供硒浓度和时间、光温、pH值及不同阴离子对大豆叶片吸收硒酸盐的影响

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   摘要:叶面喷施硒酸盐是提高大豆籽粒硒含量的有效措施,然而大豆叶片吸收硒酸盐的生理特性并不完全清楚。本试验从供硒浓度、供硒时间、光照、温度、pH值和不同阴离子等方面研究其对大豆叶片吸收硒酸盐的影响。结果显示,叶片吸收硒酸盐速率随着供硒浓度提高而提高,呈现良好的线性关系,然而随着供硒时间延长,叶片吸收硒酸盐速率逐渐下降;光照和较高的温度处理能促进叶片吸收硒酸盐;叶片吸收硒酸盐速率随着pH值升高而下降;硫酸根离子、硝酸根离子和磷酸根离子能抑制硒酸盐吸收;叶片远轴面吸收硒酸盐速率略高于近轴面。本研究可为提高叶片喷施硒酸盐效率提供理论依据。
  关键词:硒酸盐;吸收;叶片;生理特性;大豆
  中图分类号:S565.101  文献标识号:A  文章编号:1001-4942(2019)08-0065-06
  Abstract Spraying selenate on leaf surface is an effective measure to improve selenium content in soybean grains. However, the physiological characteristics of soybean leaves for absorbing selenate are not fully understood. In this study, we investigated the effects of selenate-supplied concentration and time, light, temperature, pH value and different anions on selenate uptake of soybean leaves. The results showed that the uptake rate of selenate in leaves increased with the increase of selenate-supplied concentration, showing a good linear relationship. However, with the prolongation of selenate-supplied time, the uptake rate decreased. Light and higher temperature treatments could promote selenate uptake in leaves. But the uptake rate decreased with the pH increasing. And the sulfate, nitrate and phosphate ions could inhibit selenate uptake. The uptake rate from the abaxial suface of leaf blade was slightly higher than that of adaxial surface. Our study could provide a theoretical base for improving the efficiency of spraying selenate on leaves.
  Keywords Selenate; Uptake; Leaf; Physiological characteristics; Soybean
   硒是人和动物必需的微量营养元素,它以硒代半胱氨酸的形式构成谷胱甘肽过氧化物酶的活性位点而发挥抗氧化等功能[1]。许多地方性疾病如克山病和大骨节病等均与环境中硒水平低有关[2]。正常情况下,人体每日适宜摄硒量为50~60 μg,最多不超过200 μg。实际上,在中国部分地区和欧洲大部分地区,人们日均摄硒量并未达到推荐标准。绝大多数人群日均摄硒量低于抗癌、抗心血管病和抗严重感染性疾病所需的正常水平[3]。全世界约10亿人存在不同程度的摄硒量不足问题[4]。
   人体主要通过植物性食物获取硒[5]。大豆是我国主要的农作物之一,蛋白质含量高达35%~40%,营养价值高,常常被培养成豆芽或加工成豆浆、豆腐和腐竹等供人们食用。因此,提高大豆硒含量有利于提高人体摄硒量。生产上,人们可以通过改进栽培技术、土壤施硒以及叶面喷硒等途径提高大豆硒含量。我国存有大面积的低硒土壤,大豆在低硒土壤中难以吸收和累积较多的硒。因此,改进栽培技术对提高大豆硒含量的效果非常有限。通过施硒才可能把大豆的硒含量提高到满足人体需要的标准。作物施硒主要有根部施硒和根外施硒两种方式。根部施硒是将硒与肥料混匀后一起施入土壤,但是施入土壤中的硒容易被固定和流失,利用率低;将一定浓度的硒溶液喷洒在叶片表面,依靠叶面吸收来提高植物体内硒含量,具有用量少、见效快、利用率高等优点。因此,叶面喷硒在生产中被广泛地用以提高植物可食部分的硒含量。
   目前,对大豆叶片吸收硒酸盐的生理特性并不完全清楚,本研究通过探讨硒处理浓度、硒处理时间、光照、pH、温度和不同阴离子等对大豆叶片吸收硒酸盐的影响,以期在一定程度上阐明大豆叶片吸收硒酸盐的生理特性,从而为提高大豆叶片硒吸收效率和生产出硒含量在安全范围内的大豆提供理论指导。
  1 材料与方法
  1.1 大豆幼苗培养
   选用大豆(Glycine max)豫豆22为试验材料。挑选籽粒饱满的种子用2%次氯酸钠消毒15 min,然后用蒸馏水反复冲洗干净,再浸泡12 h后移入湿砂中培养,待胚根长到3~4 cm时移入12 L方形容器中培養。容器上方为12孔聚乙烯塑料培植板,每孔植入大豆幼苗3株。大豆幼苗移入容器前剪去主根根尖以促进侧根形成和生长。先用1/2浓度的霍格兰营养液培养,3 d后换为全量营养液。每天向营养液通气2 h。培养光强为300 μmol/(m2·s),每天光暗时间分别为14 h和10 h,光暗时温度分别为25℃和18℃。   1.2 硒酸盐处理浓度对大豆叶片吸收硒速率影响试验
   各处理均取2片新剪下的大豆叶片,放入含100 μmol/L CaCl2、pH值5.0的100 mL无硒溶液中30 min,取出后分别放入0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6 μmol/L Na2SeO4的一系列吸收液(含5.0 mmol/L MES、0.5 mmol/L Ca(NO3)2,pH值5.0,加少量吐溫-20)中。叶片在溶液中吸收3 h后取出,用蒸馏水反复冲洗,用吸水纸吸干后在80℃下杀青,然后在60℃下烘72 h至恒重。
  1.3 硒酸盐处理时间对大豆叶片硒吸收速率影响试验
   各处理均取2片新剪下的大豆叶片,放入含100 μmol/L CaCl2、pH值5.0的100 mL无硒溶液中30 min,取出后分别放入含有5.0 mmol/L MES、0.5 mmol/L Ca(NO3)2、2.0 μmol/L Na2SeO4且pH值为5.0的溶液(加少量吐温-20)中,分别在吸收1、2、3、4、5、6、7、8 h后取出,按上述方法清洗吸干、烘干备用。
  1.4 pH值对大豆叶片硒吸收速率影响试验
   各处理均取2片新剪下的大豆叶片,放入含100 μmol/L CaCl2、pH值5.0的100 mL无硒溶液中30 min,取出后分别放入不同pH值(3.0、4.0、5.0、6.0、7.0和8.0)并含有5.0 mmol/L MES、0.5 mmol/L Ca(NO3)2和2.0 μmol/L Na2SeO4的一系列溶液(加少量吐温-20)中,吸收3 h后取出,按上述方法清洗吸干、烘干备用。
  1.5 阴离子对大豆叶片硒吸收速率影响试验
   各处理均取2片新剪下的大豆叶片,放入含100 μmol/L CaCl2、pH值5.0的100 mL无硒溶液中30 min,取出后分别放入含有5 mmol/L NO-3、5 mmol/L H2PO-4、5 mmol/L HPO2-4 、5 mmol/L SO2-4的一系列硒酸盐(2.0 μmol/L Na2SeO4)溶液(均含有5.0 mmol/L MES、0.5 mmol/L Ca(NO3)2,pH值5.0,加有少量吐温-20)中,吸收3 h 后取出,按上述方法清洗吸干、烘干备用。
  1.6 温度对大豆叶片硒吸收速率影响试验
   各处理均取2片新剪下的大豆叶片,放入含100 μmol/L CaCl2、pH 值5.0的100 mL无硒溶液中30 min,取出后分别放入5.0 mmol/L MES、0.5 mmol/L Ca(NO3)2、2.0 μmol/L Na2SeO4 且pH值5.0溶液(加有少量吐温-20)中,叶片分别10、25、35℃条件下吸收3 h后取出,按上述方法清洗吸干、烘干备用。
  1.7 光照对大豆叶片硒吸收速率影响试验
   各处理均取2片新剪下的大豆叶片,放入含100 μmol/L CaCl2、pH 值5.0的100 mL无硒溶液中30 min,取出后分别放入含有5.0 mmol/L MES、0.5 mmol/L Ca(NO3)2、2.0 μmol/L Na2SeO4且pH 值5.5溶液(加有少量吐温-20)中,在黑暗和光照强度为300 μmol/(m2·s)的光照条件下吸收3 h,取出后按上述方法清洗吸干、烘干备用。
  1.8 大豆叶片近轴面和远轴面硒吸收速率差异试验
   分别取新剪下的大豆叶片,放入含100 μmol/L CaCl2、pH 值5.0的100 mL无硒溶液中30 min,取出用蒸馏水洗净,将离体叶片的近轴面、远轴面和双面分别在含有5.0 mmol/L MES、0.5 mmol/L Ca(NO3)2、2.0 μmol/L Na2SeO4且pH值5.5的溶液(加有少量吐温-20)中吸收3 h。近轴面和远轴面处理时,将叶片放入小于叶片的培养皿中,叶片正面或反面朝上,形成凹槽,将配制好的溶液倒入凹槽中,吸收3 h后用环刀取下受处理的叶片部分。按上述方法清洗吸干、烘干备用。
  1.9 消化处理
   所用玻璃器皿预先在10% HCl中浸泡24 h 以清除硒污染。将烘干大豆叶片样品称重后放入100 mL消化管中,接着向各消化管加入5 mL混合酸(HNO3∶ HCl=4∶ 1,V/V),25℃下放置过夜,然后置于150~165℃消化炉中完全消化。冷却后,向每个消化管加入6 mol/L HCl 2.5 mL,将消化液加热至100℃以还原SeO2-4,加热至不再冒棕色烟和溶液变清为止。冷却后,用重蒸水将消化液稀释至25 mL,然后用原子荧光光谱法测定。分析中所用试剂均为优级纯。
   茶叶标样[GBW07605(GSV-4),0.072 mg/kg Se]和空白与被测样品同时消化。Se回收率在89%和93%之间[6]。
  1.10 数据处理
   用Microsoft Excel做图,用SPSS 22.0进行差异显著性分析(P<0.05)。
  2 结果与分析
  2.1 硒酸盐处理浓度对大豆叶片硒吸收速率的影响
   图1显示出大豆叶片在0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6 μmol/L Na2SeO4的一系列溶液中处理3 h时的硒吸收速率。在0~1.6 μmol/L Na2SeO4浓度范围内,随着处理水平提高,大豆叶片硒酸盐吸收速率直线上升,回归方程为Y=0.8149X+0.2112,R2为0.955,表明叶片硒酸盐吸收速率与溶液中Na2SeO4水平呈现良好的线性关系。
  
  2.2 硒酸盐处理时间对大豆叶片硒吸收速率的影响    图2显示出大豆叶片在2.0 μmol/L Na2SeO4溶液中分别处理1、2、3、4、5、6、7、8 h时的硒吸收速率。在0~8 h范围内,随着硒处理时间延长,大豆叶片硒吸收速率逐渐下降,至5 h时逐渐趋于稳定。可见,在供硒5 h 后,叶片以较低的速率吸收硒酸盐。
  2.3 pH 值对大豆叶片硒吸收速率的影響
   图3显示出大豆叶片分别在pH值3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0一系列2.0 μmol/L Na2SeO4溶液中处理3 h时的硒吸收速率。pH 值对大豆叶片吸收硒酸盐速率呈现较大影响,3.0~8.0 范围内随着pH值升高,硒酸盐吸收速率直线下降,pH值8.0时达到最低。pH值3.0、4.0时大豆叶片硒吸收速率分别是pH值8.0时的1.79倍和1.42倍。
  
  2.4 不同阴离子对大豆叶片硒吸收速率的影响
   图4显示出不同类型阴离子对大豆叶片硒酸盐吸收速率的影响。与对照相比,大豆叶片吸收硒酸盐可被NO-3、SO2-4、HPO2-4和H2PO-4分别抑制49%、58%、60%和53%。SO2-4 是SeO2-4的竞争性离子,但并未更大程度地抑制SeO2-4的吸收。
   2.5 光照和温度对大豆叶片硒吸收速率的影响
   光照影响叶片气孔开闭,温度影响叶片角质层透性[7]。因此,光照和温度在一定程度上可能影响到叶片对硒酸盐的吸收。图5(A和B)分别显示出光照和温度对叶片硒酸盐吸收速率的影响情况。与黑暗处理相比,光照条件下叶片硒吸收速率提高17%,但并未达到显著水平。温度对大豆叶片吸收硒酸盐影响显示,与对照(25℃)相比,35℃时硒酸盐吸收速率显著提高,而10℃ 时显著降低(P<0.05)。可见,温度对大豆叶片吸收硒酸盐的影响较大。
  
  2.6 大豆叶片近轴面和远轴面硒吸收速率差异
   大豆叶片近轴面和远轴面角质层特性存在差异,这种差异可能影响到叶片吸收硒酸盐速率。由图6看出,远轴面吸收硒酸盐速率略高于近轴面。全叶面处理时叶片吸收硒酸盐速率显著高于近轴面和远轴面(P<0.05),分别是近轴面和远轴面的1.50倍和1.36倍。
  
  3 讨论与结论
   叶片是植物光合作用的器官。此外,叶片也能吸收少量养分。因此,将化肥等可溶性营养物质配成适当浓度的溶液直接喷洒在叶片表面可以供作物吸收利用。叶面施肥避免养分在土壤中固定和流失,提高养分的利用效率[8,9]。在作物生育后期不利于田间追肥的条件下,尤其适合利用叶面施肥为作物补充营养。叶面施肥被广泛地应用在生产上以提高作物产量、改善其营养品质、提高营养元素含量、增强植物对生物逆境胁迫和非生物逆境胁迫的抗性等作用[10-14]。
  叶片表面分布着角质层、气孔和腺毛,养分能通过这些不同的结构进入叶肉细胞[15-17]。叶面喷硒能显著提高籽粒硒含量[18],推测硒可能通过这些不同的结构进入叶肉细胞。然而大豆叶片横切面显示,叶片吸收锌后并未发现锌在毛状体周围的组织中明显积累,表明大豆腺毛并不是叶片吸收营养物质的主要途径[19]。光照促进气孔张开,与黑暗处理相比,光照处理不能显著促进大豆叶片吸收硒酸盐,表明气孔也不是硒酸盐进入叶肉细胞的主要途径。可见,硒酸盐主要通过角质层进入叶片内部。叶片角质层上的亲水小孔半径为 0.45~1.18 nm[20],而硒酸盐离子半径为0.042 nm,硒酸盐可能通过这些水孔进入叶片内部。
  本研究结果显示,大豆叶片吸收硒酸盐速率随浓度升高而升高,呈现良好的线性关系,表明硒酸盐主要以被动方式通过大豆叶片角质层进入叶肉细胞。提高硒酸盐溶液浓度,硒酸盐吸收速率不断提高,表明硒酸盐透过角质层的动力依赖于浓度梯度形成的驱动力。随着叶片吸收硒酸盐时间延长,吸收速率逐渐下降,在叶片处理5 h 时吸收速率接近最低点。表明叶肉细胞吸收硒酸盐逐渐达到饱和状态,造成角质层内外硒酸盐浓度梯度降低到最低水平。在大田生产中,为了防止喷洒在叶片上的硒溶液变干,一般选择在傍晚喷硒,这样硒溶液可以在叶面上保持长时间的湿润状态,有利于最大限度的吸收。
   提高温度显著提高了硒酸盐的吸收速率,表明温度能促进硒酸盐在角质层中扩散。角质层扩散对温度依赖较强[21]。有机物质的渗透速率随着温度升高而增加[7]。温度可能影响到极性途径的转运特性[22]。尽管温度能刺激气孔张开[23],但是硒酸盐并没有通过气孔大量进入叶片内部,因此,温度通过影响气孔开放提高硒酸盐吸收的程度很小。
   硒酸盐透过叶片角质层后,可以通过细胞膜上的硫转运蛋白进入叶肉细胞。本研究发现,NO-3、SO2-4、HPO2-4 和H2PO-4都能抑制硒酸盐吸收。SO2-4是硒酸盐的竞争性离子,但是与NO-3、HPO2-4和H2PO-4相比,SO-4并未更大程度地抑制硒酸盐吸收,表明这些阴离子抑制硒酸盐吸收发生在透过角质层的被动过程中,这种抑制作用是因竞争性吸附引起的。
  参 考 文 献:
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