外源硒礦粉對(duì)谷子保護(hù)酶活性、產(chǎn)量和籽粒中硒含量的影響

張宇杰, 郭平毅, 郭美俊, 周浩, 原向陽(yáng), 董淑琦, 王玉國(guó)

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 山西 太谷 030801)

硒(selenium, Se)是生物機(jī)體必需的一種微量元素[1]，其含量只占人體重的萬(wàn)分之一以下，但在人體機(jī)能中發(fā)揮著極其重要的作用，具有增強(qiáng)免疫力、抗氧化、防衰老等作用[2-4]。硒參與植物光合和呼吸作用的調(diào)節(jié)和控制，增強(qiáng)植物的抗逆性，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，還可以一定程度提高作物產(chǎn)量[5-7]。我國(guó)的硒缺乏程度極其嚴(yán)重，低于世界平均水平[8]。天然生長(zhǎng)的植物所提供的硒元素?zé)o法滿(mǎn)足人們?nèi)粘Ｉ钏璧淖钚×?，從而需要通過(guò)合理利用富硒肥得到富硒產(chǎn)品，以滿(mǎn)足硒供應(yīng)要求[9]。針對(duì)土壤中缺少硒元素的地區(qū)，主要通過(guò)葉面施肥和土壤施肥來(lái)增加作物硒元素含量[10]。

谷子在北方旱糧作物中僅次于小麥、玉米，是數(shù)千年來(lái)華夏民族的傳統(tǒng)主糧和哺育作物[11]。谷類(lèi)作物作為維持人體正常生理活動(dòng)的硒元素來(lái)源，提供了人類(lèi)膳食結(jié)構(gòu)中所需硒元素的70%～80%[12]。研究發(fā)現(xiàn)，硒對(duì)作物生長(zhǎng)和發(fā)育有一定影響，通過(guò)葉面噴施Na2SeO3可以顯著提高小麥[13-15]、水稻[16]、谷子[17-18]的抗氧化能力、產(chǎn)量和品質(zhì)，Na2SeO3濃度過(guò)高則會(huì)起到抑制作用。但是Na2SeO3有一定毒性且性質(zhì)不穩(wěn)定，易污染環(huán)境。在煙草[19]、玉米[20]、水稻[21]中研究發(fā)現(xiàn)，施用硒礦粉可以提高作物光合特性、產(chǎn)量和品質(zhì)。然而，目前關(guān)于硒礦粉對(duì)谷子生長(zhǎng)影響的研究報(bào)道較少。鑒于此，本研究以谷子為試驗(yàn)材料，采用大田試驗(yàn)，研究了土壤基施富硒礦粉對(duì)谷子各生育期生理特性的影響，以及對(duì)谷子產(chǎn)量和籽粒中硒含量的影響，以期確定硒礦粉的最佳施用量，為種植生產(chǎn)富硒谷子提供更加詳實(shí)的科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試谷子品種：晉谷21號(hào)，由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所提供；張雜谷10號(hào)，由河北省農(nóng)林科學(xué)院提供。

供試藥劑：硒礦粉由河北硒金農(nóng)業(yè)科技有限公司提供，全硒含量380.0 mg·kg-1。

供試土壤：試驗(yàn)田土壤為碳酸鹽褐土。0—20 cm土層土壤肥力情況如下，pH 8.36、總硒含量0.15 mg·kg-1、有機(jī)質(zhì)16.59 g·kg-1、全鹽量0.056 6 g·kg-1、堿解氮48.76 g·kg-1、有效磷19.11 mg·kg-1、速效鉀149.1 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地申奉村進(jìn)行，采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理，硒礦粉施用量分別為 0(CK)、197.4(T1)、394.8(T2)、789.45 kg·hm-2(T3)。每個(gè)處理3次重復(fù)，共24個(gè)小區(qū)。小區(qū)面積為30 m2(長(zhǎng)5 m×寬6 m)。硒礦粉在谷子播種前均勻地撒于試驗(yàn)田，并與0—10 cm的表層土壤混合均勻。2019年5月20日播種，出苗后進(jìn)行統(tǒng)一田間管理，10月15日收獲。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1生理指標(biāo)測(cè)定在每個(gè)小區(qū)選取10株，分別于谷子拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期采集谷子倒二葉鮮樣進(jìn)行生理指標(biāo)測(cè)定。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)參照NBT法測(cè)定；過(guò)氧化物酶(peroxidase, POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定；過(guò)氧化氫酶(catalase ,CAT)測(cè)定；丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量采用硫代巴比妥酸法進(jìn)行測(cè)定[22]。

1.3.2產(chǎn)量構(gòu)成測(cè)定待谷子成熟后，從每個(gè)處理的小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的6株谷子，測(cè)量其穗重、穗粒重、千粒重；單獨(dú)收取每個(gè)小區(qū)的所有谷子，脫粒風(fēng)干后，計(jì)算產(chǎn)量。

1.3.3硒含量測(cè)定采用原子熒光法。取0.5 g干樣，加入5 mL混合消化液(4 mL HNO3+1 mL HClO4)，180～200 ℃消化2 h，冷卻后再加10 mL 4 mol·L-1的HCl還原10 min，蒸餾水定容，用氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法測(cè)定總硒含量[23]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2019和SPSS24.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)和制圖，顯著性采用單因素方差分析鄧肯(Duncan)法。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源硒礦粉對(duì)谷子保護(hù)酶活性的影響

2.1.1外源硒礦粉對(duì)谷子SOD活性的影響從圖1可以看出，隨著硒礦粉施用量的增加，谷子葉片SOD活性呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢(shì)。施硒量在T2處理時(shí)，谷子的SOD活性最好。T2處理下，拔節(jié)期張雜谷10號(hào)和晉谷21號(hào)較對(duì)照分別增加了23.05%、24.50%，抽穗期較對(duì)照分別增加了28.17%、42.11%，灌漿期較對(duì)照分別增加了19.03%、12.58%。

注: 同一時(shí)期不同小寫(xiě)字母表示在P<0.05水平差異顯著。

2.1.2外源硒礦粉對(duì)谷子POD活性的影響由圖2可知，施用硒礦粉可以提高晉谷21號(hào)和張雜谷10號(hào)葉片的POD活性。兩個(gè)品種在T2處理下葉片POD活性均達(dá)到最高值，且差異顯著。T2處理下，張雜谷10號(hào)在拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期葉片POD活性增加幅度分別為25.01%、28.60%、23.48%；晉谷21號(hào)增加幅度分別為33.03%、48.86%、43.00%。

注: 同一時(shí)期不同小寫(xiě)字母表示在P<0.05水平差異顯著。

2.1.3外源硒礦粉對(duì)谷子CAT活性的影響圖3結(jié)果顯示，通過(guò)土壤施用硒礦粉，可以顯著提高谷子葉片CAT活性。T2處理下，晉谷21號(hào)和張雜谷10號(hào)在各生育期的葉片CAT含量均達(dá)到峰值。在T2處理時(shí)，晉谷21號(hào)在拔節(jié)期CAT活性增加了33.74%，張雜谷10號(hào)增加了30.51%；抽穗期CAT含量與對(duì)照相比分別增加了38.80%和30.89%；灌漿期CAT含量分別上升了24.01%、23.63%。兩個(gè)谷子品種均在抽穗期CAT含量增加幅度最大。

注: 同一時(shí)期不同小寫(xiě)字母表示在P<0.05水平差異顯著。

2.1.4外源硒礦粉對(duì)谷子MDA含量的影響由圖4可知，土壤施用硒礦粉可以顯著降低谷子葉片中MDA含量。晉谷21號(hào)和張雜谷10號(hào)MDA含量在T2處理下達(dá)到最低值。T2處理下，拔節(jié)期晉谷21號(hào)和張雜谷10號(hào)在MDA含量分別下降了17.18%、37.74%；抽穗期MDA含量分別下降了17.18%、11.21%；灌漿期分別降低了8.00%、22.10%。由此可見(jiàn)，土壤施用硒礦粉后谷子在拔節(jié)期葉片的MDA含量變化幅度最大，張雜谷10號(hào)比晉谷21號(hào)MDA含量更低。

注: 同一時(shí)期不同小寫(xiě)字母表示在P<0.05水平差異顯著。

2.2 外源硒礦粉對(duì)谷子產(chǎn)量性狀的影響

由表1可知，不同濃度硒處理下，晉谷21號(hào)和張雜谷10號(hào)的千粒重、穗重和穗粒重與對(duì)照相比均存在著一定差異。這種差異在T2處理下表現(xiàn)最為顯著，在T2處理后，晉谷21號(hào)穗重、穗粒重和千粒重明顯均高于對(duì)照，與對(duì)照組差異達(dá)到極顯著水平。張雜谷10號(hào)在T2處理后穗重、穗粒重和千粒重均高于對(duì)照組，與對(duì)照組差異達(dá)到顯著水平。說(shuō)明土壤基施硒礦粉對(duì)谷子穗重、穗粒重和千粒重均有明顯的促進(jìn)作用。結(jié)果表明，施用適量外源硒可以提高谷子產(chǎn)量，但是隨著硒處理濃度的升高，其增產(chǎn)效果會(huì)降低。張雜谷10號(hào)和晉谷21號(hào)在施用不同濃度硒礦粉后其產(chǎn)量都顯著高于對(duì)照，且都在T2處理時(shí)的產(chǎn)量達(dá)到最大值，晉谷21號(hào)產(chǎn)量達(dá)到4 654.35 kg·hm-2，比對(duì)照增產(chǎn)8.64%；張雜谷10號(hào)產(chǎn)量達(dá)到4 634.55 kg·hm-2，比對(duì)照增產(chǎn)6.64%。由此得出，晉谷21號(hào)比張雜谷10號(hào)影響更明顯。

表1 外源硒礦粉對(duì)谷子產(chǎn)量的影響

2.3 外源硒礦粉對(duì)谷子籽粒中硒含量的影響

圖5顯示，谷子籽粒中總硒含量隨著施硒濃度的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。張雜谷10號(hào)經(jīng)過(guò)施用硒礦粉處理后，籽粒中硒含量分別達(dá)到了0.062、0.125、0.166 mg·kg-1，比對(duì)照組分別提高了1.1倍、3.2倍和4.6倍；晉谷21號(hào)籽粒中的硒含量分別達(dá)到了0.064、0.131、0.169 mg·kg-1，與對(duì)照相比分別提高了1.2倍、3.5倍和4.8倍，均在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)糧食硒含量范圍內(nèi)(硒含量在0.1～0.3 mg·kg-1為正常)。由此可見(jiàn)，T3處理時(shí)籽粒硒含量在處理間增幅最大。

注: 同一品種不同小寫(xiě)字母表示在P<0.05水平差異顯著。

3 討論

3.1 硒與保護(hù)酶

硒具有通過(guò)影響酶活性進(jìn)而對(duì)作物生長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的生物學(xué)特性[24]。本研究結(jié)果表明，隨著硒礦粉用量的增加，各生育期谷子葉片的SOD、POD、CAT酶活性均呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢(shì)。與王永會(huì)等[25]在谷子上的研究結(jié)果相似。說(shuō)明外源硒可以顯著提高谷子葉片的保護(hù)酶活性，增強(qiáng)谷子的抗氧化作用，提高了谷子生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中抗逆性。有研究發(fā)現(xiàn)，硒濃度過(guò)高會(huì)對(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生輕微毒害，產(chǎn)生抑制作用[15]。本研究中硒礦粉施用量過(guò)高時(shí)，谷子保護(hù)酶活性降低，可能是因?yàn)槲鴿舛冗^(guò)高對(duì)植株的抗氧化能力產(chǎn)生了抑制作用。研究發(fā)現(xiàn)，谷子葉片的SOD、POD、CAT活性均在抽穗期增幅最大，抽穗期是谷子對(duì)水、肥吸收的高峰期，也是開(kāi)花結(jié)實(shí)的決定期，此結(jié)果與穆婷婷等[18]的研究結(jié)果相似。本研究表明，施用硒礦粉顯著減低了谷子葉片中MDA含量，兩個(gè)品種的谷子均在T2處理時(shí)表現(xiàn)最佳，并且在拔節(jié)期減幅最大。MDA是膜脂過(guò)氧化的主要產(chǎn)物，MDA含量降低說(shuō)明硒元素可減弱膜脂過(guò)氧化作用。試驗(yàn)結(jié)果與Nawaz等[14]、趙薇等[26]對(duì)小麥、葡萄的研究報(bào)道一致。因此，施用硒礦粉對(duì)谷子抗氧化方面有著重要的作用。

3.2 硒與產(chǎn)量

本研究結(jié)果表明，在合適劑量范圍內(nèi)，土壤施用硒礦粉不僅可以提高谷子產(chǎn)量，而且可以提高谷子穗重、穗粒重和千粒重，說(shuō)明施用外源硒可以提高谷子千粒重、穗粒重和穗重，從而促進(jìn)產(chǎn)量的增加。原因主要是適量施硒能增加土壤有效硒含量，有利于土壤有效磷、鉀含量的提高，改善土壤肥力，從而影響作物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用[27]。這與穆婷婷等[18]、郭美俊等[28]對(duì)谷子的研究結(jié)果一致。但當(dāng)硒礦粉施用量達(dá)到789.45 kg·hm-2，產(chǎn)量性狀呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，其原因可能是硒礦粉施用量過(guò)高，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)有一定的破壞。劉慶等[20]研究表明，施用硒礦粉對(duì)玉米生物量與籽粒產(chǎn)量無(wú)顯著影響，這可能與作物種類(lèi)、土壤理化性狀等不同有關(guān)。

3.3 硒與籽粒硒含量

植物對(duì)硒的吸收受土壤類(lèi)型、硒肥品種、施硒方式、施硒時(shí)間和施硒濃度和施硒量等多種因素的影響，與葉面噴施相比，通過(guò)土壤施硒提高作物籽粒硒含量需要施用更多的硒，但在施硒量的選擇上，應(yīng)在保證作物正常生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)上，根據(jù)作物可食部位硒含量與目標(biāo)產(chǎn)量最終確定[29-30]。土壤施硒量介于0～789.45 kg·hm-2時(shí)，谷子籽粒硒含量與施硒量間呈正相關(guān)，施用硒礦粉增加了土壤硒含量和谷子硒營(yíng)養(yǎng)，加速了谷子對(duì)硒的吸收轉(zhuǎn)化。在T3處理(789.45 kg·hm-2)時(shí)籽粒硒含量達(dá)到了最大值。但是研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施硒量大于T2處理時(shí)，谷子籽粒中硒含量增幅開(kāi)始趨于平穩(wěn)，這與穆婷婷等[18]、史麗娟等[31]、楊益花等[32]的研究結(jié)果基本一致。

本研究還發(fā)現(xiàn)，雖然谷子籽粒中的硒含量隨著硒礦粉的施用量有相應(yīng)增加，但總體上硒的利用率仍低于前人研究結(jié)果，主要的原因是本研究中硒源為富硒礦粉，富硒礦粉與其他形態(tài)硒源相比，緩效或遲效形態(tài)的硒所占比例較大[33]。有研究發(fā)現(xiàn)，硒礦粉通過(guò)根系施肥，具有速效和緩效的雙重作用，硒肥中的有效硒可以被植物直接吸收，非有效硒可以被空氣和土壤中的微生物轉(zhuǎn)化成有效硒，可被植物長(zhǎng)期利用，有效期長(zhǎng)達(dá)2～3年[34]。李鳳鳴等[35]研究了不同硒源對(duì)小麥生長(zhǎng)及硒吸收分配和玉米后效的影響發(fā)現(xiàn)，硒礦粉對(duì)作物生長(zhǎng)的改善能力最強(qiáng)，而且硒礦粉在玉米中的相對(duì)有效性明顯高于硒酸鹽和亞硒酸鹽。