硒、鎘處理對馬鈴薯植株生長及硒鎘吸收的影響

何雪，鄧承佳，李威，陸引罡，劉克

(貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴陽 550025)

硒(Selenium，Se)被稱為人體生命的保護劑，兼具營養(yǎng)和解毒功能，對人體具有積極作用，可提高人體免疫力和預(yù)防癌癥[1]。硒作為人體重要的功能元素之一，只能從食物中攝取，因此，可通過種植富硒農(nóng)作物，繼而加工成富硒農(nóng)產(chǎn)品，從而達到食物補硒的作用[2]。趙玉文等[3]研究表明，施用適量的硒肥(1 200 mL/hm2)在提高馬鈴薯產(chǎn)量的同時還可以提高土壤肥力。宋麗芳等[4]研究發(fā)現(xiàn)，適量外源硒(2.5～5.0 mg/L)能夠促進苦蕎生長發(fā)育，提高產(chǎn)量及籽粒硒含量。因此，作物種植過程中應(yīng)用適宜濃度的外源硒可以滿足人們從食物中攝取硒元素的目的。

貴州省土壤鎘(Cadmium，Cd)背景值(0.659 mg/kg)遠高于全國平均值[5]，是典型的鎘地球化學(xué)異常區(qū)。馬鈴薯(Solanum tuberosum)是貴州旱地主栽作物之一，其中威寧縣地處云貴高原邊緣，是我國重要的馬鈴薯生產(chǎn)基地[7]。鎘脅迫下，農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)均會受到影響，而馬鈴薯塊莖與土壤中鎘直接接觸，受鎘毒害的影響遠大于其他作物。鄧祿軍等[8]研究表明，鎘脅迫影響了馬鈴薯塊莖的產(chǎn)量和品質(zhì)，隨著Cd2＋濃度增加，馬鈴薯塊莖鮮質(zhì)量顯著降低，干質(zhì)量、比重、干物質(zhì)積累率及淀粉含量極顯著降低。另有研究表明，馬鈴薯對Cd 有偏好性[9，10]，馬鈴薯塊莖、根、皮、莖葉中Cd 含量與土壤Cd 含量呈現(xiàn)出顯著相關(guān)性(P<0.05)[11]。由此可見，研究鎘毒害對馬鈴薯的影響十分有意義。

據(jù)相關(guān)文獻報道，適宜濃度的硒具有緩解重金屬毒害的作用，土壤中的硒對鎘存在抑制作用，并且這種作用表現(xiàn)出雙重效應(yīng)[12－14]，即低鎘水平下，適宜濃度的硒能明顯地抑制作物對鎘的吸收和累積，隨著鎘濃度的升高，這種抑制作用不斷減弱，逐漸演變成協(xié)同作用。相應(yīng)的，低濃度的硒能緩解鎘的毒害作用，當(dāng)硒濃度過高時，反而會加劇作物對鎘的吸收。鐵梅等[15]研究表明，土壤中低于1.5 mg/kg濃度的硒對含量小于5.0 mg/kg的鎘具有拮抗作用，同時可促進蘿卜的生長。另一方面，當(dāng)鎘進入植物體內(nèi)導(dǎo)致氧化應(yīng)激反應(yīng)時，一定濃度的硒還能提高相關(guān)酶的活性，減輕氧化應(yīng)激反應(yīng)[16]。王華等[17]研究表明，適量的Se(2.5 mg/L)可提高白術(shù)幼苗的光合作用和促進白術(shù)幼苗的生長，過量的Se (≥5 mg/L)則會對其產(chǎn)生抑制作用。由此可見，外源硒緩解鎘毒害作用的效應(yīng)值得進一步探討。

目前，不論是硒、鎘單獨處理，還是硒鎘復(fù)合作用對馬鈴薯短期影響的相關(guān)研究還較少。本研究設(shè)置不同水平的硒、鎘濃度，研究單一硒、鎘及硒與鎘復(fù)合對馬鈴薯的短期毒性作用，并探討硒鎘復(fù)合所產(chǎn)生的效應(yīng)，旨在為進一步探索硒、鎘對馬鈴薯的影響以及硒緩解鎘毒害的效應(yīng)機理，以為威寧縣馬鈴薯生產(chǎn)提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試馬鈴薯品種為興佳2 號，由貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院提供。所采用的亞硒酸鈉(Na2SeO3)和硫酸鎘(CdSO4)均為分析純。供試土壤類型為黃壤，采集自貴州省威寧縣(104°16′13″E，26°49′57″N，海拔2 186 m)。供試土壤基本理化性質(zhì):pH 值為5.44，含堿解氮124.22 mg/kg、全氮1.55 g/kg、有效磷11.18 mg/kg、速效鉀327.33 mg/kg、有機質(zhì)36.24 g/kg、全硒0.82 mg/kg、全鎘0.13 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 前期處理

(1)土壤處理。用于盆栽馬鈴薯的土樣自然風(fēng)干后，剔去殘茬、碎礫，全部過孔徑5 mm 篩。另取少部分用于常規(guī)分析和金屬含量測定的土壤分別過孔徑2、0.25、0.149 mm 篩。

(2)馬鈴薯處理。挑選飽滿、大小基本一致(45 g左右)的馬鈴薯用10%的次氯酸鈉消毒10 min，然后用去離子水浸泡1 h 去除真菌，放入洗凈的燒杯中，加入去離子水保持60%的含水量。

(3)馬鈴薯培養(yǎng)。準(zhǔn)確稱取5 kg 土壤放入花盆中，將不同質(zhì)量濃度的硒、鎘配制成對應(yīng)的鎘和硒溶液后，均勻加入土壤中，放在室內(nèi)培養(yǎng)。每天記錄室溫并適當(dāng)補充水分，試驗期間平均氣溫為12 ℃。

1.2.2 試驗設(shè)計

硒處理:CK(不添加Se)、Se1(Se 4 mg/kg)、Se2(Se 8 mg/kg)、Se3(Se 16 mg/kg)、Se4 (Se 20 mg/kg)、Se5(Se 24 mg/kg)；鎘處理:CK(不添加Cd)、Cd1(Cd 10 mg/kg)、Cd2(Cd 20 mg/kg)、Cd3(Cd 40 mg/kg)、Cd4(Cd 80 mg/kg)、Cd5(Cd 160 mg/kg)；硒鎘復(fù)合處理:CK(不添加Se、Cd)，Se4－Cd10(Se 4 mg/kg、Cd 10 mg/kg)，Se8－Cd20(Se 8 mg/kg、Cd 20 mg/kg)，Se16－Cd40(Se 16 mg/kg、Cd 40 mg/kg)，Se20－Cd80 (Se 20 mg/kg、Cd 80 mg/kg)，Se24－Cd160(Se 24 mg/kg、Cd 160 mg/kg)。

試驗為馬鈴薯發(fā)芽期盆栽試驗，在自然條件下進行，所有處理重復(fù)3 次，共計54 盆。具體設(shè)計如表1。

表1 硒、鎘及硒鎘復(fù)合處理設(shè)計表Table 1 Design Table of Selenium，Cadmium and Selenium－Cadmium combined treatment mg/kg

1.2.3 試驗時間及地點

試驗時間為:2019 年3 月17 日—2019 年3 月31 日。試驗地點為貴州大學(xué)西校區(qū)崇學(xué)樓農(nóng)學(xué)院實驗室。

1.3 測定指標(biāo)及方法

將播種至出苗后15 d 的馬鈴薯植株從花盆里取出，先用自來水沖洗干凈然后再用超純水潤洗3遍，用吸水紙擦干。于烘箱中105 ℃殺青15 min，65℃烘干至恒重。烘干后的植物樣品粉碎過篩備用。

1.3.1 馬鈴薯植株硒、鎘含量

將樣品采用硝酸—高氯酸(體積比為5∶1)消解法消解8 h 后，于140 ℃左右電熱板上趕酸至干，然后用超純水定容至50 mL，用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP－MS)測定重金屬硒、鎘含量。為保證所測數(shù)據(jù)真實有效，試驗中均設(shè)置平行樣，采用國家馬鈴薯標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進行質(zhì)量控制，所有酸試劑純度均為優(yōu)級純。

1.3.2 馬鈴薯根長、芽長、根和芽鮮質(zhì)量

完整取下根和芽，用水洗凈后，采用吸水紙將水分吸干，之后用0.1 cm 分度值的卷尺分別測量根和芽的長度(從根生長點、芽生長點開始測量)、用萬分之一電子天平稱量根和芽的鮮質(zhì)量并記錄數(shù)據(jù)。

1.3.3 馬鈴薯植株過氧化物酶

過氧化物酶采用愈創(chuàng)木酚法測定[18]。

1.3.4 土壤理化性質(zhì)及硒、鎘含量

土壤樣品中硒、鎘含量采用HCl－HNO3－HClO4消解，用量分別為1、3、1 mL，用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP－MS)測定。土壤理化性質(zhì)采用常規(guī)分析方法測定[19]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2010 和DPS7.05 軟件進行數(shù)據(jù)處理和分析，其中差異顯著性分析采用LSD 法(α＝0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 硒、鎘對馬鈴薯根、芽生長的影響

由表2 可見，硒的添加對馬鈴薯根、芽的生長呈促進作用，Se4(Se 20 mg/kg)處理馬鈴薯的根長、根鮮質(zhì)量最大，Se3(Se 16 mg/kg)處理馬鈴薯的芽長、芽鮮質(zhì)量最大，且各處理與CK 的差異均達顯著水平。根長、根鮮質(zhì)量在Se 含量超過20 mg/kg后開始下降，芽長、芽鮮質(zhì)量在Se 含量超過16 mg/kg后下降。說明一定濃度的硒可促進馬鈴薯根、芽生長，濃度過高則效果減弱。

單一鎘對馬鈴薯根、芽生長的影響如表2。鎘對馬鈴薯根、芽生長的抑制作用隨鎘濃度的升高而增強，Cd5(Cd 160 mg/kg)處理馬鈴薯的根(根長、根鮮質(zhì)量)、芽(芽長、芽鮮質(zhì)量)均為最低值，較CK處理差異顯著。根長、根鮮質(zhì)量、芽長、芽鮮質(zhì)量分別降低了88.67%、97.80%、85.77%、94.04%。

表2 不同硒、鎘處理的馬鈴薯根、芽生長情況Table 2 The root and bud growth of potato under different selenium and cadmium treatments

不同硒鎘復(fù)合處理馬鈴薯根、芽生長情況如表3。由表可見，芽鮮質(zhì)量、芽長在處理組Se16－Cd40之前緩慢下降，說明在低于該濃度的硒與鎘復(fù)合對馬鈴薯芽的生長表現(xiàn)出拮抗效應(yīng)。超過該濃度時，芽的生長較對照組急劇下降，說明高于該濃度的硒與鎘復(fù)合對馬鈴薯芽的生長表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)，加劇了硒、鎘對芽的傷害。其中Se16－Cd40 處理組芽長達最大值，與其余處理組差異達顯著水平，說明該濃度為適宜濃度，此時硒與鎘復(fù)合呈現(xiàn)出來的效應(yīng)維持在較穩(wěn)定水平，有利于馬鈴薯芽的生長。

表3 不同硒鎘復(fù)合處理的馬鈴薯根、芽及POD 活性變化Table 3 The changes of potato root，bud and POD activity under different selenium and cadmium treatments

根鮮質(zhì)量、根長在處理組Se16－Cd40 之前呈緩慢下降趨勢，說明低濃度的硒在一定程度上可緩解低濃度鎘的毒害，低于該濃度的硒與鎘復(fù)合對馬鈴薯根的生長表現(xiàn)出拮抗效應(yīng)。超過該濃度時，根的生長較對照組處理急劇下降，說明隨著硒、鎘濃度的不斷升高，硒與鎘復(fù)合對馬鈴薯根的生長表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)，加劇了硒、鎘對根的毒害。其中Se16－Cd40處理組根長達到最大值，與其余處理組相比差異達顯著水平，說明該濃度的硒與鎘復(fù)合對馬鈴薯根長的影響表現(xiàn)出強烈的拮抗效應(yīng)，生物效應(yīng)最好。

2.2 硒、鎘對馬鈴薯植株過氧化物酶活性的影響

根據(jù)表4，隨亞硒酸鈉濃度的增加，POD 活性先降后升。Se4(Se 20 mg/kg)處理POD 活性最低，較對照降低了40.46%，差異達顯著水平。Se5(Se 24 mg/kg) 處理POD 活性最高，較對照組增長了17.12%，差異達顯著水平。說明亞硒酸鈉濃度小于20 mg/kg時，外源硒對馬鈴薯植株沒有產(chǎn)生脅迫作用或影響較小。亞硒酸鈉濃度超過20 mg/kg時，外源硒的添加對馬鈴薯植株產(chǎn)生了脅迫作用，加劇了馬鈴薯植株內(nèi)膜脂過氧化作用，對馬鈴薯發(fā)芽期的生長表現(xiàn)出抑制作用，馬鈴薯植株可能通過提高抗氧化酶活性來緩解硒脅迫的傷害。

表4 不同硒、鎘處理的馬鈴薯植株P(guān)OD 活性變化Table 4 Changes of POD activity in potato plants under different Selenium and Cadmium treatments U·g－1·min－1

同時，POD 活性與鎘濃度呈正相關(guān)，Cd5(Cd 160 mg/kg)處理POD 活性最高，較對照增加了121.06%，差異達顯著水平。

硒鎘復(fù)合處理對馬鈴薯植株過氧化物酶(POD)的影響如表3。處理組Se16－Cd40 POD 酶活性最低，較對照組降低了6.23%，但沒有顯著差異。超過該濃度后，POD 活性急劇升高，Se24－Cd160 處理組POD 酶活性達最高值，較對照增加了42.49%，且差異達顯著水平。這說明馬鈴薯植株在高硒與高鎘脅迫下，細胞內(nèi)活性氧的產(chǎn)生與清除間平衡狀態(tài)被打破，導(dǎo)致自由基的急劇增加。比處理組Se16－Cd40 低的硒濃度則緩解了低鎘脅迫下馬鈴薯植株內(nèi)膜脂過氧化作用，硒和鎘的拮抗效應(yīng)提高了鎘脅迫下馬鈴薯植株的抗氧化作用。濃度高于Se16－Cd40 的處理組，硒與鎘復(fù)合則表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)，加劇了硒、鎘脅迫下馬鈴薯植株內(nèi)的膜脂過氧化作用。

2.3 硒、鎘處理對馬鈴薯植株吸收硒、鎘的影響

單一硒、鎘處理下，馬鈴薯植株吸收硒、鎘的情況如表5。馬鈴薯植株中硒的濃度隨硒添加量的升高而升高，Se5(Se 24 mg/kg)處理馬鈴薯中的硒含量最高，與CK 及其他各處理差異均達顯著水平，外源添加硒提高了馬鈴薯植株中的硒含量；馬鈴薯植株中鎘的濃度隨鎘添加量的升高而升高，Cd5(Cd 160 mg/kg)處理馬鈴薯植株中的鎘含量最大，與CK及各處理相比，均有顯著差異。

表5 不同硒、鎘處理的馬鈴薯植株吸收硒、鎘情況Table 5 Uptake of Selenium and Cadmium by potato plants under different Selenium and Cadmium treatments mg·kg－1

硒緩解馬鈴薯植株鎘毒害的效應(yīng)如表6。硒鎘復(fù)合處理較單一鎘處理馬鈴薯植株中鎘含量降低，Cd3 處理鎘含量為0.17 mg/kg，但Se16－Cd40 處理中馬鈴薯植株鎘含量僅為0.05 mg/kg，硒鎘復(fù)合處理鎘含量降低了70.59%；Cd4 處理鎘含量為0.32 mg/kg，但Se20－Cd80 處理馬鈴薯植株中鎘含量僅為0.11 mg/kg，較單一鎘處理降低了65.63%；Cd5處理鎘含量為1.43 mg/kg，Se24－Cd160 處理中馬鈴薯植株中鎘含量僅為0.16 mg/kg，較單一鎘處理降低了88.81%，差異達顯著水平。綜上，在相同鎘含量下，加入一定濃度的硒，馬鈴薯植株中吸收的鎘含量有一定程度的降低，這說明一定濃度的硒可以緩解馬鈴薯植株受到的鎘毒害作用。

表6 硒緩解馬鈴薯植株鎘毒害情況Table 6 Selenium alleviates cadmium toxicity in potato plants mg·kg－1

3 討論

馬鈴薯的生長是從塊莖上的芽萌發(fā)開始，從芽萌生至出苗是發(fā)芽期。其生長速度和品質(zhì)取決于種薯、營養(yǎng)供給和環(huán)境等因素。但種子的萌發(fā)主要靠種子胚芽提供營養(yǎng)，外界因素如重金屬對其影響較弱，但若環(huán)境中存在硒，可促進種子發(fā)芽[15]。已有研究表明，適量的Se(2.5 mg/L)可通過提高白術(shù)幼苗的光合作用和抗氧化系統(tǒng)來促進白術(shù)幼苗生長，而過量的Se(≥5 mg/L)則會對其產(chǎn)生抑制作用[17]。本研究發(fā)現(xiàn)，亞硒酸鈉濃度為16～20 mg/kg時對馬鈴薯發(fā)芽期的生長有明顯的促進作用，超過此濃度，促進作用逐漸減弱，最終產(chǎn)生抑制作用，這與前人的結(jié)果一致。但對于產(chǎn)生毒害的硒濃度范圍，不同作物存在差異，最佳硒濃度也不相同。如鐵梅等[15]研究表明，硒濃度只在2.5～5.0 mg/kg才能促進蘿卜的生長；蔡天革等[20]對燕麥研究表明，施硒量超過15 mg/m2會對燕麥生長起抑制作用。前人的研究結(jié)果說明不同作物對硒的要求不同，這與作物本身的特性、環(huán)境條件(溫度、水分、光照)、土壤理化性質(zhì)(pH、Eh、CEC、有機質(zhì))等密切相關(guān)[21]。相關(guān)研究表明，硒能抑制植物的生長，并且隨著植物種類不同而不同，如聚硒植物在極少量的硒(0.33～9 mg/L)處理下便能明顯感受到刺激信號而生長加快，而非聚硒植物卻不適應(yīng)該硒濃度，其生長速率能夠被顯著抑制[22]。曾宇斌等[23]研究表明，大豆不同部位富硒能力不同，具體表現(xiàn)為:果>葉>莖>殼。本研究的結(jié)果顯示，馬鈴薯不同部位需要的最佳硒濃度也有所差異(根:20 mg/kg、芽:16 mg/kg)，這可能也是不同部位對于硒的富硒能力存在差異所致。

當(dāng)作物受到重金屬脅迫時，其生長勢必會受到影響，表現(xiàn)為生長緩慢、植株矮小、代謝紊亂等。綜上可知，馬鈴薯對低濃度(10 mg/kg)鎘有一定的耐受性，但隨脅迫加劇，耐受性逐漸降低，這與李佩華等[24]的研究結(jié)果一致，當(dāng)鎘濃度達160 mg/kg時，根、芽表現(xiàn)出明顯的毒害癥狀，馬鈴薯生長幾乎停止。但作物耐受的鎘濃度范圍與李佩華等的研究有所差異，這源于不同植物及同一植物的不同品種對鎘的耐受性不同。

比較單一鎘處理和硒鎘復(fù)合處理馬鈴薯植株中的鎘含量，結(jié)果表明，有硒存在時馬鈴薯植株中鎘含量降低，說明土壤中的硒能拮抗鎘對馬鈴薯植株生長的毒害作用。硒與鎘復(fù)合對馬鈴薯發(fā)芽期產(chǎn)生的生物效應(yīng)與濃度的關(guān)系遵從Weinberg 原理，即三重生物學(xué)功能，較低濃度的硒、鎘復(fù)合對馬鈴薯發(fā)芽期的生長有促進作用，而高濃度的硒、鎘復(fù)合對馬鈴薯發(fā)芽期的生長有抑制作用，中間存在一個最佳濃度范圍，該濃度范圍內(nèi)的硒、鎘復(fù)合對馬鈴薯發(fā)芽期的生長表現(xiàn)出最佳的生物效應(yīng)。本研究表明，≤16 mg/kg的硒與≤40 mg/kg鎘復(fù)合對馬鈴薯發(fā)芽期的生長呈促進作用，但高于該濃度的硒、鎘復(fù)合則對發(fā)芽期馬鈴薯的生長呈抑制作用，處理組Se16－Cd40馬鈴薯表現(xiàn)的生物效應(yīng)最好。這與劉燕等[25]的結(jié)果一致。王海希等[26]研究了不同硒預(yù)處理對鎘脅迫下荷花幼苗的生長，結(jié)果表明適宜濃度(12～24 μmol/L)的Se 處理可有效緩解Cd 脅迫對荷花品種“微山湖紅蓮”幼苗的毒害，有助于提高其對Cd 的耐性。

4 結(jié)論

土壤中加入適量的硒(16～20 mg/kg)對發(fā)芽期馬鈴薯無毒害作用，表現(xiàn)為促進根、芽的生長；單一施鎘時，外源鎘顯著抑制馬鈴薯植株的生長，有強烈的毒害作用，表現(xiàn)為隨鎘濃度的增加其根、芽的生長逐漸減慢至停止，且POD 活性急劇上升。

一定濃度的硒(≤16 mg/kg) 與鎘(≤40 mg/kg)復(fù)合作用可產(chǎn)生拮抗效應(yīng)，在該濃度內(nèi)的硒、鎘對馬鈴薯植株生長有微弱抑制作用，其處理的馬鈴薯植株的POD 活性、硒、鎘含量適宜。超過該范圍的硒與鎘復(fù)合對馬鈴薯植株的生長表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)，加劇了硒、鎘對馬鈴薯植株的毒害作用。

馬鈴薯植株中硒、鎘的濃度分別隨土壤中硒、鎘添加量的增加而增加，在硒、鎘添加量為24、160 mg/kg時，馬鈴薯植株中硒、鎘含量達最大值，為0.28、1.43 mg/kg。硒鎘復(fù)合處理較單一鎘處理，馬鈴薯植株對土壤中鎘的吸收有所降低，說明硒可降低馬鈴薯植株對鎘的吸收。