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

(貴州大學農學院，貴陽 550025)

硒(Selenium，Se)被稱為人體生命的保護劑，兼具營養和解毒功能，對人體具有積極作用，可提高人體免疫力和預防癌癥[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，可通過種植富硒農作物，繼而加工成富硒農產品，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)在提高馬鈴薯產量的同時還可以提高土壤肥力。宋麗芳等[4]研究發現，適量外源硒(2.5～5.0 mg/L)能夠促進苦蕎生長發育，提高產量及籽粒硒含量。因此，作物種植過程中應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異常區。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基地[7]。鎘脅迫下，農作物產量和品質均會受到影響，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量和品質，隨著Cd2＋濃度增加，馬鈴薯塊莖鮮質量顯著降低，干質量、比重、干物質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 含量呈現出顯著相關性(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。

據相關文獻報道，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，并且這種作用表現出雙重效應[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，逐漸演變成協同作用。相應的，低濃度的硒能緩解鎘的毒害作用，當硒濃度過高時，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，當鎘進入植物體內導致氧化應激反應時，一定濃度的硒還能提高相關酶的活性，減輕氧化應激反應[16]。王華等[17]研究表明，適量的Se(2.5 mg/L)可提高白術幼苗的光合作用和促進白術幼苗的生長，過量的Se (≥5 mg/L)則會對其產生抑制作用。由此可見，外源硒緩解鎘毒害作用的效應值得進一步探討。

目前，不論是硒、鎘單獨處理，還是硒鎘復合作用對馬鈴薯短期影響的相關研究還較少。本研究設置不同水平的硒、鎘濃度，研究單一硒、鎘及硒與鎘復合對馬鈴薯的短期毒性作用，并探討硒鎘復合所產生的效應，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機理，以為威寧縣馬鈴薯生產提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試馬鈴薯品種為興佳2 號，由貴州大學農學院提供。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: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36.24 g/kg、全硒0.82 mg/kg、全鎘0.13 mg/kg。

1.2 試驗設計

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。準確稱取5 kg 土壤放入花盆中，將不同質量濃度的硒、鎘配制成對應的鎘和硒溶液后，均勻加入土壤中，放在室內培養。每天記錄室溫并適當補充水分，試驗期間平均氣溫為12 ℃。

1.2.2 試驗設計

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)。

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

表1 硒、鎘及硒鎘復合處理設計表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西校區崇學樓農學院實驗室。

1.3 測定指標及方法

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譜儀(ICP－MS)測定重金屬硒、鎘含量。為保證所測數據真實有效，試驗中均設置平行樣，采用國家馬鈴薯標準物質進行質量控制，所有酸試劑純度均為優級純。

1.3.2 馬鈴薯根長、芽長、根和芽鮮質量

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量并記錄數據。

1.3.3 馬鈴薯植株過氧化物酶

過氧化物酶采用愈創木酚法測定[18]。

1.3.4 土壤理化性質及硒、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譜儀(ICP－MS)測定。土壤理化性質采用常規分析方法測定[19]。

1.4 數據分析

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

2 結果與分析

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、根鮮質量最大，Se3(Se 16 mg/kg)處理馬鈴薯的芽長、芽鮮質量最大，且各處理與CK 的差異均達顯著水平。根長、根鮮質量在Se 含量超過20 mg/kg后開始下降，芽長、芽鮮質量在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、根鮮質量)、芽(芽長、芽鮮質量)均為最低值，較CK處理差異顯著。根長、根鮮質量、芽長、芽鮮質量分別降低了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

不同硒鎘復合處理馬鈴薯根、芽生長情況如表3。由表可見，芽鮮質量、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合對馬鈴薯芽的生長表現出拮抗效應。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合對馬鈴薯芽的生長表現出協同效應，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，此時硒與鎘復合呈現出來的效應維持在較穩定水平，有利于馬鈴薯芽的生長。

表3 不同硒鎘復合處理的馬鈴薯根、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合對馬鈴薯根的生長表現出拮抗效應。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，硒與鎘復合對馬鈴薯根的生長表現出協同效應，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合對馬鈴薯根長的影響表現出強烈的拮抗效應，生物效應最好。

2.2 硒、鎘對馬鈴薯植株過氧化物酶活性的影響

根據表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生了脅迫作用，加劇了馬鈴薯植株內膜脂過氧化作用，對馬鈴薯發芽期的生長表現出抑制作用，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POD 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，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，細胞內活性氧的產生與清除間平衡狀態被打破，導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膜脂過氧化作用，硒和鎘的拮抗效應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，硒與鎘復合則表現出協同效應，加劇了硒、鎘脅迫下馬鈴薯植株內的膜脂過氧化作用。

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如表6。硒鎘復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開始，從芽萌生至出苗是發芽期。其生長速度和品質取決于種薯、營養供給和環境等因素。但種子的萌發主要靠種子胚芽提供營養，外界因素如重金屬對其影響較弱，但若環境中存在硒，可促進種子發芽[15]。已有研究表明，適量的Se(2.5 mg/L)可通過提高白術幼苗的光合作用和抗氧化系統來促進白術幼苗生長，而過量的Se(≥5 mg/L)則會對其產生抑制作用[17]。本研究發現，亞硒酸鈉濃度為16～20 mg/kg時對馬鈴薯發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，最終產生抑制作用，這與前人的結果一致。但對于產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。前人的研究結果說明不同作物對硒的要求不同，這與作物本身的特性、環境條件(溫度、水分、光照)、土壤理化性質(pH、Eh、CEC、有機質)等密切相關[21]。相關研究表明，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，具體表現為:果>葉>莖>殼。本研究的結果顯示，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。

當作物受到重金屬脅迫時，其生長勢必會受到影響，表現為生長緩慢、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]的研究結果一致，當鎘濃度達160 mg/kg時，根、芽表現出明顯的毒害癥狀，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合處理馬鈴薯植株中的鎘含量，結果表明，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。硒與鎘復合對馬鈴薯發芽期產生的生物效應與濃度的關系遵從Weinberg 原理，即三重生物學功能，較低濃度的硒、鎘復合對馬鈴薯發芽期的生長有促進作用，而高濃度的硒、鎘復合對馬鈴薯發芽期的生長有抑制作用，中間存在一個最佳濃度范圍，該濃度范圍內的硒、鎘復合對馬鈴薯發芽期的生長表現出最佳的生物效應。本研究表明，≤16 mg/kg的硒與≤40 mg/kg鎘復合對馬鈴薯發芽期的生長呈促進作用，但高于該濃度的硒、鎘復合則對發芽期馬鈴薯的生長呈抑制作用，處理組Se16－Cd40馬鈴薯表現的生物效應最好。這與劉燕等[25]的結果一致。王海希等[26]研究了不同硒預處理對鎘脅迫下荷花幼苗的生長，結果表明適宜濃度(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 結論

土壤中加入適量的硒(16～20 mg/kg)對發芽期馬鈴薯無毒害作用，表現為促進根、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)復合作用可產生拮抗效應，在該濃度內的硒、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合對馬鈴薯植株的生長表現出協同效應，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。