硒肥對谷子產量因子及其籽粒富硒效果的影響

李冉, 劉宇航, 梁杉,2, 張敏,2*

(1.北京工商大學食品與健康學院, 北京食品營養與人類健康高精尖創新中心, 北京 100048; 2.北京工商大學食品與健康學院, 北京市食品添加劑工程技術研究中心, 北京 100048)

硒是維系人體正常生理功能的必需微量元素之一，對保證人體健康有著不可或缺的作用。人類飲食中硒的有益攝入量相對較窄，被認為是55～200 μg·g-1。但是，目前全世界約有10億人嚴重缺乏硒，尤其是在中國、非洲、印度和東歐。中國硒資源分布十分不均衡，缺硒地區由東北至西北、西南地區共有15個省區，導致約1億人口膳食中硒含量不足[1]。人體中大約有90%的硒來源于食物。所以作為生物源補硒方式，食用富硒農產品是解決缺硒人口補硒問題最安全、方便、科學和健康的途徑[2]。谷物及其產品是人類飲食硒攝入的主要來源，由于其消耗量高，從谷物及其產品中攝入的硒含量在中國硒攝入量中占比高達70%。谷子是我國的重要谷物類作物，而小米就是谷子脫殼后的產物[3]，是人們鐘愛的糧食作物之一，其消化吸收率高且含有豐富的營養物質[4]。但作為中國北方的主食，與蘑菇和大蒜等高硒作物相比，小米的硒含量普遍較低。有報道指出，葉面噴施硒肥可以起到增加作物的硒富集、產量及增進作物品質的效果[5]。因此，在作物中施用硒肥在改善谷物品質和補硒方面顯示出巨大潛力。

不同作物的硒吸收能力不同。目前，關于硒肥對作物的影響研究，主要集中在水稻、小麥、玉米、油菜、茶、馬鈴薯、芝麻[6]等作物上。近年來，盡管對谷子在富硒方面的研究逐漸增多，但主要集中在單一類型硒肥對谷子的生長狀態和品質的影響等方面[7-10]。綜合比較有機硒肥和無機硒肥對谷子品質的影響，尚無系統報道。富硒谷子具有提升硒營養與改善飲食結構的雙重作用，明確谷子的富硒特性、選擇合適的硒肥、并把握適當的濃度對最大化農業生產利益具有現實意義。基于此，本研究以谷子為研究對象，選擇有機硒肥和無機硒肥(亞硒酸鈉)，比較不同類型不同濃度硒肥對谷子及其籽粒生物富硒效果的影響，探討谷子籽粒的生物富硒機理，以期為富硒谷子的生產提供理論依據，同時也為指導我國食品硒資源的拓展開發提供有價值的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試谷子品種為‘晉谷21號’，來自山西省汾陽市，由山西省農業科學院經濟作物研究所提供。

供試硒肥均來自商業化硒肥，其中有機硒肥是生物富硒增效劑，購自太原市致達順復合肥高科技有限公司；無機硒肥為亞硒酸鈉，為化學純，購自上海泰瑞公司。

1.2 試驗設計

試驗時間為2018年，試驗地點為山西省太原市。選擇有機硒肥和無機硒肥2種硒肥，每種硒肥設計4個濃度處理，分別為0、15、30、60、120 g·hm-2,每個處理3次重復，于灌漿期進行葉面噴施。試驗小區面積4 m2，行距0.3 m，株距0.06 m，150 000～180 000株·hm-2。試驗田四周設有保護行，采取裂區設計。

1.3 測定指標與方法

1.3.1穗部性狀測定 收獲后，每個處理隨機選取3個1 m2的樣地，記錄穗位高、穗粒重、千粒重。穗位高是果穗第一著生節至地面的距離，穗粒重為單個谷穗脫粒的重量，千粒重為1 000個谷粒的重量。

將谷子經自然風干、脫粒、脫殼得到小米樣品，使用非接觸式色差儀及光澤儀(X-Rite VS450 col-orimeter，American)測定米色，將小米倒入色差儀黑色載樣盒中，輕輕按壓以減小籽粒間縫隙，將盛滿小米的載樣盒放入色差儀進行測量。采用b*值作為反映小米色澤的指標。每個樣點3次重復，每次測量重復3次；飽滿度按農業標準《NY/T 1301—2007》[11]分為飽、較飽、中等、欠飽、癟五級；出谷率計算公式如下。

(1)

1.3.2硒含量測定 參照《食品中硒的測定》[12]，應用氫化物原子熒光法測定谷子的硒含量。標準曲線繪制：取1 mL硒元素標準溶液(1 000 μg·mL-1)，用5%的HCl配置1 μg·mL-1中間液。用1 μg·mL-1標準物質溶液，配置濃度分別為1、5、10、20、30 μg·L-1的標準溶液。用AFS-933熒光分光光度計(北京吉天儀器有限公司)測量不同濃度標準溶液的熒光值。以濃度C(μg·L-1)為橫坐標、熒光值為縱坐標，繪制標準曲線。

將經自然風干、脫粒、脫殼得到的谷子籽粒，用小型高速粉碎機粉碎成粉末狀，過100目篩，用AL204梅特勒-托利多天平稱取粉碎樣品0.5 g，置于聚四氟乙烯消解管中，加10 mL硝酸和2 mL過氧化氫，振搖混合均勻，放置一夜進行預消解，后于微波消解儀消化。消解結束待冷卻后，在通風櫥中卸壓并將消化液轉入錐形燒瓶中，在電熱板上加熱趕酸至近干，至1～2 mL，取下冷卻。繼續加入5 mL 6 mol·L-1鹽酸溶液，并用150 ℃電熱板加熱至溶液變為清亮無色，并出現白煙，且剩余1～2 mL后停止加熱并冷卻。最后用超純水定容到25 mL容量瓶內。同時設置試劑空白對照，僅添加10 mL硝酸和2 mL過氧化氫。用AFS-8220原子熒光儀(北京吉天儀器有限公司)檢測得到樣品的硒濃度。原子熒光儀的檢測參數為，負高壓：270 V；燈電流：80 mA；輔助陰極：40 mA；爐高：8 mm；載氣流速：300 mL·min-1；屏蔽氣流速：800 mL·min-1；測量方式：標準曲線法；進樣體積：0.5 mL；讀數方式：峰面積；延遲時間：1 s；讀數時間：10 s；加液時間：6 s。

1.3.3硒形態測定 參照Mobtes-Bayon等[13]進行硒形態(有機形態：SeCys2、MeSeCys、SeMet;無機硒形態：SeⅥ、SeⅣ)測定。稱取0.5 g樣品，加入15 mg酪氨酸蛋白酶XIV(酶活力≥3.5 U·mg-1，pH=7.5)，加入10 mL pH為7.5的5 mmol·L-1檸檬酸溶液于微波消解管中，酶解48 h。微波萃取程序：設置功率為150 W，5 min升溫到37 ℃，37 ℃萃取30 min，降溫冷卻，轉移至離心管中，10 000 r·min-1離心3 min，過0.2 μm水性濾膜，上高效液相色譜—電感耦合等離子體質譜儀(HPLC：SHIMADZU LC-20AT；ICP-MS：Thermo Fisher Series X2)進行分析。流動相：5 mmol·L-1檸檬酸溶液(pH=5.0)；流速：1.2 mL·min-1；柱子：Hamiltion PRP-X100陰離子分析柱。

1.3.4葉黃素含量測定 將谷子籽粒粉末過100目篩后，用天平稱取粉碎樣品0.5 g，置于50 mL聚丙烯離心管中。完全遮光并加入10 mL丙酮溶液，混勻振蕩3 min左右。5 000 r·min-1離心5 min，小心移取上清液至一潔凈的15 mL離心管中，在30 ℃條件下氮吹濃縮，用丙酮溶液定容至1 mL，混勻振蕩，過0.2 μm濾膜，用Agilent1200液相色譜儀(安捷倫)檢測。液相條件，AcclaimTMC30色譜柱：5 μm，4.6 mm×150 mm；柱溫：30 ℃；流速：1 mL·min-1；檢測波長：445 nm；進樣量：10 μL；流動相：甲醇與乙腈等體積混合液。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 19.0軟件，進行數據處理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同硒肥對谷子穗部性狀的影響

由表1可知，谷子的穗位高、穗粒重及其籽粒的千粒重、米色和飽滿度受硒肥類型以及硒濃度的影響均不顯著，而谷子的出谷率隨著硒肥濃度的增加，整體呈先上升后下降的變化趨勢。30 g·hm-2處理的出谷率最佳，為90.93%，顯著高于對照處理(P<0.05)；60、120 g·hm-2處理顯著高于對照處理(P<0.05)，其出谷率分別為92.80%和90.33%。有機硒肥處理的平均出谷率為83.87%～90.93%，僅有30 g·hm-2處理顯著提高了谷子的出谷率；無機硒肥處理的平均出谷率為87.27%～92.80%，60和120 g·hm-2處理顯著提高了谷子的出谷率。表明葉面噴施無機硒肥的增產效果優于有機硒肥。

表1 不同硒肥處理對谷子穗部性狀的影響Table 1 Effects of different selenium fertilizers treatments on panicle traits of millet

2.2 不同硒肥對谷子籽粒硒含量的影響

不同處理的谷子籽粒硒含量結果(圖1)顯示，當噴施不同濃度有機硒肥時，谷子籽粒的硒含量與對照相比無顯著差異；無機硒肥濃度為30、60、120 g·hm-2時，谷子籽粒的硒含量顯著高于相應濃度的有機硒肥處理(P<0.05)，說明噴施無機硒肥谷子的硒富集能力較強。噴施60、120 g·hm-2濃度無機硒肥的谷子籽粒硒含量均顯著高于對照(P<0.05)，其中以60 g·hm-2無機硒肥處理的硒含量最高，但與120 g·hm-2無機硒肥處理無顯著差異(P>0.05)。因此認為，谷子以葉面噴施無機硒肥60 g·hm-2時經濟效益最佳，此時谷子的籽粒硒含量可達到1.09 mg·kg-1。

注：不同英文小寫字母表示相同硒肥類型不同濃度處理間差異在P<0.05水平具有顯著性，不同希臘字母表示相同濃度不同硒肥類型處理間差異在P<0.05水平具有顯著性。Note: Different lowercase English letters represent significant difference between different concentrations treatments of the same selenium fertilizer at P<0.05 level, different lowercase Greek letters represent significant difference between different selenium fertilizer types with the same concentration at P<0.05 level.圖1 不同硒肥處理對谷子籽粒硒含量的影響Fig.1 Effects of different selenium fertilizer treatments on selenium content in millet

2.3 不同硒肥對谷子籽粒硒形態的影響

谷子籽粒樣品中的硒形態分析結果見圖2，可知無論有機硒肥還是無機硒肥處理，谷子籽粒中的硒均主要為有機硒形態，其中有硒代胱氨酸(selenocystine,SeCys)和硒代蛋氨酸(selenomethionine,SeMet)被檢出，且SeCys含量高于SeMet，其他形態均未被檢出。無機硒肥處理中的兩種有機硒含量均顯著高于有機硒肥處理(P<0.05)。

注：不同小寫字母表示不同硒肥處理間差異在P<0.05水平具有顯著性。Note: Different small letters indicate significant difference between different selenium fertilizer treatments at P<0.05 level.圖2 不同硒肥類型對谷子籽粒硒形態的影響Fig.2 Effects of different selenium fertilizer types on selenium morphology in millet

2.4 不同硒肥對谷子籽粒葉黃素含量的影響

米色是谷子籽粒外觀的重要參考指標，也是衡量其商品價值的標準之一。葉黃素含量高的小米米色更黃。由圖3可知，與對照相比，葉面噴施有機硒肥和無機硒肥處理的籽粒中葉黃素含量均無顯著變化(P>0.05)，不同濃度處理之間、相同濃度不同硒肥處理之間也均沒有顯著差異(P>0.05)，表明外源硒對籽粒的米色和葉黃素含量均無影響。

圖3 不同硒肥處理對谷子籽粒葉黃素含量的影響Fig.3 Effects of different selenium fertilizer treatments on lutein content in millet

3 討論

本研究發現，葉面噴施硒肥可增加谷子的出谷率，30 g·hm-2有機硒肥、60 g·hm-2無機硒肥、120 g·hm-2無機硒肥處理均顯著提高了谷子的出谷率。王淑君等[14]研究發現，出谷率與谷子產量呈顯著正相關，出谷率高的處理谷子產量也高。因此認為，噴灑有機硒肥和無機硒肥均可增加谷子產量，這與在油菜[15]、水稻[16]、扁豆[17]、小麥[18]上的研究結果一致。硒肥增加作物產量的原因，可能是低濃度硒增強了植株的呼吸作用以及抗氧化活性[18-19]。然而，其機理需要進一步研究。

作為非必需營養元素，硒對植物生長具有雙重作用，即低濃度促進，高濃度抑制[20]。郭文慧等[21]研究發現，亞硒酸鈉作為硒源，且基施(土施)濃度不超過8 mg·kg-1時，均可促進紫甘薯各部位的生長，但其促進作用隨著施硒量的增加而下降。低于5 mg·kg-1的施硒量可以促進小白菜等作物的生長[22]。Liu等[23]研究表明，當對小麥施用的亞硒酸鹽濃度為15 mg·kg-1時，根芽部位的生長量均有所降低。付冬冬等[24]研究表明，外源硒對小麥產量的促進作用呈現先升高后降低的趨勢，超過一定濃度對小麥產量有抑制作用。本研究也發現，葉面噴施不同類型不同濃度硒肥，谷子的出谷率隨著硒肥濃度的增加整體呈先上升后下降趨勢。低濃度硒對植物表現出不同程度的促進作用，主要是因為低濃度硒通過增強植物光合作用，促進植物生長，而高濃度硒干擾了植物體內硫的正常代謝，影響了蛋白質、碳水化合物等生物大分子的合成，進而對植株生長起到抑制作用[24]。從實用、經濟的角度出發，谷子栽培過程中，以葉面噴施60 g·hm-2的無機硒肥為宜。

很多研究發現，噴施硒肥對小麥硒含量有顯著促進作用[25-27]。但本研究發現，噴施不同濃度有機硒肥對谷子籽粒的硒含量沒有顯著性影響，而噴施無機硒肥可以顯著提高谷子籽粒中的硒含量。這與其他使用亞硒酸鈉的富硒研究一致[28]，說明谷子對亞硒酸鈉反應敏感。這可能是因為亞硒酸鹽在植物體內的吸收轉運機制相對獨立[29]，主要通過磷酸鹽轉運機制進行[30]，使其有更高的轉運效率。因此，葉面噴施無機硒肥可以作為谷子富硒生產的措施。葉面噴施60 g·hm-2無機硒肥時，谷子的硒含量可以達到1.09 mg·kg-1。

從人類營養角度來看，植物可食用部位的硒形態是非常關鍵的，多種動物模型試驗結果均表明，在生物利用率方面，有機硒高于無機硒。因為硒與硫為同一主族元素且性質相近，硒被植物吸收之后，不但會隨硫轉運家族一同被運輸，而且能夠參與硫的代謝和同化作用，代替蛋白質中甲硫氨酸和半胱氨酸中的硫，形成硒代氨基酸[31]。本研究發現，谷子籽粒中的硒形態主要為有機硒，這與Carey等[32]研究的水稻籽粒的結果一致?？梢?，富硒谷子是補硒產品的一種良好選擇。谷子中的有機硒為硒代胱氨酸和硒代蛋氨酸，無機硒肥處理的硒代胱氨酸和硒代蛋氨酸含量均顯著高于有機硒肥處理，說明添加無機硒肥較添加有機硒肥對谷子籽粒的硒有機化效果更好。

對于谷子籽粒的外觀品質來說，米色同樣是一種參考指標。有研究發現，籽粒中的葉黃素含量對其米色等外觀品質有很大影響[33]。本研究發現，葉面噴施不同濃度有機硒肥和無機硒肥對谷子籽粒葉黃素含量和米色均無顯著性影響，表明外源添加硒對籽粒的葉黃素含量影響不大?？梢?，外源添加有機硒肥能有效提高谷子的出谷率和硒含量，且不會影響小米的米色，這對生產富硒谷子及有效提升居民飲食中的硒水平具有一定的借鑒意義。