硒在植物保護與農(nóng)產(chǎn)品質量安全中的應用進展

吳春蕾, 吳之琳, 吳 潔, 江 寒, 臧華偉, 檀根甲, 袁林喜, 李 淼*

1.安徽農(nóng)業(yè)大學經(jīng)濟技術學院, 合肥 230036；2.安徽農(nóng)業(yè)大學植物保護學院, 安徽農(nóng)業(yè)大學新農(nóng)村發(fā)展研究院皖西北綜合試驗站, 安徽省農(nóng)產(chǎn)品安全重點實驗室; 安徽農(nóng)業(yè)大學-蘇州硒谷科技有限公司植物健康與功能農(nóng)業(yè)聯(lián)合實驗室, 合肥 230036；3.江蘇省硒生物工程技術研究中心, 江蘇 蘇州 215123

硒在植物保護與農(nóng)產(chǎn)品質量安全中的應用進展

吳春蕾1, 吳之琳2, 吳 潔2, 江 寒2, 臧華偉2, 檀根甲2, 袁林喜3, 李 淼2*

1.安徽農(nóng)業(yè)大學經(jīng)濟技術學院, 合肥 230036；2.安徽農(nóng)業(yè)大學植物保護學院, 安徽農(nóng)業(yè)大學新農(nóng)村發(fā)展研究院皖西北綜合試驗站, 安徽省農(nóng)產(chǎn)品安全重點實驗室; 安徽農(nóng)業(yè)大學-蘇州硒谷科技有限公司植物健康與功能農(nóng)業(yè)聯(lián)合實驗室, 合肥 230036；3.江蘇省硒生物工程技術研究中心, 江蘇 蘇州 215123

硒是人和動物所必需的微量元素，也是植物生長發(fā)育的有益元素。綜述了硒在植物保護與農(nóng)產(chǎn)品質量安全中的應用研究進展，包括硒在增強植物抗逆能力、延緩植物衰老、拮抗重金屬毒性、降低農(nóng)產(chǎn)品中硝酸鹽累積量、緩解作物藥害、減輕作物土壤連作障礙等方面的作用，并展望了硒在改善農(nóng)產(chǎn)品營養(yǎng)品質和保障植物健康與農(nóng)產(chǎn)品質量安全方面的應用前景和策略，以期為硒生物營養(yǎng)強化與植物保護及農(nóng)產(chǎn)品質量安全關系的深入研究與實際應用提供參考。

硒；植物保護；農(nóng)產(chǎn)品質量安全；生物營養(yǎng)強化；功能農(nóng)產(chǎn)品

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，在關注農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量、品質和抗性的同時，也需要關注農(nóng)產(chǎn)品中對人體健康必不可少的微量營養(yǎng)素的含量。追求營養(yǎng)、健康、安全和口感的綠色有機功能農(nóng)產(chǎn)品已成為一種趨勢[1]。2017年，國務院辦公室發(fā)布的《國民營養(yǎng)計劃(2017-2030年)》中指出我國居民營養(yǎng)現(xiàn)狀呈現(xiàn)雙重性，即：主量營養(yǎng)過剩、微量營養(yǎng)缺乏，并明確指出以增加微量營養(yǎng)素含量為目標的營養(yǎng)型農(nóng)業(yè)是解決我國居民營養(yǎng)問題的有效措施[2]。因此，提高農(nóng)產(chǎn)品品質與營養(yǎng)價值，保證其質量安全，更好地發(fā)揮農(nóng)產(chǎn)品在提升全民健康水平中的作用至關重要。

生物營養(yǎng)強化是指通過品種選育、肥料施用、農(nóng)藝管理以及現(xiàn)代生物工程等技術手段來改善或解決作物微量營養(yǎng)素(如鐵、鋅、硒、維生素和葉酸等)缺乏的措施，對改善我國民眾的微量營養(yǎng)水平和推動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展具有非常重要的意義[3]。

微量元素硒(selenium，Se)的營養(yǎng)價值于1957年被發(fā)現(xiàn)，研究表明其具有預防動物營養(yǎng)性肝壞死的作用；1973年硒被證實是谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)的組成成分。隨后，許多研究表明，硒是一種多功能的微量營養(yǎng)素，具有清除自由基、抗氧化、增強免疫力、延緩衰老、防病抗癌等功效[3]。目前，已證實硒是人與動物的必需微量元素，也是植物生長的有益元素，能夠增強植物的抗逆能力[4,5]。適量濃度的硒不僅可以促進植物的生長發(fā)育，而且有助于提高作物產(chǎn)量、改善農(nóng)產(chǎn)品品質，通過清除植物體內過量自由基而增強植物的抗逆性以及緩解干旱、鹽堿、低溫、重金屬毒害與病蟲草害等對植物造成的脅迫損傷，延緩植物衰老，降低農(nóng)產(chǎn)品中硝酸鹽含量，緩解作物藥害，減輕設施作物土壤連作障礙等[5～10]。尤為重要的是，應用作物營養(yǎng)強化技術可科學調控植物的硒含量、提高農(nóng)產(chǎn)品的附加值，進而生產(chǎn)出富硒功能農(nóng)產(chǎn)品，通過植物-動物-人類的食物鏈方式補硒是一條經(jīng)濟、安全、可有效保障人體健康的食補途徑[10～15]。由此可見，硒與植物保護及農(nóng)產(chǎn)品質量安全關系密切，充分認識硒在改善農(nóng)產(chǎn)品營養(yǎng)品質和保障植物健康與農(nóng)產(chǎn)品質量安全方面的重要作用，對生產(chǎn)集營養(yǎng)、健康、安全為一體的富硒功能性農(nóng)產(chǎn)品，促進營養(yǎng)型功能農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

1 硒在改善農(nóng)產(chǎn)品營養(yǎng)品質中的應用

適量濃度的硒不僅可有效提高農(nóng)產(chǎn)品營養(yǎng)品質，而且對改善農(nóng)產(chǎn)品風味、延緩植物成熟衰老和提高農(nóng)產(chǎn)品保鮮質量等也具有一定的作用。研究表明，茶樹施硒(土施或葉面噴施)和天然富硒區(qū)栽種的茶樹，其葉片中的氨基酸總量、必需氨基酸含量、硒代氨基酸含量均比低硒茶葉高，且硒代氨基酸的含量隨著茶葉含硒量的提高而顯著增加[9]。此外，富硒茶葉中的硒還能阻止維生素C(VC)的氧化，提高茶葉的保鮮品質[9,10]。蔬菜施硒(土施或葉面噴施)不僅可提高其蛋白質和氨基酸的含量，對其他成分(如糖分等)含量也有一定的改善。水培生菜營養(yǎng)液中添加適宜濃度的硒，可提高其莖葉中總糖、還原糖、葉綠素以及可溶性蛋白質的含量，降低粗纖維含量；煙草施硒(土施或葉面噴施)可顯著提高煙葉的含鉀量，與硫配合施用可提高煙葉中總糖、煙堿及硒的含量；設施大棚土施或葉面噴施硒肥可使番茄果實中VC含量增加；馬鈴薯施硒(土施或葉面噴施)可提高塊莖中總蛋白質含量；大豆施硒(土施或葉面噴施)可使大豆籽粒蛋白質含量增加[3,4,10]。

2 硒在植物保護與農(nóng)產(chǎn)品質量安全中的應用

近年來，由于農(nóng)業(yè)化學品的不合理施用等原因，造成目前我國植物保護與農(nóng)產(chǎn)品質量安全問題形勢嚴峻，農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留、重金屬污染以及生物毒素、硝酸鹽和亞硝酸鹽等有害物質超標現(xiàn)象較為嚴重，威脅著人們的生命健康。一些研究表明，適量濃度的硒對提高植物的抗逆性以及防止農(nóng)產(chǎn)品中的重金屬、真菌毒素、硝酸鹽、亞硝酸鹽等有害物質含量超標具有積極作用，并可減輕使用化肥和農(nóng)藥帶來的污染及危害，同時可提高有害生物綠色防控效果[4,10,12]。

2.1硒可抑制植物病害

本團隊通過硒對果實病原菌的離體抑菌試驗的研究發(fā)現(xiàn)，濃度為10 mg/L、12 mg/L的亞硒酸鈉處理分別對Penicilliumexpansum和Botrytiscinerea生長具有明顯的抑制作用，其抑制效果與處理濃度、處理時間呈正相關。通過PI染色分析，證實了20 mg/L、24 mg/L的亞硒酸鈉處理破壞了P.expansum和B.cinerea孢子細胞質膜，引起胞外可溶性糖、可溶性蛋白質含量增加，進而導致孢子細胞質膜受到損傷，從而抑制了病原菌的生長。通過熒光探針DCHF-DA檢測胞內活性氧發(fā)現(xiàn)，15 mg/L、18 mg/L亞硒酸鈉處理P.expansum和B.cinerea后的病原菌孢子胞內活性氧水平上升。此外，通過細胞內抗氧化酶活性和抗氧化物質含量的測定，發(fā)現(xiàn)孢子細胞內抗氧化系統(tǒng)被破壞，病原菌細胞的抗氧化能力和細胞功能被削弱[6,7]。此外，華中農(nóng)業(yè)大學微量元素研究中心的最新研究表明，硒對油菜菌核病菌也具有一定的抑制作用[8,12]。

本團隊研究還發(fā)現(xiàn)，采用亞硒酸鈉對果實進行采前噴施處理和采后浸泡處理后，蘋果和番茄果實內能維持較高的抗氧化酶活性，誘導采后果實產(chǎn)生抗病防衛(wèi)反應，提高果實的抗病脅迫能力。另外，硒能有效推遲呼吸躍變時間，可通過抑制乙烯的生物合成等來延緩植物組織的成熟和衰老，進而延長果實貯藏貨架期。而且外源硒處理的蘋果和番茄果實中的硒含量水平分別為對照組的6倍(蘋果)和5.5倍(番茄)，且在安全食用范圍之內[5～7]。這表明外源硒處理可在有效控制果實采后青霉病和灰霉病的同時，達到果實富硒的效果[5～7]。上述研究成果為利用微量元素硒在果實采后貯藏保鮮中的應用及同步開發(fā)富硒功能果實提供了科學依據(jù)。

2.2硒可提高植物抗逆性

許多研究表明，適宜濃度的硒對植物的生長發(fā)育有益，而這種有益作用很大程度上體現(xiàn)在硒能夠提高植物對逆境脅迫的抗性。適量濃度的硒能清除植物體內過量的氧自由基、減少氧化損傷、保護膜的完整性、增強植物的免疫力、提高植物對病蟲害等各種逆境的抵抗力，如施硒可提高植物的抗氧化性、防輻射性、耐高溫、耐鹽性、抗寒性、抗旱性、抗病性和抗蟲性等[4,10～12,15]。研究發(fā)現(xiàn)，向水培大蒜添加外源硒時，可增強大蒜對食源性致病菌的抑制效果；硒與某些化學殺菌劑聯(lián)用能增強其抑菌效果；土培大豆施硒可明顯提高其對紅蜘蛛的抗性[10,12,15]。

2.3硒可拮抗農(nóng)產(chǎn)品重金屬毒害

農(nóng)作物是食物鏈的第一級營養(yǎng)，控制作物體內的重金屬含量，既有利于作物生產(chǎn)，又有利于國民的營養(yǎng)健康。硒能夠幫助作物抵御重金屬污染物的危害，主要是通過與某些重金屬相互拮抗的形式，使這些重金屬無法被作物吸收從而可減輕農(nóng)產(chǎn)品的重金屬毒害，達到防止農(nóng)產(chǎn)品重金屬污染的作用[4,10,12～15]。Wu等[14]研究發(fā)現(xiàn)，施硒能夠提高油菜植株對重金屬鎘和鉛的拮抗效果。

2.4硒可減輕農(nóng)產(chǎn)品中硝酸鹽積累

土壤-植物系統(tǒng)中農(nóng)產(chǎn)品的硝酸鹽積累通過食物鏈進入人體后，易被還原成亞硝酸鹽，亞硝酸鹽與仲胺結合成亞硝胺，而亞硝胺是一種強致癌物質，會引起人體腸胃消化系統(tǒng)的癌變[4,10,12,15]。研究發(fā)現(xiàn)，設施栽培條件下向水培萵苣添加外源硒時，萵苣葉中硝酸鹽含量隨亞硒酸鈉濃度的升高而降低，并且葉中硝酸還原酶活性與硝酸鹽含量的變化呈現(xiàn)出相似的趨勢；向水培生菜添加外源硒可降低其莖葉中亞硝酸鹽含量；土培馬鈴薯施硒可明顯降低薯塊中硝酸鹽含量[4,10,12,15]?？梢姡瑢ψ魑锸┯眠m量的硒，可有效防止農(nóng)產(chǎn)品中硝酸鹽的污染。

2.5硒可延緩植物衰老

研究表明，對番茄進行噴硒處理，可延緩葉片的衰老，并能夠延遲果實的成熟、增強番茄的抗逆能力[15,16]。對貯藏期油桃進行硒處理可對油桃果實中的丙二醛含量起到有效的抑制作用，并對其膜脂過氧化作用起到減緩效果，同時可提高GSH-Px的活性、增強果實的抗冷特性、延緩果實的衰老[15,16]。

2.6硒可緩解作物藥害

研究發(fā)現(xiàn)，硒處理可有效緩解除草劑苯噻草胺對水稻幼苗的毒害，表現(xiàn)為植株體內葉綠素、蛋白質、谷胱甘肽GSH含量的提高和抗氧化酶活性的增加，而過氧化氫等活性氧和膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛含量降低。這表明在除草劑苯噻草胺毒害下，硒對水稻幼苗體內活性氧清除系統(tǒng)產(chǎn)生了顯著影響，硒對減輕除草劑藥害具有應用潛力[4,10,17]。另外，使用百草枯作為一種氧化脅迫劑在土豆上進行實驗發(fā)現(xiàn)，施硒可以減輕百草枯對土豆的藥害[4,10,17]。

2.7硒可減輕作物土壤連作障礙

研究表明，采用田間灌根及葉面噴施試驗，硒肥對連作地塊烤煙生長狀況及品質能夠產(chǎn)生顯著影響，同時可降低烤煙連作障礙。這表明連作地塊適量增施硒肥，可有效減少病害的發(fā)生、提高煙葉產(chǎn)量與質量、提高烤后煙葉的硒含量、改善煙葉內在品質[18]。另外，研究發(fā)現(xiàn)在連作脅迫條件下，硒在減輕連作脅迫對大豆膜脂過氧化損傷中具有積極作用，硒處理可使大豆葉片中膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛的含量明顯降低，二者呈極顯著負相關。在重茬盆栽試驗及小區(qū)試驗中，硒處理顯著提高了大豆對紅蜘蛛的抗性，使產(chǎn)量較對照組提高[19]。

3 展望

給作物施以適量的硒既有利于作物安全生產(chǎn)、提高農(nóng)產(chǎn)品的市場競爭力，又可為人類提供營養(yǎng)、安全、健康的富硒功能農(nóng)產(chǎn)品。研究和實踐證明，植物硒的生物利用率高，而且比無機硒更為安全有效，是人體補硒的重要途徑之一。通過施用硒肥或利用天然富硒土壤種植富硒作物所產(chǎn)出的農(nóng)產(chǎn)品能夠達到富硒標準，可有效提高農(nóng)產(chǎn)品的附加值。如人工富硒茶能夠緩解鉛對人體遺傳和免疫功能所造成的傷害[4,5,10]；采用農(nóng)作物上噴施硒以提高主糧硒水平的方法對缺硒地區(qū)克山病和大骨節(jié)病等疾病的預防取得了較好效果[4,5,10]。但是，需注意的是，硒在一定濃度范圍內對植物、動物和人類是有益的，若硒濃度過量就會產(chǎn)生毒性，而且硒的保健劑量與中毒劑量之間的范圍比較狹窄。另外，盡管采用育種和施肥(土施、拌種、葉面噴施)等方式對提高農(nóng)產(chǎn)品中的硒水平具有一定效果，但是由于育種周期長，土施硒的用量大、投資高，拌種又不易操作，而且拌種與土施硒均易污染環(huán)境。相對而言，通過葉面噴硒更為方便、經(jīng)濟、安全、有效。因此，在發(fā)展富硒作物時應特別慎重，需要綜合考慮土壤的硒背景值、作物的耐硒性及富硒能力、人體膳食硒攝入量的安全范圍等，嚴格控制作物施硒量和農(nóng)產(chǎn)品中的硒濃度，充分發(fā)揮硒在植物-動物-人類這一食物鏈中的健康效應。

另外，雖然目前在硒生物營養(yǎng)強化耦合植物保護與農(nóng)產(chǎn)品質量安全方面已有一些研究報道，但現(xiàn)有的研究大多仍處于實驗室小試階段，尚未進入大田試驗及推廣應用階段。因此，需要結合育種、施肥、農(nóng)藝管理以及現(xiàn)代生物工程等技術手段，進一步優(yōu)化硒生物營養(yǎng)強化耦合植物保護與農(nóng)產(chǎn)品質量安全方案，可從以下幾方面加強研究：①硒延緩植物衰老與增強植物抗逆性耦合硒作物營養(yǎng)強化的功效研究；②硒延緩植物衰老與增強植物抗逆性耦合硒作物營養(yǎng)強化的生理與分子機制；③硒作物營養(yǎng)強化耦合硒延緩植物衰老與增強植物抗逆性的應用推廣研究。

總之，廣泛而深入的研究硒在植物保護與農(nóng)產(chǎn)品質量安全中的應用，可為今后硒的有效利用及硒生物營養(yǎng)強化提供更多理論指導，也可為提高農(nóng)產(chǎn)品的附加值及保障植物健康與農(nóng)產(chǎn)品安全提供新的途徑，最終實現(xiàn)改善國民營養(yǎng)健康水平的目標。

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李淼教授團隊介紹

李淼教授團隊主要從事硒與植物保護及農(nóng)產(chǎn)品質量安全、生物營養(yǎng)強化、礦質營養(yǎng)與植物保護、微量元素與生態(tài)安全等方面的研究。目前，發(fā)表硒相關學術和會議論文20余篇，申請專利2項。本團隊主持多項省級科研項目，如安徽省自然科學基金項目、安徽省高校自然科學基金重點項目、安徽省高校優(yōu)秀青年人才項目、安徽省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目等。

ProgressonApplicationofSeleniuminPlantProtectionandAgriculturalProductsQualityandSafety

WU Chunlei1, WU Zhilin2, WU Jie2, JIANG Han2, ZANG Huawei2, TAN Genjia2, YUAN Linxi3, LI Miao2*

1.EconomicandTechnicalCollegeofAnhuiAgriculturalUniversity,Hefei230036,China; 2.LaboratoryofPlantHealthandFunctionalAgricultureofAHAU-SuzhouSetekCo.Ltd.;KeyLaboratoryofAgri-FoodSafetyofAnhuiProvince,theNorthwestofAnhuiProvinceStationforIntegrativeAgricultureofResearchInstituteforNewRuralDevelopment,SchoolofPlantProtection,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei230036,China; 3.JiangsuBio-engineeringResearchCentreofSelenium,JiangsuSuzhou215123,China

Selenium (Se) is an essential trace element for human and animals, and it is also a beneficial element for growth and development of crop. In this review, we discussed the role of Se in plant protection and agricultural products quality and safety, including improving crop stresses resistance, delaying senescence of plants, antagonizing to heavy metal toxicity, reducing the nitrate accumulation in agricultural products, alleviating crop phytotoxicity, alleviating successive cropping obstacle. We also prospected the application and strategy of Se in improving nutritional quality of agricultural products, ensuring plant health and product quality and safety, which was expected to provide references for related researches and applicaion between Se biofortification and plant protection and agricultural products quality and safety.

selenium; crop protection; agricultural products quality and safety; biofortification; functional agricultural products

2017-08-10;接受日期2017-08-28

安徽省自然科學基金項目(1408085MC68)；安徽省高校自然科學基金重點項目(KJ2017A158)；國家重點研發(fā)計劃項目(SQ2017ZY060062;2017YFD0201605)；安徽省高校優(yōu)秀青年人才支持計劃項目(gxyq2017146)；安徽省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(AH20150364010)資助。

吳春蕾，碩士，主要從事土壤肥料及農(nóng)業(yè)生態(tài)與環(huán)境研究。E-mail: 1157910476@qq.com。*通信作者：李 淼，副教授，主要從事植物醫(yī)學與生物營養(yǎng)強化研究。E-mail: miaoli@ustc.edu.cn

10.19586/j.2095-2341.2017.0107