硒肥对谷子产量因子及其籽粒富硒效果的影响

李冉, 刘宇航, 梁杉,2, 张敏,2*

(1.北京工商大学食品与健康学院, 北京食品营养与人类健康高精尖创新中心, 北京 100048; 2.北京工商大学食品与健康学院, 北京市食品添加剂工程技术研究中心, 北京 100048)

硒是维系人体正常生理功能的必需微量元素之一，对保证人体健康有着不可或缺的作用。人类饮食中硒的有益摄入量相对较窄，被认为是55～200 μg·g-1。但是，目前全世界约有10亿人严重缺乏硒，尤其是在中国、非洲、印度和东欧。中国硒资源分布十分不均衡，缺硒地区由东北至西北、西南地区共有15个省区，导致约1亿人口膳食中硒含量不足[1]。人体中大约有90%的硒来源于食物。所以作为生物源补硒方式，食用富硒农产品是解决缺硒人口补硒问题最安全、方便、科学和健康的途径[2]。谷物及其产品是人类饮食硒摄入的主要来源，由于其消耗量高，从谷物及其产品中摄入的硒含量在中国硒摄入量中占比高达70%。谷子是我国的重要谷物类作物，而小米就是谷子脱壳后的产物[3]，是人们钟爱的粮食作物之一，其消化吸收率高且含有丰富的营养物质[4]。但作为中国北方的主食，与蘑菇和大蒜等高硒作物相比，小米的硒含量普遍较低。有报道指出，叶面喷施硒肥可以起到增加作物的硒富集、产量及增进作物品质的效果[5]。因此，在作物中施用硒肥在改善谷物品质和补硒方面显示出巨大潜力。

不同作物的硒吸收能力不同。目前，关于硒肥对作物的影响研究，主要集中在水稻、小麦、玉米、油菜、茶、马铃薯、芝麻[6]等作物上。近年来，尽管对谷子在富硒方面的研究逐渐增多，但主要集中在单一类型硒肥对谷子的生长状态和品质的影响等方面[7-10]。综合比较有机硒肥和无机硒肥对谷子品质的影响，尚无系统报道。富硒谷子具有提升硒营养与改善饮食结构的双重作用，明确谷子的富硒特性、选择合适的硒肥、并把握适当的浓度对最大化农业生产利益具有现实意义。基于此，本研究以谷子为研究对象，选择有机硒肥和无机硒肥(亚硒酸钠)，比较不同类型不同浓度硒肥对谷子及其籽粒生物富硒效果的影响，探讨谷子籽粒的生物富硒机理，以期为富硒谷子的生产提供理论依据，同时也为指导我国食品硒资源的拓展开发提供有价值的参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试谷子品种为‘晋谷21号’，来自山西省汾阳市，由山西省农业科学院经济作物研究所提供。

供试硒肥均来自商业化硒肥，其中有机硒肥是生物富硒增效剂，购自太原市致达顺复合肥高科技有限公司；无机硒肥为亚硒酸钠，为化学纯，购自上海泰瑞公司。

1.2 试验设计

试验时间为2018年，试验地点为山西省太原市。选择有机硒肥和无机硒肥2种硒肥，每种硒肥设计4个浓度处理，分别为0、15、30、60、120 g·hm-2,每个处理3次重复，于灌浆期进行叶面喷施。试验小区面积4 m2，行距0.3 m，株距0.06 m，150 000～180 000株·hm-2。试验田四周设有保护行，采取裂区设计。

1.3 测定指标与方法

1.3.1穗部性状测定 收获后，每个处理随机选取3个1 m2的样地，记录穗位高、穗粒重、千粒重。穗位高是果穗第一着生节至地面的距离，穗粒重为单个谷穗脱粒的重量，千粒重为1 000个谷粒的重量。

将谷子经自然风干、脱粒、脱壳得到小米样品，使用非接触式色差仪及光泽仪(X-Rite VS450 col-orimeter，American)测定米色，将小米倒入色差仪黑色载样盒中，轻轻按压以减小籽粒间缝隙，将盛满小米的载样盒放入色差仪进行测量。采用b*值作为反映小米色泽的指标。每个样点3次重复，每次测量重复3次；饱满度按农业标准《NY/T 1301—2007》[11]分为饱、较饱、中等、欠饱、瘪五级；出谷率计算公式如下。

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1.3.2硒含量测定 参照《食品中硒的测定》[12]，应用氢化物原子荧光法测定谷子的硒含量。标准曲线绘制：取1 mL硒元素标准溶液(1 000 μg·mL-1)，用5%的HCl配置1 μg·mL-1中间液。用1 μg·mL-1标准物质溶液，配置浓度分别为1、5、10、20、30 μg·L-1的标准溶液。用AFS-933荧光分光光度计(北京吉天仪器有限公司)测量不同浓度标准溶液的荧光值。以浓度C(μg·L-1)为横坐标、荧光值为纵坐标，绘制标准曲线。

将经自然风干、脱粒、脱壳得到的谷子籽粒，用小型高速粉碎机粉碎成粉末状，过100目筛，用AL204梅特勒-托利多天平称取粉碎样品0.5 g，置于聚四氟乙烯消解管中，加10 mL硝酸和2 mL过氧化氢，振摇混合均匀，放置一夜进行预消解，后于微波消解仪消化。消解结束待冷却后，在通风橱中卸压并将消化液转入锥形烧瓶中，在电热板上加热赶酸至近干，至1～2 mL，取下冷却。继续加入5 mL 6 mol·L-1盐酸溶液，并用150 ℃电热板加热至溶液变为清亮无色，并出现白烟，且剩余1～2 mL后停止加热并冷却。最后用超纯水定容到25 mL容量瓶内。同时设置试剂空白对照，仅添加10 mL硝酸和2 mL过氧化氢。用AFS-8220原子荧光仪(北京吉天仪器有限公司)检测得到样品的硒浓度。原子荧光仪的检测参数为，负高压：270 V；灯电流：80 mA；辅助阴极：40 mA；炉高：8 mm；载气流速：300 mL·min-1；屏蔽气流速：800 mL·min-1；测量方式：标准曲线法；进样体积：0.5 mL；读数方式：峰面积；延迟时间：1 s；读数时间：10 s；加液时间：6 s。

1.3.3硒形态测定 参照Mobtes-Bayon等[13]进行硒形态(有机形态：SeCys2、MeSeCys、SeMet;无机硒形态：SeⅥ、SeⅣ)测定。称取0.5 g样品，加入15 mg酪氨酸蛋白酶XIV(酶活力≥3.5 U·mg-1，pH=7.5)，加入10 mL pH为7.5的5 mmol·L-1柠檬酸溶液于微波消解管中，酶解48 h。微波萃取程序：设置功率为150 W，5 min升温到37 ℃，37 ℃萃取30 min，降温冷却，转移至离心管中，10 000 r·min-1离心3 min，过0.2 μm水性滤膜，上高效液相色谱—电感耦合等离子体质谱仪(HPLC：SHIMADZU LC-20AT；ICP-MS：Thermo Fisher Series X2)进行分析。流动相：5 mmol·L-1柠檬酸溶液(pH=5.0)；流速：1.2 mL·min-1；柱子：Hamiltion PRP-X100阴离子分析柱。

1.3.4叶黄素含量测定 将谷子籽粒粉末过100目筛后，用天平称取粉碎样品0.5 g，置于50 mL聚丙烯离心管中。完全遮光并加入10 mL丙酮溶液，混匀振荡3 min左右。5 000 r·min-1离心5 min，小心移取上清液至一洁净的15 mL离心管中，在30 ℃条件下氮吹浓缩，用丙酮溶液定容至1 mL，混匀振荡，过0.2 μm滤膜，用Agilent1200液相色谱仪(安捷伦)检测。液相条件，AcclaimTMC30色谱柱：5 μm，4.6 mm×150 mm；柱温：30 ℃；流速：1 mL·min-1；检测波长：445 nm；进样量：10 μL；流动相：甲醇与乙腈等体积混合液。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 19.0软件，进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同硒肥对谷子穗部性状的影响

由表1可知，谷子的穗位高、穗粒重及其籽粒的千粒重、米色和饱满度受硒肥类型以及硒浓度的影响均不显著，而谷子的出谷率随着硒肥浓度的增加，整体呈先上升后下降的变化趋势。30 g·hm-2处理的出谷率最佳，为90.93%，显著高于对照处理(P<0.05)；60、120 g·hm-2处理显著高于对照处理(P<0.05)，其出谷率分别为92.80%和90.33%。有机硒肥处理的平均出谷率为83.87%～90.93%，仅有30 g·hm-2处理显著提高了谷子的出谷率；无机硒肥处理的平均出谷率为87.27%～92.80%，60和120 g·hm-2处理显著提高了谷子的出谷率。表明叶面喷施无机硒肥的增产效果优于有机硒肥。

表1 不同硒肥处理对谷子穗部性状的影响Table 1 Effects of different selenium fertilizers treatments on panicle traits of millet

2.2 不同硒肥对谷子籽粒硒含量的影响

不同处理的谷子籽粒硒含量结果(图1)显示，当喷施不同浓度有机硒肥时，谷子籽粒的硒含量与对照相比无显著差异；无机硒肥浓度为30、60、120 g·hm-2时，谷子籽粒的硒含量显著高于相应浓度的有机硒肥处理(P<0.05)，说明喷施无机硒肥谷子的硒富集能力较强。喷施60、120 g·hm-2浓度无机硒肥的谷子籽粒硒含量均显著高于对照(P<0.05)，其中以60 g·hm-2无机硒肥处理的硒含量最高，但与120 g·hm-2无机硒肥处理无显著差异(P>0.05)。因此认为，谷子以叶面喷施无机硒肥60 g·hm-2时经济效益最佳，此时谷子的籽粒硒含量可达到1.09 mg·kg-1。

注：不同英文小写字母表示相同硒肥类型不同浓度处理间差异在P<0.05水平具有显著性，不同希腊字母表示相同浓度不同硒肥类型处理间差异在P<0.05水平具有显著性。Note: Different lowercase English letters represent significant difference between different concentrations treatments of the same selenium fertilizer at P<0.05 level, different lowercase Greek letters represent significant difference between different selenium fertilizer types with the same concentration at P<0.05 level.图1 不同硒肥处理对谷子籽粒硒含量的影响Fig.1 Effects of different selenium fertilizer treatments on selenium content in millet

2.3 不同硒肥对谷子籽粒硒形态的影响

谷子籽粒样品中的硒形态分析结果见图2，可知无论有机硒肥还是无机硒肥处理，谷子籽粒中的硒均主要为有机硒形态，其中有硒代胱氨酸(selenocystine,SeCys)和硒代蛋氨酸(selenomethionine,SeMet)被检出，且SeCys含量高于SeMet，其他形态均未被检出。无机硒肥处理中的两种有机硒含量均显著高于有机硒肥处理(P<0.05)。

注：不同小写字母表示不同硒肥处理间差异在P<0.05水平具有显著性。Note: Different small letters indicate significant difference between different selenium fertilizer treatments at P<0.05 level.图2 不同硒肥类型对谷子籽粒硒形态的影响Fig.2 Effects of different selenium fertilizer types on selenium morphology in millet

2.4 不同硒肥对谷子籽粒叶黄素含量的影响

米色是谷子籽粒外观的重要参考指标，也是衡量其商品价值的标准之一。叶黄素含量高的小米米色更黄。由图3可知，与对照相比，叶面喷施有机硒肥和无机硒肥处理的籽粒中叶黄素含量均无显著变化(P>0.05)，不同浓度处理之间、相同浓度不同硒肥处理之间也均没有显著差异(P>0.05)，表明外源硒对籽粒的米色和叶黄素含量均无影响。

图3 不同硒肥处理对谷子籽粒叶黄素含量的影响Fig.3 Effects of different selenium fertilizer treatments on lutein content in millet

3 讨论

本研究发现，叶面喷施硒肥可增加谷子的出谷率，30 g·hm-2有机硒肥、60 g·hm-2无机硒肥、120 g·hm-2无机硒肥处理均显著提高了谷子的出谷率。王淑君等[14]研究发现，出谷率与谷子产量呈显著正相关，出谷率高的处理谷子产量也高。因此认为，喷洒有机硒肥和无机硒肥均可增加谷子产量，这与在油菜[15]、水稻[16]、扁豆[17]、小麦[18]上的研究结果一致。硒肥增加作物产量的原因，可能是低浓度硒增强了植株的呼吸作用以及抗氧化活性[18-19]。然而，其机理需要进一步研究。

作为非必需营养元素，硒对植物生长具有双重作用，即低浓度促进，高浓度抑制[20]。郭文慧等[21]研究发现，亚硒酸钠作为硒源，且基施(土施)浓度不超过8 mg·kg-1时，均可促进紫甘薯各部位的生长，但其促进作用随着施硒量的增加而下降。低于5 mg·kg-1的施硒量可以促进小白菜等作物的生长[22]。Liu等[23]研究表明，当对小麦施用的亚硒酸盐浓度为15 mg·kg-1时，根芽部位的生长量均有所降低。付冬冬等[24]研究表明，外源硒对小麦产量的促进作用呈现先升高后降低的趋势，超过一定浓度对小麦产量有抑制作用。本研究也发现，叶面喷施不同类型不同浓度硒肥，谷子的出谷率随着硒肥浓度的增加整体呈先上升后下降趋势。低浓度硒对植物表现出不同程度的促进作用，主要是因为低浓度硒通过增强植物光合作用，促进植物生长，而高浓度硒干扰了植物体内硫的正常代谢，影响了蛋白质、碳水化合物等生物大分子的合成，进而对植株生长起到抑制作用[24]。从实用、经济的角度出发，谷子栽培过程中，以叶面喷施60 g·hm-2的无机硒肥为宜。

很多研究发现，喷施硒肥对小麦硒含量有显著促进作用[25-27]。但本研究发现，喷施不同浓度有机硒肥对谷子籽粒的硒含量没有显著性影响，而喷施无机硒肥可以显著提高谷子籽粒中的硒含量。这与其他使用亚硒酸钠的富硒研究一致[28]，说明谷子对亚硒酸钠反应敏感。这可能是因为亚硒酸盐在植物体内的吸收转运机制相对独立[29]，主要通过磷酸盐转运机制进行[30]，使其有更高的转运效率。因此，叶面喷施无机硒肥可以作为谷子富硒生产的措施。叶面喷施60 g·hm-2无机硒肥时，谷子的硒含量可以达到1.09 mg·kg-1。

从人类营养角度来看，植物可食用部位的硒形态是非常关键的，多种动物模型试验结果均表明，在生物利用率方面，有机硒高于无机硒。因为硒与硫为同一主族元素且性质相近，硒被植物吸收之后，不但会随硫转运家族一同被运输，而且能够参与硫的代谢和同化作用，代替蛋白质中甲硫氨酸和半胱氨酸中的硫，形成硒代氨基酸[31]。本研究发现，谷子籽粒中的硒形态主要为有机硒，这与Carey等[32]研究的水稻籽粒的结果一致。可见，富硒谷子是补硒产品的一种良好选择。谷子中的有机硒为硒代胱氨酸和硒代蛋氨酸，无机硒肥处理的硒代胱氨酸和硒代蛋氨酸含量均显著高于有机硒肥处理，说明添加无机硒肥较添加有机硒肥对谷子籽粒的硒有机化效果更好。

对于谷子籽粒的外观品质来说，米色同样是一种参考指标。有研究发现，籽粒中的叶黄素含量对其米色等外观品质有很大影响[33]。本研究发现，叶面喷施不同浓度有机硒肥和无机硒肥对谷子籽粒叶黄素含量和米色均无显著性影响，表明外源添加硒对籽粒的叶黄素含量影响不大。可见，外源添加有机硒肥能有效提高谷子的出谷率和硒含量，且不会影响小米的米色，这对生产富硒谷子及有效提升居民饮食中的硒水平具有一定的借鉴意义。