全 文 :收稿日期:!""#"&’ 接受日期:!""#"’!!
基金项目:国家“十五”重大科技专项子课题“河网区面源污染控制成套技术(!""!((’"&"&!)”资助项目。
作者简介:周鑫斌(&)#*—)男,山西河曲县人,博士,副教授,主要从事水稻硒营养代谢与调控的研究。+,-./0:123/44.45&’67 89-
! 通讯作者 :;0:"!%*’**&%’’,+,-./0:<-4=/5 /44.4> .8> 8? 水稻子粒硒累积机制研究 周鑫斌&,!,施卫明&!,杨林章& (& 土壤与农业可持续发展国家重点实验室,中国科学院南京土壤研究所,江苏南京 !&"""*; ! 西南大学资源环境学院,重庆 @""#&’) 摘要:采用溶液培养方法研究了富硒与非富硒两品种水稻(秀水 @*和丙 )’%!)对硒的转运差异及其子粒硒积累机 制。结果表明,水稻子粒灌浆开始后停止供硒,其根系硒浓度随着时间的推移而表现下降的趋势。秀水 @*根系硒 含量下降幅度大于丙 )’%!;秀水 @*根系中硒更加容易转运出去。剑叶是水稻的功能叶,在水稻整个生育期内剑叶 中硒含量逐渐下降。秀水 @*剑叶硒含量下降幅度大于丙 )’%!,两者差异显著。从硒的积累量看,秀水 @*剑叶硒积 累量下降幅度大于丙 )’%!,剑叶硒的转移将有助于硒在水稻子粒中的积累。 关键词:水稻;硒;转运;机制 中图分类号:A%&&7"& 文献标识码:( 文章编号:&""*%"%B(!""*)"6"%"6"%
!"#% &’ ()*+,’-.(. &/ .)0)’-#( ,**#(#0,"-&’ -’ 1-*) 21,-’. CDEF B/?,3/?&,!,ADG H;/,-/?I&!,J(KL M/?,1=.?I& (! "##% &%’ ()*+#*+’ *, "*-. /0 "12#-/).% 34+-51.#1+%,6/2#-#1#% *, "*-. "5-%/5%2,73",8/9-/4 :!;;;<,7=-/; : 7*..%4% *, >%2*1+5% /0 ?/@-+*/A%/#,"*1#=B%2# C/-@%+2-#’,7=*/4D-/4 E;;F!G,7=-/) 34."1,*":( =NOP9Q9?/84 ;2Q;P/-;?R <.4 89?OS8R;O R9 /?T;4R/I.R; R=; O/T;P4/RN 9U 4;0;?/S- RP.?4098.R/9? 3;R<;;? B/S4=S/ @* .?O V/?I )’%! .?O R=; -;8=.?/4-4 9U 4;0;?/S- .88S-S0.R/9? /? P/8;(H+’I "#-@ M>)IP./?4 > :=; P;4S0R4 4=9<;O
R=.R R=; A; 89?8;?RP.R/9? /? P/8; P99R4 O;8P;.4;O .UR;P R=; R;P-/?.R/9? 9U A; 4SQQ0N > A; O;8P;.4;O -9P; /? R=; P99R 9U
B/S4=S/ @* R=.? V/?I )’%! .?O A; /? R=; P99R 9U B/S4=S/ @* <.4 .049 -9P; ;.4/0N RP.?4Q9PR;O R9 9R=;P Q.PR4 > W0.I 0;.U /4
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R/9? /? U0.I 0;.U /? B/S4=S/ @* <.4 =/I=;P R=.? R=.R 9U V/?I )’%!7 :=; RP.?4098.R/9? 9U A; /? U0.I 0;.U <.4 3;?;U/8/.0 R9 A;
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5)% 6&1.:P/8;;4;0;?/S-;RP.?4098.R/9?;-;8=.?/4- 硒是人体必需的微量营养元素,它是以硒代半 胱氨酸形式构成硒蛋白的活性位点而参与人体内多 种生命活动。硒对人体健康起着非常重要的作用。 通过提高稻米硒含量来改善人体硒摄入水平是一个 简便而可行的方法[&]。植物吸收四价硒,在根部同 化后,沿着木质部以有机硒的形式向地上部转运。 在水稻子粒成熟过程中,茎叶内硒含量显著降低,硒 主要向子粒中转移。有资料表明,当水稻子粒成熟 时,剑叶是稻穗光合碳水化合物的主要来源[!],同时 剑叶是整个植株矿物质再运输的主要来源[6]。对于 剑叶中硒的转运以及硒高效进入水稻子粒的机理目 前尚不清楚[@]。因此,本研究的主要目的在于探明 不同品种的水稻子粒积累及运转硒能力的差异,以 提高水稻子粒硒含量,进而改善人体硒营养。 7 材料与方法 787 试验设计 试验在中国科学院南京土壤研究所温室中进 行。供试品种为经过大田 &%&个水稻品种筛选而得 的秀水 @*(子粒硒含量较高)与丙 )’%!(子粒硒含量 植物营养与肥料学报 !""*,&@(6):%"6 %"#
""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
X0.?R KSRP/R/9? .?O W;PR/0/1;P A8/;?8;
较低)。试验采用营养液培养方法,营养液配方为木
村 !营养液,其组成如下("# %):(&’())*+( (,-), .#*+( /0-1,2’)3+( )(-,,2&+4 5,-0,2)*+( 50-1,67 (&+4)) 01-1,89:;<=> )?!"@A %,’4!+4 )-,/,6B*+(
·0’)+ ?-?,,CD*+(·E’)+ ?-)),.D6A)·(’)+ 5-,5,
’).@+(·(’)+ ?-?1。在水稻的整个生育期,F’控制
在 0-0,所用试剂均为分析纯。试验过程中所用的
水为去离子水,未检测到硒。
精选的水稻种子经 5?G双氧水消毒 5? "HD后,
浸种催芽播种在塑料盒中的尼龙网上,用 5 ) 营养 液培养 5? I,然后选择大小一致的幼苗,移植到 )? % 的培养箱中,每一个箱子盖子上 (个孔,每孔用海绵 固定 4株幼苗,幼苗在 5 )营养液中培养 E I,然后
进行全营养液培养。
水稻幼苗期开始供硒,在 *> 50和 0?!# %木村 !营养液中培养,随机区组排列,4次重复。灌浆开 始后停止供硒,将水稻根用去离子水冲洗 5? "HD,然 后放入不含硒的木村 !营养液中继续培养,分别于 停止供硒后 ?、,、50、4? I(成熟期)取样,取样部位为 剑叶、颖壳、子粒、根,取得的样品分别用自来水冲洗 5? "HD,再用蒸馏水冲洗干净,用滤纸擦掉表面的 水,杀青后烘干、粉碎,测定硒含量。 !"# 样品测定方法 样品硒的消化:称取粉碎的植株样品 ?-4??? #, 置于消煮管中,加入混合酸[’&+4!’6A+((J!J)为 (!5]0 "%,浸泡过夜,次日,将消煮管置于消化炉 上,逐渐升温,/?K消化 ) L,5??K消化 5 L后,加混 合酸 )-0 "%,升温到 5E?K消化 ) L,至溶液颜色变 为无色并冒白烟后,冷却,加入 5 M 5 ’6A )-0 "%, 5??K继续加热至无色并冒白烟,冷却,定容至 )0 "% 用于测定[0]。 硒的测定:消化后的待测液中的硒含量用 ;= N/5?; 原子荧光光谱仪测定。测定条件为:3.: 电压 ),? O;’6A全阴极电流 ,? ";;载气流量 ,?? "% "HD;进样体积 5-? "%;原子化器高度 E "";原
子化器温度室温;采样泵速 5?? P "HD;采样时间 5, Q;停泵时间 0 Q。植株以国家标准物质茶叶 (RS!?E/?0)为内标,测定回收率为(1,-/ T 0)G。 测定结果用 *3** 5?-?版统计软件进行统计分 析。 # 结果与分析 #"! 不同供硒条件对水稻不同部位硒积累的影响 富硒与非富硒水稻根系硒浓度随前处理供硒水 平的提高而提高,停止供硒后,根系硒浓度明显下 降。图 5 看出,在同一供硒水平下,富硒水稻秀水 (,根硒含量的下降幅度大于非富硒水稻品种丙 1/0)。 不同前处理供硒水平之间,停止供硒后根系硒 浓度下降幅度差异显著。其中下降最多的处理为 *> 50!# %,其次为 *> 0?!# %;而不同测定日期之 间差异也极显著,以停止供硒后 , I硒浓度下降最 多,其次为 ,到 50 I,下降的最大幅度集中在 50 I之 前。 品种、前处理供硒水平、取样日期三者之间存在 互作关系;三者之间的互作也决定停止供硒后水稻 根系的硒浓度下降幅度。统计分析表明,品种 U供 硒水平、品种 U取样日期、供硒水平 U取样日期以及 品种 U供硒水平 U取样日期的交互作用均达到极显 著水平(! V ?-?5),不同的处理之间交互作用明显。 图 ! 停止供硒后水稻根系硒浓度的变化 %&’! ()* +),-&* ./ 0* +.-1*-1 %- 2%+* 2..13 ,/1*2
1*24%-,1%.- ./ 0* 356678
[注(&@W>):方柱上不同小写字母表示差异达 ?-?0显著水平
9HXX>P>DW A>WW>PQ 7Y@J> WL> Y7PQ ">7D QH#DHXHZ7DW 7W WL> 0G A>J>A [
=检验结果中 ;表示品种;!表示前处理供 *>水平;
6表示不同生长时期限 \D = W>QW,; ">7DQ J7PH>W],
! ">7DQ *> A>J>A 7DI 6 ">7DQ #P@^WL QW7#> @X PHZ>[
下同 :L> Q7"> Y>A@^[]
不同品种根系硒积累量随前处理不同而有所差
异。秀水 (,在停止供硒后根系硒积累量显著下降;
而丙 1/0)根系硒积累量下降幅度较为缓慢,说明两
个品种根系对地上部硒含量的贡献不一样,在水稻
生育后期。秀水 (,根系硒仍能向上转运,而丙 1/0)
根系硒则大多保留在根中(图 ))。
从以上结果可知,停止供硒后水稻根系硒积累
量的下降幅度受到品种、前处理供硒水平、停止供硒
时间长短等因素的影响。
(?0 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 5(卷
图 ! 停止供硒后水稻根系硒积累量的变化
"#%! &’( )’*+( ,- .( *))/0/1*2#,+ #+ 3#)( 3,,24
*-2(3 2(30#+*2#,+ ,- .( 4/5516
[注(!"#):%&’,%’(表示丙 )*’+前处理硒水平分别为 &’、’(!, - .; /0&’,/0’(表示秀水 12前处理硒水平分别为 &’、’(!, - .。下同。 %&’,%’( 345 /0&’,/0’( 634 0 &’,’(!, - . "7 %84, )*’+ 345 /89:;98 12,<:=>#?8@AB C; :36 D@"EB] !7! 停止供硒对水稻剑叶硒含量的影响 停止供硒对水稻剑叶硒含量有比较显著的影 响。如图 F所示,停止供硒后 2 5内,水稻剑叶硒含 量明显提高,但是随后下降。 图 8 停止供硒对水稻剑叶硒浓度的变化 "#%8 &’( )’*+( ,- .( ),+2(+2 #+ 3#)( -1* 1(*-
*-2(3 2(30#+*2#,+ ,- .( 4/5516
前处理供硒水平对停止供硒后剑叶硒浓度的降
低幅度同样有显著的影响。在 0 &’!, - .水平下, 两品种剑叶硒积累量变化趋势基本相同,而在较高 硒水平条件下,硒积累量变化有显著差异。停止供 硒后不同时期剑叶中硒浓度下降的幅度不一样,剑 叶硒浓度下降最快发生在停止供硒后 2!&’ 5。 从剑叶硒积累量的变化趋势(图 1)看出,剑叶 硒积累量也是呈先上升后下降的趋势,但是不同品 种变化的幅度不一样。停止供硒 2 5后,秀水 12剑 图 9 停止供硒后不同时期剑叶硒积累量的变化 "#%9 .( *))/0/1*2#,+ #+ 3#)( -1* 1(*- *-2(3 2(30#+*2#,+ ,- .( 4/5516 叶硒积累量下降幅度大于丙 )*’+。而丙 )*’+ 剑叶 硒积累量下降幅度比较平缓,说明当水稻灌浆后仍 有大量的硒滞留在剑叶,而秀水 12剑叶硒似乎更加 容易再运输。 三个试验因素之间存在交互作用。品种 G前处 理供硒水平、品种 G取样日期、前处理供硒水平 G取 样日期以及品种 G前处理供硒水平 G取样日期都有 显著的交互作用(! H (I(&),说明停止供硒后剑叶 硒的再运输不仅受到品种、前处理供硒水平和时间 的影响,也受到三因素的交互作用的影响,这是多因 素交互作用的结果。 !78 停止供硒对水稻颖壳以及子粒硒积累动态的 影响 水稻颖壳硒含量随着前处理供硒水平的提高而 提高,供 0 ’(!, - .的颖壳硒含量比 0 &’!, - .变 化显著(图 ’)。停止供硒后,不同水稻品种颖壳硒 含量变化不一致。在停止供硒 2 5内,秀水 12颖壳 硒含量呈上升趋势,而后下降,而丙 )*’+ 只有在较 低的供硒水平下才与秀水 12有较为一致的变化趋 势,但是在供 0 ’(!, - .的条件下,其颖壳硒含量变
化比较平缓。
图 ’还看出,品种间硒含量不同时期变化差异
明显。秀水 12颖壳硒含量在停止供硒后下降的幅
度比丙 )*’+ 大,说明秀水 12 颖壳中硒可能更加容
易向种皮、胚及胚乳运转。品种与时期存在极为显
著的交互效应,说明不同品种硒含量的变化与时期
有密切的关系。
水稻子粒硒含量随前处理供硒水平的提高而提
高,停止供硒后,水稻子粒硒含量变化趋势如图 *,
可以看出,在停止供硒后 2 5内,所有试验处理子粒
’(’F期 周鑫斌,等:水稻子粒硒累积机制研究
图 ! 停止供硒后颖壳硒含量的变化
"#%! &’( )’*+( ,- .( ),+/(+/ #+ 0#)( ’122
*-/(0 /(03#+*/#,+ ,- .( 415526
硒含量均呈升高趋势,! "后,除了秀水 #! 在 % &’ !( ) *的供硒水平下子粒硒含量一直保持平缓趋势 外,其余各处理均表现为下降趋势。品种间相比较, 以丙 +,&-子粒硒含量下降最为突出。停止供硒后 不同的时间子粒硒含量变化趋势不一样,不同的取 样日期子粒硒含量差异显著,以 ! "内子粒硒含量 提高最多,而在 !!.& "之间子粒硒含量明显下降, 以后则变化不大(图 ,)。 图 7 停止供硒对水稻子粒硒含量的变化 "#%7 &’( )’*+( ,- .( ),+/(+/ #+ 0#)( 4((8 *-/(0 /(03#+*/#,+ ,- .( 415526 在停止供硒后 .& "内,两个品种子粒硒积累量 (单穗子粒产量与子粒硒浓度的乘积)均表现为提 高;而在 .&!/’ ",秀水 #!子粒硒积累量仍表现为 显著升高的趋势,而丙 +,&-子粒硒积累量没有显著 的变化。说明丙 +,&- 硒转运到稻穗主要集中在灌 浆期后 .& "之内,而秀水 #! 硒运转到稻穗持续的 时间更长(表 .)。 表 9 停止供硒后子粒硒积累量的变化(! : 5*+#)2()
&*;2( 9 &’( )’*+( ,- .( *))1312*/#,+ #+ 0#)( 4((8 *-/(0 /(03#+*/#,+ ,- .( 415526 品种 0123%45 硒浓度 % 6786%89
(!( ) *)
停止供硒后的天数(")
:15; 1<4%2 4%2=3814378 7< % ;>??@5 ’ ! .& /’ A38( +,&- .& -B/+ 6 &B,# C DBD& 1 !B-& 1 &’ +B+D 6 -.B/- C /!B’& 1 #/B&/ 1 E3>;F>3#! .& #B.D 6 !B,, C .&B#. 1 -’B,D 1 &’ .!B-& 6 -/B!+ 6 #/B!, C ,#BDD 1 注:同一行不同字母代表差异达 ’B’&显著水平。 G74%::3<<%2%84 @%44%2; 38 1 27H =%18 ;3(83<36184 14 ’B’& @%I%@ 9 < 讨论 一般的非聚硒作物,包括一些杂草,饲料和农作 物类植物,每千克干重硒含量低于 -& =(,最高硒累 积量每千克干重不超过 .’’ =(。正常情况下作物体 内每千克干重的组织硒含量在 ’B’.到 . =( ) J(,:K 之间[,]。影响植物硒含量的因素很多,如土壤硒水 平和植物种类,生长在同一土壤上的植物,不同的植 物硒含量有很大差异。这一方面可能是吸收原因造 成的,另一方面可能是硒在不同植物中的分配差异 造成的。有关硒在植物中的移动目前还不是十分清 楚。L3;;%@MG3%@;78[D]和 N;F%2等人[!]报道,当植物供 给亚硒酸盐在根部很快转化成有机硒的形态通过木 质部向地上部转运。植物的不同部位含硒量不同, 硒在植株中趋向分布于生长旺盛的部位,植物的幼 嫩组织比年老组织含硒量高,并且随植物的年龄增 大而降低[+]。大豆硒在成熟期与营养生长期相比, 根中的分配比例相对下降 &’O左右,叶的分配比例 下降 -’O,而子粒中的硒含量相对上升。说明营养 器官中的硒可以向荚粒中转移,而这种转移在高硒 土壤中更为活跃[.’]。王其兵[..]在落花生上的试验 表明,在落花生果实形成过程中,果仁中含硒比例由 结荚期的 -#B++O上升到成熟期的 #/B#’O;而落花 生根、茎、叶和果壳中硒的比例都有不同程度地下 降,说明营养器官中的硒开始向荚果中转移。从增 加的幅度看,以落花生果仁最高,说明该器官仍是硒 元素累积的主要器官。硒在植株体内趋向于分布在 植株生长旺盛的器官,并和植物生长有密切的关系。 本研究采用的两个供试水稻品种子粒硒含量有 显著的差别,秀水 #!子粒硒含量显著高于丙 +,&-。 停止供硒后,两者在根系、剑叶、颖壳及子粒硒含量 的变化等方面存在显著的差异。两者体内的硒再运 ,’& 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 .#卷 转的能力不同。试验表明,停止供硒后,水稻根系硒 浓度也是随着时间的推移而表现下降的趋势。但是 不同的品种、不同的前处理供硒水平之间硒浓度下 降的幅度有着显著的差异。秀水 !"根系硒含量下 降幅度大于丙 #%&;而不同的取样日期相比较,根
系硒含量下降最快的时间是停止供硒后 "!’% (之
内,往后根系硒含量虽有下降,但是下降的幅度较
低。从根系硒积累来看,秀水 !"根系硒在停止供硒
后 ’% (内急剧下降,而丙 #%&根系硒积累量下降比 较缓慢。两个品种相比较,秀水 !"根系中硒更加容 易向植株其它部位转运。 剑叶是水稻子粒灌浆充实成熟期的功能叶,剑 叶与水稻子粒灌浆充实关系密切。在水稻子粒充实 期,剑叶是同化作用最活跃的器官,是子粒充实的重 要“物源”[’’]。本研究表明,在停止供硒后 " (内,剑 叶硒含量呈升高的趋势," (后,剑叶中硒含量则呈 下降趋势。在灌浆开始后的一段时间内,剑叶是作 物硒积累中心之一,但是随着水稻子粒的充实,水稻 叶片的衰老,剑叶中硒浓度也随之下降。不同的品 种相比较,秀水 !" 剑叶硒含量下降幅度大于丙 #%&,两者有显著的差异。从硒的积累量来看,秀水
!"剑叶硒积累量下降幅度也大于丙 #%&,剑叶硒的 转移将有利于硒在子粒中的积累。分析结果表明, 剑叶含硒量在各器官中仅次于根而高于其它各器 官,这是否预示在植物体中硒不仅仅是被结合为贮 藏物质进入子粒,而可能在植物机体生命活动过程 中发挥着更为重要的作用。本研究还表明,剑叶中 硒的运出不仅受到品种的制约,也与供硒水平、停止 供硒时间等因素密切相关;品种、前处理供硒水平和 取样时间等因素存在显著的互作效应。 颖壳中硒的积累动态也存在显著差异,在较低 的供硒水平下,停止供硒后,两个供试品种颖壳中的 硒含量在 " (内呈先上升后下降趋势。在较高的供 硒水平下,停止供硒后,秀水 !"颖壳中的硒呈先上 升后下降,说明此时颖壳中仍有部分硒可以运转到 其它部位;丙 #%&颖壳硒含量是一直升高,而其子
粒硒含量却是呈下降趋势,造成子粒硒含量下降的
原因是因子粒充实而稀释的缘故。而从收获的最终
结果看,秀水 !"子粒硒含量显著大于丙 #%&,说明 在子粒硒积累能力较差的品种中,颖壳到稻胚和胚 乳之间的运转障碍,也是造成丙 #%&子粒硒含量低
于秀水 !"的主要原因之一。
由此可见,子粒硒积累能力强的品种根系以及
叶片具有较强的再运转硒的能力。
参 考 文 献:
[’] )* +,,-./ 0 1,23-4536 1 78 9:;5<;-6= :> >::( 4:(->-36;-:< -< 36<35?
*?5@5<;-:<[1]8 +6<35? A5.8,’##!,%!(B):’#%BC’#%#D
[&] 胡秋辉,潘根兴,丁瑞兴,等 8 富硒茶硒的浸出率及其化学性质
的研究[1]8 中国农业科学,’###,E&(%):$BCB&D
FG H F,96< I J,0-
<-G4 6<( *?:*5?;L :> .5=5<-G4 :> 25N52-<8,’###,E&(%):$BCB&D
[E] +?G.6/ P 78 QO:=5N?::; -?:<(!)N?5(G3;6.5 63;-@-;L ;O?:GKO:G; ;O5
=->5 3L3=5 -?:
[!] 周鑫斌,施卫明,杨林章 8 叶面喷硒对水稻子粒硒富集及分布
的影响[1]8 土壤学报,&UUB,!!(’):BECB"D
VO:G J W,2O- Q P,X6
:< .5=5<-G4 633G4G=6;-:< 6<( (-.;?-TG;-:< -< ?-35[ 1]8 73;6 95(:= 8
2-<8,&UUB,!!(’):BECB"D
[%] VO:G J W,2O- Q P,VO6
=5<-;5 G*;6/5 TL ?-35 .55(=-
[$] P6?.3O<5? F8 P-<5?6=
(54-3 9?5..8 ’##%D !EUC!EED
[B] I-..5=N [-5=.5< I8 \*;6/5 6<( ;?6<.=:36;-:< :> B%25 -< V56 46L.[7]8
).:;:*5. 6<( ?6(-6;-:< -< ?5.56?3O :< .:-=N*=6<; ?5=6;-:<.O-*.[+]8 ]-5
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["] 7.O5? + 1,WG;=5? I Q,95;5?.:< 9 18 25=5<-G4 ;?6<.*:?; -< ?::; .L.N
;54. :> ;:46;:[1]8 1 8 YM*8 W:; 8,’#BB,&"(&):&B#C&#’D
[#] 7?@L P 98 2:45 >63;:?. -<>=G5<3-
=5<-;5 -< ;O5 T56< *=6<;(%/#’!0(’ *(1#,&’)[1]8 9=6<; 2:-=,’#"#,
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[’U] FG H F,96< I J,7< J J !" #$ 8 9OL.-:=:K-36= >G<3;-:< :> 25C5
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Q6
G*;6/5 6<( 633G4G=6;-:< -< (->>5?5<; *56
BU%E期 周鑫斌,等:水稻子粒硒累积机制研究