提高作物硒含量研究進(jìn)展

孫協(xié)平，王 武，羅友進(jìn)，伊洪偉，謝永紅，謝德體

（1. 重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹(shù)研究所， 重慶 401329；2. 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 重慶400715）

人類通過(guò)合理的膳食汲取基本營(yíng)養(yǎng)元素以維持自身健康，目前全世界約有60%的人缺鐵，超過(guò)30%的人缺鋅和碘，15%的人缺硒[1]。眾所周知，硒元素是人體必需的微量營(yíng)養(yǎng)元素，其在提高人體免疫力和預(yù)防癌癥方面有著重要作用，然而目前，硒元素的匱乏已經(jīng)涉及21個(gè)國(guó)家和地區(qū)，波及5～10 億人口[2]，人均硒攝入量不足40 μg/d。與此同時(shí)，缺硒個(gè)體也不能過(guò)多的補(bǔ)充硒元素，研究表明攝入大量硒會(huì)增加內(nèi)皮功能障礙和糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)[3-4]。為了安全起見(jiàn)，世界衛(wèi)生組織設(shè)定安全硒攝入上線為400 μg/d。

土壤缺硒是導(dǎo)致人體硒含量不足的主要因素，在中國(guó)、南非、波蘭以及其他國(guó)家尤為突出[5]。通過(guò)生產(chǎn)富硒作物可以有效提高人體硒水平[6]，因此豐富富硒產(chǎn)品來(lái)提高人體硒水平這項(xiàng)措施將會(huì)產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。2013年4月發(fā)布的《“中國(guó)富硒食品標(biāo)志”行業(yè)管理規(guī)范》有如下規(guī)定：富硒食品，是遵循我國(guó)特有的天然富硒帶所產(chǎn)富硒食品可持續(xù)經(jīng)營(yíng)原則，在優(yōu)良的生態(tài)環(huán)境下，按照特定方式生產(chǎn)，無(wú)污染、安全、優(yōu)質(zhì)的食用富硒食品，包括水果、蔬菜、藥材、糧油、干果食品、肉蛋類食品等。但是在非富硒地區(qū)通過(guò)合理的施用硒肥也能夠達(dá)到富硒的標(biāo)準(zhǔn)。

1 影響土壤硒含量因素

研究表明，我國(guó)富硒地區(qū)主要集中在南方地區(qū)和西北地區(qū)。一般認(rèn)為土壤耕作層硒含量小于0.05 mg/kg 地區(qū)為極低硒地區(qū)；0.05～0.20 mg/kg 為低硒地區(qū)，0.20～0.40 mg/kg 為中硒地區(qū)，0.40～3.00 mg/kg 為高硒地區(qū)，高于3.00 mg/kg 為極高硒地區(qū)。

影響土壤硒含量主要有以下幾個(gè)因素：首先是成土母質(zhì)，由于土壤硒主要由成土母質(zhì)風(fēng)化釋放，因此成土母質(zhì)硒含量成為影響土壤硒含量的主因。其次是氣候環(huán)境，Blazina 等[7]研究表明，在具有典型季風(fēng)氣候的中國(guó)，降水量是影響硒分布的重要因子。第三是人為因素，隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)的發(fā)展，人為干涉也成為影響土壤硒含量一個(gè)不容忽視的因素，如工業(yè)污染物，廢水廢氣廢物侵入土壤，增加了土壤硒的含量。硒肥的使用增加了土壤硒含量。第四個(gè)因素是富硒生物，富硒微生物在土壤中的分解釋放硒，也是土壤硒的來(lái)源之一。

2 硒存在形態(tài)

由于植物主要從土壤中吸取硒，因而土壤硒的存在形態(tài)直接影響植物硒的含量。土壤中不同價(jià)態(tài)的硒以及不同形態(tài)的硒的化學(xué)性質(zhì)不同，影響著植物對(duì)硒的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)率。土壤中的硒以無(wú)機(jī)態(tài)為主，有Se6+（硒酸鹽）、Se4+（亞硒酸鹽）、Se（單質(zhì)）、Se2-（無(wú)機(jī)和有機(jī)硒化物）幾種存在形式。硒酸鹽和亞硒酸鹽以及低分子有機(jī)態(tài)硒是最易被植物吸收利用。按照提取土壤硒的存在形式可以分為易容性Se （0.25 mol/L KCl 提?。⑽綉B(tài)Se（0.1 mol/L K2HPO4）、元素態(tài)Se（0.25 mol/L Na2SO3）、有機(jī)結(jié)合態(tài)Se（4 mol/L HCl）和殘?jiān)黃e（HNO3，H2O2，HF 微波消解）[8]。耕作層是經(jīng)耕種熟化的表土層，一般厚度在15～20 cm，作物根系最為密集，因此耕作層的理化性質(zhì)如土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分含量、土壤的氧化還原電位、土壤pH 值、土壤有機(jī)質(zhì)等會(huì)較大程度地影響植物對(duì)硒的吸收。

在硒的生態(tài)鏈中植物可以有效的將無(wú)機(jī)硒轉(zhuǎn)化為有機(jī)硒，因此植物體內(nèi)硒主要以有機(jī)態(tài)為主，無(wú)機(jī)態(tài)硒含量較少。通過(guò)高效液相色譜儀、質(zhì)譜儀等儀器可以將有機(jī)態(tài)硒有效的分成硒代甲硫氨酸（SeMet）、硒代半胱氨酸（SeCys）、硒代胱氨酸（SeCys2）、Se-丙烯基硒半胱氨酸亞砜（AllSeCys）、γ-L-谷酰基-Se-甲基硒-L- 半胱氨酸（y-Glu-MeSeCys）、甲基硒代半胱氨酸（MeSeCys）等有機(jī)形式而且能夠精確測(cè)定每種有機(jī)態(tài)的含量[9]。除了游離態(tài)硒氨酸外，硒還以硒鈦、硒核酸、硒多糖、硒茲類和類脂和其他類形式存在，不過(guò)目前關(guān)于這一類物質(zhì)研究較少。

動(dòng)物從飲食中攝入的硒被十二指腸等部位吸收后，一部分合成硒蛋白，一部分貯存在體內(nèi)，剩下的被排出體外[10]。硒作為功能性硒蛋白的必須元素來(lái)發(fā)揮其生物學(xué)作用，如硒是谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（GSH-Px）的組分，廣泛存在于組織器官中，主要功能是催化還原型谷胱甘肽（GSH）變?yōu)檠趸凸入赘孰模℅SSG），使有毒的過(guò)氧化物還原成無(wú)毒的羥基化合物，保護(hù)細(xì)胞膜的完整及功能不受到活性氧的干擾與損害。脫碘酶家族、硫氧還原酶、硒磷酸合成酶-2 等都是硒蛋白，到目前為止，至少有20種硒蛋白被鑒定出來(lái)。

3 植物對(duì)硒的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)方式

水溶性的硒是植物吸收的主要形式，主要包括低分子有機(jī)酸、硒酸鹽和亞硒酸鹽。硒酸鹽主要因?yàn)榕c土壤微粒的吸附親和力低因而最易被植物吸收利用，亞硒酸因其與土壤吸附能力較強(qiáng)所以相比硒酸鹽不易被植物吸收利用[11]。硒酸鹽通過(guò)硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)入根系，很快運(yùn)輸?shù)降厣喜浚贿€原成亞硒酸鹽，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為有機(jī)硒的化合物[12]，再分配到植物的其他組織；而亞硒酸鹽通過(guò)磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和硅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)入根系[13]，在根系中很快轉(zhuǎn)化有機(jī)態(tài)，如硒代甲硫氨酸、硒甲基半胱氨酸等，有機(jī)態(tài)硒也會(huì)被運(yùn)輸?shù)降厣喜縖14]。當(dāng)硒酸鹽和亞硒酸混合存在時(shí)，亞硒酸鹽的存在會(huì)影響硒酸鹽的吸收[15]。硒代半胱氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶（SMT）通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)在非富硒植物擬南芥體內(nèi)的過(guò)量表達(dá)促進(jìn)了硒的吸收，進(jìn)而證明SMT 是硒富集的關(guān)鍵酶[16]。然而不是所有的植物過(guò)量表達(dá)SMT 都能夠提高植物體內(nèi)的硒含量。除了SMT，目前研究表明ATP 硫酸化酶、硒代半胱氨酸裂解酶也是植物積累硒過(guò)程中的關(guān)鍵酶[17]。

4 提高作物吸收硒的措施

4.1 施肥

在缺硒地區(qū)施用硒肥能夠顯著提高植物體內(nèi)的硒含量。許春霞等[18]在低硒茶園土里施亞硒酸鈉，結(jié)果表明茶樹(shù)硒含量隨著硒劑量的提高而增加。Reilly等[19]研究指出洋蔥和青蔥含有大量保健作用的酚類和黃酮類物質(zhì)，噴施硒酸鹽和亞硒酸鹽混合液溶液可使球莖里的硒含量從0.5～5.9 μg/g 增加到40.6～70.0 μg/g，且不影響酚類和黃酮類物質(zhì)含量。付冬冬等[20]研究指出施硒肥能夠提高小白菜的硒含量，而且對(duì)小白菜的生長(zhǎng)低濃度硒（<5 mg/kg）具有促進(jìn)作用，高濃度硒（>5 mg/kg）具有抑制作用，同時(shí)還指出低濃度的四價(jià)態(tài)或六價(jià)態(tài)硒均能促進(jìn)對(duì)氮、磷、鉀、硫、鎂、鋅的吸收。硒的濃度在1～100 μmol/L 范圍內(nèi)不會(huì)顯著影響小麥大量元素的吸收，對(duì)微量元素的吸收也是微弱。

4.2 接種微生物

除了采取施硒肥外，采取接種微生物也可促進(jìn)植物對(duì)硒的吸收。富硒植物芥菜在接種細(xì)菌團(tuán)體（蘇云金芽孢桿菌-YAK2，地衣芽孢桿菌-YAK4，內(nèi)生芽胞桿菌-YAK7，纖維化纖維微細(xì)菌-CrK16 和微桿菌-CrK19）后，植株生長(zhǎng)量增加進(jìn)而促進(jìn)硒的積累[21]。Yasin 等[22]研究表明一種與Bacillus pichinotyi 相似度為99%的YAM 2 菌株接種到小麥根系后不但植株生長(zhǎng)量增加，并且顯著的提高小麥籽粒（167%）和莖（252%）的硒含量，同時(shí)籽粒和莖中鐵的含量也增加了，這可能與其提高體內(nèi)酸性磷酸酶的活性有關(guān)，而Guerrero 等研究表明硒酸鹽和亞硒酸鹽濃度在10～100 μmol/L 范圍內(nèi)顯著降低了小麥對(duì)鐵的吸收（除了100 μmol/L 硒酸鹽處理）[15]。由此可見(jiàn)，YAM 2菌株促進(jìn)小麥對(duì)鐵的吸收也是比較顯著的。柑橘是南方栽培面積最大的果樹(shù)，在自然栽培條件下其根毛少且短甚至沒(méi)有，柑橘很大程度上依賴菌根來(lái)代替根毛吸收養(yǎng)分、水分和分泌有機(jī)物等功能[23]。湯靜[23]、王明元[24]的研究表明接種叢枝菌根能夠促進(jìn)柑橘對(duì)鋅、鐵、鎂的吸收。此外，也有許多細(xì)菌如專性好氧細(xì)菌睪丸酮叢毛單胞菌S44 使Se6+、Se4+還原成零價(jià)硒元素以降低硒的毒性[25]。

4.3 改良土壤

土壤熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果表明，在堿性好氧的土壤上硒酸鹽是主要形態(tài)，在酸性和中性的礦物土壤中亞硒酸鹽是主要形態(tài)。pH 高的土壤硒溶解度大，可溶態(tài)硒含量增高，易于植物的吸收利用，提高富硒地區(qū)土壤的pH 能夠提高硒的活性；反之硒活性降低[26]。通過(guò)施用石灰提高土壤pH，深耕提高土壤的透氣性，兩種方法均能提高水溶性硒酸鹽的含量，促進(jìn)植物對(duì)硒的吸收。利用硒超富集植物沙漠王羽的莖葉當(dāng)做肥料不但能夠提高胡蘿卜和花椰菜的硒含量還能提高產(chǎn)量，此外花椰菜中硒以硒代甲硫氨酸的含量最高，占總硒量的58.0%，胡蘿卜以SeCyst 含量最高，占33.4%[27]。

4.4 篩選合適的富硒作物品種

不同作物對(duì)硒的吸收和富集能力差異很大，即使是同一作物，品種品系之間對(duì)硒的吸收能力也有差異。常見(jiàn)作物中十字花科植物對(duì)硒的積累能力最強(qiáng)，其次是豆科植物，谷類植物最低，谷類中以小麥對(duì)硒的積累最強(qiáng)[28]。在富硒土壤中根據(jù)植物對(duì)硒的積累量可將植物分為：硒超積累植物（1 000～15 000 mg/kg）、硒儲(chǔ)蓄植物（100～1 000 mg/kg）和非富硒植物（10～100 mg/kg）。硒超積累植物如雙溝黃芪（Astragalus bisulcatus）、沙漠王羽（Stanleya Pinnata）；較喜硒植物如印度芥菜（Brassica juncea）和壺瓶碎米薺（Cardamine Hupingshanesis）[29]；非富硒植物有三葉草、大麥等。硒超累積植物與硒儲(chǔ)蓄植物以有機(jī)態(tài)形式積累硒，而非富硒植物以無(wú)機(jī)態(tài)硒的形式存在，如雙溝黃芪和沙漠王羽以SeMeCys 為硒主要形式，印度芥菜以SeMet 為硒主要形式，而壺瓶碎米薺以SeCys2為主要形式[30]。沙漠王羽能夠超富集硒與Vc、谷胱甘肽、總硫含量、非蛋白硫醇水平有關(guān)[31]。許多富硒植物能夠通過(guò)硒代半胱氨酸甲基化轉(zhuǎn)移酶（（SMT））將毒性強(qiáng)的SeCys 甲基化成無(wú)毒的游離的MeSeCys 進(jìn)而降低硒對(duì)植物的毒害。非富硒植物如白三葉草、紅三葉草、黑麥草在硒濃度為5 mg/kg 時(shí)其植株的生長(zhǎng)就受到抑制[32]，當(dāng)硒濃度大于2 mg/kg 時(shí)大麥的生長(zhǎng)受到抑制[33]。當(dāng)硒的濃度在4～6 mg/kg 時(shí)，菜豆地下和地上部的生長(zhǎng)受到顯著抑制，這與硒降低植物根尖生長(zhǎng)、植物體內(nèi)激素和內(nèi)源NO 紊亂有關(guān)[34]。

5 展 望

我國(guó)是個(gè)缺硒大國(guó)，發(fā)展富硒作物對(duì)促進(jìn)全民健康有著積極的作用。在土壤肥料方面，缺硒地區(qū)施用硒肥是一條有效途徑；富硒地區(qū)除了生產(chǎn)富硒作物外，生產(chǎn)富硒肥料改良相對(duì)缺硒地區(qū)的土壤狀況也是較好的途徑；在作物選擇上，除了選擇富硒作物外，在主要糧油果蔬作物上，如水稻、小麥、花生、蘋(píng)果、柑橘等篩選富硒品種品系對(duì)全民補(bǔ)硒的貢獻(xiàn)也較大。

[1]Hawrylak-Nowak B.Comparative effects of selenite and selenate on growth and selenium accumulation in lettuce plants under hydroponic conditions[J].PlantGrowth Regul,2013,70(2):149-157.

[2]Haug A,Graham RD,Christophersen OA.etal.How touse theworld's scarce selenium resources efficiently to increase the selenium concentration in food[J].Microb EcolHealth Dis,2007,19(4):209-228.

[3]Zachariah M,Rayman M P,Agouni A.High selenium intake is associated with endothelial dysfunction:critical role for endoplasmic reticulum stress[J].Heart,2014,100.(Suppl):4-5.

[4]Steinbrenner H,Speckmann B,Pinto A,etal.High selenium intake and increased diabetes risk:experimental evidence for interplay between selenium and carbohydratemetabolism[J].JClin Biochem Nutr,2011,48:40-45.

[5]Hargreaves M K,Liu J,Buchowski M S,et al.Plasma selenium biomarkers in low income black and white americans from the southeastern United States[J].PlosOne,2014,9:1-9.

[6]Ba n軌uelos G S.Phytoremediation of selenium-contaminated soil and water produces biofortified products and new agricultural by products.In G.S.Ba n軌uelos&Z.-Q.Lin(Eds.),Biofortification and development of new agricultural products[M].Boca Roca FL:CRC Press.2009.57-70.

[7]Blazina T,Sun Y,Voegelin A,etal.Terrestrialselenium distribution in China is potentially linked to monsoonal climate[J].Nature Commun,2014,5:17-47.

[8]WrightM T,Parker DR,Amrhein C.Criticalevaluation of theability of sequential extraction procedures to quantify discrete forms of selenium in sedimentsand soils[J].Environ SciTech,2003,37:4709-4716.

[9]Larsen EH,LobinskiR,Burger-Meyer K,etal.Uptake and speciation of selenium in garlic cultivated in soil amended with symbiotic fungi(mycorrhiza)and selenate[J].Anal Bioanal Chem,2006,385(6):1098-1108.

[10]林長(zhǎng)光.硒對(duì)豬生產(chǎn)與保健的影響及富硒豬肉生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].福州：福建農(nóng)林大學(xué).2013.

[11]Balistrieri IS,Chao TT.Selenium adsorption by goethite[J].SoilSciSoc Am,1987,51:1145-1151.

[12]Sors T G,Ellis D R,Salt D E.Selenium uptake,translocation,assimilation andmetabolic fate in plants[J].Photosynth Res,2005,86:373-389.

[13]Zhao X Q,Mitani N,Yamaji N,et al.Involvement of silicon influx transporter OsNIP2；1 in seleniteuptake in rice[J].PlantPhysiol,2010,153:1871-1877.

[14]王曉芳，陳思楊，羅 章，等.植物對(duì)硒的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)和形態(tài)轉(zhuǎn)化機(jī)制[J].農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)報(bào).2014，31（6）：539-544.

[15]Guerrero B,Llugany M,Palacios O et al.Dual effects of different selenium speciesonwheat[J].PlantPhysiolBiochem,2014,83:300-307.

[16]EllisD,Sors T,Brunk D,etal.Production of Semethylselenocysteine in transgenic plants expressing selenocysteinemethyltransferase[J].BMC PlantBiol,2004,4:1-11.

[17]薛美如，常海靜，楊學(xué)舉，等.植物富集硒的關(guān)鍵酶及其轉(zhuǎn)基因研究進(jìn)展[J].2013，41（11）：52-55.

[18]許春霞，李向民，肖永綏.土施硒肥與茶葉含硒量和產(chǎn)量的關(guān)系[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，1996，5（1）：71-75.

[19]Reilly K,Valverde J,Finn L,et al.A note on the effectiveness of selenium supplementation of Irish-grown Allium crops[J].Irish Journal ofAgriculturaland Food Research,2014,53:91-99.

[20]付冬冬，段曼莉，梁東麗，等.不同價(jià)態(tài)外源硒對(duì)小白菜生長(zhǎng)及養(yǎng)分吸收的影響[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào).2011，17（2）：358-365.

[21]Yasin M,ElMehdawiA F,Jahn CE,etal.Seleniferoussoilsasa source for production of selenium-enriched foods and potential of bacteria to enhance plant selenium uptake[J].Plant Soil,2014,386(1-2):385-394.

[22]Yasin M,El-Mehdawi A F,Anwar A,et al.Microbial-enhanced Selenium and Iron Biofortification ofWheat(Triticum aestivum L.)-Applications in Phytoremediation and Biofortification[J].International JournalofPhytoremediation,2015,17:341-347.

[23]湯 靜.接種叢生菌根對(duì)柑桔鋅素吸收效應(yīng)的影響研究[D].重慶：西南大學(xué)，2010.

[24]王明元.叢枝菌根真菌對(duì)柑橘鐵吸收的效應(yīng)及其作用機(jī)理[D].武漢：華中農(nóng)大學(xué)，2008.

[25]Zheng S,Su J,Wang L,et al.Selenite reduction by the obligate aerobicbacterium Comamonas testosteroni S44 isolatedfrom a metal-contaminated soil[J].BMCMicrobiology,2014,14:204-216.

[26]蘭葉青，毛景東，計(jì)維濃.土壤中硒的形態(tài)[J].環(huán)境科學(xué)，1994，4（4）：56-59.

[27]Banuelos G S,ArroyoI,PickeringIJ,et al.Selenium biofortification of broccoli and carrots grown in soil amended with Se-enriched hyperaccumulator Stanleyapinnata[J].Food Chem.2015,166:603-608.

[28]徐 文.硒在生物有效性及植物對(duì)硒的吸收[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2009，15（23）：47-67.

[29]Yuan L,Zhu Y,Lin Z,etal.A Novel Selenocystine-Accumulating Plant in Selenium-Mine Drainage Area in Enshi,China[J].PLOS ONE,2013，8（6）：e65615.

[30]Prins C N,Hantzis L J,Quinn C F,et al.Effects of selenium accumulation on reproductive functions in Brassica juncea and Stanleya pinnata[J].JExp Bot2011，62(15),5633-5640.

[31]Freeman J,Tamaoki M,Stushnoff C,et al.Molecular mechanisms of selenium toleranceand hyperaccumulation in Stanleya pinnata[J].Plant Physiol,2010,153:1630-1652.

[32]Smith S,Watkinson JH.Selenium toxicity in perennial ryegrass and white clover[J].New Phytologist,1984,97:557-564.

[33]AkbulutM,Cakir S.The effects of Se phytotoxicity on the antioxidant systemsof leaf tissues in barley(Hordeum vulgare L.)seedlings[J].Plant physiology and biochemistry,2010,48:160-166.

[34]Aggarwal M,Sharma S,Kaur N,et al.Exogenous proline application reduces phytotoxic effects of selenium by minimising oxidative stress and improves growth in bean (Phaseolus vulgaris L.)seedlings[J].Biological Trace ElementResearch,2011,140:354-367.