不同硒累积型水稻耐高硒毒害差异特征研究.pdf

Journal of NuclearAgricultural Sciences1681核农学报2 0 2 3,37(8)：16 8 1 16 8 9文章编号：10 0 0-8 551(2 0 2 3)0 8-16 8 1-0 9不同硒累积型水稻耐高硒毒害差异特征研究卜少腾1,2李衍亮1李玉义3谭卓贤2.4张木大2，*（东莞理工学院生态环境与建筑工程学院，广东东莞52 38 0 8；3广东省农业科学院农业资源与环境研究所农业农村部南方植物营养与肥料重点实验室/广东省养分资源循环利用与耕地保育重点实验室，广东广州510 6 40；3中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京100081；4仲恺农业工程学院资源与环境学院，广东广州510225)摘要：为探究不同硒累积水稻品种耐高硒毒害能力差异特征，本研究设置盆栽试验，以硒高、低累积水稻（OryzasativaL.）品种为试验材料，研究了不同硒累积水稻品种在不同硒水平处理（0、0.5、2 5mgkg）下生长、生理特性及硒结合蛋白基因表达量的差异变化特征。结果表明,施用低浓度硒(0.5mgkg)能显著提升硒高累积水稻产量和地上部干物质量，但对硒低累积水稻提升不明显。高硒水平（2 5mgkg)下两个水稻品种产量和地上部干物质量均显著降低，但硒低累积水稻降幅更大。施硒显著提高了硒高累积水稻的抗氧化能力，其超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT)活性和抗坏血酸（ASA）、谷胱甘肽（GSH）、类胡萝卜素（CAR）含量较不施硒处理分别增加了45.10%、10.30%、35.30%、6 8.10%、2 8.90%和2 6.0 0%。各施硒处理下，硒高累积水稻丙二醛（MDA）含量均显著低于硒低累积水稻。低浓度硒对两个水稻品种碳氮代谢产物含量均有提升作用，与不施硒处理相比，硒高累积水稻的可溶性糖含量显著增加了0.0 2 个百分点，可溶性蛋白含量显著增加了15.10%，并且高硒水平下硒高累积水稻碳氮代谢产物含量均显著高于硒低累积水稻。两种施硒处理对硒高累积水稻硒结合蛋白基因的相对表达量均有显著提升作用且均高于硒低累积水稻。综上，硒高累积水稻在硒胁迫下拥有更强的抗氧化及碳氮代谢能力，同时能将更多的硒与硒结合蛋白结合而减轻其毒害作用，具有更强的耐高硒毒害能力。本研究结果为生产富硒水稻提供了技术和理论参考。关键词：硒；水稻；抗氧化酶；抗氧化物质；碳氮代谢D0I:10.11869/j.issn.1000-8551.2023.08.1681硒（selenium，Se）是人和动物所必需的微量营养元素，在维持健康的免疫系统和降低疾病风险方面起到关键作用 。我国大面积土壤缺硒，加之部分富硒地区因土壤偏酸而导致硒有效性较低，植物吸收困难，作物产品中的硒含量普遍偏低，人们通常采用外源施硒的手段来提升作物产品中的硒含量2-4。硒并非植物所必需的营养元素，有益和有害的界限较窄，低浓度硒可提高叶绿素含量、增强植物抗逆性，进而促进植物生长，高浓度硒则会对植物造成严重毒害作用5-6 。不同种类的植物富硒能力不同，同种作物不同品种之间的富硒能力有时也存在较大差异，对硒的敏感性也不同7 。不同种类植物体中硒对抗氧化系统的作用阈值存在差异，适量硒可能起到正向调节作用，过量硒则会诱导氧化应激产生过量活性氧并造成细胞膜损伤8-9。植物可以通过自身防御系统调节酶类抗氧化剂超氧化物歧化酶（superoxidedismutase，SO D）、过氧化物酶（p e r o x i d a s e,PO D）、过氧化氢酶（catalase，CA T）及非酶类抗氧化剂抗坏血酸（ascorbicacid，A SA）、谷胱甘肽(glutathione,GSH)和类胡萝卜素（carotene,CAR)等活性氧的过度积累，以保护植物细胞组织免受自由基的毒害。逆境条件下，碳氮代谢产物含量的增加能够为植物生长提供能量以及建构物质，是植物抵御逆境胁迫的物质基础10 ，且对植物抵抗硒毒害具有重要作用。除此之外，硒超累积植物还能将更多的硒结合在非关键代谢组织，避免过量的硒直接参与核心代谢过程,从而具有较强的耐高硒毒害能力1。水稻并非硒收稿日期：2 0 2 2-11-2 1接受日期：2 0 2 3-0 3-0 8基金项目：国家自然科学基金（318 7 2 17 6），广东省自然科学基金（2 0 2 1A1515010943），广东省农业科学院中青年学科带头人培养计划（R2020PY-JX013），广东省农业科学院低碳农业与碳中和研究中心（XTXM202204）作者简介：卜少腾，男，主要从事植物硒营养机理研究。E-mail：117 0 2 92 38 6 q q.c o m*通讯作者：张木，男，研究员，主要从事植物微量元素营养机理研究。E-mail:168237卷报核农学超累积植物，不同水稻品种对硒的富集能力差别较大，硒高累积水稻品种耐高硒毒害的能力要强于硒低累积水稻品种，但其具体生长、生理作用差异机制仍不明确。因此，本研究以硒高、低累积水稻品种为研究对象，通过盆栽试验研究硒高累积水稻和硒低累积水稻在不同硒水平下的生长特征差异，旨在为生产富硒水稻提供技术和理论参考1材料与方法1.1试验材料供试水稻（Oryza sativaL.）品种为华南双季稻区广泛种植的常规水稻品种美香占和晚丝香，均由广东省农业科学院水稻研究所提供（为广东省农业科学院农业资源与环境研究所土壤与肥料项目团队在华南双季稻区长期开展水稻增效富硒技术试验研究中筛选所得）。其中美香占为相对硒高累积水稻品种（H-Se），晚丝香为相对硒低累积水稻品种（L-Se）。试验试剂为亚硒酸钠（Na,SeO,），由农业农村部南方植物营养与肥料重点实验室提供。供试土壤为广东省佛山市高明区更合镇的粘壤土，基本理化性质如下：pH值4.7 0、有机质含量2 7.10 g.kgl、碱解氮17 2.90 mgkgl、有效磷25.60mg.kgl、速效钾141.0 0 mg.kgl、总硒0.2 1mg.kgl1.2试验方法试验于2 0 2 1年7 月在广东省农业科学院农业资源与环境研究所盆栽场的温室大棚中开展，盆栽装置为聚氯乙烯（polyvinylchloride，PVC）材质桶，每桶装土3kg，土壤装桶前先过2 cm网筛。试验设置0、0.5、25mgkg共3个硒处理，以Na,SeO,为硒源。大量元素肥料用量为每千克土壤施N0.2g、P,0,0.15g、K,00.2g,分别以尿素CO(NH,）,、磷酸二胺（NH,）,HPO4、氯化钾（KCI)作为肥源。其中钾、磷肥全部作基肥施入，氮肥基施6 0%，拔节期追施40%。为保证植株营养需求，每千克土壤再补施1mL浓缩10 0 0 倍的阿农微量元素营养液。所有肥料均配成溶液施人土壤。水稻生长期从7 月2 0 日持续到11月2 5日，水稻采用移栽的方式，每桶定苗1株，每个处理重复8 次。水稻生长期间定期定量进行水分浇灌，严格进行病虫害防治，各环节均按照盆栽模拟试验技术规范进行，最大程度上保证数据的准确性和可靠性。1.3测定项目与方法土壤基本理化性质测定参照土壤农化分析12 中的常规分析方法。其中碱解氮含量采用碱解扩散法测定；有效磷含量采用蓝比色法测定；速效钾含量采用火焰光度法测定；有机质含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定。土壤pH值采用PHS-3E型实验室pH计（上海仪电科学仪器股份有限公司）测定。土壤总硒含量的测定参照NY/T1104-2006土壤中全硒的测定13，消解后采用AFS-9230原子荧光光度计（北京吉天仪器有限公司）测定于拔节期采集各处理4个重复水稻叶片，测定丙二醛（malondialdehyde，M D A）含量、抗氧化酶活性、抗氧化物质和碳氮代谢产物含量，以及硒结合蛋白基因(selenium-binding protein 1,SBP1)的相对表达量。其中，超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）活性分别采用氮蓝四唑（nitro-bluetetrazolium，NBT)光还原法、紫外吸收法、愈创木酚法测定14 类胡萝卜素含量采用乙醇提取比色法测定，抗坏血酸含量采用2,6-二氯靛酚滴定法测定，丙二醛含量采用硫代巴比妥酸（thiobarbituricacid，T BA）显色法测定,还原性谷胱甘肽(GSH)采用二硫代双二硝基苯甲酸(5,5-dithio-bis-nitrobenzoic acid,DTNB)比色定量法测定，可溶性糖、可溶性蛋白、游离脯氨酸等碳氮代谢产物含量分别采用葱酮比色法、考马斯亮蓝法、酸性节三酮法测定15-16 。SBP1基因采用实时荧光定量PCR进行测定（正向引物：5-GTATCAACCTCGTCACAAG-3;反向引物:3-CTTCCATAGAGACCATCCT-5)。于成熟期将各处理剩余4个重复的水稻穗取下，在室内风干、考种测定水稻的实际产量。之后将各处理的水稻植株按根、茎叶和谷粒分开清洗干净并吸干水分，将水稻植株样品置于烘箱中10 5杀青30 min，最后在7 5下烘干至恒重，用于后续试验分析。分别称量水稻茎叶和根系干重，并记为地上部和根系干物质量。按公式(1)和(2)计算地上部和根系硒累积量。水稻组织硒含量测定采用微波消解-原子荧光氢化物发生法，将烘干至恒重的水稻样品粉碎过筛，称取0.2g于消解罐中，依次加人4mL浓硝酸、1mL双氧水和1mL去离子水进行微波消解，消解结束后再加人5mL1:1的盐酸，随后于电热板上加热赶酸至澄清，在剩余溶液为2 3mL时停止加热，冷却至室温，转移至25mL容量瓶定容，采用原子荧光测定溶液中的硒含量17 。水稻植株硒含量的分析检测过程采用空白对照、样品4次重复、标准曲线校正等进行数据质量控制。地上部硒累积量=地上部茎叶硒含量x地上部干物质量(1)根系硒累积量=根系硒含量根系干物质量(2)1.4数据处理使用SigmaPlot12.5软件绘图，采用SPSS12.0软1683不同硒累积型水稻耐高硒毒害差异特征研究8期件进行数据处理和方差分析，文中数据为平均值标准误。各处理平均值的多重比较采用最小显著性差异法(least significant difference,LSD)(P0.05)。2结果与分析2.1施硒对两个水稻品种产量、地上部和根系干物质量的影响由图1可知，不施硒时，两个水稻品种的单株产量、地上部和根系干物质量均无显著差异。施用低浓度硒（0.5mgkg)时，硒低累积水稻的单株产量和地上部干物质量较不施硒无显著差异，但显著提升了硒一L-SeH-Se30厂A25abb201510C5000.52525B厂a20bbbC15d105000.5253.5C3.0aabab2.5bc2.0dcd1.51.00.50.000.525施硒水平AppliedSe/(mgkg)注：L-Se：硒低累积水稻品种；H-Se：硒高累积水稻品种；不同小写字母表示处理间差异显著(P0.05)。下同。Note:L-Se:Low Se accumulative rice varieties.H-Se:High Seaccumulative rice varieties.Different lowercase letters indicate significantdifference at 0.05 level between different treatments.The same as fllowing.图1施硒对两个水稻品种产量、地上部和根系干物质量的影响Fig.1Effects of selenium application on yield,shoot androot dry matter quality of two rice varieties高累积水稻的产量和地上部干物质量。与不施硒相比，施用高浓度硒（2 5mgkg）显著降低了两个水稻品种的单株产量、地上部和根系干物质量，但硒低累积水稻的降幅更大，其中硒高累积水稻的单株产量和地上部干物质量显著高于硒低累积水稻，而两者间根系干