叶面生物源硒纳米颗粒与亚硒酸盐对大豆生长、种子品质、硒形态及其生物可利用性的比较效应

《Frontiers in Plant Science》：Comparative effects of foliar biogenic selenium nanoparticles and selenite on soybean growth, seed quality, selenium speciation and bioaccessibility

硒纳米颗粒（BSeNPs）在大豆 foliar 处理中显著提升生物量、蛋白质及氨基酸含量，并增强抗氧化能力，同时促进有机硒（SeMet、SeCys）积累及生物可及性，优于传统硒化合物 Se(IV)。

　　硒（Se）在作物中的生物强化是一种可持续的策略，用于解决全球范围内约十亿人所面临的硒缺乏问题。尽管目前普遍使用亚硒酸盐（Se(IV)）作为生物强化的硒源，但其在植物中的潜在毒性以及较低的生物可利用性引发了对其他形式硒的探索，例如生物源硒纳米颗粒（BSeNPs）。本研究通过田间试验，探讨了不同浓度（5、10和20 mg L?1）的叶面BSeNPs和Se(IV)对大豆生长、营养价值、硒形态以及生物可利用性的影响。结果显示，BSeNPs在5 mg L?1浓度下显著提升了茎生物量（54.2%）、种子蛋白含量（62.3%）和总氨基酸含量（76.2%），相较于对照组和对应的Se(IV)处理组。此外，BSeNPs处理的大豆表现出更强的抗氧化酶反应（如超氧化物歧化酶SOD和过氧化物酶POD），同时脂质过氧化（MDA）水平下降，表明其具有更强的抗逆性。尽管Se(IV)在总硒积累方面表现更优，但BSeNPs更有效地促进了有机硒物种（如SeMet、SeCys、MeSeCys）的富集。体外消化实验进一步表明，BSeNPs的总生物可利用硒（胃+肠）在45-56%之间，而Se(IV)则在19.6-34%之间。因此，本研究得出结论，叶面施用BSeNPs在5-10 mg L?1浓度下，比Se(IV)更有效提升大豆的营养价值和硒生物可利用性。

### 硒的重要性与缺乏问题

硒是一种重要的微量元素，对人类和动物的生理健康至关重要，主要因其显著的免疫调节和抗氧化特性。它作为25种硒蛋白的组成部分，参与多种关键代谢过程，包括甲状腺激素的合成与功能、生殖过程以及对氧化应激的防御。然而，硒缺乏仍然是全球性的健康问题，影响了近十亿人。这种缺乏主要源于土壤中硒含量较低，进而影响农作物的硒浓度。土壤中硒含量不足是导致膳食硒摄入不足的主要原因，而过量摄入也可能引发硒中毒（selenosis）等相关毒性问题。因此，研究如何通过农业手段提升作物中的硒含量，对于改善人类健康具有重要意义。

### 传统硒强化方法与生物纳米硒的优势

在过去的硒强化实践中，无机硒形式如亚硒酸盐和硒酸盐因其高溶解性和生物可利用性而被广泛使用。然而，这些无机形式在植物中的高溶解性和反应性可能导致氧化应激，进而影响植物的健康和生长。相比之下，生物源硒纳米颗粒（BSeNPs）因其零价态和相对稳定的氧化还原特性，被认为是一种更安全、更可持续的硒强化手段。BSeNPs通过微生物生物还原方法合成，具有更高的稳定性、生物活性和生物可利用性，同时在低浓度下表现出较低的毒性。此外，BSeNPs还能增强植物的酶活性并减轻氧化应激，这些特性使其在作物生物强化中展现出巨大潜力。

### 大豆作为硒强化的优良作物

大豆（Glycine max）是一种经济价值高的豆科作物，因其富含蛋白质、油脂和多糖，以及对土壤肥力的贡献而受到重视。其卓越的蛋白质组成使其成为通过农业干预进行硒强化的理想对象。虽然已有大量研究探讨了无机硒形式在大豆中的应用，但关于BSeNPs的研究仍较为有限。因此，本研究旨在填补这一空白，通过田间试验评估不同浓度的BSeNPs和Se(IV)对大豆全生长周期的生理和营养影响。

### 实验设计与实施

本实验在安徽省滁州市南谯区王营村试验基地进行，时间为2024年7月至10月。该地区属于亚热带季风气候，年平均温度在14°C至22°C之间，年降水量约为1200毫米。实验采用随机完全区组设计，共分为三个区组，每个区组包含两种主要处理：Se(IV)和BSeNPs。每个处理下设置三个子处理，分别对应5、10和20 mg L?1的施用浓度。每个区组中，还设置了一个对照组（CK，0 mg L?1），用于比较不同硒形式的效应。实验总共有21个子处理，每个子处理面积为2×2平方米，包含缓冲行和通道，以减少边缘效应。实验所用的Se(IV)来自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，而BSeNPs则由焦作百亿安生物科技有限公司生产（产品编号BYA2023081701）。这些纳米颗粒通过乳酸杆菌（Lactobacillus plantarum）的微生物还原方法合成，其合成过程为专有技术。扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）分析确认了BSeNPs的成功合成，并显示其形态为球形颗粒，尺寸在43.9至68纳米之间。EDX检测还发现颗粒中存在碳、氮、氧、磷和硫等元素，这表明BSeNPs可能被蛋白质或多糖包裹，从而提高其胶体稳定性。

### 实验材料与处理

实验前，土壤样本被采集并分析其化学成分，结果包括pH值为6.68，有机质含量为9.08 g kg?1，总氮为0.07 g kg?1，总磷为0.30 g kg?1，总钾为13.60 g kg?1，可利用氮为0.49 g kg?1，可利用磷为28.60 mg kg?1，可利用钾为138.10 mg kg?1，以及土壤中的硒含量为0.19 mg kg?1。实验中使用了15-15-15氮磷钾肥料，以750 kg ha?1的推荐剂量施用于播种前。‘皖豆15’大豆种子于7月20日播种，每穴种植两粒种子，间距为10×50 cm，每块试验地约有160株植物，种植密度为400,000粒种子/公顷。硒喷施液根据目标浓度和固定喷施体积（1.5 L）配制，5、10和20 mg L?1处理分别对应7.5、15和30 mg的硒量。为了提高吸收效率，使用了0.15%的吐温80作为载体，所有溶液均在10分钟内超声波处理以确保均匀分散。对照组使用相同的载体，但不含硒。

### 实验指标与分析方法

实验中评估了多种指标，包括植物生长和产量参数、酶活性和脂质过氧化、总硒和大量元素含量、总游离氨基酸和蛋白质含量、硒形态以及硒生物可利用性。植物高度在施硒处理后21天通过手持尺测量，SPAD值通过SPAD-502叶绿素计测定，用于评估叶绿素含量。在生理成熟期（93天后），每处理随机选取五株植物进行农艺测量，包括植物高度、鲜重和干重。产量参数包括每株豆荚数和千粒重，分别通过手动计数和烘干后称重获得。对于酶活性和脂质过氧化，分别在施硒处理后14天和生理成熟期进行测定。SOD、POD和CAT活性通过分光光度法测定，而MDA作为脂质过氧化的指标，也进行了相应的分析。总硒含量和大量元素（氮、磷、钾）的测定通过ICP-MS和ICP-OES进行，方法依据已有文献进行调整。总游离氨基酸和粗蛋白含量则分别通过尼龙试剂法和考马斯亮蓝法测定。

### 实验结果与分析

实验结果显示，不同形式的硒对大豆生长和产量产生了不同的影响。BSeNPs和Se(IV)处理均对植物高度、SPAD值和豆荚数产生了积极影响，但这些变化在统计上并不显著。然而，BSeNPs在5 mg L?1处理下显著提高了茎生物量，鲜重和干重分别增加了48%和54.2%。相比之下，Se(IV)处理在5 mg L?1下鲜重和干重分别提高了32.2%和37.0%。尽管所有处理均未对主要生长指标产生显著影响，但BSeNPs处理下的茎生物量增长更为显著，这可能与其较低的毒性以及增强的抗氧化能力有关。

在抗氧化反应方面，BSeNPs处理的大豆表现出更高的SOD、POD和CAT活性，同时MDA含量显著降低，表明其具有更强的抗氧化能力和抗逆性。特别是在5和10 mg L?1处理下，BSeNPs处理的MDA含量分别降低了45.2%和23.6%，而Se(IV)处理则在高浓度下导致MDA含量增加，可能与过量硒引起的氧化应激有关。这一结果表明，BSeNPs在低浓度下能够有效减轻氧化损伤，而Se(IV)在高浓度下可能对植物产生毒性。

在大量元素方面，BSeNPs处理在5和10 mg L?1浓度下显著提高了大豆种子中的氮和磷含量，而钾含量则在5和10 mg L?1处理下表现出轻微但非显著的增加。在20 mg L?1处理下，氮和磷含量均有所下降，这可能与高浓度硒对氮代谢途径的干扰有关。此外，BSeNPs处理在促进磷和钾积累方面优于Se(IV)处理，这可能与其对根系生理和根际微生物活动的影响有关。

在硒含量方面，所有处理均显著提高了大豆植株中的硒浓度，但BSeNPs处理下的硒积累量低于Se(IV)处理。然而，BSeNPs处理中的有机硒物种（如SeMet、SeCys和MeSeCys）含量显著高于Se(IV)处理，表明BSeNPs在促进有机硒合成方面更具优势。此外，BSeNPs处理下的硒生物可利用性明显高于Se(IV)处理，特别是在胃和肠道消化阶段，BSeNPs的总生物可利用性在45-56%之间，而Se(IV)仅在19.6-34%之间。这一结果表明，有机硒物种在消化过程中更容易被吸收，从而提高其生物可利用性。

### 讨论与结论

本研究的讨论部分分析了不同硒形式对大豆生长、产量和生理代谢的影响。BSeNPs在低浓度下表现出更高的生物可利用性和较低的毒性，这与其在植物中的稳定性和生物活性有关。此外，BSeNPs在促进有机硒合成方面优于Se(IV)，这可能与其表面生物分子的辅助作用有关。这些有机硒物种不仅对植物营养有益，也对人类健康具有更高的营养价值。

尽管Se(IV)在总硒积累方面表现更优，但BSeNPs在提升大豆营养价值和生物可利用性方面更具优势。这一结论与已有研究一致，表明生物源硒纳米颗粒在作物生物强化中具有更广泛的应用前景。然而，由于实验条件和作物种类的差异，不同研究的结果可能存在一定的差异，因此需要进一步的实验验证。

综上所述，本研究证明了叶面施用BSeNPs在5-10 mg L?1浓度下，是一种比Se(IV)更有效的生物强化策略，能够显著提高大豆的茎生物量、种子蛋白含量和总氨基酸含量，同时降低氧化损伤，提升抗氧化酶活性。此外，BSeNPs促进了更多有机硒物种的富集，这些物种具有更高的生物可利用性，因此在改善作物营养和人类健康方面具有重要潜力。