溶解性有機物影響下小麥苗對外源硒的吸收和生理特性研究

萬鷹昕,劉偉,李楠

(北京聯合大學 生物化學工程學院,北京 100023)

植物里所含有的硒元素被認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,從而提高植株的抗逆性和抗衰老能力[3]。土壤有機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物(以下簡稱DOM)是經水從有機物質中浸提的后經0.45 μm濾膜過濾的有機物總稱[4]。雖然土壤總有機質中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系。本研究探討DOM對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,為富硒產品的研發提供幫助。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

小麥種子(鄭麥9023)；Na2SeO3,分析純；鹽酸、硝酸、高氯酸均為優級純；實驗用水為去離子水；草炭土(德國大漢牌草炭土),基本理化性質如下[5]：pH 4.78、總Se 0.671 mg/kg、有機質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電熱恒溫鼓風干燥箱；UV-800分光光度計；AFS-230原子熒光光度計。

1.2 草炭土中DOM的提取

草炭土經自然風干磨碎,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 實驗方法

采用水培盆栽法。設置對照組和試驗組,其中對照組為不添加亞硒酸鈉和可溶性有機物,試驗組的亞硒酸鈉濃度分別為5,10,20 mol/L,添加的可溶性有機物的量分別為0,150 mL。每個處理重復3次。

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

1.4 樣品處理

收獲連根的小麥苗,用水沖洗,測定麥苗株高。將小麥苗分兩部分處理。一部分麥苗收獲后立即測定其生理指標,采用分光光度法測定丙二醛含量[6],采用茚三酮法測定脯氨酸含量[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,采用氫化物發生-原子熒光光譜法測定硒的含量[7]。

用SPSS軟件統計分析數據。

2 結果與討論

2.1 DOM對小麥苗生長情況的影響

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

圖1 DOM存在下,硒處理對小麥苗株高的影響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時硒含量達到最多,為728.45 μg/g。經spss分析,無論是加硒組,還是加硒加DOM組,施硒量對小麥苗根中硒的含量有著顯著影響(p<0.01)。但當比較同一外源亞硒酸鈉的施加量時,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硒的累積。

圖3 DOM對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

隨營養液中硒含量的增加,小麥苗對硒的吸收富集能力與根部表現不同。由圖3可知,當未添加可溶性有機物時,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%,但當培養液中硒增加到20 μmol/L時,小麥苗中硒的含量并未增加?？扇苄杂袡C物的存在對小麥苗吸收硒的影響在外源施硒量在5 μmol/L和10 μmol/L時并不顯著。但在高亞硒酸鈉(20 μmol/L)施加中,可溶性有機物對小麥苗中硒累積量的降低尤為明顯,較不添加可溶性有機物培養時,小麥苗硒含量降低了56.92%。經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論,在一定外源硒的添加范圍,小麥苗的根和葉部硒隨培養液中硒含量的增加而升高。這是因為根是植物體中最重要的絡合重金屬的部位。但當施加的硒含量在20 μmol/L時,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時較10 μmol/L下降。小麥苗葉部硒積累量遠小于根部,這主要是因為小麥苗采取水培方式,水中的硒被根部吸收,但轉運到葉部的大為降低。當DOM存在時,DOM中大量的—OH、—COOH、—C—O等基團與Se4+螯合[10],降低了根部對硒的吸收,同時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于不良環境[6],重金屬污染的環境下脯氨酸的含量被認為是植物的一種生理生化反應[7]。由圖4可知,在0～20 μmol/L施硒范圍內,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時達到最大。在不添加DOM組,施硒量為20 μmol/L與5 μmol/L時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,DOM對小麥苗脯氨酸的影響不明顯。而在硒含量為20 μmol/L時,脯氨酸的含量(134 μg/g)與不加入DOM(124 μg/g)相比增加了8.06%,說明可溶性有機物與硒產生協同作用,保護細胞膜結構穩定的作用增強,從而緩解了硒對小麥苗的脅迫。

圖4 DOM存在下,硒處理對小麥脯氨酸的影響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脂質過氧化大小的一項重要指標[6]。由圖5可知,在DOM不存在時,與空白對比,少量的硒(5 μmol/L)會使得小麥苗丙二醛減少?？赡苁怯捎诘臀鴮π←溍绲募毎π?因此作為細胞膜脂過氧化最重要的產物之一的丙二醛產生的少。低劑量硒有助于植物通過自身的酶系和非酶系防御系統保護細胞免受進一步氧化損傷[11]。而在高濃度硒(20 μmol/L)作用下,硒對小麥苗的傷害已經超過了其自身的調節能力,細胞膜被嚴重損傷,造成丙二醛升高。但當加入DOM后,小麥苗的MDA較對照組的低,丙二醛含量對比同條件下沒有DOM存在的小麥有明顯降低,這有可能是Se4+與DOM形成了協同效應,保護了植物細胞膜。

圖5 DOM存在下,硒處理對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

本試驗結果表明,外源Se4+含量的提高促進了小麥幼苗生長和脯氨酸含量提高；DOM不存在時,丙二醛含量先降低后升高,DOM存在時,丙二醛含量降低。其機制可能是Se4+參與調控植物螯合肽酶的活性；也可能是硒清除了植物體內自由基,降低了植物體內過氧化物的水平,從而提高了小麥苗的抗氧化能力和對逆境的抗性[7,12],從而提高小麥幼苗的生理機能,表現出一定的防護作用,這些都為作物的生長奠定了基礎。

3 結論

施加相同的外源Se4+,DOM的存在可促使小麥幼苗的生長,增加脯氨酸含量和降低丙二醛含量。在高濃度的Se4+存在時,DOM的效應更加明顯。其機制一方面可能是DOM的營養作用,促進了小麥苗的生長,增加了植物體對不良環境條件的適應；另一方面可能是可溶性有機物表現出與硒的協同作用,增加了小麥幼苗的抗逆性,降低了細胞膜脂損傷,從而促進了小麥幼苗的生長。但是,Se4+和可溶性有機物協同的劑量關系及機理還需進一步研究。