硒處理對薄殼山核桃幼苗生長的影響

胡旭雅 李財運 倪鐘濤 曾 皓 李 陽 舒李露 王正加

(浙江農(nóng)林大學(xué)亞熱帶森林培育國家重點實驗室培育基地,浙江杭州 311300)

薄殼山核桃(Carya illinoensis) 為胡桃科(Juglandaceae)山核桃屬(Carya Nutt.),是重要的木本油料和珍貴的干果樹種[1],也是重要的用材樹種和綠化樹種[2],引入我國已有百年的歷史[3],主要分布在湖南、江西、浙江、云南和秦淮以南、長江以北部分地區(qū)[4]。

硒(Se)作為微量元素,是人體的食物抗氧化劑[5-6],對維持身體健康有重要作用[7]。同時,硒是植物生長發(fā)育的有益元素[8],適當(dāng)濃度下硒對植物的生理過程具有重要作用[9],不僅能夠影響植物的生長發(fā)育,參與調(diào)控光合和呼吸作用,抵御植物體內(nèi)的自由基傷害,還可以提高植物抗逆能力[10-13]。研究表明,農(nóng)作物施硒肥,可防治牛、羊白肌病,但高濃度硒對人畜和一般植物有毒害作用[14]。天然有機硒的生物活性較無機硒高,毒性較無機硒小[15],且硒對某些重金屬具有拮抗作用,在一定程度上能夠緩解重金屬對植物的毒害[16]。薛泰麟等[17]以禾本科的小麥和玉米、豆科的大豆和十字花科的油菜為研究對象,發(fā)現(xiàn)硒在高等植物中具有抗氧化作用;劉樹梅等[18]研究表明,葉面噴施亞硒酸鈉能提高梨、杏、桃和蘋果果實的可溶性固形物含量。但施硒對薄殼山核桃幼苗生長影響的研究尚鮮見報道。為此,本試驗采用不同硒濃度處理薄殼山核桃幼苗,研究硒對薄殼山核桃幼苗生長的影響,以期為硒對薄殼山核桃生長發(fā)育方面的研究,以及硒在食品生產(chǎn)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及試驗材料

試驗于浙江省杭州市臨安區(qū)浙江農(nóng)林大學(xué)森林培育學(xué)科溫室(30°15′14″N,119°43′39″E) 進行。

試驗材料為一年生長勢相似、健康的薄殼山核桃實生苗,選自浙江農(nóng)林大學(xué)山核桃苗圃。

1.2 植物培養(yǎng)與試驗處理

采用營養(yǎng)液水培育苗方法,試驗前緩苗15 d。霍格蘭營養(yǎng)液配置方法見表1。試驗容器中用氣泵保持24 h 通氣,營養(yǎng)液每7 d 更換一次。設(shè)置7 個硒處理濃度,即0(對照,記作CK)、0.5(記作Se1)、5(記作Se2)、10(記作Se3)、20(記作Se4)、40(記作Se5)和80 μmol·L-1(記作Se6),每個處理3 次重復(fù),每個重復(fù)3 株幼苗。不同Na2SeO3處理中,僅改變Na2SeO3濃度調(diào)配,其他各種營養(yǎng)元素濃度完全相同。連續(xù)處理35 d 后收獲。

表1 霍格蘭營養(yǎng)液配方Table 1 Hoagland nutrient solution formula

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 質(zhì)量指標(biāo)的測定 將實生幼苗按照根、莖和葉3 個部位分離,采用分析天平依次準(zhǔn)確稱量根重(g)、莖重(g)和葉重(g)。按照公式計算根冠比：

1.3.2 金屬元素的測定 將植物樣品在105℃下殺青20 min,80℃烘干,稱量其干重,用研缽研碎后過60目篩。準(zhǔn)確稱取0.200 g 植物樣品于消煮管中,加入5 mL HNO3搖勻并放置12 h 后,放入AIM600 微波消解儀(吉林和龍公司)緩慢消煮,再進行趕酸。趕酸結(jié)束后將消煮液放入50 mL 容量瓶中定容搖勻,吸取3 ～5 mL 消煮液,利用IEC3300 原子吸收光譜儀(美國熱電公司)測定金屬元素Zn、Mn、K、Mg 濃度[19-20]。

1.3.3 生理生化指標(biāo)的測定 丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量的測定采用雙組分光光度法[21], 以nmol·g-1FW 表示;超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性測定采用硝基四氮唑藍(nitroblue tetrazolium,NBT)光還原法[17];過氧化物酶(peroxidase,POD)活性測定采用愈創(chuàng)木酚顯色法[18]。

葉片光合參數(shù)的測定：選取長勢一致的完全展開葉,于2017年7月天氣晴朗的上午,利用LI-6400 便攜式光合作用測定系統(tǒng)(美國LI-COR 公司) 測定光合參數(shù)[凈光合速率(net photosynthetic rate,Pn)、氣孔導(dǎo)度(stomatal conductance, Gs)、胞間 CO2濃度( intercellular CO2concentration, Ci)、蒸騰速率(transpiration rate,Tr)]。采用紅藍光源葉室進行測定,每次測定重復(fù)3 次,所有測定氣體流量均為500 μmol·s-1,光響應(yīng)曲線于2 000、1 500、1 000、600、300、200、100、80、50、20、0 μmol·m-2s-111 個光照強度下進行活體測定。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定,參照L′hirondelle 等[22]的方法：于2017年7月13日天氣晴朗的上午,采用PAM-2100 便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x(德國Walz 公司) 對薄殼山核桃幼苗葉片進行活體測定。葉片經(jīng)30 min 暗適應(yīng)后測得初始熒光(original fluorescence,Fo)和最大熒光(maximal fluorescence,Fm),在光適應(yīng)狀態(tài)下測得實際熒光產(chǎn)量(actual fluorescence intensity yield, F′o)、穩(wěn)態(tài)熒光產(chǎn)量(fluorescence in stable state,Fs)和最大熒光產(chǎn)量(maximal fluorescence yield, F′m)等熒光參數(shù)。根據(jù)所測定參數(shù)按照公式分別計算原初光能轉(zhuǎn)換效率(efficiency of primary conversion of light energy,Fv/Fo)、實際光化學(xué)效率(actual photochemical efficiency, ΦPS Ⅱ)、非光化學(xué)猝滅系數(shù)( nonphotochemical quenching coefficient,NPQ)：

測量時,盡量使葉片均勻夾于葉夾內(nèi),并保持探頭方向、角度一致,以保證均無遮蔭且葉片受光方向相同。相對葉綠素含量采用PAM2100 便攜式葉綠素?zé)晒鈨x(德國COUNTRYOFOPIGINWALZ 公司) 進行測定(測量時要避開葉脈)[23-25]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016 統(tǒng)計、分析試驗數(shù)據(jù);GraphPad Prism 7 軟件制圖;SPSS 25 軟件分析數(shù)據(jù)方差、顯著性和相關(guān)性,其中顯著性差異運用Duncan′s新復(fù)極差法進行多重比較(P＜0.05)。所有試驗數(shù)據(jù)均以均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差(M±SE)表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 幼苗生長效應(yīng)

由圖1 可知,硒處理對薄殼山核桃幼苗生長有較大的影響。CK～Se3 處理下,幼苗根系發(fā)育較好,主根較為發(fā)達,須根較多,葉子較多且有活力。Se5 ～Se6 處理下,幼苗受硒脅迫,根系發(fā)育受阻,主根小而短,須根較少,葉子較少且出現(xiàn)干枯。

由表2 可知,隨著硒濃度的增加,地上部分(莖、葉)重量和生物量均呈先增加后下降再增加再下降的波動變化,而地下部分(根系)重量無顯著差異。Se1處理的生物量最高,較CK 增加11.03%,而Se6 處理下生物量最低,較CK 顯著下降23.85%。硒處理對根長有顯著影響,其中Se4 處理下根長最長(53.67 cm),較CK 顯著增加25.49%,而Se6 處理最小,較CK 顯著下降59.48%。與CK 相比,各處理地上部分長度均無顯著差異。隨著硒濃度的增加,根冠比無明顯的變化規(guī)律,其中以Se4 處理下的根冠比最大,為0.94。

圖1 硒處理對薄殼山核桃幼苗生長情況Fig.1 Growth of pecan seedlings treated with selenium

表2 硒處理對薄殼山核桃地上和地下部分生長的影響Table 2 Effect of selenium treatments on the growth of ground and underground parts of pecan

2.2 硒處理對幼苗各器官元素含量的影響

由圖2 可知,根、葉中硒含量隨著硒濃度的增加均呈先增加后減少的趨勢。當(dāng)硒濃度大于0.5 μmol·L-1時,根、葉中硒含量與CK 差異顯著。Se5 處理下,根、葉中硒含量均達到最大,分別為547、157 mg·kg-1,且與CK 間差異顯著。

由表3 可知,不同硒濃度處理下,根、莖、葉中各元素含量均受到不同程度的影響。其中,根中Mn2+含量隨著硒濃度的增加呈先增加后減少的趨勢,葉中Mn2+含量在Se6 處理時最低,而莖中Mn2+含量則在Se6 處理時最高,是CK 的9.29 倍。Zn2+含量在根中呈先減少后增加再減少的趨勢,其中在Se3 處理時達到最高,較CK 顯著提高了71.76%,葉中Zn2+含量變化趨勢與根中相反,呈先增加后減少再增加的趨勢,莖中的Zn2+含量除Se1 處理外,其他處理均顯著高于CK。根中Mg2+含量隨著硒濃度的增加呈先增加后減少的趨勢,莖中Mg2+含量則無明顯變化規(guī)律,但各硒處理與CK間均差異顯著,葉中Mg2+含量呈下降趨勢。根中K+含量隨著硒濃度的增加呈先減少后增加再減少的趨勢,莖中硒處理下的K+含量與CK 間均無顯著差異。結(jié)果表明,低硒濃度(≤10 μmol·L-1)處理可以提高根中Mn2+、Mg2+含量和葉中Zn2+含量;高硒濃度會促進根中Zn2+含量和莖中Mn2+含量的積累。

圖2 硒處理對薄殼山核桃幼苗Se 含量的影響Fig.2 Effect of selenium treatments on content of Se in pecan seedlings

圖3 硒處理對薄殼山核桃幼苗酶活性的影響Fig.3 Effect of selenium treatments on the enzyme activities of pecan seedlings

2.3 硒處理對幼苗酶活性的影響

由圖3 可知,POD 活性在Se1 處理時達到最高,較CK 顯著增加11.27%;SOD 活性在Se1 處理時達到最高,但隨后呈下降趨勢。結(jié)果表明,適量施硒能夠增強植物抗氧化能力。

2.4 硒處理對幼苗MDA 含量的影響

由圖4 可知,隨著硒濃度的增加,MDA 含量呈先下降后上升再下降的趨勢,在Se3 處理時達到最高,隨后下降趨于平穩(wěn),但不同處理間的MDA 含量無顯著差異。結(jié)果表明,硒處理對MDA 含量作用不明顯。

圖4 硒處理對薄殼山核桃幼苗MDA 含量的影響Fig.4 Effect of selenium treatments on MDA content of pecan seedlings

圖5 氮鉀對薄殼山核桃幼苗光合氣體交換參數(shù)的影響Fig.5 Effects of nitrogen and potassium on photosynthetic gas exchange parameters of pecan seedlings

2.5 硒處理對幼苗生理特性的影響

由圖5 可知,隨著硒濃度的增加,Pn、Gs 和Tr 均呈先下降后上升再下降的趨勢。Se6 處理下植株的Pn、Gs、Ci 均顯著低于其他處理,但其他處理間無顯著差異。Se2、Se6 處理下的Tr 顯著低于其他處理,且其他處理間無顯著差異。

由圖6 可知,比較7、8月份葉片熒光特性,發(fā)現(xiàn)不同處理下,同一月份的Fv/Fo、Fv/Fm、qP、ETR、qN 值均無顯著差異。同一硒濃度處理下,7、8月份的Fv/Fo和Fv/Fm值間無顯著性差異。同一硒濃度處理下,隨著時間的推移,qP 和ETR 值均有所下降,而qN 則相反,8月幼苗的qN 值大于7月。

由表4 可知,葉片硒濃度與生物量、Gs、Ci 均呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.296、-0.143、-0.202;生物量與Pn、Gs、Ci、Tr 均呈正相關(guān);Pn 與Gs、Tr 均呈極顯著正相關(guān);Gs 與Ci、Tr 均呈極顯著正相關(guān);Ci 與Tr 呈顯著正相關(guān)。

3 討論

圖6 硒處理對薄殼山核桃幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響Fig.6 Effect of selenium treatments on chlorophyll fluorescence parameters of leaves of pecan seedlings

本研究中,當(dāng)硒濃度≤40 μmol·L-1時,薄殼山核桃幼苗的硒含量隨著硒濃度的增加而增加,且根內(nèi)的硒含量大于葉片,但硒濃度＞40 μmol·L-1時,幼苗的硒含量則隨著硒濃度的增加而下降。這與李登超等[26]研究發(fā)現(xiàn)施硒有利于小白菜體內(nèi)硒含量的積累的研究結(jié)論相符。說明薄殼山核桃幼苗具有一定積累硒的能力,且幼苗地下部分中的硒含量高于地上部分。這可能是由于大量微生物聚集在植物的根部,增強了根部對各物質(zhì)的吸收能力(植物的根際效應(yīng)),因此通常根部硒的含量較高[27]。本研究發(fā)現(xiàn)施硒影響了幼苗對礦質(zhì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收,硒對葉中的Mn2+、Mg2+和根中的K+有一定的拮抗作用,但對莖中Zn2+積累有一定的促進作用。低硒(≤10 μmol·L-1)處理促進了根中Mn2+、Mg2+含量和葉中的Zn2+含量的積累,當(dāng)硒濃度≥10 μmol·L-1時,促進了根中Zn2+含量和莖中Mn2+含量的積累。這與前人發(fā)現(xiàn)低濃度硒對小白菜N、P、K、S、Mg、Zn 吸收有促進作用,而高濃度硒抑制其吸收的結(jié)論一致[28]。在高濃度環(huán)境下,硒會降低植物對營養(yǎng)元素的吸收,但是在生理濃度范圍內(nèi),硒總體上可促進植物對P、K、Ca、Mg、S、Fe、Mn、Cu、Zn 和Mo 的吸收。由此可見,施硒能改變植物內(nèi)的元素組成,影響程度因植物種類、品種、部位不同而異。

植物受到環(huán)境脅迫時,會引起機體產(chǎn)生活性氧成分,以此作為信號刺激產(chǎn)生大量抗氧化物質(zhì),而硒能夠直接或間接地調(diào)控植物體內(nèi)抗氧化物質(zhì)的形成[29]。本研究發(fā)現(xiàn)低硒(0.5 μmol·L-1)處理下,幼苗的POD、SOD 活性均最高, 分別較 CK 提高了12.06%、78.73%,這與張明中[30]的研究結(jié)果相同。說明適量施硒能夠增強薄殼山核桃幼苗的抗氧化能力。在硒濃度≤40 μmol·L-1時,幼苗的Pn、Gs、Ci 無顯著差異,這與硒能影響植物葉綠素的合成代謝、調(diào)節(jié)光合作用和呼吸作用的結(jié)論不符[29]。但當(dāng)硒濃度為80 μmol·L-1時,Pn、Gs、Ci 和Tr 均較對照顯著下降,這與尚慶茂等[31]的研究結(jié)論一致。付冬冬等[28]也發(fā)現(xiàn)高濃度硒(Se≥2.5 mg·L-1)抑制了小白菜的生長,降低了其產(chǎn)量;前人亦研究發(fā)現(xiàn)高濃度硒(1.0 mg·L-1)抑制菠菜生長[32]。說明低濃度硒對薄殼上核桃幼苗光合作用影響不大,高濃度硒會抑制其光合作用。

表4 葉片硒濃度、生物量與光合各參數(shù)間相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of leaf Se concentration, biomass and photosynthetic parameters

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明,薄殼山核桃幼苗對硒的需求有一定的限度,適宜的硒濃度對薄殼山核桃幼苗的生長有促進作用,過高濃度的硒會產(chǎn)生抑制作用。幼苗的生理指標(biāo)、元素濃度、酶活和光合作用分析結(jié)果表明,較低的硒濃度能促進其生長。綜上,0.5 μmol·L-1濃度是最適宜薄殼山核桃幼苗的濃度。此外,硒與幼苗內(nèi)的P、K、Mn、Mg 含量之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此,建議在薄殼山核桃幼苗生長過程中,對幼苗噴施或土施低濃度硒時,還應(yīng)注意增施K 肥,適量補充Mn、Mg等微量化肥,以促進薄殼山核幼苗的生長,并提高幼苗的品質(zhì)。