫酸鹽可以減弱這種毒害作用。

2.2 硒、鉬、鐵、銅、鋅含量分析

2.2.1 硒含量分析 從圖3可以看出，在缺硫營養(yǎng)液（-S）中，2個(gè)小麥品種根、莖、葉各部位的硒含量隨著硒酸鈉濃度的增加持續(xù)增加，在硒酸鈉濃度為5.0μmol/L時(shí)，小麥根、莖、葉的硒含量已經(jīng)比低濃度硒酸鈉處理下時(shí)顯著甚至極顯著增加。

在硫充足營養(yǎng)液（+S）中，小麥幼苗莖和葉的硒含量隨硒酸鈉濃度的增加持續(xù)增加，硒酸鈉濃度為0.5μmol/L時(shí)，與CK1相比，根中的硒含量略有降低，但差異不顯著，隨著硒酸鈉濃度的增加，根中的硒含量持續(xù)增加，小麥根、莖、葉的硒含量在10.0μmol/L硒酸鈉處理下顯著高于其他濃度處理。正常營養(yǎng)液中，除CK1外的其余處理中，根中的硒含量總是低于相同濃度硒酸鈉處理下的葉片硒含量，表明根部吸收的外源硒酸鈉向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)。CK1根部的硒含量高于葉片，且高于0.5μmol/L硒酸鈉處理下的根，可能是由于沒有外源硒時(shí)，植物內(nèi)源硒含量較低且很少以硒酸鹽形式存在，不足以向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)，使根部硒含量高于葉片，添加0.5μmol/L硒酸鈉時(shí)，小麥幼苗吸收的外源硒酸鈉在植物體內(nèi)遷移轉(zhuǎn)運(yùn)，故葉片的硒含量高于根部，而根部吸收的硒酸鈉與硫酸鹽之間存在競爭作用，高濃度硫酸鹽對硒酸鈉有抑制作用，所以，根部硒含量有所降低，隨后添加更高濃度的硒酸鈉時(shí)，硒酸鈉在與硫酸鹽的競爭作用中逐漸占據(jù)優(yōu)勢，促進(jìn)硒的吸收積累與轉(zhuǎn)運(yùn)。

缺硫營養(yǎng)液（-S）處理下小麥根、莖、葉各部位的硒含量總是高于正常營養(yǎng)液（+S）培養(yǎng)的小麥。硒酸鈉濃度高于2.5μmol/L時(shí)，缺硫處理（-S）下的小麥葉片硒含量比正常營養(yǎng)液（+S）處理極顯著增加，5.0μmol/L以上時(shí)，缺硫培養(yǎng)（-S）的小麥根和莖的硒含量比正常營養(yǎng)液（+S）處理下的極顯著增加。缺硫營養(yǎng)液（-S）處理下硒在根、莖、葉中的積累量分別可達(dá)正常營養(yǎng)液（+S）的13、20、31倍，表明缺硫處理可以顯著增加小麥幼苗硒含量，而硫酸鹽與硒酸鹽的競爭作用使正常營養(yǎng)液（+S）中培養(yǎng)的小麥幼苗硒含量低于缺硫（-S）培養(yǎng)的幼苗。

2.2.2 鉬含量分析 從圖4可以看出，隨著硒酸鈉濃度的變化，正常營養(yǎng)液（+S）處理下，小麥根、莖、葉各部位的鉬含量均沒有顯著性差異，+S處理下，在不添加硒酸鈉時(shí)根中的鉬含量最高，添加硒酸鈉后根部鉬含量降低，硒酸鈉會抑制根部對鉬酸鹽的吸收，說明硫充足時(shí)根部吸收的鉬酸鹽與硒酸鈉之間存在競爭作用；高濃度硒酸鈉處理使葉片鉬含量增加，表明葉片中鉬的積累可能是通過硒的協(xié)同作用完成的。

缺硫營養(yǎng)液（-S）中，隨著硒酸鈉濃度的變化，根、莖、葉的鉬含量均有顯著差異；不添加硒酸鈉時(shí)，根中的鉬含量一般最低，高濃度的硒酸鈉（5.0μmol/L或10.0μmol/L）會降低葉片的鉬含量，表明硫缺乏時(shí)，根部對鉬酸鹽的吸收是通過硒酸鹽的協(xié)同作用完成的，葉片中高濃度硒酸鈉可能會抑制鉬酸鹽的積累。

在2種營養(yǎng)液處理下，根和莖中的鉬含量基本低于葉片，表明鉬酸鹽也是從根部向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)的。與硒變化類似，缺硫營養(yǎng)液處理（-S）下根、莖、葉中的鉬含量較添加相同濃度硒酸鈉的正常營養(yǎng)液（+S）處理有極顯著增加，表明鉬在缺硫處理下吸收轉(zhuǎn)運(yùn)能力更強(qiáng)，植物吸收的鉬酸鹽與硫酸鹽之間存在競爭作用。

2.2.3 鐵、銅、鋅含量分析 由圖5～7可知，2種營養(yǎng)液處理下，根中的鐵、銅和鋅含量比葉片的含量高，表明這3種元素在植物體的轉(zhuǎn)移能力較弱，主要集中在根部。與CK1相比，營養(yǎng)液中添加硒酸鈉以及硫缺乏處理均降低了小麥幼苗根部鐵、銅和鋅的含量，但是高濃度硒酸鈉可以提高根部鐵、銅和鋅含量，使其接近于CK1處理。在2種營養(yǎng)液中，適宜濃度硒酸鈉可以增加葉片中鐵、銅和鋅含量，硒酸鈉濃度過高會降低葉片鐵、銅、鋅含量。

3 結(jié)論與討論

RAMOS等[19]研究表明，硒酸鹽處理比亞硒酸鹽處理可使植物積累更多的硒，在小麥幼苗中，供應(yīng)硒酸鹽（）比亞硒酸鹽（）增加硒含量更有效，故試驗(yàn)用硒酸鈉處理小麥幼苗，外界硫酸鹽環(huán)境的變化會影響植物對外源硒酸鈉的吸收與積累。營養(yǎng)元素之間的相互作用會影響植物生長狀況及營養(yǎng)元素的積累。研究表明，葉片組織中營養(yǎng)價(jià)值高的植物可以促進(jìn)其生長，有可能提高可食用谷物的產(chǎn)量和礦物質(zhì)含量[16-17]，故葉片硒含量的增加有利于提高谷物硒含量，但外源硒酸鈉濃度很容易偏高，導(dǎo)致葉片硒含量提高的同時(shí)抑制其他微量元素的吸收積累，并影響植物正常生長發(fā)育。故研究不同濃度外源硒酸鈉在不同硫酸鹽環(huán)境中對小麥幼苗生長及微量元素的積累，同時(shí)篩選出最適的外源硒酸鈉濃度，以便為今后富硒小麥的研究積累經(jīng)驗(yàn)。

從小麥生長狀況及各礦質(zhì)元素分析表明，低濃度硒酸鈉可以促進(jìn)小麥幼苗生長并增加植株鐵、銅、鋅、硒、鉬等各種有益元素的含量，這與GUERRERO等[20]的研究結(jié)果一致。但是營養(yǎng)液中硫酸鹽的有無會影響小麥幼苗的最適硒酸鈉濃度，在正常營養(yǎng)液（+S）處理下，盡管2.5、5.0μmol/L硒酸鈉均能促進(jìn)小麥生長，但5.0μmol/L硒酸鈉處理下，根、莖、葉各部位的微量元素含量更高，所以，外界硫酸鹽充足時(shí)，2個(gè)品種的最適硒酸鈉濃度為5.0μmol/L。與此類似，缺硫營養(yǎng)液（-S）處理下，2個(gè)品種的最適硒酸鈉濃度均為1.0μmol/L，此時(shí)小麥苗高、根長、葉綠素含量和硒耐受指數(shù)均較高，且能促進(jìn)葉片中鐵、銅、鋅、硒、鉬等元素的積累。此外，缺硫處理下硒酸鈉濃度為0.5、1.0μmol/L時(shí)，冬黑1號已經(jīng)有分蘗產(chǎn)生。

不同營養(yǎng)液處理下，鐵、銅和鋅在植物體內(nèi)的遷移能力較差，主要是在根部積累，硒酸鈉和硫缺乏處理均會降低根部鐵、銅和鋅含量，但是適宜濃度硒酸鈉可以提高葉片鐵、銅和鋅含量。HOPPER等[21]研究發(fā)現(xiàn)，植物吸收的硒酸鹽很容易從根部轉(zhuǎn)移到地上部。本研究結(jié)果表明，在不同營養(yǎng)液添加外源硒酸鈉后，小麥根部硒和鉬含量總是低于葉片，表明硒酸鈉和鉬酸鹽可以從根部向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)，主要集中在地上部，隨著硒酸鈉濃度的提高，小麥幼苗根、莖、葉的硒含量整體上也隨之增加。SHINMACHI等[22]研究發(fā)現(xiàn)，根組織很少發(fā)生Se和Mo富集，表明這2種元素有效地轉(zhuǎn)移到植物的地上部。

缺硫處理能提高小麥幼苗根、莖、葉的硒和鉬含量，且隨著硒酸鈉濃度的增加，差異呈顯著甚至極顯著，表明硫酸鹽可能分別與硒酸鈉和鉬酸鹽存在競爭作用。SCHIAVON等[23]研究表明，由于硫（S）和硒（Se）之間的化學(xué)相似性，當(dāng)施用高劑量的硒酸鹽或硫酸鹽時(shí)，可觀察到植物吸收硒酸鹽和硫酸鹽之間的拮抗作用。硫充足時(shí)添加硒酸鈉會降低根部鉬含量，表明硫充足時(shí)根部吸收的鉬酸鹽與硒酸鈉之間存在競爭作用；硫缺乏時(shí)根中鉬含量在硒酸鈉濃度為0μmol/L時(shí)最低，添加硒酸鈉會促進(jìn)根部鉬的吸收，高濃度的硒酸鈉（5.0μmol/L或10.0μmol/L）會抑制葉片鉬含量的積累，表明硫缺乏時(shí)，根部對鉬酸鹽的吸收與硒酸鹽有協(xié)同作用，葉片中高濃度硒酸鈉通過與鉬酸鹽的競爭作用降低葉片鉬積累。DESOUZA等[24]研究發(fā)現(xiàn)，小麥幼苗中SeO42-與S和Mo具有較強(qiáng)的協(xié)同作用。FITZPATRICK等[25]研究證明，硒酸鹽和鉬酸鹽都通過硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)。

缺硫營養(yǎng)液（-S）處理下，硒酸鈉濃度為10μmol/L時(shí)，2個(gè)小麥品種都出現(xiàn)毒害癥狀，葉片開始變黃，葉綠素含量、根長和硒耐受指數(shù)均最低，與其他處理相比，此時(shí)葉片中只有硒含量最高，即缺硫處理下添加高濃度的硒酸鈉使植物體內(nèi)硒含量增加，進(jìn)而對植物產(chǎn)生毒害作用，當(dāng)硫酸鹽存在時(shí)，可以減弱硒酸鈉的毒害作用。

適宜濃度硒酸鈉能促進(jìn)小麥幼苗生長，提高小麥植株尤其是葉片微量元素含量，促進(jìn)葉片中硒的積累，在小麥后續(xù)生長過程中可以進(jìn)一步提高小麥籽粒中營養(yǎng)物質(zhì)的含量，對富硒小麥的研究有一定作用。

志謝：感謝揚(yáng)州大學(xué)李韜教授、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)范曉榮教授對項(xiàng)目的幫助和建議。