萬鷹昕,劉偉,李楠

(北京聯(lián)合大學(xué) 生物化學(xué)工程學(xué)院,北京 100023)

植物里所含有的硒元素被認(rèn)為是人類攝入硒的主要來源[1-2]。微量的硒可以使植物過氧化物酶活性升高,抗氧化能力增強(qiáng),從而提高植株的抗逆性和抗衰老能力[3]。土壤有機(jī)化合物存在的類型是植物吸收硒的重要影響因素之一?？扇苄杂袡C(jī)物(以下簡(jiǎn)稱DOM)是經(jīng)水從有機(jī)物質(zhì)中浸提的后經(jīng)0.45 μm濾膜過濾的有機(jī)物總稱[4]。雖然土壤總有機(jī)質(zhì)中DOM的含量占比少,但土壤中某些重金屬元素的生物利用性和它緊密聯(lián)系。本研究探討DOM對(duì)小麥苗吸收硒及生理特性的影響,從而綜合探討硒的生物利用性,為富硒產(chǎn)品的研發(fā)提供幫助。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

小麥種子(鄭麥9023)；Na2SeO3,分析純；鹽酸、硝酸、高氯酸均為優(yōu)級(jí)純；實(shí)驗(yàn)用水為去離子水；草炭土(德國(guó)大漢牌草炭土),基本理化性質(zhì)如下[5]：pH 4.78、總Se 0.671 mg/kg、有機(jī)質(zhì)237 mg/kg、CEC 4.8 cmol/kg、全氮 0.844%、全磷 0.042%、全鉀 0.528%。

SKY-100C恒溫振蕩器；ML204電子天平；DHG-9036A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱；UV-800分光光度計(jì)；AFS-230原子熒光光度計(jì)。

1.2 草炭土中DOM的提取

草炭土經(jīng)自然風(fēng)干磨碎,過 1 mm 篩后按1∶20比例添加超純水,搖床室溫振蕩16 h,然后4 ℃、8 000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心30 min,抽濾,使之通過0.5 μm孔徑的濾膜,濾液即為草炭土中DOM的水溶液。DOM的TOC為160 mg/L。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

采用水培盆栽法。設(shè)置對(duì)照組和試驗(yàn)組,其中對(duì)照組為不添加亞硒酸鈉和可溶性有機(jī)物,試驗(yàn)組的亞硒酸鈉濃度分別為5,10,20 mol/L,添加的可溶性有機(jī)物的量分別為0,150 mL。每個(gè)處理重復(fù)3次。

小麥種子在育苗盆中加水浸泡24 h后,以濕潤(rùn)的濾紙遮蓋住,直至小麥長(zhǎng)出根。在育苗盆加入超純水,培養(yǎng)3 d,加入亞硒酸鈉和可溶性有機(jī)物,每隔3 d換一次培養(yǎng)液,培養(yǎng)7 d后收獲。

1.4 樣品處理

收獲連根的小麥苗,用水沖洗,測(cè)定麥苗株高。將小麥苗分兩部分處理。一部分麥苗收獲后立即測(cè)定其生理指標(biāo),采用分光光度法測(cè)定丙二醛含量[6],采用茚三酮法測(cè)定脯氨酸含量[6]。

另一部分將麥苗的根部和地上部分分開,然后裝于紙袋中,90 ℃殺青后60 ℃烘干。將烘干的小麥苗及根部用5∶1的HNO3和HClO4消解,采用氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法測(cè)定硒的含量[7]。

用SPSS軟件統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 DOM對(duì)小麥苗生長(zhǎng)情況的影響

由圖1可知,加入硒可增加小麥苗株高,所有硒處理均對(duì)小麥苗的株高有明顯的促進(jìn)作用。未加入DOM時(shí),小麥苗株高在硒加入量10 μmol/L時(shí)最高,但當(dāng)硒加入量20 μmol/L時(shí),小麥苗株高卻比硒加入量為5 μmol/L時(shí)更低。加硒與不加硒的培養(yǎng)對(duì)小麥苗株高有顯著差異(p<0.05)。在同等量的加硒培養(yǎng)條件下,加入DOM時(shí)小麥苗株高更高,說明DOM對(duì)于小麥苗的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用。且在硒加入量為20 μmol/L時(shí),DOM存在對(duì)小麥苗株高的影響最大,差異極顯著(p<0.01),表明了DOM降低了硒對(duì)植物生長(zhǎng)的不利影響。

圖1 DOM存在下,硒處理對(duì)小麥苗株高的影響Fig.1 Effect of selenium on the height of wheat seedlings in the presence of DOM

2.2 DOM對(duì)小麥苗吸收不同含量亞硒酸鹽的影響

圖2和圖3分別為小麥苗根部和小麥苗莖葉富硒量隨DOM和外源亞硒酸鹽的變化情況。

圖2 DOM對(duì)小麥苗根部富硒量的影響Fig.2 Effect of selenium on the selenium content of roots in the presence of DOM

由圖2可知,小麥苗根中硒的含量隨施硒量的增加而增多,不添加DOM組的小麥苗根部硒含量在施硒量20 μmol/L達(dá)到最多,為813.02 μg/g；施加了DOM的小麥苗根在施硒量為20 μmol/L時(shí)硒含量達(dá)到最多,為728.45 μg/g。經(jīng)spss分析,無論是加硒組,還是加硒加DOM組,施硒量對(duì)小麥苗根中硒的含量有著顯著影響(p<0.01)。但當(dāng)比較同一外源亞硒酸鈉的施加量時(shí),DOM的添加降低了小麥苗根部的硒含量,說明DOM降低了小麥苗根部對(duì)硒的累積。

圖3 DOM對(duì)小麥苗莖葉富硒量的影響Fig.3 Effect of different concentrations of selenium on the selenium content of shoots in the presence of DOM

隨營(yíng)養(yǎng)液中硒含量的增加,小麥苗對(duì)硒的吸收富集能力與根部表現(xiàn)不同。由圖3可知,當(dāng)未添加可溶性有機(jī)物時(shí),在外源硒含量從5 μmol/L到10 μmol/L,小麥苗莖葉部硒含量增加了160.93%,但當(dāng)培養(yǎng)液中硒增加到20 μmol/L時(shí),小麥苗中硒的含量并未增加?？扇苄杂袡C(jī)物的存在對(duì)小麥苗吸收硒的影響在外源施硒量在5 μmol/L和10 μmol/L時(shí)并不顯著。但在高亞硒酸鈉(20 μmol/L)施加中,可溶性有機(jī)物對(duì)小麥苗中硒累積量的降低尤為明顯,較不添加可溶性有機(jī)物培養(yǎng)時(shí),小麥苗硒含量降低了56.92%。經(jīng)spss分析,無論DOM是否存在,施硒量小麥苗莖葉部硒的含量有著顯著影響(p<0.01)。

許多研究證明,植物體中的硒含量的提升能通過外源硒的施加獲得[7-9],本研究也得到同樣的結(jié)論,在一定外源硒的添加范圍,小麥苗的根和葉部硒隨培養(yǎng)液中硒含量的增加而升高。這是因?yàn)楦侵参矬w中最重要的絡(luò)合重金屬的部位。但當(dāng)施加的硒含量在20 μmol/L時(shí),硒的毒害作用越來越明顯,因此小麥苗的株高和硒含量在硒施加量20 μmol/L時(shí)較10 μmol/L下降。小麥苗葉部硒積累量遠(yuǎn)小于根部,這主要是因?yàn)樾←溍绮扇∷喾绞?水中的硒被根部吸收,但轉(zhuǎn)運(yùn)到葉部的大為降低。當(dāng)DOM存在時(shí),DOM中大量的—OH、—COOH、—C—O等基團(tuán)與Se4+螯合[10],降低了根部對(duì)硒的吸收,同時(shí)也降低了小麥葉部硒的含量,且DOM存在和施硒量為20 μmol/L硒含量下降更為明顯。

2.3 DOM對(duì)不同濃度Se4+下小麥苗脯氨酸含量的影響

脯氨酸的積累反映了植物適應(yīng)于不良環(huán)境[6],重金屬污染的環(huán)境下脯氨酸的含量被認(rèn)為是植物的一種生理生化反應(yīng)[7]。由圖4可知,在0～20 μmol/L施硒范圍內(nèi),小麥苗脯氨酸的含量均隨著硒的增多而增加,在Se4+濃度為20 μmol/L時(shí)達(dá)到最大。在不添加DOM組,施硒量為20 μmol/L與5 μmol/L時(shí)脯氨酸含量差異顯著(p<0.05)。另一方面,施加等量亞硒酸鹽的情況下,添加DOM組比不加DOM組的小麥苗中脯氨酸的含量更高。但DOM的存在,使脯氨酸含量隨Se4+濃度增加而升高的程度不同。硒含量為5 μmol/L和10 μmol/L時(shí),DOM對(duì)小麥苗脯氨酸的影響不明顯。而在硒含量為20 μmol/L時(shí),脯氨酸的含量(134 μg/g)與不加入DOM(124 μg/g)相比增加了8.06%,說明可溶性有機(jī)物與硒產(chǎn)生協(xié)同作用,保護(hù)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用增強(qiáng),從而緩解了硒對(duì)小麥苗的脅迫。

圖4 DOM存在下,硒處理對(duì)小麥脯氨酸的影響Fig.4 Effect of selenium on the proline content in the presence of DOM

2.4 DOM對(duì)不同濃度Se4+下小麥苗丙二醛含量的影響

丙二醛是衡量植物體內(nèi)脂質(zhì)過氧化大小的一項(xiàng)重要指標(biāo)[6]。由圖5可知,在DOM不存在時(shí),與空白對(duì)比,少量的硒(5 μmol/L)會(huì)使得小麥苗丙二醛減少?？赡苁怯捎诘臀鴮?duì)小麥苗的細(xì)胞膜傷害小,因此作為細(xì)胞膜脂過氧化最重要的產(chǎn)物之一的丙二醛產(chǎn)生的少。低劑量硒有助于植物通過自身的酶系和非酶系防御系統(tǒng)保護(hù)細(xì)胞免受進(jìn)一步氧化損傷[11]。而在高濃度硒(20 μmol/L)作用下,硒對(duì)小麥苗的傷害已經(jīng)超過了其自身的調(diào)節(jié)能力,細(xì)胞膜被嚴(yán)重?fù)p傷,造成丙二醛升高。但當(dāng)加入DOM后,小麥苗的MDA較對(duì)照組的低,丙二醛含量對(duì)比同條件下沒有DOM存在的小麥有明顯降低,這有可能是Se4+與DOM形成了協(xié)同效應(yīng),保護(hù)了植物細(xì)胞膜。

圖5 DOM存在下,硒處理對(duì)小麥苗丙二醛的影響Fig.5 Effect of different concentrations of selenium on the malonaldehyde content in the presence of DOM

本試驗(yàn)結(jié)果表明,外源Se4+含量的提高促進(jìn)了小麥幼苗生長(zhǎng)和脯氨酸含量提高；DOM不存在時(shí),丙二醛含量先降低后升高,DOM存在時(shí),丙二醛含量降低。其機(jī)制可能是Se4+參與調(diào)控植物螯合肽酶的活性；也可能是硒清除了植物體內(nèi)自由基,降低了植物體內(nèi)過氧化物的水平,從而提高了小麥苗的抗氧化能力和對(duì)逆境的抗性[7,12],從而提高小麥幼苗的生理機(jī)能,表現(xiàn)出一定的防護(hù)作用,這些都為作物的生長(zhǎng)奠定了基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

施加相同的外源Se4+,DOM的存在可促使小麥幼苗的生長(zhǎng),增加脯氨酸含量和降低丙二醛含量。在高濃度的Se4+存在時(shí),DOM的效應(yīng)更加明顯。其機(jī)制一方面可能是DOM的營(yíng)養(yǎng)作用,促進(jìn)了小麥苗的生長(zhǎng),增加了植物體對(duì)不良環(huán)境條件的適應(yīng)；另一方面可能是可溶性有機(jī)物表現(xiàn)出與硒的協(xié)同作用,增加了小麥幼苗的抗逆性,降低了細(xì)胞膜脂損傷,從而促進(jìn)了小麥幼苗的生長(zhǎng)。但是,Se4+和可溶性有機(jī)物協(xié)同的劑量關(guān)系及機(jī)理還需進(jìn)一步研究。