硒碘聯(lián)合生物營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化規(guī)律及硒碘交互作用初步研究①

魯亞普，王張民，袁林喜，尹雪斌,3,4*

?

硒碘聯(lián)合生物營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化規(guī)律及硒碘交互作用初步研究①

魯亞普1,2，王張民2，袁林喜2，尹雪斌2,3,4*

(1 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)納米科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州 215123；2 江蘇省硒生物工程技術(shù)研究中心，江蘇蘇州 215123； 3 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)蘇州研究院，江蘇蘇州 215123；4 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院，合肥 230026)

硒和碘是人體重要的微量元素，硒和碘缺乏可能導(dǎo)致人體處于亞健康狀態(tài)或患多種疾病。膳食是安全、高效的補(bǔ)充硒和碘的方式。目前，對(duì)植物吸收兩種元素的相關(guān)性研究較為匱乏。本試驗(yàn)通過施加一定含量梯度的碘酸鉀、硒酸鹽，探究番茄、生菜兩種作物對(duì)硒和碘的吸收能力，以及兩種元素吸收的相關(guān)性。研究結(jié)果表明：番茄植株相比生菜，對(duì)無機(jī)硒和碘酸鉀的富集能力更強(qiáng)；生菜和番茄中，硒和碘的吸收沒有顯著相關(guān)性。

番茄；生菜；生物強(qiáng)化；硒碘互作

硒和碘是動(dòng)物和人體所必需的微量營(yíng)養(yǎng)元素。硒是動(dòng)物細(xì)胞中谷胱甘肽過氧化物酶的組成成分，輔酶家族活性部分輔基。在抗癌，抗氧化，解毒，拮抗重金屬，維持人體神經(jīng)、生殖等系統(tǒng)正常發(fā)育及功能等方面具有重要作用[1]。缺硒導(dǎo)致人體出現(xiàn)各種疾病，但過量攝取特別是無機(jī)形態(tài)的硒會(huì)引起人畜的中毒癥，危害健康。所以攝入適量的合適形態(tài)的硒具有非常重要的意義[2]。

碘離子通過甲狀腺分泌的一系列激素發(fā)揮生理功能[3]。主要生理作用有：維持機(jī)體能量代謝，調(diào)控物質(zhì)分解以提供生命活動(dòng)所需的能量和熱；促進(jìn)機(jī)體發(fā)育甲狀腺激素調(diào)控生長(zhǎng)期兒童的骨骼、性器官、肌肉及身高體重發(fā)育：同時(shí)對(duì)促進(jìn)胎兒和嬰幼兒大腦維持正常形態(tài)、功能和代謝至關(guān)重要[4]。

WHO推薦的成年人硒攝入量為50 μg/d，碘150 μg/d。中國(guó)缺硒地區(qū)超國(guó)土面積的70%，其中30% 嚴(yán)重缺硒[5]。近年來因無碘鹽宣傳沖擊及環(huán)境污染的加劇，全國(guó)相當(dāng)多地區(qū)甲狀腺腫發(fā)病率有大幅回升趨勢(shì)[6]。食鹽加碘是目前最普遍的補(bǔ)碘方法，但存在較明顯缺陷，如食鹽中添加的無機(jī)碘在烹飪過程中易升華損失，無機(jī)碘生物利用率低、中毒較強(qiáng)等問題[7]。無機(jī)硒攝入量過高不僅影響體內(nèi)脫氧酶系統(tǒng)的活性，而且還會(huì)阻礙細(xì)胞正?；x[8]。通過膳食補(bǔ)充硒和碘是安全、高效的方式。

薛泰麟等[9]以小麥、玉米、油菜等為研究對(duì)象，證明高硒含量植物具有抗氧化作用，增加了植株體內(nèi)抗氧能力，提高了植株的抗逆性和抗衰老能力；杜慧玲等[10]發(fā)現(xiàn)適量硒可促進(jìn)生菜的光合作用。碘對(duì)植物的必需性尚未獲得普遍認(rèn)同，但自然界中很多植物尤其是海生植物都有富集碘的能力。

自然條件下作物中的硒、碘等微量元素含量大多受土壤等環(huán)境背景值限制，通過生物營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化等技術(shù)，如添加外源微量元素肥料，可生產(chǎn)出具有補(bǔ)充特定功能性營(yíng)養(yǎng)作用的作物，從而實(shí)現(xiàn)通過膳食補(bǔ)充硒、碘等微量元素，同時(shí)可提高作物經(jīng)濟(jì)價(jià)值[11]。但通過外源添加微量元素肥料會(huì)帶來一些問題，如提高肥料成本、造成土地污染等[12]，同時(shí)，非聚硒植物累積的氨基酸主要是硒代蛋氨酸，含量很少，大部分組成蛋白質(zhì)充當(dāng)酶，使得非累積型植物易發(fā)生硒中毒[13]。過量碘對(duì)作物有毒害作用，表現(xiàn)為影響植物生理生化活性，生物量或產(chǎn)量減少等[14]，限制了此類營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展與推廣。

有諸多研究顯示，適量的硒可以增加植物對(duì)重金屬的拮抗能力[15]，因而硒可能減輕碘對(duì)作物的毒害，提高作物對(duì)碘的富集、耐受，從而可以提高外源微量元素肥料利用率、降低成本、減輕對(duì)環(huán)境的負(fù)擔(dān)，并可以生產(chǎn)復(fù)合營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化產(chǎn)品，從而提高經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

番茄和生菜是兩種常見蔬菜，生長(zhǎng)期短，培養(yǎng)條件相對(duì)簡(jiǎn)單，是營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化的良好目標(biāo)。目前有諸多對(duì)番茄和生菜分別進(jìn)行硒、碘強(qiáng)化的研究，但對(duì)其硒-碘聯(lián)合強(qiáng)化的研究不多見。

本研究旨在探究番茄和生菜對(duì)硒、碘的富集效率，以及在硒-碘聯(lián)合強(qiáng)化條件下硒-碘是否存在相互作用。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試生菜品種為香港高華子公司所產(chǎn)“意大利全年耐抽苔生菜”；番茄品種為“粉冠”。

供試試劑：分析純碘酸鉀；硒添加劑為蘇州硒谷科技有限公司提供的基準(zhǔn)硒肥，產(chǎn)品代碼SETEK-BF-S02，由含硒礦石活化得來，主要形態(tài)為亞硒酸鹽和少量硒酸鹽，總硒含量6 000 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)與檢測(cè)方法

試驗(yàn)田位于蘇州市車坊一蔬菜大棚基地，土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)：耕層有機(jī)質(zhì)28.0 g/kg，全氮1.6 g/kg，全磷1.1 g/kg，全鉀14.2 g/kg，pH 5.8，總硒含量0.18 mg/kg，總碘含量1.82 mg/kg。施肥時(shí)間為3月21日，生菜生長(zhǎng)期處在移栽后10 d，番茄生長(zhǎng)期處在開花前兩周。硒添加劑和碘酸鉀各設(shè)置3個(gè)梯度，共9組，每組約1.4 m2，分為3×3共9穴，各組間隔2 m，詳細(xì)梯度見表1。施肥方式為穴施，將兩種試劑混合均勻后，均分9份等量施加到各穴中，其他條件保持相同。

表1 試驗(yàn)梯度設(shè)置

生菜采樣時(shí)間為施肥后6周，整株采集，去掉根部；番茄采樣時(shí)間為施肥后8周，每穴隨機(jī)采摘2個(gè)西紅柿果實(shí)。樣品洗凈后，用去離子水沖洗3遍，生菜樣品在60 ℃下烘干約48 h后粉碎，番茄樣品用勻漿機(jī)勻漿。

硒總量檢測(cè)方法：氫化物原子熒光光譜法(GB 5009.93—2017)，取干樣0.2 g左右，鮮樣4 g左右于錐形瓶中，加入2 ml高氯酸，8 ml硝酸，經(jīng)冷消解12 h后，置于電熱板上熱消解，110 ℃加熱1 h，130 ℃加熱1.5 h，180 ℃加熱2 h，之后加熱到210 ℃趕酸，至錐形瓶?jī)?nèi)有較濃高氯酸白霧時(shí)，沖洗瓶壁，并再次趕酸至有白煙，取下冷卻后加入5 ml 濃鹽酸還原12 h，轉(zhuǎn)移至25 ml比色管，定容，取適量待測(cè)液于進(jìn)樣管中上機(jī)檢測(cè)(所用儀器為Rayleigh AF-2000)；

碘總量檢測(cè)方法：如文獻(xiàn)[16]中所用紫外-可見分光光度法，試樣經(jīng)堿性條件下在馬弗爐中灰化后，碘化物全部轉(zhuǎn)化為無機(jī)態(tài)，在酸性條件下，用溴水氧化為碘酸鹽，除溴后加入過量碘離子，形成黃色I(xiàn)3-水溶液，利用紫外-可見分光光度儀在287.5 nm波長(zhǎng)處 (所用儀器為SHIMADZU UV-2450)對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)濃度組進(jìn)行定量。

數(shù)據(jù)分析及制圖使用Origin 9.0，數(shù)據(jù)相關(guān)性使用Pearson 相關(guān)性分析法。

2 結(jié)果與討論

2.1 番茄和生菜的碘強(qiáng)化效果

由圖1A可知，在添加適量的碘酸鉀后，生菜的碘含量有明顯提升，相比對(duì)照組從50 mg/kg提高到了約500 mg/kg。番茄的碘含量也有明顯提升，相比對(duì)照組從10 mg/kg 提高到了約30 mg/kg，最高累積量可達(dá)約50 mg/kg(圖1B)。施加2 g/組碘酸鉀相比對(duì)照提升明顯，但施加4 g/組碘酸鉀相比2 g/組碘酸鉀沒有明顯提升，且施加4 g/組出現(xiàn)了一定程度葉片發(fā)黃、枯萎現(xiàn)象，可見對(duì)碘酸鉀的吸收已接近其耐受限度。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，生菜和番茄碘酸鉀強(qiáng)化上限可以參考2.9 g/m2。

2.2 番茄和生菜的硒強(qiáng)化效果

由圖2A可知，在添加適量的硒添加劑后，生菜的硒含量有明顯提升，硒含量相比對(duì)照組從30 μg/kg提高到了平均320 μg/kg，最高累積量可達(dá)約500 μg/kg。番茄的硒含量也有明顯提升，相比對(duì)照組從2 μg/kg提高到了約9 μg/kg(圖2B)。生菜和番茄硒累積量與硒添加劑施加量呈顯著正比關(guān)系(0.1)，施加40 g/組硒添加劑相比20 g/組硒添加劑富集量可提升近兩倍。這說明，番茄和生菜對(duì)無機(jī)硒的耐受上限高于170 mg/m2。

2.3 番茄和生菜對(duì)硒碘吸收的相關(guān)性

由圖3、圖4及表2線性擬合結(jié)果可知，所有梯度斜率皆為正值，因此生菜和番茄中，硒對(duì)碘、碘對(duì)硒皆存在正相關(guān)影響，在各背景值梯度下都有較明顯提升；但>0.1，顯著性不強(qiáng)。

圖1 生菜(A)和番茄(B)碘強(qiáng)化效果

圖2 生菜(A)和番茄(B)硒強(qiáng)化效果

圖3 硒對(duì)生菜(A)和番茄(B)碘吸收的影響

3 討論

比較番茄和生菜對(duì)硒、碘的富集能力可以發(fā)現(xiàn)，同組梯度中，生菜的硒含量大約是番茄的20倍，碘含量大約是番茄的10倍。生菜的含水率約為93% ~ 96%，番茄含水率約為85% ~ 90%，考慮到生菜為干樣檢測(cè)，番茄為鮮樣檢測(cè)，扣除含水率影響，生菜中硒含量與番茄相仿，碘含量只有番茄的一半左右；考慮到生菜絕大部分可食用，番茄不可食的根、莖、葉部分也會(huì)累積一定含量的硒和碘，番茄相比生菜對(duì)試驗(yàn)所施用的硒添加劑和碘酸鉀富集能力、耐受能力更強(qiáng)。

圖4 碘對(duì)生菜(A)和番茄(B)硒吸收的影響

表2 硒、碘吸收相關(guān)性線性擬合

Carvalho等[17]指出，在只施用有機(jī)硒肥的情況下，生菜對(duì)硒的富集能力高于番茄，與本試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，顯示出生菜和番茄對(duì)有機(jī)硒和無機(jī)硒的吸收效率有所不同，對(duì)于無機(jī)硒，番茄比生菜的富集效率更高。

Gonzali等[18]指出，碘并非高等植物必需元素，但碘元素會(huì)參與高等植物的生物、化學(xué)過程，極低濃度的碘可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)，高等植物對(duì)碘的吸收，沒有統(tǒng)一規(guī)律，而是與植物種類、施肥時(shí)期、施肥量等多種因素有關(guān)，但一般隨碘化合物分子量和化合價(jià)的增加而減少[19]。Hong等[20]研究顯示，生菜對(duì)碘化鉀(KI)的富集能力遠(yuǎn)高于番茄；Kiferle等[21]的研究顯示，番茄對(duì)碘酸鉀(KIO3)的富集能力顯著低于對(duì)碘化鉀(KI)的富集能力。結(jié)合本試驗(yàn)結(jié)果，說明當(dāng)外源碘添加劑為碘化鉀(KI)時(shí)，生菜的富集能力遠(yuǎn)高于番茄，而當(dāng)外源碘添加劑為碘酸鉀(KIO3)，番茄具有更好的富碘能力。諸多研究顯示，碘的生物有效性受諸多因素影響，包括價(jià)態(tài)、溫度、土壤微生物活度、土壤氮含量、氮形態(tài)等[20-23]，這表明為獲得更佳的碘富集效果，要根據(jù)不同物種、不同種植環(huán)境選取合適的外源添加劑。

本試驗(yàn)中，番茄和生菜中硒和碘的吸收之間不存在顯著相關(guān)性，這與Zhu等[24]的研究結(jié)果相一致，但Smolen等[22]研究指出，當(dāng)對(duì)生菜葉面噴施碘酸鉀(KIO3)和硒酸鈉(Na2SeO4)時(shí)，兩者存在協(xié)同作用，這顯示出施肥方式對(duì)兩者間的關(guān)系存在重要影響。相比葉面噴施，由于土壤環(huán)境的復(fù)雜性和吸收方式的不同，基施時(shí)兩者間即便存在相互影響，也容易被其他影響因素所干擾、抵消，如SeO2– 4會(huì)與SO2– 4競(jìng)爭(zhēng)，I–會(huì)與Cl–競(jìng)爭(zhēng)并對(duì)土壤氧化電位十分敏感等[25]。

本試驗(yàn)結(jié)果雖然硒和碘之間不存在顯著協(xié)同作用，但也未表現(xiàn)拮抗作用，說明兩者混合使用，不會(huì)降低各自的富集效率，可以作為復(fù)合肥使用。

4 結(jié)論

1)施加170 mg/m2無機(jī)硒添加劑時(shí)，番茄果實(shí)對(duì)硒的累積量可達(dá)9 μg/kg，生菜為500 μg/kg；當(dāng)施加2.9 g/m2碘酸鉀時(shí)，番茄碘累積量可達(dá)50 mg/kg，生菜為500 mg/kg。

2) 番茄相比生菜，對(duì)碘酸鉀和所用硒添加劑的富集、耐受能力更強(qiáng)。

3) 番茄和生菜對(duì)碘酸鉀和所用硒添加劑的富集不存在顯著相關(guān)性。

[1] Alejandro F M, Charlet L. Selenium environmental cycling and bioavailability: A structural chemist point of view[J]. Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, 2009, 8: 81-110

[2] 陳元明. 硒的神秘療效[M]. 北京: 中國(guó)財(cái)經(jīng)出版社, 1998: 12-38

[3] Eckhoff K M, Maage A. Iodine content in fish and other food products from East Africa Analyzed by ICP-MS[J]. Journal of Food Composition and Analysis, 1997, 10: 270-282

[4] 顏世銘, 李增禧, 熊麗萍. 微量元素的生理作用和體內(nèi)平衡[J]. 廣東微量元素科學(xué), 2002, 9: 1-49

[5] 侯少范. 中國(guó)低硒帶人群硒營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的變化趨勢(shì)與成因分析[J]. 地理研究, 2000, 19(2): 134-140

[6] 吳泰相, 俞紅吉, 郝保清. 解決我國(guó)微量元素營(yíng)養(yǎng)不足問題的建議[J]. 微量元素與健康研究, 1999, 16(4): 61-63

[7] Rose N R, Bonita R, Burek C L. Iodine: An environmental trigger of thyroiditis[J]. Autoimmunity Reviews, 2002(1): 97-103

[8] 臧世臣, 倪樹林, 李長(zhǎng)林, 等. 16種野生植物硒含量與土壤硒的關(guān)系[J]. 林業(yè)科技, 1996, 21(4): 4l-42

[9] 薛泰麟, 侯少范, 譚見安, 等. 硒在高等植物體內(nèi)的抗氧化作用—I. 硒對(duì)過氧化作用的抑制效應(yīng)及酶促機(jī)制的探討[J]. 科學(xué)通報(bào), 1993, 38(3): 274-277

[10] 杜慧玲, 馮兩蕊, 牛志峰, 等. 硒對(duì)生菜抗氧化酶活性及光合作用的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2007, 23(5): 226-229

[11] 趙其國(guó), 尹雪斌. 功能農(nóng)業(yè)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2016: 6-23

[12] 馬迅, 諸旭東, 宗良綱, 等. 不同調(diào)控措施對(duì)酸性富硒土壤硒有效性及水稻產(chǎn)量性狀的影響[J]. 土壤, 2018, 50(2): 284-290

[13] Lauchli A. Selenium in plant-uptake, functions and environmental toxicity[J]. Acta Botanica Croatica, 1993, 106: 455-468

[14] Mynett A, Wain R. Herbicidal action of iodide: Effect on chlorophyll content and photosynthesis in dwarf bean Phaseolus vulgaris[J]. Weed Research, 1973, 13(1): 101-109

[15] 袁思莉, 余垚, 萬亞男, 等. 硒緩解植物重金屬脅迫和累積的機(jī)制[J]. 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)報(bào), 2014, 31(6): 545-550

[16] 孫媚華, 陳遷, 陳澤智, 等. 紫外-可見分光光度法測(cè)定單質(zhì)碘含量[J]. 仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2012, 25(2): 37-41

[17] Carvalho K, Gallardo-Williams M, Benson R, et al. Effects of selenium supplementation on four agricultural crops[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2003, 51: 704-709

[18] Gonzali S, Kiferle C, Perata P. Iodine biofortification of crops: Agronomic biofortification, metabolic engineering and iodine bioavailability[J]. Current Opinion in Biotechnology2017, 44: 16-26

[19] Umaly R, Poel L. Effects of iodine in various formulations on the growth of barley and pea plants in nutrient solution culture[J]. Annals of Botany, 1971, 35: 127-131

[20] Hong C I, Weng H X, Qin Y C, et al. Transfer of iodine from soil to vegetables by applying exogenous iodine[J]. Agronomy for Sustainable Development, 2008, 28: 575-583

[21] Kiferle C, Gonzali S, Holwerda H, et al. Tomato fruits: A good target for iodine biofortification[J]. Frontiers in Plant Science, 2013, 4(205): 205

[22] Smolen S, Kowalska I, Sady W. Assessment of biofortification with iodine and selenium of lettuce cultivated in the NFT hydroponic system[J]. Scientia Horticulturae, 2014, 166: 9-16

[23] 王松山, 梁東麗, 魏冉, 等. 基于路徑分析的土壤性質(zhì)和硒形態(tài)的關(guān)系[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2011, 48(4): 823-830

[24] Zhu Y G, Huang Y Z, Hu Y, et al. Interactions between selenium and iodine uptake by spinach (L.) in solution culture[J]. Plant and Soil, 2004, 261: 99-105

[25] Smolen S, Sady W. Influence of iodine form and application method on the effectiveness of iodine biofortification, nitrogen metabolism as well as the content of mineral nutrients and heavy metals in spinach plants (L.)[J]. Scientia Horticulturae, 2012, 143: 176-183

Preliminary Study on Rule of Synergetic Biofortification and Interaction of Selenium and Iodine

LU yapu1,2,WANG Zhangmin2, YUAN Linxi2, YIN Xuebin2,3,4*

(1 Nano Science and Technology Institute, University of Science and Technology of China, Suzhou, Jiangsu 215123, China; 2 Jiangsu Bio-Engineering Research Center for Selenium, Suzhou, Jiangsu 215123, China; 3 Suzhou Institute for Advanced Study, University of Science and Technology of China, Suzhou, Jiangsu 215123, China; 4 School of Earth and Space Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

Iodine (I) and selenium (Se) are important trace elements for human body, and the lack of I and Se may lead to sub-health or a variety of diseases. Diet is a safe and efficient approach of Se and I supplement. However, there are insufficient studies now focusing on the interaction of I and Se on their uptake in plants. This study was to explore the interaction of I and Se on their uptake in tomato and lettuce and the capabilities of two crops in absorbing I and Se by adding potassium iodate and selenate (inorganic Se) with certain concentration gradients. The results showed that compared with lettuce, tomato had a stronger uptake capability for inorganic Se and potassium iodide (KI). There is nosignificant interaction on Se and I uptake in lettuce and tomato.

Tomato; Lettuce; Biofortification; Interaction between selenium and iodine

山西省農(nóng)谷建設(shè)科研專項(xiàng)(SXNGJSKYZX201706)和山西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(201703D211001-01-02)資助。

(xbyin@ustc.edu.cn)

魯亞普(1992—)，男，河南鄭州人，碩士研究生，主要從事功能農(nóng)業(yè)研究。E-mail: luyapu@mail.ustc.edu.cn

10.13758/j.cnki.tr.2018.06.024

S512；Q945.14；TS202.1

A