葉面噴施硒肥對(duì)不同基因型谷子農(nóng)藝性狀及籽粒硒含量的影響

岳琳祺, 郭佳暉, 白雄輝, 施衛(wèi)萍, 郭平毅, 郭杰

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

硒是人體必需的微量元素，對(duì)生物體的新陳代謝及植物的生長(zhǎng)發(fā)育具有重要作用。硒參與細(xì)胞免疫、抗氧化、DNA保護(hù)和修復(fù)等基礎(chǔ)生物學(xué)過(guò)程，并且可以預(yù)防癌癥、抑制癌細(xì)胞增殖[1-3]。缺硒會(huì)導(dǎo)致甲狀腺功能減退、心血管疾病、免疫系統(tǒng)減弱、認(rèn)知能力下降及增加各種癌癥的發(fā)病率[4-6]。然而硒在地球上的豐度很低，我國(guó)地殼中硒含量的豐度為0.058 mg·kg-1，低于世界平均水平，是硒缺乏較嚴(yán)重的國(guó)家之一[7]。由于人體不能直接合成硒，通過(guò)食物吸收是人體補(bǔ)充硒最主要、最安全的途徑，因此，提高作物的富硒能力、增加作物體內(nèi)的硒含量對(duì)改善人類(lèi)健康問(wèn)題具有重要意義[8]。

谷子(SetariaitalicaL.)起源于我國(guó)，具有抗旱、耐貧瘠、水分利用率高、適應(yīng)性強(qiáng)、生育期短等特點(diǎn)，非常適于我國(guó)干旱半干旱地區(qū)種植。其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富，富含蛋白質(zhì)、脂肪、膳食纖維、抗氧化劑、植物化學(xué)物質(zhì)和多酚等，具有較高的保健作用[9-10]。葉面噴施亞硒酸鈉可以提升谷子的光合特性，增加穗重、穗粒重及千粒重，提高谷子產(chǎn)量[11]。適當(dāng)濃度的硒肥可以促進(jìn)谷子生長(zhǎng)發(fā)育，提高谷子籽粒硒含量[12]。不同生育期內(nèi)噴施亞硒酸鈉可以改善谷子品質(zhì)，增加谷子的葉酸、粗蛋白和脂肪含量[13]。但硒對(duì)谷子的影響存在品種間差異性，韓昀樺[14]對(duì)52份谷子材料灌漿期噴施67.84 g·hm-2亞硒酸鈉， 發(fā)現(xiàn)5份品種在硒處理后穗長(zhǎng)增加，而7份品種在硒處理后穗長(zhǎng)降低。楊亮等[15]通過(guò)對(duì)99份小麥材料進(jìn)行高濃度硒處理，發(fā)現(xiàn)不同小麥品種的株高、千粒重、有效葉面積等農(nóng)藝性狀對(duì)硒處理的響應(yīng)差異較大，高濃度硒使29份小麥品種千粒重下降，40份小麥品種葉片SPAD值增加。可見(jiàn)，不同遺傳背景的材料富硒能力及硒敏感性存在較大差異，然而目前硒處理對(duì)谷子影響的研究多以單一品系或單一生態(tài)區(qū)的種質(zhì)為研究材料，未系統(tǒng)性地探究不同谷子種質(zhì)資源富硒能力及硒敏感性差異。本研究擬選取31份不同地理位置及來(lái)源的谷子為材料，抽穗期噴施110 g·hm-2亞硒酸鈉，比較它們農(nóng)藝性狀及硒含量的變化，并結(jié)合聚類(lèi)分析及主成分分析，篩選具有較強(qiáng)富硒能力的谷子品種，以期為缺硒地區(qū)谷子品種選育提供借鑒，同時(shí)為谷子富硒機(jī)理研究提供材料。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院作物遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供，經(jīng)前期試驗(yàn)從200份谷子種質(zhì)資源中篩選出31份表型差異較大的品種(表1)，分別來(lái)自不同的生態(tài)區(qū)且遺傳背景具有較大差異，其中，山西9份，河北4份，甘肅、河南、黑龍江各1份，其余品種來(lái)源不詳。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)田間試驗(yàn)于2019年5—10月在山西省晉中市太谷區(qū)山西農(nóng)業(yè)大學(xué)申奉試驗(yàn)基地進(jìn)行。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)面積10 m2，一小區(qū)10行，行長(zhǎng)2 m，行寬0.5 m，每行100粒開(kāi)溝點(diǎn)播，株距2 cm，設(shè)置三次重復(fù)。

于抽穗期對(duì)31份谷子材料噴施亞硒酸鈉溶液，前期研究結(jié)果表明，葉面噴施110 g·hm-2的亞硒酸鈉可顯著提高谷子品種的籽粒硒含量[16-18]，因此選擇硒處理濃度為110 g·hm-2，并設(shè)置清水對(duì)照，兌水量為450 L·hm-2。

1.2.2農(nóng)藝性狀測(cè)定于谷子成熟期取樣，每個(gè)品種取三次重復(fù)，風(fēng)干后參照《谷子種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[19]測(cè)量株高(plant height, PH),莖粗(stem diameter, SD)、穗長(zhǎng)(panicle length, PL)、穗粗(panicle diameter, PD)穗重(spike wieght, SW)、穗粒重(spike grain weight, SGW)、千粒重(thousand-grain weight, TGW)、穗碼數(shù)(spike number, SN)。

1.2.3籽粒硒含量的測(cè)定稱(chēng)取0.3 g研磨成粉狀的籽粒樣品裝入消解管，加入6 mL濃硝酸和2 mL雙氧水在微波消解儀(CEM MARS6)中進(jìn)行消解，消解液在170 ℃趕酸儀(北京安南科技，EHD-24)內(nèi)趕酸，溶液剩余1 mL時(shí)冷卻定容至10 mL容量瓶中，用一次性針膜過(guò)濾后，用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS，Thermo iCAP QC)測(cè)定溶液中的硒含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 23方差分析及聚類(lèi)分析，用R語(yǔ)言(R3.6.0)FactoMineR和factoextra進(jìn)行主成分分析，并用corrplot和ggplot2做主成分因子載荷圖[20]，用Sigmaplot 14.0和OriginPro 2015繪制圖表[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉面噴施硒肥對(duì)谷子主要農(nóng)藝性狀的影響

從圖1可以看出，硒處理后谷子平均穗長(zhǎng)24.7 cm，比對(duì)照增加0.4 cm，差異不顯著(P>0.05)；硒處理后平均穗粗27.68 mm，增加了1.55 mm，差異顯著(P<0.05)；穗重極顯著提高(P<0.01)，平均穗重25.80 g，增加3.66 g；硒處理也顯著提高了谷子的穗粒重(P<0.05)，平均穗粒重增加了3.091 g。從圖1還可以看出，硒處理降低了谷子的穗碼數(shù)，平均穗碼數(shù)比對(duì)照少了3個(gè)，千粒重增加了0.084 g，差異不顯著(P>0.05)；株高和莖粗噴硒處理后都有極顯著的下降(P<0.01)，分別比對(duì)照下降了6.1 cm和0.69 mm。結(jié)果說(shuō)明，葉面噴施硒肥增加了谷子的穗粗、穗重、穗粒重，降低了株高和莖粗。

表1 31份谷子品種名稱(chēng)及來(lái)源Table 1 Names and sources of 31 foxtail millet varieties

2.2 葉面噴施硒肥對(duì)不同品種谷子穗部性狀的影響

在抽穗期噴施110 g·hm-2的亞硒酸鈉后，不同谷子品種的穗部性狀(穗長(zhǎng)、穗粗、穗重、穗粒重、穗碼數(shù)、千粒重)變化存在差異(圖2)。20個(gè)谷子品種的穗長(zhǎng)都有所增加，長(zhǎng)穗7和山西紅谷在硒處理后穗長(zhǎng)顯著(P<0.05)增加，增幅分別為6.43和3.97 cm，三變臉在硒處理后穗長(zhǎng)顯著降低(P<0.05)，降幅為6.27 cm；硒處理后谷子的穗粗總體呈增加趨勢(shì)，97外引4、長(zhǎng)穗7、三變臉、特黃2、寬九、山西紅谷的穗粗增幅都在5 mm以上，其中長(zhǎng)穗7的增幅最大，為6.66 mm，夏2、97鑒5和瓦屋里在硒處理之后穗粗均有明顯下降，其中瓦屋里降幅最大，為7.14 mm；31份參試品種中僅夏2和97鑒5的穗重表現(xiàn)出抑制作用，其余品種均表現(xiàn)為促進(jìn)作用，增幅最大的品種為97外引4，增幅達(dá)到10.290 g；長(zhǎng)穗7的穗粒重在硒處理后顯著增加(P<0.05)，增幅達(dá)13.121 g，壩谷232(7.889 g)、長(zhǎng)穗2(9.745 g)、特黃2(7.378 g)和山西紅谷(6.211 g)增幅均在50%以上，97鑒5的穗粒重降幅較大，達(dá)7.808 g；穗碼數(shù)總體呈下降趨勢(shì)，地方品種三變臉的穗碼數(shù)降幅最大，11份品種的穗碼數(shù)增加，但僅長(zhǎng)穗7(34)、黑谷(29)的增幅較明顯；不同品種的千粒重對(duì)硒肥的響應(yīng)差異較大，半數(shù)的品種表現(xiàn)出千粒重增加，半數(shù)的品種千粒重減少，變幅集中在0.5 g以?xún)?nèi)，地方品種狗尾谷的變幅最大，較對(duì)照千粒重減少了1.470 g。

注：*和**分別表示與對(duì)照相比在P<0.05和 P<0.01水平差異顯著。Note: * and ** indicate significant differences at P<0.05 and P<0.01 levels compared with CK, respectively.圖1 硒處理對(duì)谷子農(nóng)藝性狀的影響Fig.1 Effect of selenium treatment on agronomic characters of foxtail millet

2.3 葉面噴施硒肥對(duì)不同品種谷子株高、莖粗的影響

如圖3所示，22份谷子品種的株高較對(duì)照下降，97外引4、紫稈青和瓦屋里的株高顯著降低(P<0.05)，瓦屋里的降幅最大，達(dá)30.7 cm，其余品種的降幅主要集中在10～20 cm，9個(gè)品種的株高表現(xiàn)出增加趨勢(shì)，生矮2號(hào)的增幅最大，為16.9 cm。31份谷子品種中，21份品種表現(xiàn)為莖粗下降，且降幅主要集中在2～4 mm，降幅最大的是沁州黃(3.60 mm)，其次是瓦屋里(3.35 mm)，均為地方品種，10份品種表現(xiàn)為莖粗增加，長(zhǎng)穗2的增幅最大，達(dá)3.50 mm。

2.4 葉面噴施硒肥對(duì)谷子籽粒硒含量的影響

葉面噴施硒肥對(duì)谷子籽粒硒含量有較大影響，不同谷子品種籽粒硒含量也存在明顯差異。硒處理前，谷子籽粒硒平均含量為0.103 mg·kg-1；硒處理后，谷子籽粒硒平均含量為0.130 mg·kg-1，提高了26%。從圖4可以看出，品種之間差異明顯，31份種質(zhì)資源中，壩谷232、狗尾谷、壩矮2、生矮2號(hào)的硒含量增值均在0.050 mg·kg-1以上，狗尾谷的增值最大，為0.069 mg·kg-1；長(zhǎng)穗7、紫稈青、沁州黃、豫谷11的硒含量增值均在0.010 mg·kg-1以下，沁州黃的增值最小，為0.003 mg·kg-1。

2.5 谷子種質(zhì)資源的聚類(lèi)分析

根據(jù)不同品種谷子硒處理后農(nóng)藝性狀的變化值做聚類(lèi)分析，在歐氏距離20處，可將31份谷子種質(zhì)資源分成4類(lèi)，三變臉為第一類(lèi)，表現(xiàn)為穗粗、千粒重增加，穗長(zhǎng)、穗重、穗粒重、穗碼數(shù)、株高、莖粗均下降且降幅較大，可見(jiàn)，110 g·hm-2的亞硒酸鈉對(duì)三變臉的生長(zhǎng)多表現(xiàn)為抑制作用；長(zhǎng)穗7為第二類(lèi)，除株高變化不明顯外，其余農(nóng)藝性狀均表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，且多數(shù)農(nóng)藝性狀增幅較大，表明110 g·hm-2的硒濃度對(duì)長(zhǎng)穗7的生長(zhǎng)有較好的促進(jìn)作用。瓦屋里、97鑒5、夏2為第三類(lèi)，表現(xiàn)為穗粗明顯下降，株高、莖粗也均呈下降趨勢(shì)。其余品種聚成一類(lèi)。

2.6 谷子種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀及硒含量的主成分分析

通過(guò)對(duì)31份谷子種質(zhì)資源8個(gè)農(nóng)藝性狀及硒含量進(jìn)行主成分分析，結(jié)果見(jiàn)表2，谷子品種間的差異主要集中在前4個(gè)主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)76.11%。其中，第一主成分的特征值為2.43，貢獻(xiàn)率為27.01%；第二主成分的特征值為2.32，貢獻(xiàn)率為25.76%；第三主成分的特征值為1.23，貢獻(xiàn)率為13.2%；主成分四特征值為0.87，貢獻(xiàn)率為9.63%。

圖2 硒處理后不同谷子品種穗部性狀的變化Fig.2 Change of panicle traits of different foxtail millet varieties after selenium treatment

圖3 硒處理后不同谷子品種株高、莖粗的變化Fig.3 Change of plant height and steam diameter of different foxtail millet varieties after selenium treatment

圖5 谷子種質(zhì)資源聚類(lèi)結(jié)果Fig.5 Cluster of foxtail millet germplasm resources

根據(jù)每個(gè)主成分的因子構(gòu)成做主成分因子載荷圖(圖6)可以看出，主成分1主要由穗重和穗粒重構(gòu)成，主成分2主要由穗長(zhǎng)和硒含量構(gòu)成，主成分3主要由穗碼數(shù)構(gòu)成，主成分4主要由千粒重因子構(gòu)成。

表2 谷子主要農(nóng)藝性狀特征值及貢獻(xiàn)率Table 2 Characteristic values and contribution rates of main agronomic traits of foxtail millet

圖6 主成分因子載荷Fig.6 Principal component factors distribution

3 討論

硒是體內(nèi)抗氧化酶的重要組成部分，具有增強(qiáng)人體免疫力、預(yù)防癌癥及心血管疾病、促進(jìn)新陳代謝等功能，對(duì)人體健康具有重要意義[21-25]。我國(guó)約72%的地區(qū)為缺硒地區(qū)，因此，通過(guò)提升植物體內(nèi)的硒含量，增加硒攝入量，對(duì)改善缺硒現(xiàn)象具有重要作用[26]。本研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)31份谷子種質(zhì)資源抽穗期噴施110 g·hm-2亞硒酸鈉后，不同谷子品種農(nóng)藝性狀及硒含量的變化存在較大差異。

3.1 硒處理對(duì)谷子農(nóng)藝性狀的影響

抽穗期噴施110 g·hm-2的亞硒酸鈉后，谷子的穗長(zhǎng)、穗粗、穗重、穗粒重、千粒重有所增加，穗碼數(shù)、株高和莖粗呈下降趨勢(shì)。吳季蓉[27]在不同時(shí)期對(duì)谷子葉片噴施不同濃度的亞硒酸鈉，研究結(jié)果顯示，適宜濃度的外源硒對(duì)谷子的穗長(zhǎng)、穗粗、穗重和千粒重均有一定的促進(jìn)作用，在抽穗期噴施33.92 g·hm-2的亞硒酸鈉，對(duì)谷子的株高也具有促進(jìn)作用。本研究中，抽穗期噴施110 g·hm-2的亞硒酸鈉使谷子株高表現(xiàn)出抑制作用，相比對(duì)照顯著下降，因此，較高的硒濃度可能對(duì)谷子的生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響。其他作物中也有類(lèi)似的結(jié)果，李根林等[28]在小麥的研究中發(fā)現(xiàn)，噴施亞硒酸鈉可以增加小麥的穗長(zhǎng)、結(jié)實(shí)小穗、成穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重，降低小麥的株高。此外，本研究通過(guò)比較硒肥處理后不同谷子品種農(nóng)藝性狀的變化發(fā)現(xiàn)，110 g·hm-2的硒濃度下不同谷子品種各農(nóng)藝性狀的變化差異較大，可見(jiàn)不同基因型谷子硒敏感性不同。

3.2 硒處理對(duì)谷子硒含量的影響

Liu等[29]測(cè)定來(lái)自不同地區(qū)的200份谷子材料的硒含量，發(fā)現(xiàn)硒含量平均值為0.100 mg·kg-1，其中來(lái)自山西地區(qū)的谷子硒含量平均值最高，達(dá)0.110 mg·kg-1。本研究供試的31份品種平均硒含量為0.103 mg·kg-1，硒含量范圍從0.052(壩矮2)～0.158(夏2)mg·kg-1，有9份品種來(lái)自山西，硒含量均值為0.109 mg·kg-1，高于平均值。硒肥處理后，31份谷子品種硒含量均有提高，增幅范圍在0.003(沁州黃)～0.069(狗尾谷)mg·kg-1，可見(jiàn)，不同品種對(duì)硒肥的響應(yīng)差異較大，狗尾谷在硒肥處理后硒含量有較大的提升，體現(xiàn)了較強(qiáng)的富硒能力。

3.3 谷子種質(zhì)資源硒敏感性聚類(lèi)分析及主成分分析

聚類(lèi)分析廣泛應(yīng)用于谷子、小麥等種質(zhì)資源的篩選和評(píng)價(jià)[30-34]，苑乂川等[35]通過(guò)對(duì)160份谷子種質(zhì)資源苗期耐低磷性進(jìn)行聚類(lèi)分析，將材料分為四類(lèi)，分別為低磷敏感型、低磷較敏感型、較耐低磷型和耐低磷型。韓飛等[36]通過(guò)對(duì)63份谷子種質(zhì)資源進(jìn)行聚類(lèi)分析，根據(jù)材料的耐鹽性將材料分為四類(lèi)，分別為極端耐鹽種質(zhì)、耐鹽種質(zhì)、鹽敏感種質(zhì)和極端鹽敏感種質(zhì)，并篩選出峰紅谷、晉汾106號(hào)、晉谷57、汾特11號(hào)、濟(jì)谷16共5份耐鹽種質(zhì)。本試驗(yàn)將31份谷子種質(zhì)資源分為4類(lèi)，第一類(lèi)材料為硒敏感型材料三變臉，施硒后農(nóng)藝性狀明顯下降，對(duì)110 g·hm-2的亞硒酸鈉耐性較差；第二類(lèi)材料為耐硒型材料長(zhǎng)穗7，表現(xiàn)為噴施硒肥后農(nóng)藝性狀有較明顯的提升，對(duì)110 g·hm-2的硒處理耐性較好；其余材料分別聚為第三類(lèi)和第四類(lèi)。由此表明，較高的硒濃度會(huì)對(duì)硒敏感型品種的生長(zhǎng)發(fā)育造成不利影響，但是對(duì)耐硒性較好的材料，高濃度硒處理會(huì)促進(jìn)其生長(zhǎng)發(fā)育，從而有效改善性狀表現(xiàn)，提高產(chǎn)量及品質(zhì)。通過(guò)對(duì)谷子農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分分析，結(jié)果顯示，谷子品種差異主要集中在前四個(gè)主成分，分別對(duì)應(yīng)的主要載荷因子為穗重、穗粒重，穗長(zhǎng)、硒含量，穗碼數(shù)，千粒重。除有正向效應(yīng)的載荷因子外，主成分二、三、四中均存在負(fù)載荷因子，其中，穗粗是主成分二中負(fù)值較大的載荷因子，表現(xiàn)為穗粗越大，穗長(zhǎng)和硒含量的值相對(duì)減少。陳茜午等[37]對(duì)56份谷子種質(zhì)資源主要農(nóng)藝性狀的主成分分析中發(fā)現(xiàn)，主莖節(jié)數(shù)是第一主成分中的負(fù)載荷因子，主莖節(jié)數(shù)增加，穗重和穗粒重減少。可見(jiàn)，農(nóng)藝性狀間存在矛盾關(guān)系，增強(qiáng)優(yōu)良性狀并平衡好各農(nóng)藝性狀，才可以有效提高產(chǎn)量，提升育種效率。