硒对玉米生长和籽粒品质的影响

硒对玉米生长和籽粒品质的影响

科学家的天然素质是动物和人类必要的养分，具有多种生物学功能。根据统计数据，世界上2.3个地区是缺铜或低铜地区，中国约1.3个地区是缺铜或缺铜的严重地区。由于缺乏碘，40多种缺乏气体（如克山病）的发生。然而，只依赖天然食物中的碘含量通常不足以满足人体的正常需求。据报道，吃富碳食品是最安全、最有效的补充枸杞方法。宋家永等研究表明,施用硒肥后粮食作物含硒量可比对照增加3~32倍,水果增加2~4倍,蔬菜增加7~60倍.余光辉等报道,谷物和豆类食品中硒含量远高于蔬菜和水果.在人体对硒的吸收方面,生物源有机硒优于其他有机硒,谷物中的硒占人类饮食中硒摄入总量的70%~80%,是人体最重要的硒源,因此开发富硒粮食作物(如水稻、小麦、玉米等)具有重要意义.在缺硒地区,通过施硒提高饲料及粮食作物的硒含量,是防治硒缺乏的有效措施.玉米是我国第二大粮食作物和饲料来源,其品质与肉蛋奶质量乃至人体健康密切相关.金兴钰等研究表明,四川省成都经济区90%以上玉米属于缺硒或者潜在缺硒类型,而普通玉米籽粒中绝大部分的硒是容易被人体吸收利用的.因此,利用玉米能够吸收和富集外施无机态硒,并将其转化为安全、有效的生物有机态硒的特性,开发富硒玉米食品和饲料具有重要实践意义.目前相关研究主要集中于单一类型玉米的施硒效果和硒在玉米籽粒中的赋存形态等方面,而关于不同类型玉米对硒的吸收、转运和分配差异尚未见报道.为此,本文系统研究了两种类型玉米对硒的吸收富集特性及硒对玉米产量、品质的影响,旨在明确硒在玉米植株体内的迁移转化规律,为玉米生产中科学施硒及合理利用富硒玉米品种提供参考依据.1材料和方法1.1土壤矿渣中硒元素含量测定试验于2006—2007年在黄淮海区域玉米技术创新中心和作物生物学国家重点实验室进行,试验材料为普通玉米品种郑单958(ZD958)和糯玉米品种京紫糯218(JN218).供试土壤硒含量0.25mg·kg-1,有机质7.08g·kg-1,碱解氮44.56mg·kg-1,速效磷46.32mg·kg-1,速效钾59.01mg·kg-1.试验设4个施硒处理,施用量分别为10(S10)、25(S25)、50(S50)、100(S100)mg·kg-1,由于100mg·kg-1硒处理下玉米植株不能正常生长甚至死亡,因此结果只分析S10、S25、S503个施硒处理,以不施硒为对照(CK),每处理12个重复.盆栽用土为大田0~20cm表层土,土壤过筛并与干净河沙按3∶1(体积比)混匀,以每盆20kg装入30cm×35cm的陶瓷盆中,将硒于播种前15d按照设置含量均匀混入土样中,硒源为亚硒酸钠(Na2SeO3).为防止硒随雨水淋失,在盆栽玉米植株上部搭建3.5m高的防雨棚.于玉米成熟期进行取样,将玉米植株分为14个部分,其中以玉米果穗叶及其上、下叶所着生的部位(共3个节间)为植株中部,将茎秆、叶片和叶鞘各分为上、中和下3部分,果穗分为籽粒、苞叶和穗轴3部分,剩余部分为雄穗和根系.样品于105℃杀青30min,75℃烘至恒量后称干质量.样品粉碎后进行硒元素含量测定.1.2样品的制备与测定植株样品蛋白质含量测定:采用H2SO4-H2O2消煮样品,连续流动分析仪定氮.粗脂肪测定:采用索氏提取称重法.粗淀粉含量测定:采用改良双波长法.硒元素测定:称取样品0.25g置于150mL三角瓶中,加浓硝酸(优级纯)8mL和双氧水2mL,盖上表面皿,加热(180℃)消解至清亮,如不澄清透明,继续补加双氧水至溶液透明.冷却,用超纯水转移定容至50mL,摇匀待测.硒元素在等离子体质谱仪(Elan6000型)上进行测定,3次重复.植物样品分析过程中设置空白和标准样品(GSB-14,GBW-08517)进行质量监控.硒富集系数=植物体内元素含量/土壤中元素含量,硒转移系数=植物地上部分的元素含量/地下部分的元素含量.1.3数据分析方法采用MicrosoftExcel2003软件作图,采用DPS7.05软件进行数据分析,采用LSD法进行差异显著性检验,显著性水平设定为α=0.05.2结果与分析2.1特点：两个品种玉米植物的分布特征2.1.1有机碳化玉米中j2c18的分布特征硒被玉米吸收后分布在玉米的各个部位,但不同施硒量对玉米各器官硒含量的影响不同.由表1可知,施硒对ZD958和JN218植株各器官硒含量影响显著,但两种类型玉米硒的分布特点不同.ZD958各硒处理中穗轴的硒含量最低,根系硒含量最高,各器官硒含量在CK、S10、S25和S50中的变化范围分别为0.02~0.15、2.56~36.09、9.53~112.9和18.41~256.67mg·kg-1.JN218同样为根系硒含量最高,穗轴和鞘中硒含量较低,各器官硒含量在CK、S10、S25和S50中的变化范围分别为0.08~1.18、0.79~11.94、14.22~101.61和26.81~311.2mg·kg-1.植株根系中硒含量最高,说明根系富集硒的能力较强.硒在其他器官中的分布表现为叶片>茎秆>叶鞘,而茎秆、叶片和叶鞘的上部、中部和下部硒含量分布无一致的变化规律.不施硒时,JN218植株地上部各器官硒含量均高于ZD958相应各器官硒含量,两者比值变化范围在2.82~6.76,均值为4.01,表明在不施硒的情况下,糯玉米JN218吸收利用土壤中自然硒的能力高于普通玉米ZD958.S10处理下,JN218地上部各器官硒含量与ZD958的比值变化范围在0.09~0.55,均值为0.21,可见在该处理下,ZD958较JN218对硒的吸收利用能力强.S25和S50处理下,JN218地上部各器官硒含量与ZD958的比值变化范围在0.57~1.69和0.62~1.87,均值分别为1.02和1.25,在该含量范围内,随施硒量的增加,JN218对硒的吸收能力逐渐增强.2.1.2玉米植株各器官硒含量与土壤硒浓度的关系玉米是重要的粮食作物和饲料作物,玉米籽粒硒含量的高低直接影响饲料及粮食中的硒含量.对不同硒处理下玉米植株各器官硒含量与土壤硒浓度的相关分析(表2)表明,ZD958和JN218籽粒硒含量与土壤硒浓度的相关系数(R2)分别为0.99和0.89,说明玉米籽粒硒含量与土壤硒浓度呈显著正相关,增加土壤硒浓度可以提高硒向籽粒中的分配和转运.两种类型玉米各器官中的硒含量均与土壤硒浓度呈显著正相关.2.1.3有机碳的浓度对植株多酚吸收及分配的影响硒在植物和土壤之间的分配,可以用植物各器官中硒含量和土壤硒含量之比,即富集系数来表示.由表3可知,玉米各器官对土壤硒的富集能力存在较大差异,总体表现为根>叶>茎>鞘,两个品种同一部位对硒的富集能力也表现出较大差异.除根系外,ZD958各器官富集系数随硒含量的增加先升后降,S25处理时达到峰值,说明ZD958在土壤硒为25mg·kg-1时吸收利用能力最强.总体上,不同硒处理下,JN218各器官硒富集系数表现为S25>S50>CK>S10,说明JN218对高含量硒的敏感性高于低含量硒.转移系数表示植物将元素从根部转移到地上部的能力,转移系数越大,说明植物将该元素运输到地上部的能力越强.由表4可知,施用高含量硒(S50),植株各器官硒转移系数降低,这可能是由于高含量硒对玉米植株产生严重毒害作用,从而使硒在玉米植株体内的转移系数降低.施用低含量硒(S10、S25)可提高硒在玉米植株体内的运转,但品种间及器官间转移系数变化规律存在差异.JN218在S10处理下硒转移系数与CK无显著差异,随施硒量的增加(S25),除下茎外,植株各器官硒转移系数均达到最大值;ZD958在CK、S10和S25处理下,各器官硒转移系数变化规律不一致,CK处理下植株4个器官(苞叶、下鞘、穗轴和下茎)的硒转移系数显著高于施硒处理,剩余10个器官的硒转移系数峰值出现在S10或S25处理,说明施硒同样有利于ZD958的硒元素从根部向地上部转移.2.1.4不同处理对zd958和j218的籽粒硒积累量的影响由表5可知,ZD958和JN218的雄穗、茎秆、穗轴和根系4个部位的硒积累量随土壤硒含量的增加而增大,而叶片、叶鞘和苞叶的硒积累量呈现先增后降的变化趋势,在S25处理达到峰值.ZD958各器官硒积累量的分配比例表现为籽粒>根系>茎秆>叶片>叶鞘>穗轴、苞叶>雄穗,其中S10、S25、S50处理时,根系和籽粒的分配比例分别为27.8%、24.9%、31.9%和27.9%、34.1%、36.0%;各处理下茎秆和叶片的分配比例均高于11.8%.JN218硒积累量的分配比例在各器官之间的变化规律较为复杂,S10、S25和S50处理下,籽粒的分配比例分别为20.9%、46.1%和36.6%.籽粒和秸秆是玉米的主要收获器官,其硒积累量的高低直接决定饲料、粮食及加工产品的硒含量.由表5可知,ZD958和JN218的籽粒硒积累量变化规律不一致.ZD958的籽粒硒积累量持续增加,S10、S25和S50处理下籽粒硒积累量分别为CK的221.2、763.3和1024.1倍.而JN218籽粒硒积累量呈现先增后降的变化趋势,在S25处理达到峰值,S10、S25和S50处理下籽粒硒积累量分别为CK的11.1、357.6和299.7倍.CK、S10、S25和S50处理时,ZD958和JN218的籽粒硒积累量比值分别为0.04、7.96、0.85和1.36,可见在土壤自然硒含量处理时,JN218单株籽粒硒积累量高于ZD958.在S10处理时,ZD958籽粒硒积累能力显著高于JN218;而在S50处理时,虽然JN218籽粒硒含量高于ZD958,但由于其籽粒产量显著低于ZD958,因此JN218单株籽粒硒积累量低于ZD958.S10、S25和S50处理时,ZD958与JN218的地上部硒积累量比值分别为6.25、0.99和1.17,同时ZD958与JN218的地上部营养器官硒积累量比值分别为6.2、1.22和1.06,可见,如果以地上部营养器官硒积累量作为评价指标,ZD958植株秸秆的利用价值高于JN218.2.2不同含量对玉米生物量和籽粒产量的影响由表6可知,玉米生物量和籽粒产量大小为S10>CK>S25>S50.S10处理时,ZD958和JN218的生物量和籽粒产量分别比CK增加5.8%、7.2%和7.9%、7.4%;S50处理时,ZD958和JN218的生物量和籽粒产量分别比CK降低32.7%、42.7%和30.5%、36.9%.说明低含量硒刺激玉米生长,使生物产量提高,同时获得较高的籽粒产量;而高含量硒引起玉米植株中毒,导致干物质积累量下降,籽粒产量显著降低.2.3有机碳含量对玉米籽粒淀粉和蛋白质含量的影响由表7可知,硒对两种类型玉米籽粒粗脂肪含量影响显著,S10处理时,籽粒粗脂肪含量增加,随硒含量增大,粗脂肪含量逐渐降低,ZD958和JN218在硒10mg·kg-1处理时粗脂肪含量较CK分别增加8.5%和7.1%,在硒50mg·kg-1处理时粗脂肪含量较CK分别降低10.2%和11.7%.高含量硒对玉米籽粒淀粉和蛋白质含量的影响与粗脂肪含量一致,说明高含量硒对玉米生长发育产生毒害作用,阻碍了玉米正常生理代谢,进而抑制了籽粒淀粉、脂肪和蛋白质的合成.3有机碳的分配研究表明,通过土壤施硒或叶面喷硒,既能提高作物产量,又能改善品质.董广辉等认为,在土壤-植物系统中,硒对植物产量和品质的影响可能是通过间接作用实现的.硒可能会对土壤中的酶活性产生影响,进而影响植物的养分环境,最终对植物的产量和品质产生作用.田秀英等研究表明,施硒能增加土壤有效硒含量,有利于土壤有效磷、钾含量的提高,改善土壤肥力,从而影响作物对养分的吸收利用.本试验表明,低含量(≤10mg·kg-1)硒促进了玉米植株生长,玉米生物量和籽粒产量均显著增加,这与前人对水稻和圆叶决明的研究结果相符;高含量(≥25mg·kg-1)硒抑制了玉米植株生长,植株干物质积累量减少,籽粒产量和品质下降,这可能与过量的硒干扰植物体内谷胱甘肽过氧化物酶的合成,破坏植物的抗氧化能力有关.不同植物对硒中毒的症状有很大差异,非聚硒植物生长在高硒介质中时,通常会表现出徒长、黄萎病、叶片萎缩干枯、蛋白质合成下降、植物未老先衰等.因此,在富硒农产品的开发中,需要兼顾重要经济器官硒积累量与其产量、品质的关系.植物对土壤中某种元素的吸收取决于该元素含量、土壤及植物特性;而该元素在植物不同组织中的分布主要由植物自身的特点决定.由于大量微生物聚集在植物根部,增强了根部对各物质的吸收能力(植物的根际效应),所以通常根部各物质的含量较高.朱永懿等研究表明,硒在成熟期的小麦植株各器官中的分配为:籽粒>根>叶片>茎>叶鞘,说明籽粒积累硒的能力较强.本研究表明,施硒能显著提高玉米各器官的硒含量,但不同品种增加幅度不同,这可能与不同品种对硒的吸收与运转差异有关.各硒处理中,两个玉米品种穗轴硒含量较低,根系硒含量最高;其他器官表现为叶片>茎秆>叶鞘,而茎秆、叶片和叶鞘的上部、中部、下部硒含量分布无一致变化规律.同一作物的不同类型对硒的吸收存在差异.李志玉等研究表明,施硒条件下,不同类型大豆品种植株硒积累量为夏大豆>秋大豆>春大豆,籽粒硒积累量则为秋大豆>夏大豆>春大豆,说明夏、秋大豆富硒能力强于春大豆.陈秋香等研究认为,不同品种水稻硒累积能力存在显著的基因型差异,水稻富硒能力与稻种颜色无直接关系,而是与往地上部转运硒的能力有关.本试验中,普通玉米品种ZD958和糯玉米品种JN218的籽粒硒积累量变化规律不一致.不同硒处理下,ZD958籽粒硒积累量持续增加,而JN218籽粒硒积累量呈现先增后降的变化趋势,峰值出现在S25处理,S10、S25和S50处理时,ZD958与JN218的籽粒硒积累量比值分别为7.96、0.85和1.36.可见,玉米籽粒的硒累积能力存在基因型差异.由于不同土壤硒含量有显著差异,不同植物吸收和积累硒的能力不同,从而形成不同地区植物中硒含量的差异.王明远研究表明,不同地区粮食的含硒量不同