不同土壤硒水平對白術幼苗生長及部分生理特性的影響

張美德, 吳海棠, 張雅娟, 李大榮, 熊琳珂, 段媛媛, 周武先*

( 1. 湖北省農業科學院中藥材研究所， 湖北 恩施 445000; 2. 恩施土家族苗族自治州農業農村局， 湖北 恩施 445000 )

硒(selenium)是植物非必需營養元素，其對植物的生長具有促進或抑制作用，這種促進或抑制作用主要取決于植物體內硒元素濃度的大小。一般而言，低濃度的硒有利于植物的生長，過量的硒則會抑制植物的生長并產生毒害作用(金小琬等，2019)。適量硒可以提高植物的光合作用，主要通過促進植物葉綠素的合成，增加葉綠素的積累來實現(李秀啟等，2019)。此外，硒元素還享有活性氧“清道夫”的美譽，能直接或間接參與植物體內過量活性氧的清除，其在生物體內的酶促和非酶促防御系統中均起著極為關鍵的抗氧化作用，從而可以提高植物對逆境的抵抗能力(Williams et al., 2009)。胡旭雅等(2019)的研究表明低濃度硒可促進薄殼山核桃幼苗生長，而高濃度硒則產生嚴重的抑制作用，且硒濃度越高，抑制作用越明顯。周武先等(2021a)的研究表明適宜濃度的外源硒可以強化白術對鉀的吸收從而促進白術的生長。王丹丹等(2021)的研究表明，適量的硒可以促進茶樹的生長，提高茶葉的品質，提高茶葉茶多酚含量。Zhu等(2017)的研究表明，適量硒能提高輪葉黨參的營養品質，增加其蛋白質、微量元素和大多數氨基酸的含量，從而提高了輪葉黨參的品質和經濟效益。

白術()為菊科蒼術屬多年生草本植物，是一種常用大宗中藥材，以根莖入藥，具補脾健胃、燥濕利水、止汗安胎等功能(藥典一部，2020)，其主要藥效成分蒼術酮、蒼術醇和白術內酯等具有抗氧化(Li et al., 2012)、去炎癥(Li et al., 2007)、抗突變(Huang et al., 2006)和抗腫瘤(Wen et al., 2010)等作用。在我國，白術年用量達數萬噸，同時也是重要的出口中藥材，具有廣闊的種植前景，因此研究硒對白術生長的影響具有重要意義。王華等(2019)的研究表明適量濃度的硒溶液浸種可以促進白術種子萌發，且葉面噴施適量硒肥可以促進白術幼苗的生長。黃思勇等(2020)的研究表明葉面噴施適量的硒肥可以顯著提高白術的產量，并增加其根際土壤部分養分含量。Zhou等(2021)的研究表明葉面噴施適量硒肥可以顯著提高白術的存活率和產量，并改善其根際土壤微生態環境。以往的研究主要集中于葉面噴施硒肥對白術生長的影響，而土施硒肥對白術產量及生理特性影響的研究仍未見報道。因此，本研究通過設置不同濃度的土壤硒處理，探索不同土壤硒水平對白術幼苗生長發育的影響，為白術幼苗高效優質繁育提供科學依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

白術種子于2019年11月采集于湖北省咸豐縣小村鄉李子溪村(108°54′51″ E, 29°53′05″ N，海拔832 m)。外源硒為亞硒酸鈉(NaSeO，分析純)，購自山東西亞化學股份有限公司。選用壤土和椰糠作為白術育苗的基質原材料，壤土和椰糠的基本性質見表1。試驗所用育苗盤及32孔穴盤內徑分別為52 cm × 26 cm× 8 cm和50 cm × 25 cm × 6 cm。

表 1 壤土和椰糠的基本性質Table 1 Basic chemical properties of the loam and coconut coir

1.2 試驗設計

試驗于2020年9月在湖北省農業科學院中藥材研究所溫室大棚中進行。將壤土和椰糠按體積比1∶1進行混合作為白術的育苗基質。白術播種前種子用清水浸泡2 h，之后用75%酒精消毒處理1 min，蒸餾水潤洗干凈后用3%次氯酸鈉浸泡消毒10 min并漂洗干凈，最后用蒸餾水潤洗3～4次，晾干備用。分別設置6種不同的土壤硒處理：0、5、10、25、50、100 mg·kg。將硒溶解到水中，加水進土壤里攪拌均勻，對照使用等體積蒸餾水代替硒溶液，每個處理4次重復。將消毒好的種子均勻撒播于育苗盤中，每天根據育苗基質水分情況適量補水，保持基質濕潤直到出苗。將長出兩片真葉的白術幼苗移栽至裝有不同硒濃度穴盤中，移栽后定期澆灌1/4 Hoagland’s營養液，并根據白術生長情況進行日常補水管理。分別在移栽0、7、14、21、28 d時測定幼苗形態指標，最后一次測定完成后進行破壞性取樣，稱量地上部和地下部鮮重，并剪取葉片裝入取樣袋中用于測定各項生理指標。

1.3 指標測定及方法

幼苗生長指標的測定：移栽后每7 d用直尺測量每個處理白術幼苗的葉長、葉寬和株高(莖基部到莖尖的長度)，并用便攜式手持葉綠素儀(TYS-A, 浙江托普云農科技股份有限公司)測量葉片葉綠素相對含量(SPAD值)。培養結束后將白術幼苗拔出，用蒸餾水沖洗干凈，吸水紙吸干表面水分，從莖基部剪斷，將白術幼苗分為地上和地下部分，采用千分之一電子天平稱量白術幼苗各部分鮮重，總鮮重=地上鮮重+地下鮮重。

抗氧化系統相關指標的測定參照施海濤(2016)的《植物逆境生理學實驗指導》進行。采用紫外吸收法測定氧化氫酶(CAT)活性，以在規定條件下每min內引起D減少0.1的酶量為1個CAT活性單位；采用Sigma法測定過氧化物酶(POD)，以在規定條件下每min內引起D增加0.1的酶量為1個POD活性單位；采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量；采用G-250考馬斯亮藍法可溶性蛋白(soluble protein，SP)含量；采用蒽酮法測定可溶性糖(soluble sugar，SS)含量；采用硝基四氮唑藍還原法測定超氧陰離子自由基(·O)含量(任迎虹等, 2017)。

1.4 數據處理

參照周武先等(2019)的方法計算白術幼苗對不同硒處理的生理生長響應指數(physiological growth response index，PGRI)以及不同硒處理對白術幼苗生理生長的綜合效應(combined effect，CE)。

試驗數據采用Excel 2016軟件進行處理；使用SPSS 20.0軟件進行統計和分析，用One way ANOVA進行方差分析，用Ducan法(α=0.05)進行多重比較，用Pearson法進行相關性分析；使用Origin 8.5制圖；圖表中數據均使用平均值±標準偏差表示。

2 結果與分析

2.1 不同硒處理對白術幼苗形態特征及葉片SPAD值的影響

從圖1可以看出，硒對白術幼苗的生長影響較大，呈現低濃度促進，高濃度抑制的現象，硒處理濃度為5 mg·kg時白術幼苗的株高和根長均最大(圖1)。從圖2可以看出，不同硒處理濃度處理下白術幼苗葉長、葉寬、株高和SPAD值均隨時間變化呈不斷上升的趨勢。結束培養后，不同濃度硒處理對幼苗葉片的生長有一定的影響，結束培養后硒處理濃度為5 mg·kg時，幼苗的葉長和葉寬最大，與對照相比增幅分別為4.3%和9.1%，當硒處理濃度超過25 mg·kg時，白術幼苗葉長和葉寬顯著低于對照，硒處理濃度達到100 mg·kg時，葉長和葉寬最小，降幅分別為15.3%和21.2%。硒處理濃度為5 mg·kg時，幼苗的株高最高，與對照相比差異性顯著，增幅為7.7%。當硒處理濃度超過25 mg·kg時，白術幼苗的株高呈現下降趨勢，在硒濃度達到100 mg·kg時降幅最大，為18.8%。SPAD值的變化趨勢與株高類似，當硒處理濃度為5 mg·kg時SPAD值最高，與對照相比增幅為8.4%，當硒處理濃度超過25 mg·kg時，SPAD值呈現下降趨勢，在硒濃度為100 mg·kg時SPAD值最低，與對照相比降幅為13.6%。

圖 1 不同硒處理對白術幼苗生長的影響Fig. 1 Effects of different Se treatments on the growth of Atractylodes macrocephala seedlings

圖 2 不同硒處理下白術幼苗形態特征和葉片SPAD值隨時間的變化Fig. 2 Morphological characteristics and leaf SPAD values of Atractylodes macrocephala seedlings in different growth stages under different Se treatments

2.2 不同硒處理對白術幼苗生物量的影響

從圖3可以看出，不同硒濃度處理下，白術幼苗鮮重基本呈現先上升后下降的趨勢。5 mg·kg處理總鮮重與0、10 mg·kg處理相比無顯著差異，但顯著高于其他各處理(表2)。5、10、25 mg·kg硒處理地上部鮮重與對照相比無顯著性差異，50、100 mg·kg地上部鮮重顯著低于對照，與對照相比降幅分別為24.3%和50.0%。5 mg·kg硒處理的白術幼苗地下部鮮重高于對照處理，增幅為15.4%，50、100 mg·kg兩個硒處理顯著低于對照，降幅分別為19.2%和38.5%。10、25 mg·kg兩個硒處理地下部鮮重與對照相比無顯著性差異。

不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。Different lowercase letters indicate significant differences between different treatments(P<0.05), the same below. 圖 3 不同硒處理對白術幼苗鮮重的影響Fig. 3 Effects of different Se treatments on fresh weight of Atractylodes macrocephala seedlings

2.3 不同硒處理對白術幼苗抗氧化系統的影響

從圖4可以看出，不同硒處理中，以5 mg·kg硒處理的白術幼苗葉片CAT活性最低，100 mg·kg硒處理最高，且與對照處理相比均達到顯著性差異。10、25、50 mg·kg硒處理與對照相比無顯著差異。5 mg·kg硒處理的白術幼苗葉片POD活性顯著低于對照處理，100 mg·kg硒處理的白術幼苗葉片POD活性顯著高于對照處理，其余硒處理與對照相比無顯著差異。總體來看，不同濃度硒處理的白術幼苗CAT與POD活性變化趨勢基本相同。白術幼苗葉片中的·O含量隨著硒濃度的增加基本呈現逐漸上升的趨勢，其中5、10、25 mg·kg硒處理的白術幼苗葉片中·O含量與對照處理相比沒有顯著性差異，50、100 mg·kg處理葉片中的·O含量顯著高于對照處理。

圖 4 不同硒處理對白術幼苗抗氧化系統的影響Fig. 4 Effects of different Se treatments on antioxidant system of Atractylodes macrocephala seedlings

隨著硒處理濃度的升高，白術幼苗葉片中SS含量呈現先增加后減少的趨勢，當硒濃度達到10 mg·kg時，白術幼苗葉片SS含量最高，為29.9 mg·g，相比于對照增幅為72.0%。隨著硒處理濃度的增加，白術幼苗葉片中SP含量呈現先減少后增加的趨勢，在硒處理濃度為100 mg·kg時，白術幼苗葉片SP含量最高，為14.2 mg·g，相比于對照增加了73.7%，10、25、50 mg·kg硒處理的SP含量與對照處理相比無顯著性差異。5 mg·kg硒處理的白術幼苗葉片SP含量呈顯著下降趨勢，含量為5.57 mg·g，相比于對照降幅為32.1%。不同濃度硒處理間白術幼苗葉片MDA含量無顯著性差異(圖4)。

2.4 不同硒處理對白術幼苗生理生長的綜合效應

由于形態特征、光合特性和生物量是評價白術幼苗生長狀況的主要因素，因此本研究選取葉長、葉寬、株高、SPAD值以及鮮重作為評價外源硒對白術幼苗生長影響的考核指標。從表2可以看出，不同硒處理下白術幼苗生理生長響應指數(PGRI)存在差異；不同硒處理對白術幼苗生長的綜合效應(CE)也存在顯著差異。外源硒對白術幼苗生理生長的CE由大到小依次為5 mg·kg(0.336)>10 mg·kg(0.013)>25 mg·kg(-0.370)>50 mg·kg(-0.672)>100 mg·kg(-1.141)。隨著硒處理濃度的升高，CE值呈現先增加后下降的趨勢，并以5 mg·kg硒處理對白術幼苗生長的促生效果最佳，當硒處理濃度超過25 mg·kg時，白術幼苗的生長受到嚴重抑制。

表 2 不同硒處理對白術幼苗生理生長特性的綜合效應Table 2 Comprehensive effects of different Se treatments on the morphological and physiological characteristics of Atractylodes macrocephala seedlings

2.5 白術幼苗生理生長指標的相關性分析和PCA分析

如表3所示， SPAD值與CAT活性、POD活性和SP含量呈極顯著負相關關系，與·O含量顯著負相關；CAT活性與POD活性和SP含量呈極顯著正相關關系，與MDA含量和·O含量顯著正相關；POD活性與SP含量及MDA含量呈極顯著正相關關系，與·O含量顯著正相關；SP含量與MDA含量呈顯著正相關關系，與·O含量極顯著正相關。說明白術幼苗的光合代謝與抗氧化系統間存在密切聯系。

表 3 白術幼苗生理指標的相關性分析Table 3 Correlation analysis of physiological indexes of Atractylodes macrocephala seedlings

從圖5可以看出，第一排序軸(PCA1)解釋了變量的64.6%，第二排序軸(PCA2)解釋了變量的15.4%，前兩個排序軸累計解釋了變量的80.0%。鮮重、株高、SAPD值、SP、CAT和POD等與PCA1顯著相關，SS和·O與PCA2顯著相關。這表明鮮重、株高、SAPD值、SP、CAT和POD等可作為反映白術幼苗生理生長的重要特征指標。此外，不同硒處理投影到PCA二維平面的樣點分散聚集，表明不同硒處理下白術幼苗的生理生長特性存在差異。

LL. 葉長; LW. 葉寬; pH. 株高; SPAD. 葉綠素相對含量; FW. 鮮重; CAT. 過氧化氫酶; POD. 過氧化物酶; MDA. 丙二醛; SP. 可溶性蛋白; SS. 可溶性糖; ·O2-. 超氧陰離子自由基。LL. Leaf length; LW. Leaf width; pH. Plant height; SPAD. Soil and plant analyzer development; FW. Fresh weight; CAT. Catalase; POD. Peroxidase; MDA. Malondialdehyde; SP. Soluble protein; SS. Soluble sugar; ·O2-. Superoxide anion free radical.圖 5 白術幼苗生長影響因素的PCA排序Fig. 5 PCA ordination of factors affecting the growth of Atractylodes macrocephala seedlings

3 討論

3.1 硒對白術幼苗生長和光合代謝的影響

眾多的研究表明，硒對植物生長發育具有明顯的劑量效應，呈現低濃度促進高濃度抑制的現象(Schiavon et al., 2017；Zhou et al., 2021)。本研究結果顯示，低濃度的硒處理(5 mg·kg)對白術幼苗葉長、葉寬以及株高均具有顯著的促進作用，并在一定程度上增加了白術幼苗的總生物量，而高濃度的硒處理(≥25 mg·kg)則會抑制白術幼苗生長甚至產生嚴重的毒害作用。這與外源硒對黃瓜(Hawrylak et al., 2015)、小麥(姜宗昊等，2021)以及川黨參(周武先等，2021b)等作物生長影響的研究結果類似。說明硒濃度的把控對通過外源施硒促進作物生長的農業技術開發尤為重要。葉綠素是植物進行光合作用的重要物質，同時也是植物進行光合作用及能量轉換的基礎(金小琬等，2019)，其含量可作為反映植物營養狀況和光合能力的重要生理指標(冷芬等，2020)。本研究發現，硒處理濃度為5 mg·kg時，白術幼苗葉片SPAD值最高，隨著硒處理濃度的增加SPAD值逐漸下降，當硒處理濃度為100 mg·kg時，白術幼苗葉片的SPAD值最低，說明低濃度的硒處理(5 mg·kg)可以促進白術幼苗的光合作用，而高濃度的硒處理(≥25 mg·kg)則會對白術幼苗的光合代謝產生抑制作用。

3.2 硒對白術幼苗抗氧化系統的影響

CAT和POD均為植物體內抗氧化酶系統的重要成員，可以有效抑制細胞膜脂質過氧化反應，幫助植物抵御逆境脅迫(楊舒貽等，2016)。CAT主要存在于植物的葉綠體、線粒體和內質網中，是過氧化物酶體的標志酶，其作用是將過氧化氫還原成水：2HO→ O+ 2HO，清除體內的過氧化氫，避免細胞遭受HO的毒害，是生物防御體系的關鍵酶之一。POD廣泛存在于植物體中，是活性較高的一種蛋白酶，其與呼吸作用、光合作用以及生長素的氧化等都存在密切關系。MDA是生物膜系統脂質過氧化產物之一，可以用來表征植物細胞膜系統的受損程度。·O是生物體內氧分子在參與酶促或非酶促反應時，接受一個電子后形成的氧自由基，它可以進一步衍生為其他更活潑的氧自由基并引發過氧化反應，對細胞膜和生物大分子產生破壞作用(施海濤，2016)。因此，·O也是衡量植物在受到逆境脅迫時的重要生理指標。本研究結果顯示，5 mg·kg硒處理的CAT和POD活性均顯著低于對照，而100 mg·kg硒處理的CAT和POD活性顯著高于對照。這可能是由于低濃度硒處理的土壤環境相比于對照處理更加適宜白術幼苗的生長，沒有產生逆境脅迫，因此抗氧化酶活性水平較低；而高濃度的硒處理形成了較強的逆境脅迫，產生較多的氧自由基，植物細胞啟動保護機制，調節相關基因表達，激活了CAT和POD活性。隨著硒處理濃度的增加，白術幼苗體內的·O呈現逐漸上升的趨勢，硒濃度達到100 mg·kg時，·O顯著高于對照處理，這與高濃度硒處理白術幼苗CAT和POD活性顯著增加相符。不同硒處理下白術幼苗MDA含量沒有顯著變化，可能是因為0～100 mg·kg的硒處理還未能使白術幼苗體內發生嚴重的脂質過氧化反應。

有研究表明，部分SP和SS可作為植物細胞內的滲透調節物質，維持胞內水分平衡，在遭遇逆境脅迫時植物會通過在體內主動積累SP和SS等滲透調節物質從而維持正常的細胞滲透壓，以增強對逆境脅迫的適應能力(劉彬等，2020)。王華等(2019)的研究表明，隨著噴施硒肥濃度的增加，白術幼苗可溶性蛋白呈現先增加后下降的趨勢。本研究結果與王華等(2019)的研究結果相反，推測可能與白術幼苗所遭受的逆境脅迫程度不同有關，本研究中高濃度的硒處理可能使白術幼苗產生一種適應機制，通過增加SP含量維持正常的細胞滲透壓，從而降低其受到的傷害。本研究中SS的變化與SP基本呈現相反的變化趨勢，這可能是由于白術幼苗體內SP和SS在一定條件下可以相互轉化，為了維持正常的細胞滲透壓而形成的一種保護機制，但具體的作用機理還有待進一步研究。

3.3 硒對白術幼苗生理生長的綜合效應

植物的形態特征和生理指標可以反映植物的生長狀況，也是植物響應外界環境變化的方式之一(段媛媛等，2017；周武先等，2021a)。主成分分析法(PCA)是一種高效降維方法，通過PCA分析，可以篩選植物響應外界環境的主要生理生長指標，并進行針對性的分析，從而量化外界環境對植物生理生長的影響(段媛媛等，2017)。本研究對影響白術生理生長的因素進行了PCA分析，結果表明，白術的光合代謝和抗氧化系統間存在密切聯系，兩者相輔相成，相互影響，顯著影響著白術幼苗的生長，其中鮮重、株高、SAPD值、SP、CAT和POD可作為反映白術幼苗生理生長狀況的重要指標。本研究利用部分篩選出來的重要特征指標，計算出不同硒處理對白術生理生長影響的綜合效應(CE)指數，量化了外源硒對白術幼苗生長的影響。研究結果顯示，5 mg·kg硒處理對白術幼苗的生長具有顯著的促進作用，而硒濃度超過25 mg·kg時對白術的生理生長則會產生一定的抑制作用，隨著硒濃度的提高，抑制作用則更加明顯。這可能與過量施硒使白術幼苗遭受逆境脅迫進而抑制了白術的生長有關。

4 結論

土施5 mg·kg硒肥可以提升白術幼苗葉片SPAD值，對其生長有一定促進作用，過量施硒肥(≥25 mg·kg)則會使白術幼苗的光合代謝和抗氧化系統遭受脅迫，嚴重抑制白術幼苗的生理生長。因此，在白術育苗過程中，通過在土壤基質中添加硒肥可以達到高效優質繁育的目的，但硒肥的施用量要控制在合理范圍。