2. 中国农业科学院生物技术研究所,北京 100081
2. China Biotechnology Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081
Fe、Zn、Se三种微量元素在人体与动植物的生长发育过程中起着重要的作用,与人体健康密不可分。Fe对于所有生物体几乎都是至关重要的,在成人体内含4-5 g,参与体内各种代谢过程,包括运输氧气、合成激素、促进身体发育、增强免疫力、合成DNA和电子运输等[1-3]。据报道,全世界1/4以上的人口患有贫血,其中大约一半是缺铁性贫血,缺Fe性贫血现已成为全球性健康问题,往往会导致患者生活质量恶化[4, 5]。缺铁性贫血在学龄前儿童和女性中发生率最高。在女性中,补Fe可改善身体机能和认知能力,提高工作效率和幸福感,在怀孕期间补充Fe可改善孕妇、新生儿和婴儿的健康状态[6, 7]。在儿童中,铁可以改善认知能力、精神运动能力和身体发育状况[8]。
1963年,Dura等[9]报道了Zn在各种动物中存在的必要性,缺乏Zn可能导致严重的临床问题(发育迟缓、细胞介导的免疫功能障碍和认知障碍[10])。目前,约300种酶和约1 000种转录因子的活性需要Zn的参与,Zn是免疫细胞的第二信使,并且在这些细胞中的游离Zn能够参与信号传导途径,不仅调节细胞介导的免疫力,而且还是抗氧化剂和抗炎剂[11-12]。Zn已被成功用于治疗儿童急性腹泻、威尔逊病、普通感冒和预防与年龄相关的干燥型黄斑变性患者的失明[13]。尽管在过去的几十年中,人类在Zn代谢的临床和基础科学方面取得了巨大进展,然而目前全球还有将近20亿人可能缺Zn,在吸收不良综合征、肝脏疾病、慢性肾病、镰状细胞病和其他慢性疾病的患者中都观察到Zn的缺乏[14]。
Se在人体内有非常重要的作用,是人体必需的微量营养元素之一,成人体内Se总量为3-20 mg。Se作为第21位氨基酸硒代半胱氨酸的组成部分,硒蛋白具有广泛的多效性,迄今为止,在人类蛋白质组中已鉴定了25种Se蛋白[15]。有机态Se具有提高免疫力和增强认知的能力,抗氧化、调节甲状腺激素代谢、治疗癌症、抗艾滋病和维持正常生育的功能[16-17]。人体的多种疾病都和缺Se有关,比如能量缺乏性营养不良、血溶性贫血、克山病、大骨节病、高血压、缺血性心脏病、肝硬化、胰腺炎、纤维瘤、癌症、肌瘤、不妊症、糖尿病、白内障等疾病[18-20]。目前,我国有一半以上地区的土壤处于缺Se或低Se状态,全球约10亿人处于Se缺乏状态,可见缺Se已成为一个世界性的问题[21]。植物性食品尤其是农作物植物中的Se是人体获取有效安全Se的重要来源,农作物植物可把土壤环境中无机态Se吸收转化为有生物活性的有机态Se,利于人体吸收且安全无副作用,在农业上使用Se肥对农作物进行Se的生物强化是解决人类体内Se缺乏问题的主要有效措施[22]。
Fe、Zn、Se 3种微量元素在人体健康中具有极其重要的作用,通过叶面喷施在农作物中强化Fe、Zn、Se 3种重要的微量元素是一种安全且高效的微量元素补充措施[23]。已有相关的小麦叶面喷施微肥研究主要集中在叶面喷施Fe、Zn、Se肥对喷施作物产量及籽粒中Fe、Zn、Se元素的影响变化,但并未研究叶面喷施Fe、Zn、Se肥对籽粒中其他矿物元素的影响变化且叶面喷施处理单一[24-28]。因此,本研究采用不同浓度的硫酸亚铁、硫酸锌和亚硒酸钠及其不同组合对小麦品种北京0045(BJ0045)进行叶面喷施处理,并对样品籽粒中的矿物元素含量进行分析处理,旨在提高小麦籽粒中Fe、Zn、Se元素的含量及分析叶面喷施Fe、Zn、Se肥及其不同组合对小麦籽粒中Fe、Zn、Se以及Ca、Mg、Cu、Mn、P矿物元素含量的影响,为小麦籽粒Fe、Zn、Se的生物强化提供新的策略和科学依据。
1 材料与方法 1.1 材料叶面喷施小麦品种为北京0045(BJ0045),种植于中国农业科学院生物技术研究所试验基地(河北廊坊),田间管理按常规方法进行,本试验土壤中Fe、Zn、Se元素的含量分别为26.2 mg/kg、58.4 μg/kg和1.2 μg/kg。
1.2 方法 1.2.1 试验设计试验按照随机区组法设计,3次重复且将不同喷施处理小区有效分离,小区面积为7.5 m×4 m=30 m2,共30个小区。每个处理在相应小区的拔节中期(2017年4月15日)和抽穗前期(2017年4月25日)各喷施1次,共喷施2次。喷施时间为下午5:00-6:00,叶面喷施均匀且喷施前后两天天气晴朗无降雨。
叶面喷施试验设计T1(叶面喷施0.2% FeSO4·7H2O)、T2(叶面喷施0.5% FeSO4·7H2O)、T3(叶面喷施0.2% ZnSO4·7H2O)、T4(叶面喷施0.5% ZnSO4·7H2O)、T5(叶面喷施0.01%Na2SeO3)、T6(叶面喷施0.2% FeSO4·7H2O+0.2% ZnSO4·7H2O混合肥)、T7(叶面喷施0.2% FeSO4·7H2O+0.02% Na2SeO3)、T8(叶面喷施0.2% ZnSO4·7H2O+0.02% Na2SeO3)、T9(叶面喷施0.2% FeSO4·7H2O+0.2% ZnSO4·7H2O+0.02% Na2SeO3)和CK(叶面喷施清水)。
1.2.2 样品采集与处理2016年10月10日播种,2017年6月26日成熟收获。在各个小区随机取3片长势一致的2 m2区域的小麦,晒干脱粒后用去离子水清洗2次,将清洗后的籽粒样品置于60℃烘干箱,烘干至恒重后用样品研磨仪(上海净信实业发展有限公司)研磨成粉末过筛,进行元素测定。
1.2.3 测定项目与方法使用CEM微波消解仪(青岛迈可威微波创新科技有限公司)、聚四氟乙烯消解罐(上海新诺仪器设备有限公司)、电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS,赛默飞SeriesⅫ)和电感耦合等离子体发射光谱仪(安捷伦ICP-OES 5100),测定籽粒样品中Fe、Zn、Se、Ca、Cu、Mg、Mn、P元素的含量。
配制不同浓度的Cu、Mg、Mn、Fe、Zn、Ca、P、Mg元素混合标准溶液(0.1、0.5、1.0、2.0、10.0和40 mg/L),配制不同浓度的Se元素标准溶液(0.1、1.0、5.0、10.0、50.0和100.0 μg/L),建立标准工作曲线。
称取各样品粉末0.250 g于消解管中,加3 mL硝酸,浸泡过夜,加入2 mL双氧水,盖上盖,再放入微波消解仪内,设置微波系统消解程序(步骤1:设置温度120℃,升温时间5 min,保持时间2 min;步骤2:设置温度160℃,升温时间5 min,保持时间5 min;步骤3:设置温度180℃,升温时间5 min,保持时间5 min;步骤4:设置温度190℃,升温时间5 min,保持时间35 min)开始消解。消解完全结束后,取出消解管,放置于赶酸仪上,以140℃加热赶酸至溶液剩余1 mL,取下冷却至室温,用水转移入25 mL容量瓶中,定容,混匀备用,测定各元素含量。
2 结果 2.1 小麦叶面喷施Fe、Zn、Se及其组合对籽粒中Fe、Zn、Se元素含量的影响 2.1.1 叶面喷施不同处理对籽粒中Fe元素含量的影响由图 1可见,各处理籽粒中的Fe元素含量相对于CK均显著升高,T1-T9样品籽粒中Fe元素含量相对于CK分别升高164.9%、172.7%、198.7%、184.4%、154.0%、155.4%、173.1%、146.1%和189.6%。表明叶面单独喷施Fe、Zn、Se 3种微肥及其组合都能显著的提高籽粒中Fe元素的含量。
2.1.2 叶面喷施不同处理的微肥对籽粒中Zn元素含量的影响由图 2可见,T1和T5籽粒中的Zn元素含量相对于CK均有所降低,分别降低4.7%和7.4%;T2、T3、T4、T6、T7、T8、T9样品籽粒中的Zn元素含量相对于CK都有所升高,分别升高12.8%、2.1%、26.7%、8.4%、8.7%、9.8%和6.8%。说明叶面喷施矿物肥对籽粒中Zn的含量影响不明显,仅仅提高12.8%(0.5% ZnSO4),表明仅采用叶面喷施还不能够大幅度的提高籽粒中Zn的含量。
2.1.3 叶面喷施不同处理的微肥对籽粒中Se元素含量的影响由图 3可见,各处理籽粒中Se元素的含量相对于CK都有显著升高,T1-T9样品籽粒中Se元素含量相对于CK分别升高39.4%、124.2%、33.3%、33.3%、1633.3%、45.5%、627.3%、663.6%和1172.7%,说明叶面单独喷施Fe、Zn、Se 3种微肥及其组合都能显著的提高籽粒中Se元素的含量。Fe、Zn肥均有利于小麦籽粒中Se的吸收与积累。叶面喷施Se肥后,小麦籽粒中Se元素的含量大大提高,最大升高16.3倍,表明小麦对叶面喷Se很敏感且有很强的吸收能力。
2.2 小麦叶面喷施Fe、Zn、Se肥对籽粒中其他矿物元素含量的影响为了分析叶面喷施Fe、Zn、Se肥对籽粒中其他矿物元素是否存在影响,对不同处理后小麦BJ0045籽粒样品中Ca、Cu、Mn、Mg、P元素的含量进行测定。
经微肥喷施处理后的样品籽粒中Ca元素的含量相对于对照(CK)有所不同(图 4-A),T1、T2、T3、T4、T6、T7、T8和T9样品籽粒中Ca元素的含量相对于CK都有所升高,T5样品降低,说明叶面喷施Fe、Zn、Se,除了单独喷Se对籽粒中Ca含量有所抑制,其他处理对籽粒中Ca含量的吸收转运都有促进作用。
经微肥喷施处理后的样品籽粒中Cu元素的含量相对于对照(CK)都显著升高(图 4-B),说明叶面喷施Fe、Zn、Se及其组合能够促进小麦籽粒中Cu元素的吸收与积累,对小麦籽粒营养品质的提升有一定的促进作用。
经微肥喷施处理后的样品籽粒中Mg元素的含量相对于对照(CK)有不同的变化(图 4-C),T1和T9样品籽粒中Mg元素的含量相对于CK有所降低,T2、T3、T4、T5、T6、T7和T8样品籽粒中Mg元素的含量相对于CK普遍升高,说明叶面喷施Fe、Zn、Se对籽粒中Mg元素含量影响不显著。
经微肥喷施处理后的样品籽粒中Mn和P元素的含量相对于对照(CK)都显著性降低(图 4-D和图 4-E),说明叶面喷施Fe、Zn、Se肥及其组合对小麦籽粒中Mn和P元素的吸收与积累有所抑制。
3 讨论目前,已有小麦叶面喷施Fe、Zn、Se肥对籽粒中矿物元素影响的研究报道,但结果不完全相同。张晓等[24]研究发现叶面喷施Fe、Zn、Se 3种微肥均能明显提高籽粒中相应微量元素的含量。张纪元等[25]研究发现喷施Fe、Zn、Se 3种微肥显著提高了小麦籽粒中Zn和Se含量但对籽粒中Fe含量无显著影响。刘敦一等[26]研究发现叶面喷施锌肥能显著提高小麦籽粒锌含量,最大升高66.3%。孟丽梅等[27]研究发现通过叶面喷施Fe、Zn、Se后小麦籽粒中这3种微量元素的含量均有较显著提高,对籽粒Se含量提高最为明显。本研究结果显示,通过小麦叶面喷施Fe、Zn、Se肥均能显著提高籽粒中Fe、Zn、Se含量且相对于CK最高分别增加了198.7%、26.7%和1633.3%,其中对籽粒中Fe、Se元素的强化效果最为明显。推测可能是由于不同的小麦品种对矿物元素的吸收效率不同所致,同时土壤中的矿物元素含量的不同也可能会影响叶片喷施的效果。
已有研究结果显示小麦籽粒中Fe、Zn、Se 3种元素的吸收是相互影响的,但相关机制还不清楚。鲁璐等[28]研究发现小麦籽粒中Zn、Fe 2种元素互相促进吸收,Zn、Fe与Se则相互拮抗。王丽等[29]研究结果显示,籽粒中Fe对Zn单向拮抗,Zn与Se,Fe与Se相互促进。本研究结果显示,叶面喷施不同处理后小麦籽粒中Fe、Zn、Se 3种元素的吸收也是相互影响的,Fe与Se相互促进吸收,Zn能够促进Se与Fe的吸收,Se对Zn有抑制作用。
目前小麦叶面喷施Fe、Zn、Se肥及其不同组合对籽粒中Ca、Cu、Mg、Mn、P元素含量影响的研究少有报道。杨习文等[30]研究结果显示,小麦拔节期和扬花期喷Zn对小麦籽粒Cu含量无明显影响,但灌浆前期和灌浆后期喷Zn会降低其Cu含量,而籽粒Mn含量对喷Zn则无明显反应。刘庆等[31]研究结果显示叶面喷Se促进了小麦籽粒P、Fe、Mn、Zn等4种元素的积累,降低了Na在籽粒中的累积,对K、Mg、Cu元素的含量影响不显著。孙发宇等[32]研究结果显示,叶面喷施高浓度Se处理降低了小麦籽粒中Ca、Mg、Cu、Fe、Mn和S的含量,但提高了Zn的含量。本研究结果显示,叶面喷施Fe、Zn、Se肥及其组合能促进小麦籽粒中Cu元素的吸收与积累,对小麦籽粒中Ca和Mg的影响不大,对Mn和P元素的吸收与积累略有抑制。
4 结论叶面喷施Fe、Zn、Se及其组合能显著增加小麦品种BJ0045籽粒中Fe、Zn、Se元素的含量。Fe/Zn/Se混合肥的使用能显著提高小麦籽粒中Fe、Zn、Se元素的含量。叶面喷施Fe、Zn、Se元素后对小麦籽粒中Ca、Cu、Mg、Mn、P矿物元素有不同的影响。
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