牛牛福袋app:草莓叶面施硒对其重金属镉和铅积累的影响

   草莓叶面施硒对其重金属镉和铅积累的影响  摘 要：以‘北农3 号’草莓为试材，以清水喷施为对照，用0.5、1.0、2.5、5.0、10.0 mg · L -1 浓度 的亚硒酸钠进行叶面喷施，定期采样进行硒、镉和铅和相关生理指标的动态监测，研究叶面施硒后重金 属镉和铅在草莓机体内的积累情况和草莓生理代谢机制的变化，探明硒对镉和铅的互作效应。结果表明， 草莓在展叶期和盛花期对硒的吸收能力最强，且施用2.5 ~ 5.0 mg · L -1 适宜浓度硒后，硒可通过清除膜脂 过氧化产物丙二醛（MDA），保护细胞膜的完整性，降低重金属离子的含量，有效抑制草莓叶片和果实对 重金属镉和铅的吸收，证明叶面施硒不仅是草莓补硒的较好手段，而且适宜浓度的硒可减少草莓对重金 属镉和铅的吸收。 关键词：草莓；硒；富集；叶片；果实；重金属 中图分类号：S 668.4 文献标识码：A 文章编号 果品生产过程中重金属污染以镉（Cd）和铅（Pb）两种重金属污染最为严重（周建利和陈同斌， 2002）。研究发现，重金属（如Cd）可通过影响细胞质膜的透性来影响部分营养元素的吸收和积累， 导致果品中营养元素和成分的改变（柯庆明 等，2008）。 Clarke 和Brennan（1989）的研究表明，随着土壤Cd 含量的增加，草莓叶片生长受到显著抑制。 张金彪和黄维南（2000）研究发现，Cd 处理使草莓结果数量、果实质量、果实维生素 C 及矿质元 素含量减少，盆栽试验中25 mg · kg -1 Cd 胁迫导致草莓叶肉和根细胞发生质壁分离，细胞壁断裂变 形，使细胞膜透性和K + 渗漏率增大。 董悦等（2009）研究发现，Pb 对果树的危害表现为叶绿素含量下降，呼吸及光合作用受阻，影 响正常生长。Munzuroglu 和Gur（2000）研究发现，Pb 抑制苹果花粉萌发和花粉管伸长。受重金属 污染土壤生长的果品与其未受污染的相比，可能有时候有毒物质含量可达土壤中有害物质含量的3 ~ 6 倍（李想和张勇，2008）。 Cd 和Pb 是环境中的有毒物质，在自然界中往往伴随存在。如何增强果品生产过程中对重金属 污染土壤的修复能力，已成为目前研究和探索的热点。Douchkov 等（2005）和Delhaize 等（2003） 研究分析，利用转基因技术克隆耐重金属基因，可提高作物对重金属的抗性与耐性，利用转基因作 物来富集重金属，或合理选用重金属钝化剂，增加土壤对重金属的吸附能力，提高土壤对重金属的 缓冲性，从而可减少植物对重金属吸收。王春涛等（2004）研究发现，外源钕能减轻重金属镉对菹 草的毒害作用。 硒作为人体中一种重要的微量元素，其对农产品中重金属的缓解机制也开始受到关注，但 主要以小麦、水稻、莴苣等方面研究较多（谭周磁 等，2000；吕选忠 等，2006；李春喜 等， 2007）。 作者以设施栽培的草莓为试材，研究不同浓度外源硒对草莓叶和果中Cd 和Pb 蓄积量的影响， 以期为富硒果品的生产和利用硒对重金属的拮抗作用提供参考依据。 1 材料与方法 1.1 材料 试验材料为草莓（Fragaria ananassa）‘北农3 号’。田间试验于2008 年8 月—2009 年2 月和 2009 年8 月—2010 年2 月在北京农学院东大地科研基地温室进行，正常栽培管理。试验地有机质含 量19.60 g · kg -1 ，速效氮、磷、钾含量分别为100.18 mg · kg -1 、27.33 mg · kg -1 和150.86 mg · kg -1 ，土 壤pH 7.11，镉含量为0.153 mg · kg -1 ，铅含量为28.97 mg · kg -1 ，全硒79.67 μg · kg -1 ，无机硒74.84 μg · kg -1 ，为贫硒土壤。 1.2 叶面喷施亚硒酸钠 供试硒源为亚硒酸钠（Na 2 SeO 3 ，SIGMA）。设5个浓度（0.5、1.0、2.5、5.0和10.0 mg · L -1 ）处 理，喷施等量清水作对照。每个重复小区4行（每行30株），每处理设置3次重复，完全随机区组排 列。 3 期 张海英等：草莓叶面施硒对其重金属镉和铅积累的影响 411 草莓分别于2008年8月20日、2009年8月17日温室定植，缓苗后、展4 ~ 6片新叶时，即2008年9 月28日、2009年9月20日开始进行硒肥叶面喷施，以后每间隔8 d喷施1次，于果实成熟前20 d左右停 止。喷施程度以叶正反面均匀布满雾状水滴为度。 1.3 样品的采集与测定 于定植75 d后开始采样（表1），每株草莓均匀采取新叶2 ~ 3片，放入自封袋中，清洗淋干后， 进行各项指标检测。 于定植145 d后选取果体饱满。果面3/4转红，大小均匀，无病虫害，无机械伤的成熟期果实采 收，用于测定。 表 1 样品采集时间与生长时期 Table 1 The sampling time and growing period of plant 采样时间Sampling time 2008 2009 定植天数/d Days of plantation 生长时期 Growing period 11–04 11–01 75 展叶期 Leaf-expansion period 11–14 11–11 85 花前期 Pre-flowering period 11–24 11–21 95 盛花期 Full opening flower period 12–04 12–01 105 坐果期 Fruit-set period 12–24 12–21 125 果实膨大期 Fruit swelling period 01–14（下年 Next year） 01–01（下年 Next year） 145 果实成熟期 Fruit maturation period 土壤有机质、土壤pH、速效氮、磷、钾参照文献（徐秀华，2007）方法测定；有机硒含量通过 差值法计算得出，硒的测定采用酸式消解－原子荧光光谱法（田磊 等，2010）；镉和铅的测定参照 国家标准（GB/T5009.15-2003；GB/T5009.12-2003）进行；细胞膜渗出率采用电导法（李合生，1999） 测定；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法（李合生，1999）测定。 各项生理指标的测定均在农业部都市农业（北方）重点开放实验室和都市农业食品安全实验室 完成。 数据为两年重复试验的平均值，应用数理统计分析软件SPSS进行方差分析。 2 结果与分析 2.1 施用叶面硒肥后草莓叶片中有机硒含量的变化 从图1 可以看出，喷施清水对照的草莓在生长发育过程中，叶中有机硒含量呈单峰曲线变化趋 势，硒的吸收峰值出现在定植后95 d（盛花期），有机硒含量达1 617.14 μg · kg -1 ，与土壤背景值中 硒含量（79.67 μg · kg -1 ）相比，草莓叶片中的硒含量为土壤中硒含量的4.49 ~ 20.30 倍，说明草莓对 硒具有一定的生物富集能力，且在盛花期富集量最高。 叶面喷施硒肥后，草莓叶片内有机硒含量明显增加，说明外源施硒可有效提高草莓叶中硒含 量。 不同浓度硒肥表现出明显差异，其中0.5 mg · L -1 和1.0 mg · L -1 硒浓度处理与对照相比叶片中有 机硒含量都略有提升，但差异较小，而2.5、5.0 和10.0 mg · L -1 硒浓度处理后的草莓富硒效果表现 明显（P < 0.01），在整个生长发育期叶片中有机硒含量都较对照高，其中10.0 mg · L -1 硒浓度处理 效果最为明显。这表明随外源硒浓度的增加草莓叶片对硒的吸收能力也在增强。 412 园 艺 学 报 38 卷 图 1 喷施不同浓度叶面硒肥草莓叶片中硒含量的变化 Fig. 1 Changes of selenium content in leaves of strewberry in different concentration Na 2 SeO 3 2.2 施用叶面硒肥后草莓叶片中镉含量的变化 如图2 所示，草莓叶中镉含量随生长期的延长呈现逐渐积累的态势；喷施外源硒肥后，草莓叶 中镉含量明显下降，说明外源硒可有效减轻草莓叶中镉的蓄积；不同浓度硒处理也表现出明显差异， 其中 5.0 mg · L -1 硒浓度处理抑制效果最为显著（P < 0.01），不同生长时期镉含量较对照减少了 10.20% ~ 94.65%。而0.5、1.0 和2.5 mg · L -1 硒浓度处理效果表现其次，10.0 mg · L -1 硒浓度处理与 对照相比，在生长前期表现抑制效应，但在生长后期却表现出促进镉积累的趋势。这表明草莓施用 外源硒可有效控制镉的积累，5.0 mg · L -1 硒浓度处理抑制效果最为明显。 图 2 喷施不同浓度叶面硒肥草莓叶片中镉含量的变化 Fig. 2 Changes of Cd content in leaves of strewberry in different cocentration Na 2 SeO 3 2.3 施用叶面硒肥后草莓叶片中铅含量的变化 从图3 可以看出铅含量呈现先增加后下降的变化趋势，无积累现象；施硒处理后，草莓叶中铅 含量明显降低，说明硒有抑制铅吸收的效应；不同硒浓度处理后抑制效果不同，2.5 mg · L -1 硒浓度 处理抑制效果最为显著（P < 0.01），铅含量在不同生长期较对照降低38.86% ~ 76.80%。这表明草莓 施用外源硒可有效控制铅的吸收，但硒浓度对抑制效果起到关键作用，中等浓度即2.5 mg · L -1 硒浓 度处理抑制效果最为明显，其次为0.5 和1.0 mg · L -1 硒浓度，而较大浓度即5.0 和10.0 mg · L -1 硒处 理抑制草莓铅吸收的效果较差。 3 期 张海英等：草莓叶面施硒对其重金属镉和铅积累的影响 413 图 3 喷施不同浓度叶面硒肥草莓叶片中铅含量的变化 Fig. 3 Changes of Pb content in leaves of strewberry in different concentration Na 2 SeO 3 2.4 施用叶面硒肥后草莓叶片中丙二醛含量的变化 喷施不同浓度硒肥后，草莓生长中后期开始 MDA 含量表现出比对照减少的趋势；且不同浓度 处理间存在明显差异。中等浓度2.5 ~ 5.0 mg · L -1 硒浓度处理抑制MDA 积累最为明显，其次为低浓 度0.5 ~ 1.0 mg · L -1 ，最后是高浓度10.0 mg · L -1 硒处理；2.5 ~ 5.0 mg · L -1 硒处理与对照相比MDA 含量减少了18.48% ~ 86.76%，差异达极显著（P < 0.01），而低浓度0.5 ~ 1.0 mg · L -1 硒处理减少了 1.95% ~ 59.36%，10.0 mg · L -1 硒处理减少的幅度仅为18.40% ~ 46.10%（图4）。表明草莓中MDA 含量并不是随着硒水平升高而显著降低，在草莓上抑制 MDA 积累的最佳的硒处理浓度应该是中等 硒浓度水平，即2.5 ~ 5.0 mg · L -1 ，其次为0.5 ~ 1.0 mg · L -1 水平，而高浓度硒反而对草莓叶片MDA 的清除效果不如中、低浓度效果明显。 图 4 喷施不同浓度叶面硒肥草莓叶片中丙二醛含量的变化 Fig. 4 Changes of MDA content in leaves of strawberry in different concentration Na 2 SeO 3 2.5 施用叶面硒肥后草莓叶片细胞膜渗透率的变化 细胞膜是细胞和环境之间的界面和屏障，各种不良环境对细胞的影响往往首先作用于生物膜（江 行玉和赵可夫，2001）。电导率反映了电解质外渗的程度，其值越高，表明质膜系统受损害的程度越 大。试验结果（图 5）表明，叶面喷施不同浓度的硒肥可降低电解质外渗率；不同浓度硒降低电解 质外渗率效果不同，经5.0 mg · L -1 硒浓度处理后与对照相比明显降低（P < 0.05），0.5、1.0 和2.5 mg · L -1 硒浓度处理在定植95 d 后也明显降低，但不如5.0 mg · L -1 硒浓度处理效果显著，10.0 mg · L -1 硒浓度处理后，在定植95 d 后有降低，但无显著差异。这说明，外源硒可有效保持细胞完整性，防 414 园 艺 学 报 38 卷 止细胞质外渗，从而保护细胞膜结构不被破坏。 图 5 喷施不同浓度叶面硒肥草莓叶片中细胞膜渗透率的变化 Fig. 5 Changes of cell membrane permeability rate in leaves of strewberry in different concentration Na 2 SeO 3 2.6 草莓施用叶面硒肥后果实中有机硒、镉和铅含量的变化 由表2 可知，叶面施用不同剂量硒肥可使果实有机硒含量增加，各浓度处理效果由高到低为： 10.0 mg · L -1 > 5.0 mg · L -1 > 2.5 mg · L -1 > 1.0 mg · L -1 > 0.5 mg · L -1 >对照，果实中有机硒含量比对照 增加了1.98 ~ 22.30 倍，有机硒最高含量达136.72 μg · kg -1 ，除0.5 mg · L -1 硒处理与对照无显著差异 外，其它处理均与对照差异显著（P < 0.01）。且果实中有机硒积累量与外源硒浓度呈指数正相关（相 关指数方程为：y = 9.937e 0.278x ，R? = 0.921）。 从表2 中还可以看出，叶面施硒后可减少果实内重金属镉（Cd）和铅（Pb）积累，各浓度处理 抑制镉蓄积效果排序为：5.0 mg · L -1 > 2.5 mg · L -1 > 1.0 mg · L -1 > 0.5 mg · L -1 > 对照 > 10.0 mg · L -1 ， 其中5.0 mg · L -1 硒浓度可减少镉18.33%，而高浓度10.0 mg · L -1 硒处理却没有起到减少镉蓄积的作 用。各浓度处理抑制铅蓄积效果为：2.5 mg · L -1 > 1.0 mg · L -1 > 0.5 mg · L -1 > 5.0 mg · L -1 > 10.0 mg · L -1 > 对照，其中2.5 mg · L -1 浓度硒处理可减少铅77.71%。说明叶面喷施适宜浓度硒肥可以有 效抑制重金属镉和铅在果实内的蓄积。 表 2 不同浓度硒处理后草莓果实中有机硒、镉和铅含量 Table 2 Organic Se，Cd，Pb content in fruits in different concentration Na 2 SeO 3 /(μg · kg -1 ) Na 2 SeO 3 /（mg · L -1 ） 有机硒Organic Se 镉Cd 铅Pb 0（对照Control） 6.13 1.20 8.66 0.5 12.15 0.92 * 2.78 * 1.0 13.70 * 0.80 * 2.43 * 2.5 31.40 * 0.75 * 1.93 * 5.0 44.01 * 0.50 * 3.70 * 10.0 136.72 * 1.26 4.29 * 注：数据为3 次重复的平均值；*表示经t-test 在α = 0.01 水平上显著差异。 Note：Data are the mean of three replicates. * Mean separation according to the t-test，1% level. 3 讨论与结论 硒是人和动物必需的微量元素，是一种免疫功能增强剂（朱善良，2004），硒对镉、铅等重金属 具有拮抗作用，在一定程度上能够缓解重金属对植物的毒害（郁飞燕 等，2008）。本研究表明，通 过叶面喷施适宜浓度硒肥，草莓叶片和果实中的重金属镉和铅的蓄积都得到明显抑制。但不同作物 或同一作物在不同时期所需硒的浓度有所差异，硒在最适宜的浓度下才能发挥正向效应，不适宜浓 3 期 张海英等：草莓叶面施硒对其重金属镉和铅积累的影响 415 度下则起抑制作用，即硒在生物体内具有双重性（荀黎红和吴丛雅，2005a，2005b）。作者研究发现， 硒缓解镉和铅在草莓植株内的蓄积最适浓度为2.5 ~ 5.0 mg · L -1 ，其表现是通过清除与细胞膜完整性 密切相关的膜脂过氧化产物丙二醛（MDA）保护膜系统的完整度，从而减少对重金属离子的吸收和 积累。这说明施硒对草莓细胞膜有明显的影响，当施适量硒肥时，有利于促进草莓植株和果实细胞 膜的稳定性，但较高或过低的硒肥则不利于这种稳定性的维持，其机理可能是当亚硒酸钠质量浓度 达到一定限度时，反而对其造成毒害，对细胞膜的结构造成破坏，影响细胞膜的稳定性。 综上所述，得出以下结论： 1. 草莓不同生长发育时期叶片吸收硒的能力不同，展叶期和盛花期对硒的积累量最高，这两个 时期也是草莓栽培期间叶面喷施硒肥的关键时期。果实中有机硒含量与叶面施硒的浓度呈指数正相 关。 2. 草莓叶面喷施用适宜浓度的硒肥，即2.5 ~ 5.0 mg · L -1 的硒在提高草莓硒含量的同时，降低 Cd 和Pb 的含量，说明适宜含量的硒可对重金属Cd 和Pb 产生拮抗。 References Clarke B B，Brennan E. 1989. Differential cadmium accumulation and phytotoxicity in sixteen cultivars. Air Waste Management Association，39： 1319–1322. Delhaize E，Kataoka T，Hebb D M，White R G，Ryan P R. 2003. Genes encoding proteins of the cation diffusion facilitator family that confer manganese tolerance. Plant Cell，15：1131–1142. Determination of cadmium in foods. GB/T 5009. 15-2003. Beijing：Standards Press of China. (in Chinese) 食品中镉的测定. GB/T 5009.15-2003. 北京：中国标准出版社. Determination of lead in foods. GB/T 5009.12-2003. Beijing：Standards Press of China. (in Chinese) 食品中铅的测定. GB/T 5009.12-2003. 北京：中国标准出版社. Dong Yue，Liu Xiao-qun，Li Cui-lan，Yu Dong-hai，Zhang Shi-yong. 2009. The progress of research on heavy metal pollution in soil. Modern Agricultural Sciences and Technology，4：143–145. (in Chinese) 董 悦，刘晓群，李翠兰，于东海，张士勇. 2009. 土壤重金属污染研究进展. 现代农业科技，4：143–145. Douchkov D，Gryczka C，Stephan U W，Hell R，Baumlein H. 2005. Ectopic expression of nicotianamine synthase genes results in improved iron accumulation and increased nickel tolerance in transgenic tobacco. Plant Cell and Environment，28：365–374. Jiang Xing-yu，Zhao Ke-fu.2001. Mechanism of heavy metal injury and resistance of plants. Chin J Appl Environ Biol，7 (1)：92–99. (in Chinese) 江行玉，赵可夫. 2001. 植物重金属伤害及其抗性机理. 应用与环境生物学报，7 (1)：92–99. Ke Qing-ming，Zheng Long，Fang Jia-long. 2008. Recent advances and future prospects on heavy metal pollution on vegetables. Jilin Vegetables， (3)：79–81. (in Chinese) 柯庆明，郑 龙，方加龙. 2008. 蔬菜重金属污染研究现状与展望. 吉林蔬菜，(3)：79–81. Li Chun-xi，Hao Bao-zhen，Jiang Li-na，Shao Yun，Hou Fei. 2007. Research advances about the physiological functions and absorption and accumulation of selenium during growth and development of wheat. Anhui Agri Sci，35 (13)：3811–3814. (in Chinese) 李春喜，蒿宝珍，姜丽娜，邵 云，侯 飞. 2007. 小麦生长发育过程中硒的研究进展. 安徽农业科学，35 (13)：3811–3814. Li He-sheng. 1999. Principles and techniques of plant physiological biochemical experiment. Beijing：Higher Education Press. (in Chinese) 李合生. 1999. 植物生理生化实验原理和技术. 北京：高等教育出版社. Li Xiang，Zhang Yong. 2008. The status and general laws of heavy metal pollution of vegetables and farm soil in China. Sichuan Environment，27 (2)：94–97. (in Chinese) 李 想，张 勇. 2008. 我国蔬菜和蔬菜种植土壤的重金属污染现状与一般规律. 四川环境，27 (2)：94–97. Lü Xuan-zhong，Gong Xiang-lei，Tang Yong. 2006. Antagonistic effect of foliar application of Se or Zn on absorption of Cd in lettuce. Acta Pedolgica Sinica，43 (5)：868–870. (in Chinese) 吕选忠，宫象雷，唐 勇. 2006. 叶面喷施锌或硒对生菜吸收镉的拮抗作用研究. 土壤学报，43 (5)：868–870. 416 园 艺 学 报 38 卷 Munzuroglu O，Gur N. 2000. The effects of heavy metals on the pollen germination and pollen tube growth of apples（Malus sylvestris Miller cv. Gloden）. Turkish J Bio，24：667–684. Tan Zhou-ci，Chen Jia-qin，Xue Hai-xia.2000. Studies on the pole of selenium (Se) in decreasing Pb，Cd and Cr pollution to rice. Acta Sci Nat Univ Norm Hunan，23 (3)：80–83. (in Chinese) 谭周磁，陈嘉勤，薛海霞. 2000. 硒（Se）对降低水稻重金属Pb，Cd，Cr 污染的研究. 湖南师范大学自然科学学报，23 (3)：80– 83. Tian Lei，Li Xiao-yan，Zhang Hai-ying. 2010. Determination of selenium in three fruits by graphite furnace digestion-atomic fluorescence spectrometry. China Fruits，(1)：41–44. (in Chinese) 田 磊，李晓燕，张海英. 2010. 酸式消解—原子荧光光度法测定3 种水果中的硒含量. 中国果树，(1)：41–44. Wang Chun-tao，Shi Guo-xin，Xu Qin-song，Wu Xiao-yan，Wang Xue，Hu Jin-chao，Ma Guang-yue. 2004. Toxic effect of Cd 2+ on Potamogeton crispus alleviated by exogenous Nd 3+ . Journal of the Chinese Rare Earth Society，22 (6)：821–824. (in Chinese) 王春涛，施国新，徐勤松，武晓燕，王 学，胡金朝，马广岳. 2004. 外源钕减轻了重金属镉对菹草的毒害作用. 中国稀土学报，22 (6)： 821–824. Xu Xiu-hua. 2007. Soil and Fertilizer. Beijing：Chinese Agricultural University Press. (in Chinese) 徐秀华. 2007. 土壤肥料. 北京：中国农业大学出版社. Xun Li-hong，Wu Cong-ya. 2005a. Deficient selenium could leading to diseases. Foreign Medical Sciences：Section of Medgeography，26 (1)： 4–7. (in Chinese) 荀黎红，吴丛雅. 2005a. 低硒与疾病. 国外医学医学地理分册，26 (1)：4–7. Xun Li-hong，Wu Cong-ya. 2005b .The advance of relationship between excessiveselen-umanddisease. Foreign Medical Sciences：Section of Medgeography，26 (3)：106–108. (in Chinese) 荀黎红，吴丛雅. 2005b. 高硒与疾病关系的研究进展. 国外医学医学地理分册，26 (1)：106–108. Yu Fei-yan，Kou Tai-ji，Zhang Lian-he，Miao Yan-fang. 2008. Effect of selenium on plant physiological function. Journal of Anhui Agri Sci，36 (26)： 11202–11204. (in Chinese) 郁飞燕，寇太记，张联合，苗艳芳. 2008. 硒对植物生理功能影响的研究进展. 安徽农业科学，36 (26)：11202–11204. Zhang Jin-biao，Huang Wei-nan. 2000. Advances on physiological and ecological effects of cadmium on plants. Acta Ecologica Sinica，20 (3)：514–523. (in Chinese) 张金彪，黄维南. 2000. 镉对植物的生理生态效应的研究进展. 生态学报，20 (3)：514–523. Zhou Jian-li，Chen Tong-bin. 2002. Situation and prospect of research on heavy metal pollution in vegetables and soils for vegetable cultivation in urban areas of China. Journal of Hubei Agricultural College，5 (22)：476–480. (in Chinese) 周建利，陈同斌. 2002. 我国城郊菜地土壤和蔬菜重金属污染研究现状与展望. 湖北农学院学报，5 (22)：476–480. Zhu Shan-liang. 2004. Research progress on biological roles of selenium. Bulletin of Biology，39 (6)：6–8. (in Chinese) 朱善良. 2004. 硒的生物学作用及其研究进展. 生物学通报