硒在植物抵御脅迫中作用的研究進展

陳思蒙, 李子瑋, 張璐翔, 魏艷秋, 朱智威, 張環(huán)緯,許自成, 黃五星, 邵惠芳

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院, 鄭州 450002)

硒(selenium，Se)是維持生物體內(nèi)氧化還原平衡的一種重要微量元素，在人體內(nèi)起著預(yù)防心腦血管疾病、調(diào)節(jié)人體免疫、降低腫瘤發(fā)病危險程度等多種重要的生理作用，但硒含量過高會產(chǎn)生毒性[1]。世界衛(wèi)生組織推薦成人攝入硒含量為40～200 μg·d-1，而我國成人攝入量僅26.63 μg·d-1[2]。植物作為天然有機硒的“化工廠”，是提高人體攝入硒含量的重要來源，因此，目前市面上出現(xiàn)了如富硒大米、富硒蔬菜、富硒茶等富硒農(nóng)產(chǎn)品[3]。

1 植物對硒的吸收、轉(zhuǎn)移與代謝

1.1 植物對硒的吸收與轉(zhuǎn)移

植物根部從土壤中吸收硒的形態(tài)不同，其在植物中的轉(zhuǎn)運速率以及富集狀況不同。硒酸鹽被吸收后，植物通過一些較低親和力的硫轉(zhuǎn)運子對其進行遷移與轉(zhuǎn)運[13]。SULTR4;1和SULTR4;2轉(zhuǎn)運子有助于Se在根、莖之間的轉(zhuǎn)移[14]；SULTR2;1和SULTR2;2轉(zhuǎn)運子分布于維管束系統(tǒng)以及根、葉等器官中輔助運輸[15]；SULTR3;1轉(zhuǎn)運子則主要存在于葉綠體中負責(zé)硒酸鹽跨膜運輸至葉綠體中[16](圖1)。這些轉(zhuǎn)運子將硒酸鹽保持原有形態(tài)即刻向地上部轉(zhuǎn)移，因此，根部硒酸鹽向有機硒的轉(zhuǎn)化速率很低，并使植物莖和葉中迅速檢測到以硒酸鹽為主的硒元素[17]。Huang等[18]研究表明，硒酸鹽處理3 d后的植物體內(nèi)，硒酸鹽含量仍占總硒的80.9%，只有少數(shù)的硒酸鹽轉(zhuǎn)化成為其他形態(tài)。

圖1 植物對硒酸鹽的轉(zhuǎn)運Fig.1 Transportation of selenite in plant

相反，植物對亞硒酸鹽的轉(zhuǎn)移能力相對較差，原因是亞硒酸鹽被根部吸收后極易轉(zhuǎn)化為有機硒化物[19]。Huang等[18]的試驗印證了這個結(jié)論，試驗發(fā)現(xiàn)經(jīng)亞硒酸鹽處理3 d后的小麥內(nèi)部所含有機硒的含量接近總硒的90%，并且大部分生成的物質(zhì)直接積累在根部，不能輕易轉(zhuǎn)移到植物地上部。

1.2 植物中硒的代謝

SeCys和SeMet分別在硒代半胱氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(selenocysteine methyl transferase，SMT)和蛋氨酸轉(zhuǎn)移酶(methionine methyl transferase，MMT)的作用下，轉(zhuǎn)化為硒甲基硒代半胱氨酸(selenium methyl selenocysteine，SeMSeCys)和硒甲基硒代蛋氨酸(selenium methyl selenomethionine，SeMSeMet)，阻止SeCys和SeMet被整合到蛋白質(zhì)中[22]。在此之后，SeMSeCys和SeMSeMet進一步轉(zhuǎn)化為可揮發(fā)的二甲基二硒醚(dimethyl diselenide，DMDSe)和二甲基硒化物(dimethyl selenide，DMSe)而排出體外，從而降低了硒對植物的傷害[23]。

圖2 植物對硒的吸收與代謝Fig.2 Absorption and metabolism of selenium in plant

2 硒在植物抵御脅迫中的作用

2.1 硒在植物抵御生物脅迫中的作用

植物的一生會面臨外界環(huán)境的諸多挑戰(zhàn)，尤其是各類病原菌的侵害。硒作為一種重金屬離子，在植物受到病原菌入侵后會對其產(chǎn)生毒性。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，硒經(jīng)常被用于防治多種植物病害，以減輕病害導(dǎo)致的損失。

2.1.1硒對植物病原微生物的抑制作用 硒在離體培養(yǎng)中對病原微生物的生長產(chǎn)生抑制作用。Wu等[24]實驗證明，15～18 mg·L-1的亞硒酸鈉處理下，病原菌孢子內(nèi)部的活性氧(reactive oxygen species，ROS)水平上升，抗氧化系統(tǒng)被破壞，削弱了病原菌的細胞功能。當(dāng)亞硒酸鈉濃度達到20～24 mg·L-1時，可直接導(dǎo)致病原菌的細胞質(zhì)膜受到損傷，從而抑制了病原菌的生長。賈芬等[25]研究發(fā)現(xiàn)，被硒抑制后的菌絲若轉(zhuǎn)移至正常培養(yǎng)條件下，24 h后便會恢復(fù)生長，表明外源硒的添加僅能抑制病原菌的生長，卻不能使其致死。

外源硒處理在抑制病菌產(chǎn)生的同時，還可以達到果實富硒的效果。有研究發(fā)現(xiàn)，對蘋果和番茄采前及采后利用亞硒酸鈉進行處理，發(fā)現(xiàn)硒在延緩植物組織衰老和抑制青霉病發(fā)生的同時，蘋果和番茄中的硒含量分別比對照組提升6倍和5.5倍，且仍處于安全食用范圍之內(nèi)[26-27]。

2.1.2硒可以提升植物抗病性 目前，硒在植物病害防控方面的研究以及應(yīng)用中，較多為采用根部土施含硒肥料或葉面噴施含硒溶液的方式[28-29]。通過外源硒處理，誘導(dǎo)植物抗病系統(tǒng)的完善，進而增強其對病原菌的抵抗能力，降低發(fā)病率。

通過總結(jié)分析現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，硒可能從以下幾方面提高植物抗蟲性。首先，硒可以促進植物對礦物質(zhì)的吸收以及細胞結(jié)構(gòu)蛋白的合成，通過對細胞膜的修復(fù)維持其穩(wěn)定性和完整性，抵御病原體的入侵；其次，外源硒的施入可以促進葉綠素的合成，增強其傳輸速率和線粒體的呼吸速率，進而增強細胞活力，降低脅迫下細胞的損傷程度；最后，通過對抗氧化酶活性的調(diào)節(jié)，控制H2O2的生成量，誘導(dǎo)植保素的合成，提高多酚和醌類物質(zhì)的含量，進而達到提高抗病性的效果[30-31]。

2.2 硒在植物抵御非生物脅迫中的作用

2.2.1硒與重金屬脅迫 隨著重金屬(heavy metal，HM)污染的日益嚴重，高遷移率的重金屬可以輕易進入植物的根部，隨之傳遞地上部，導(dǎo)致作物產(chǎn)量的降低以及可食部分中有毒物質(zhì)的增加[32]。因此，通過施加適量的硒可以保護植物，降低所受重金屬毒害的損傷。

作為限制重金屬元素進入細胞的第一道屏障，植物根部細胞壁中的多糖能夠與金屬陽離子有效結(jié)合，減少植物其他部分中重金屬的積累。Zhao等[6]通過研究發(fā)現(xiàn)，在鎘脅迫下施加硒可以增加油菜根部細胞壁中果膠和半纖維素2的含量，使細胞壁與鎘元素的結(jié)合能力增強，降低進入植物細胞內(nèi)的游離金屬離子含量。同時，被根吸收的亞硒酸鹽會迅速轉(zhuǎn)化為根中的有機形式，硒氨基酸與重金屬形成復(fù)合難溶解性物質(zhì)，增加根中硒的保留率，這也正是亞硒酸鹽比硒酸鹽更有效降低作物中鎘含量的原因[33]。隨著硒對植物細胞內(nèi)可移動重金屬離子濃度的抑制，降低重金屬向植物地上部的轉(zhuǎn)運率，使植物具有更高水平的金屬解毒機制[34]，緩解植物遭受的重金屬傷害(圖3)。

Hu等[35]通過研究暴露在砷脅迫下的水稻發(fā)現(xiàn)，硒在植物體內(nèi)參與調(diào)控螯合肽酶的活性，促進重金屬螯合蛋白的形成，進一步阻礙重金屬在植物根部至地上部分的轉(zhuǎn)移，抑制其在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運活動，緩解重金屬對植物體的脅迫。此外，硒還可以抑制重金屬的攝取和易位，對特定結(jié)合位點進行競爭，例如與鎘競爭在外膜蛋白半胱氨酸中的硫醇基團，以緩解植物遭受的脅迫傷害[36]。

圖3 Se在植物抵御重金屬脅迫中的作用Fig.3 Effects of Se on plant resistance to heavy metal stress

2.2.3硒與鹽脅迫 在高鹽度土壤中，植株因高滲透壓的影響出現(xiàn)滲透脅迫，致使葉綠體超微結(jié)構(gòu)損傷，呼吸氣孔受限甚至關(guān)閉，使光合、呼吸作用的速率降低[42]。高鹽度產(chǎn)生的離子毒性會破壞細胞質(zhì)膜結(jié)構(gòu)，阻礙植物對有益生長的礦質(zhì)元素的吸收。此外，鹽脅迫還會引發(fā)次生脅迫效應(yīng)，如氧化應(yīng)激通常伴有干旱脅迫等[43]。

在鹽脅迫下，施加外源硒的主要作用為清除活性氧、提高植株抗氧化性，減輕鹽脅迫造成的傷害。其次，硒作為超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)等抗氧化酶的輔酶因子，其濃度的增加進而對抗氧化酶的活性進行提升，增強植株抗氧化活性，顯著降低了植物體內(nèi)的ROS濃度和丙二醛(MDA)含量[44]。對于鹽脅迫下的小麥，Yigit等[45]研究發(fā)現(xiàn)，外源硒的加入明顯抑制了鹽脅迫下細胞質(zhì)膜透性的升高，可以有效緩解鹽脅迫對植株造成的損害。近期也有研究發(fā)現(xiàn)，隨著鹽脅迫下外源硒的施加，小麥對氮、鉀、鈣的攝取有明顯提高，引發(fā)植物體內(nèi)更多氨基酸、代謝產(chǎn)物以及應(yīng)激信號的產(chǎn)生[8]。因鈉離子會在膜轉(zhuǎn)運水平上降低鉀離子的活性，故猜測外源硒可能是降低了Na+轉(zhuǎn)運蛋白的表達，使鈉/鉀的比例降低，從而維持細胞滲透的平衡并提高了小麥的耐鹽性。

圖4 Se在ROS產(chǎn)生和消除過程中的加入Fig.4 Se joined in the process of ROS generation and elimination

2.2.4硒與溫度脅迫 溫度過高或過低都會誘導(dǎo)植物氧化應(yīng)激反應(yīng)，影響植物體內(nèi)多種酶活性的穩(wěn)定，干擾植物正常的生長發(fā)育[46]。Djanaguiraman等[47]研究表明，在短期的高溫或低溫脅迫下，外源硒的施加有助于作物體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)的增強，有利于降低MDA濃度，提高脯氨酸的含量，并加強對線粒體電子傳遞鏈的保護，誘導(dǎo)體內(nèi)保護物質(zhì)含量的增加，如抗氧化酶、泛素、保護蛋白等，緩解植物遭受脅迫作用的影響。

Akladious等[48]研究發(fā)現(xiàn)，將小麥種子浸泡在適宜濃度硒的水溶液中，可以提高低溫脅迫下生長素、葉綠素、花青素、脯氨酸等的含量以及相關(guān)抗氧化酶的活性，以此減少細胞膜損傷，但浸種時間若超過15 h便會產(chǎn)生毒性。同時發(fā)現(xiàn)浸種后萌發(fā)的幼苗葉片中，所提取的蛋白質(zhì)電泳條帶譜發(fā)生了變化，有新型蛋白質(zhì)條帶的出現(xiàn)。此外，Hawrylak-nowak等[49]研究表明，施加外源硒可輔助維持幼苗在脅迫狀態(tài)下的光合作用，對恢復(fù)相對電導(dǎo)率及緩解脂質(zhì)過氧化作出突出貢獻。

2.3 硒對細胞功能的恢復(fù)

2.3.1細胞膜和細胞完整性的恢復(fù) 當(dāng)植物遭受脅迫，ROS反應(yīng)失衡使細胞膜系統(tǒng)造成膜脂過氧化現(xiàn)象。研究表明，硒可以調(diào)節(jié)半乳糖脂的不飽和程度，并對質(zhì)體包膜的脂質(zhì)和脂肪酸進行重建，從而提升植物體內(nèi)不飽和脂肪酸含量，增強細胞膜的流動性，減少電解質(zhì)的滲漏[35]。同時，硒對活性氧自由基反應(yīng)鏈的破壞，對MDA的積累進行抑制，以此減少脅迫對植物細胞膜脂質(zhì)的損害[50]。

2.3.2光合作用與呼吸作用的恢復(fù) 在環(huán)境脅迫下，氧自由基的異常積累導(dǎo)致植物體內(nèi)MDA含量升高。植物體內(nèi)的葉綠體受損，進而影響到光合作用的完成。施加外源硒有利于活化細胞膜酶，維持類囊體及葉綠體基質(zhì)的穩(wěn)定，并修復(fù)對葉綠體功能很重要的代謝物分子的傳遞，顯著提高植物葉片中與葉綠體結(jié)構(gòu)功能直接相關(guān)的如Mn、Fe等有益元素的含量，從而保證葉綠體膜結(jié)構(gòu)完好[51]。

硒對維持脅迫下植物線粒體數(shù)量、內(nèi)嵴密度的正常水平發(fā)揮著重要的作用[52]。與此同時，硒參與線粒體呼吸鏈輔酶的合成，增強α-酮戊二酸氧化酶系統(tǒng)的活性，提高線粒體的呼吸強度，在三羧酸循環(huán)和呼吸鏈的電子傳遞過程中發(fā)揮著重要的生物學(xué)作用[53]。

3 硒與其他元素的交互作用

3.1 硒與硫

硫(S)和硒都是植物生長所必需的營養(yǎng)元素，也是GSH的重要組成部分，但植物吸收硫元素過多或過少都會對自身產(chǎn)生毒害。當(dāng)硫和硒二者在適量濃度的交互作用下，硒可以抑制或刺激植物對硫的吸收[54]。同時，硫和硒同時處理的植物中的硒濃度明顯高于單獨用硒處理的植物中的Se濃度[55]。因此，二者復(fù)配條件下，對鎘脅迫的抵御能力比單一元素下的能力更強。

3.2 硒與硅

硅(Si)是土壤中含量第二豐富的礦物元素，也是一些單子葉植物細胞壁的主要結(jié)構(gòu)成分，Si的應(yīng)用有效緩解環(huán)境脅迫下的植物毒害[56]。徐向華等[57]研究發(fā)現(xiàn)，將硒摻納米硅溶膠采用葉面噴施的方法對水稻施加，可以有效緩解砷毒害，使水稻體內(nèi)的硒含量增加，同時抑制砷元素的異常積累；高敏等[58]研究發(fā)現(xiàn)硒硅溶劑噴施再配合后期稻田持續(xù)淹水，可以有效阻止鎘元素在作物體內(nèi)的轉(zhuǎn)移，顯著降低水稻糙米對鎘的積累。這表明，科學(xué)合理的硒硅配施不僅可以抑制重金屬的積累，還可以提高作物的富硒水平，在降低重金屬污染的同時對提高人體富硒水平提供有效的途徑。

4 展望

眾多研究表明，硒在不同脅迫下對維持植物生長發(fā)育、光合作用、細胞結(jié)構(gòu)完整性等方面發(fā)揮了重要的作用，同時也是提高植物抗逆性的重要微量元素之一。盡管在不同脅迫領(lǐng)域均有研究報導(dǎo)，但部分作用機制尚未完全清楚，且大多研究仍處于室內(nèi)研究階段，并不能進入廣泛農(nóng)業(yè)推廣狀態(tài)。因此，未來有關(guān)硒與植物抗逆提升方面的研究還需從以下幾方面進行加強。

①如今，在硒與植物抗逆領(lǐng)域的研究逐年遞增，其中關(guān)于重金屬、干旱脅迫下硒參與植物抗逆的機理以及生物學(xué)功能的研究較為深入，而在高鹽、低溫等其他環(huán)境脅迫下的抗逆應(yīng)答機制仍不完善，難點在于部分測定指標的變化并不能準確定位其作用靶點。因此，需從分子生物學(xué)的角度，采用多組學(xué)交叉分析的手段，對其開展生理學(xué)、分析化學(xué)、遺傳學(xué)等多層面的探討是當(dāng)下亟需進行的重點研究工作。

②不同價態(tài)硒在植物抗逆領(lǐng)域的研究進展不同，研究中常見亞硒酸鈉緩解脅迫，關(guān)于硒酸鈉、有機硒的相關(guān)研究仍需加強。關(guān)于硒酸鈉可針對其在植物體內(nèi)的高轉(zhuǎn)移比例及速率，對限制其轉(zhuǎn)移至有機態(tài)的酶活性進行增強；而有機硒的特點是被植物吸收運用的效率極高，但針對性研究甚少。同時，可對不同價態(tài)硒賦予植物抗逆性的差異進行深入探討，為逆境下作物產(chǎn)量和品質(zhì)的提高提供新的途徑，以實現(xiàn)不同價態(tài)硒在作物生產(chǎn)中的最優(yōu)可用性。

③眾多研究證明大田中硒的添加可以減少作物可食用部位有害重金屬的含量，但仍有部分研究者發(fā)現(xiàn)硒可能會提高在植物體內(nèi)重金屬的積累。如陳松燦等[59]研究發(fā)現(xiàn)硒處理提高了小麥地上部分鎘和銅的含量，推測這可能是由于施加硒的形態(tài)或含量與作物不耐受造成的。因此，當(dāng)硒被引入至實踐應(yīng)用之前，應(yīng)提前考察土壤的富硒程度，綜合考慮硒的施用形態(tài)、施用量與該作物的耐硒性是否匹配，以達到硒在生態(tài)系統(tǒng)中可發(fā)揮的最大功效。

④硒是一種兩性重金屬元素，有益劑量的范圍較窄，且目前同一作物中硒的施入量仍不能統(tǒng)一，因此，在未來應(yīng)用中關(guān)于硒肥的施入管理以及相關(guān)土壤質(zhì)量的調(diào)整仍需慎重考量。同時，從營養(yǎng)學(xué)角度出發(fā)，作物可食用部位所含的天然有機硒是人體硒攝入的重要來源，因此高聚硒植物內(nèi)的硒特異轉(zhuǎn)運體及其調(diào)控基因也值得深入研究，從而為硒富集基因在作物中過表達奠定理論基礎(chǔ)，為今后富硒農(nóng)產(chǎn)品的開發(fā)提供更多技術(shù)支撐。