植物對(duì)硒的吸收和代謝研究進(jìn)展及對(duì)富硒種植業(yè)發(fā)展的啟示

李琳玲，張國(guó)際，郭杰，肖賢，程水源，程華1，

（1.經(jīng)濟(jì)林木種質(zhì)改良與資源綜合利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/黃岡師范學(xué)院，湖北 黃岡438000；2.武漢輕工大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院，武漢430023；3.麻城市林業(yè)局，湖北 黃岡438300；4.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院中藥材研究所，湖北 恩施445000）

硒是哺乳動(dòng)物必需的微量營(yíng)養(yǎng)元素之一［1］。在世界范圍，有40多個(gè)國(guó)家和地區(qū)出現(xiàn)缺硒現(xiàn)象，且廣泛分布；在中國(guó)，除了湖北恩施、陜西紫陽和江西豐城三大富硒地區(qū)外，其他大部分地區(qū)均為低硒或缺硒地區(qū)，約有1億人口的膳食結(jié)構(gòu)中硒含量不足。人體硒缺乏會(huì)引起甲狀腺功能減退、心血管疾病、免疫力下降、男性不育、認(rèn)知能力下降及增加癌癥發(fā)病率等［2］，從而嚴(yán)重影響人類健康。植物性食品作為人體硒攝入的主要來源，是決定食物鏈中硒水平的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于調(diào)節(jié)人體硒素營(yíng)養(yǎng)起樞紐作用。因此，植物硒生物強(qiáng)化，即通過農(nóng)業(yè)措施以及遺傳育種手段來提作物硒的積累量，將無機(jī)硒轉(zhuǎn)化為生命活性物質(zhì)對(duì)人體營(yíng)養(yǎng)和健康具有非常重要的意義。本研究對(duì)國(guó)內(nèi)外植物對(duì)硒的吸收和代謝文獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié)分析，在闡述植物在對(duì)環(huán)境硒循環(huán)代謝的作用基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析近年來關(guān)于植物對(duì)硒的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、積累及代謝的研究進(jìn)展及其對(duì)富硒種植業(yè)發(fā)展策略的啟示，以期為合理利用環(huán)境硒資源優(yōu)勢(shì)，充分發(fā)揮植物硒生物強(qiáng)化功能，提高富硒農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)水平提供理論指導(dǎo)。

1 環(huán)境中的硒循環(huán)與植物對(duì)硒的吸收

硒以不同形態(tài)（無機(jī)硒和有機(jī)硒），在整個(gè)生物圈中（包括大氣、水、土壤、動(dòng)物、植物、微生物等）存在，在環(huán)境酸堿度、氧化還原電位（pH、Eh）和生物作用等因素的影響下會(huì)發(fā)生相互轉(zhuǎn)變、遷移和循環(huán)（圖1）［3，4］。

圖1 土壤硒遷移、轉(zhuǎn)化過程

在硒循環(huán)生物圈中，以植物硒吸收、轉(zhuǎn)化和積累為其中重要環(huán)節(jié)，備受關(guān)注，如天然富硒土壤栽培、土壤增施硒肥、葉面噴施硒肥及改善土壤有效硒含量［5-7］等試驗(yàn)，大量的研究結(jié)果表明，植物對(duì)環(huán)境硒的吸收轉(zhuǎn)化主要在于土壤中的有效硒含量高低。無機(jī)硒肥料的應(yīng)用，尤其是增加土壤有效性硒濃度，通過可食用植物的轉(zhuǎn)化，達(dá)到增加膳食中硒含量，改善缺硒狀態(tài)，對(duì)維持人和動(dòng)物健康具有重要意義。

土壤中硒來源主要以自然因素為主，如巖石的分化、大氣沉降和火山作用等，人為因素包括工業(yè)廢渣、人工施硒等。土壤中硒是植物硒吸收的主要來源，土壤硒的含量、形態(tài)、分布及生物有效性是影響植物硒積累量的決定性因素［8］。

不同地區(qū)土壤中硒的含量因土壤母質(zhì)、氣候條件以及土地利用方式的差異而不同。世界土壤自然含硒量為0.01～2.00 mg/kg，平均為0.40 mg/kg，最高可達(dá)到1 200.00 mg/kg［9］。全球高硒土壤呈不連續(xù)的點(diǎn)狀分布，僅在美洲、歐洲、亞洲個(gè)別地區(qū)有報(bào)道，這些土壤中的平均硒含量為4.00～5.00 mg/kg，個(gè)別地區(qū)可達(dá)80.00 mg/kg以上［9］。中國(guó)土壤含硒量分布不均，除三大富硒地區(qū)湖北恩施、陜西紫陽和江西豐城外，大部分地區(qū)硒含量在0.20～0.30 mg/kg，平均硒含量為0.25 mg/kg，其他地區(qū)均為低硒或缺硒地區(qū)［10］。

硒在土壤中以硒酸鹽、亞硒酸鹽、元素硒、硒化物、有機(jī)硒以及氣態(tài)硒等多種形式存在。瞿建國(guó)等［11］研究認(rèn)為，土壤中水溶態(tài)硒主要是以硒酸鹽、亞硒酸鹽和可溶性有機(jī)硒形式存在，而交換態(tài)硒主要是以亞硒酸鹽形式存在。不同形態(tài)硒的有效性不同，一般認(rèn)為易溶于水的硒酸鹽（SeO42-）植物有效性最高，是大部分耕作土壤（pH+pe＞15）中硒存在的主要形式；亞硒酸鹽（SeO32-）主要存在于水稻田等中性偏酸性土壤中（pH+pe=7.5～15）［12］，雖然亞硒酸鹽易溶于水，但由于其在土壤中易被氧化鐵或氫氧化鐵吸附，而導(dǎo)致生物有效性相對(duì)硒酸鹽較低；硒化物（Se2-）難溶于水，僅存在于低氧化還原式土壤中（pH+pe＜15），在耕作土壤中存在很少，植物應(yīng)用率低。通過測(cè)定水培條件下小麥和油菜對(duì)硒酸鹽、亞硒酸鹽、有機(jī)硒，如硒代半胱氨酸（Selenocystein，SeCys）、硒代甲硫氨酸（Selenomethinione，SeMet）等4種形態(tài)硒的吸收速率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者對(duì)有機(jī)硒的吸收速率明顯高于對(duì)無機(jī)硒的吸收速率［13］。

2 植物對(duì)硒的吸收、運(yùn)輸及代謝

硒對(duì)于植物本身來說并不是一種生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，但適量的硒不僅能夠促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育，還能起到改善植物品質(zhì)的效果，提高抗逆性和抗病性［14］。如對(duì)胡蘿卜葉面施硒能夠顯著提高胡蘿卜體內(nèi)各形態(tài)硒含量，且隨施硒量增加，可以不同程度地提高總糖、胡蘿卜素、粗纖維、Ca、Mg、Fe、K等的含量［13］；苦丁茶中添加硒，可以提高其葉片中維生素C含量和可溶性蛋白質(zhì)含量，改善茶葉品質(zhì)；硒肥可以通過提高藤茶中可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)、游離氨基酸及黃酮含量達(dá)到改善其品質(zhì)的目的；另外，硒也可以提高植物體內(nèi)葉綠素含量，以增加植物光合作用和提高植物的抗氧化能力［15］。目前普遍認(rèn)為，低濃度硒在不同程度上對(duì)植物有促進(jìn)作用，高濃度則抑制，硒對(duì)植物產(chǎn)生毒害的機(jī)理主要是由于硒與硫相似的化學(xué)性質(zhì)，硒取代硫參與其代謝，硒結(jié)合蛋白質(zhì)后使原來蛋白質(zhì)的代謝功能發(fā)生紊亂，蛋白酶的活性降低，碳水化合物無法正常合成［16］。

不同植物物種對(duì)硒的耐受力不同，按照對(duì)硒的耐受和積累程度，被子植物被分為三類：非聚硒植株（＜10～100 mg Se/kg干重）、硒指示植株（100～1 000 mg Se/kg干重）、聚硒植物（＞1 000 mg Se/kg干重）［17］。其中，非聚硒植物不能生活在富硒土壤里，硒指示植物既可生活在非富硒土壤也能在富硒土壤中生長(zhǎng)，其組織中的硒濃度直接與環(huán)境中硒含量相關(guān)。

2.1 植物對(duì)硒的吸收

研究普遍認(rèn)為，植物吸收硒的主要途徑是土壤或溶液中的無機(jī)硒通過木質(zhì)部從植物根轉(zhuǎn)運(yùn)至地上部，其過程和外界供硒的形態(tài)有關(guān)［4，8］。植物主要通過根系從土壤或溶液中吸收無機(jī)態(tài)硒（SeO42-、SeO32-、HSeO3-、H2SeO3）和少量低分子有機(jī)硒（SeCys、SeMet），但不能吸收膠體硒和金屬硒化物［18］。植物根系對(duì)硒的吸收見圖2。

圖2 植物根對(duì)硒的吸收

2.1.1 植物對(duì)硒酸鹽的吸收硒酸鹽經(jīng)植物根系吸收，通過硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（High-affinity sulphate transporters，HASTs）進(jìn)入植物體內(nèi)［19］。迄今鑒定的硫轉(zhuǎn)運(yùn)體基因至少有14個(gè)，按進(jìn)化關(guān)系可以分成5組。這些編碼硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的基因一樣也出現(xiàn)在其他被子植物，尤其是超聚硒植物中［20］。

硒酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)硒酸鹽和硫酸鹽選擇性吸收的能力與硒酸鹽水平、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的類型以及植物的種類有關(guān)。不同親和性的硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)硫酸鹽和硒酸鹽的選擇吸收能力不同。Shinmachi等［21］研究認(rèn)為，當(dāng)硫酸鹽濃度較高時(shí)，硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)硫酸鹽吸收能力較高，且誘導(dǎo)表達(dá)的硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白相較于組成型硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白具有更強(qiáng)的硫酸鹽選擇吸收能力。

在擬南芥中，硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白AtSULTR1；1基因在硫充分時(shí)對(duì)硒的轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)不大，但當(dāng)植物生長(zhǎng)硫不足時(shí)表達(dá)量升高，對(duì)硒的聚集能力也會(huì)顯著升高［12］。當(dāng)土壤中缺硫或者組織中硒含量升高時(shí)，非聚硒和硒指示植物中SULTR1；1和SULTR1；2的表達(dá)量通常會(huì)升高［22］。這些基因在超聚硒植物的根部組織有組成型高表達(dá)，這也許就是其能夠大量吸收硒的原因［23］。在硒指示植物中，編碼硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的基因尤其是SULTR1；1基因的大量表達(dá)，提高了植株對(duì)硒和硫的吸收能力，使得在缺硫條件下植株組織中硒濃度升高［12，21］。擬南芥SULTR1；2缺失突變體，雖然其他的硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白沒有缺失，但其根系對(duì)硒酸鹽耐受能力遠(yuǎn)低于野生型［24］。

研究發(fā)現(xiàn)，在超聚硒植物枝葉中Se/S比例明顯高于其他植物［12，25］，某些超聚硒植物，如沙漠王羽（Stanleya pinnata）在外源硫濃度提高10倍時(shí)對(duì)其體內(nèi)聚集硒的能力并沒有顯著影響［26］，這說明超聚硒植物根細(xì)胞膜上的硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)硒酸鹽/硫酸鹽的選擇性跟非聚硒植物相比存在差異，或者在超聚硒植物根細(xì)胞膜存在對(duì)硒轉(zhuǎn)運(yùn)更專一的硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。Inostroza-blancheteau等［23］通過對(duì)聚硒植物和非聚硒植物硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的序列進(jìn)行比對(duì)后發(fā)現(xiàn)，聚硒植物雙鉤黃芪（Astragalus bisulcatus）硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白跨膜區(qū)2-α螺旋的第二位甘氨酸被丙氨酸所取代，而該位點(diǎn)被認(rèn)為是硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白最為保守的區(qū)域，保守位點(diǎn)的突變可能導(dǎo)致硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)硫酸鹽/硒酸鹽選擇專一性的改變。

2.1.2 植物對(duì)亞硒酸鹽的吸收在土壤pH偏酸及還原性較強(qiáng)時(shí)，植物對(duì)亞硒酸鹽的吸收也普遍存在。植物對(duì)亞硒酸鹽的吸收機(jī)理存在爭(zhēng)議；Arvy［27］認(rèn)為亞硒酸鹽的轉(zhuǎn)運(yùn)是一個(gè)被動(dòng)運(yùn)輸過程，因?yàn)榇x抑制劑只能抑制亞硒酸鹽吸收的20%～30%，而Li等［28］的研究發(fā)現(xiàn)，呼吸抑制劑間氯苯羰氰化物（Carbonyl cyanide mchlorophenyl hydrazine，CCCP）能夠明顯抑制植物對(duì)亞硒酸鹽的吸收，這意味著亞硒酸鹽是通過主動(dòng)運(yùn)輸途徑被吸收的。

通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，pH不同，亞硒酸鹽進(jìn)入植物體的形態(tài)不同，當(dāng)溶液中pH較低時(shí)（pH=3.0），亞硒酸鹽以中性分子H2SeO3的形式被植物吸收，而此時(shí)的吸收能被水通道抑制劑（HgCl、AgNO3）抑制，但不為呼吸抑制劑（2，4-dinitrophenol，DNP）所明顯抑制。在水稻中鑒定出了參與H2SeO3吸收的載體為水通道家族成員硅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OsNIP2；1，這是植物中首次報(bào)道的亞硒酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體。當(dāng)溶液pH=5.0時(shí)，亞硒酸鹽主要以HSeO3-的形式存在，此時(shí)亞硒酸鹽的吸收能夠被呼吸抑制劑抑制。當(dāng)植物缺乏足夠的磷時(shí)，水稻根部OsPT2基因表達(dá)量增加能顯著提高植物亞硒酸鹽的吸收能力，OsPT2缺失突變體對(duì)亞硒酸鹽的吸收能力遠(yuǎn)低于野生型［29］，直接證明磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因參與亞磷酸鹽的吸收。當(dāng)溶液pH=8.0時(shí)，亞硒酸鹽的主要存在形態(tài)是SeO32-，其可能通過陰離子通道進(jìn)入植物體內(nèi)，但研究顯示，陰離子通道抑制劑并不能顯著抑制亞硒酸鹽的吸收，這說明植物可能存在其他的亞硒酸鹽吸收途徑，有待進(jìn)一步研究。

2.1.3 植物對(duì)有機(jī)硒的吸收土壤中有機(jī)硒含量較低，主要以小分子有機(jī)硒形式存在；植物根細(xì)胞對(duì)有機(jī)硒的吸收機(jī)理目前研究較少。通過對(duì)水稻、擬南芥等植物的研究，現(xiàn)已明確植物中負(fù)責(zé)催化吸收和轉(zhuǎn)移半胱氨酸和甲硫氨酸的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)Se?Cys和SeMet［30］。

2.2 植物對(duì)硒的運(yùn)輸、轉(zhuǎn)化及代謝

2.2.1 植物對(duì)硒的運(yùn)輸和重分配植物根部吸收的亞硒酸鹽大部分直接同化成有機(jī)硒化合物，因此在木質(zhì)部很少能檢測(cè)到；而吸收的硒酸鹽則很快通過木質(zhì)部轉(zhuǎn)運(yùn)到植物地上部分［28］。擬南芥中與硒酸鹽在木質(zhì)部長(zhǎng)距離運(yùn)輸有關(guān)的基因是硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白同源基因AtSULTR2；1、AtSULTR2；2和AtSUL?TR3；5［31］。

植物地上部分的硒主要通過韌皮部進(jìn)行重新分配，在不同組織進(jìn)行積累。如富硒大米中，有機(jī)硒通過韌皮部能迅速轉(zhuǎn)運(yùn)到大米胚及胚乳中；無機(jī)硒則主要滯留在維管束末端無法進(jìn)入到大米子粒中［32］。研究發(fā)現(xiàn)，硒在植物組織中的空間分布則表現(xiàn)出與硫的分布特征相似，如在富硒大米中，通過進(jìn)一步的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)定位，發(fā)現(xiàn)大米子粒中有機(jī)硒主要分布在糊粉層，少量分布在胚乳中，且硒的濃度由外部向中心逐漸降低［33］；可見硒與硫在植物體內(nèi)可能存在相同的轉(zhuǎn)運(yùn)與重分配機(jī)制。

2.2.2 植物對(duì)硒的轉(zhuǎn)化和代謝硒通過根進(jìn)入植株，在體內(nèi)的代謝過程主要包括硒酸鹽的還原、硒代氨基酸的合成以及揮發(fā)性硒的形成（圖3）。由于硒與硫的化學(xué)性質(zhì)相近，因此目前認(rèn)為，硒主要通過硫代謝途徑進(jìn)行同化。

植物根吸收的硒酸鹽很快由木質(zhì)部運(yùn)到植物葉綠體內(nèi)，按照硫同化途徑進(jìn)行轉(zhuǎn)換。整個(gè)同化過程大致為：硒酸鹽在葉綠體內(nèi)被ATP硫酸化酶（APS）激活，形成5'-磷酸硒腺苷（APSe），在APS還原酶（APR）的作用下被還原生成亞硒酸鹽，進(jìn)而通過亞硒酸還原酶或者還原型谷胱甘肽被還原為Se2-。再經(jīng)過半胱氨酸合成酶的作用生成硒代半胱氨酸（SeCys）。SeCys合成后有4種代謝途徑：第1種是從葉綠體中轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞液中，經(jīng)過細(xì)胞液中硒代半胱氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶（SMT）的甲基化轉(zhuǎn)變成甲基硒代半胱氨酸（Methyl-Se-cysteine）。第2種是經(jīng)過硒代半胱氨酸裂解酶的作用分解成硒和丙氨酸。第3種是在葉綠體中經(jīng)過胱硫醚合成酶和胱硫醚裂解酶的作用分解為硒代高半氨酸（Sehocys），進(jìn)一步合成硒代蛋氨酸在蛋氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶作用下合成硒代甲硫氨酸，再進(jìn)一步合成具有揮發(fā)性的二甲基二硒化物。第4種是硒代半胱氨酸和硒代甲硫氨酸直接進(jìn)入細(xì)胞液或葉綠體中作為半胱氨酸和甲硫氨酸的替代物，用于合成硒蛋白。其中第1種和第2種代謝方式富集有機(jī)硒，且對(duì)植物無毒性，是植物最主要的硒代謝方式。

圖3 硒在植物組織中的轉(zhuǎn)化和代謝

研究表明，硒向有機(jī)硒同化過程中關(guān)鍵限速步驟為硒酸鹽向亞硒酸鹽的轉(zhuǎn)化［34］。在擬南芥等植物基因組中有4個(gè)編碼APS基因和3個(gè)編碼APR基因。其中，APS基因的表達(dá)情況決定了植物聚硒能力的大小，在非聚硒和硒指示植物中，APS基因表達(dá)量受到硫含量的影響，而在超聚硒植物沙漠王羽中，該基因呈組成型表達(dá)，不受細(xì)胞內(nèi)硫的影響［23］；且APS基因的表達(dá)受到miRNA（如miRNA395）的調(diào)控［35］。轉(zhuǎn)基因研究也進(jìn)一步證實(shí)了APS或者APR基因的過表達(dá)，會(huì)使轉(zhuǎn)化植株葉片中有機(jī)硒的積累明顯增加［36］。

不同的植物，在組織內(nèi)聚硒存在形式和濃度各有差異。如富硒大蒜中硒的主要存在形式是硒代半胱氨酸［37］，而可食用的種子及谷物［38］、玉蕊科植物種子［39］和土豆塊莖等最常見的硒形式為SeMet［40］。硒代胱硫醚是非超聚硒植物中最常見的硒存在形式，在超聚硒植物中，硒代胱硫醚濃度也很高［41］。西蘭花、花椰菜和黑芥含有大量的硒代芥子油甙、硒糖苷和硒糖［42］。

SeCys和SeMet在植物體內(nèi)可以非特異性地參與蛋白質(zhì)的合成，但目前對(duì)含硒蛋白的合成與代謝機(jī)制尚不清楚。硒的毒性曾經(jīng)被認(rèn)為是由于蛋白質(zhì)的半胱氨酸和甲硫氨酸被硒非特異性地取代成了SeCys和SeMet；而大部分蛋白酶的活性中心位置由Cys殘基組成，因此，SeCys的存在很可能影響蛋白質(zhì)正常的折疊及催化功能，從而干擾植物正常的生理代謝［43］。但是有研究表明，硒代氨基酸的出現(xiàn)對(duì)植物體也可能帶來重要的生理促進(jìn)作用。如富硒大米中硒蛋白可能對(duì)大米種子形態(tài)建成及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的貯存具有重要作用；圓葉擬南芥的AhPDF1.1蛋白質(zhì)中SeCys取代有利于提高植物抗蟲害及耐硒能力［44］。

對(duì)于大部分植物來說，將存在于體內(nèi)的SeCys和SeMet轉(zhuǎn)化成為無毒或揮發(fā)性硒代謝產(chǎn)物，可以提高植物對(duì)硒的耐受性［43］。通過模式植物研究推測(cè)，硒代半胱氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶（SMT）催化SeCys的甲基轉(zhuǎn)移生成硒甲基硒代半胱氨酸（SeMSeCys），S-腺苷-甲硫氨酸∶甲硫氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶（MMT）催化SeMet生成硒甲基硒代甲硫氨酸（SeMSeMet）［12，34，43］。其中，SMT基因的表達(dá)及活性與植物聚硒能力直接相關(guān)：在低耐硒的擬南芥中，不存在SMT編碼基因，在基因組中只有單個(gè)拷貝的MMT編碼基因［45］；在富硒西蘭花中，SMT基因表達(dá)量與外源施加硒酸鹽濃度和組織內(nèi)SeMSeCys積累量存在直接相關(guān)性，超聚硒的黃耆屬植物及沙漠王羽的聚硒能力直接與SMT活性呈正相關(guān)［46］。在超聚硒植物中，SeMSeCys是主要的硒存在形式［44，47］。此外，蔥屬植物（香蔥、大蒜、韭菜、洋蔥）和蕓薹屬植物（西蘭花、球甘藍(lán)、卷心菜、花椰菜、大白菜、羽衣甘藍(lán)）等食葉蔬菜外施硒酸鹽或亞硒酸鹽后在葉片中可以大量富硒［48］；富硒馬鈴薯塊莖［40］、富硒大豆種子［49］等均富集大量硒代氨基酸。SeCys也可以通過葉綠體膜上的硒代半胱氨酸裂解酶（cpNifs）轉(zhuǎn)化成丙氨酸和硒元素［34］。

雖然硒元素在植物葉片中很少能檢測(cè)到，但是在超聚硒植物的莖、節(jié)結(jié)和根的內(nèi)生細(xì)菌和真菌中含量比較高［50］。在植物基因組中也存在與維持組織中硒平衡相關(guān)的硒結(jié)合蛋白（SBPs）編碼基因［51］。在擬南芥基因組中存在3個(gè)編碼SBPs基因；若將AtSBP1基因轉(zhuǎn)化到其他植物中使其大量表達(dá)，可以提 高 植 物 對(duì)Se缺 乏 的 耐 受 性［52］。SeMSeCys和SeMSeMet可以與谷氨酸反應(yīng)轉(zhuǎn)化成γ-谷氨酰-硒甲基硒代半胱氨酸（γ-Glu-SeMSeCys）或γ-谷氨酰-硒甲基硒代甲硫氨酸（γ-Glu-SeMSeMet），或者轉(zhuǎn)化為可揮發(fā)的二甲基二硒醚（DMSe）或二甲基硒醚（DMDSe）［53］。在超聚硒植物，如雙鉤黃芪在富硒土壤中生長(zhǎng)，依靠其根部共生的固氮根瘤菌作用，促使植株內(nèi)富集大量的γ-谷氨酰-硒甲基硒代半胱氨酸（γ-Glu-SeMSeCys）［47］。此外，硒還會(huì)通過同化揮發(fā)從植物體代謝出去，一般情況下，非超聚硒植物中通常以DMSe形式，超聚硒植物常以DMDSe形式揮發(fā)［34］。

3 植物對(duì)硒的積累能力差異及機(jī)理

3.1 被子植物聚硒能力可能的進(jìn)化機(jī)理

植物對(duì)硒的積累能力差異很大。超聚硒植物物種常集中在不同科中，其中豆科中含有較多的超聚硒植物。結(jié)合被子植物進(jìn)化歷程看，植物中積累硒的能力似乎在以下核心雙子葉植物科中獨(dú)立進(jìn)化：莧科（石竹目）、菊科（菊目）、十字花科（十字花目）、豆科（豆目）、列當(dāng)科（唇形目）和茜草科（龍膽目）［9］。不僅在不同的物種間植物的聚硒能力存在差異，在特定物種中不同的生態(tài)型間也存在顯著差異，Cappa等［54］研究發(fā)現(xiàn)，沙漠王羽超聚硒能力僅限于美洲大陸分水嶺東側(cè)的種群，西部種群則主要表現(xiàn)為耐硒特性，推測(cè)可能是落基山脈的地理屏障作用阻擋了基因流動(dòng)到西部，耐受較高組織硒含量的能力比超積累硒的這個(gè)特性進(jìn)化地更早，且耐硒能力可能是超聚硒形成的必要條件。在對(duì)另一種硒富集植物柳葉白菀［Symphyotrichum ericoides（L.）G.L.Nesom］不同生態(tài)型葉片富硒能力研究中亦得到相似的結(jié)果［55］。

關(guān)于超聚硒能力在植物中的進(jìn)化機(jī)理，目前學(xué)者主要提出了以下幾種假設(shè)。首先，植物耐硒能力進(jìn)化早于超聚硒能力；植物通過將體內(nèi)的硒轉(zhuǎn)化為無毒硒代謝物從而限制含硒氨基酸進(jìn)入蛋白質(zhì)的生物合成途徑，使得植物能夠耐高硒環(huán)境。因?yàn)椋绻茉诟晃寥乐猩娴哪臀参?，其將?huì)有明顯的進(jìn)化優(yōu)勢(shì)。這一耐受特性可能是通過根系硒排斥，組織硒耐受或者通過硒揮發(fā)機(jī)制演變而成。然而，盡管根系硒排斥能讓非積累植物在更高的根際硒濃度下生存，但它并不賦予植物拓殖富硒土壤的能力［56］；相反，若以無毒的形式積累硒并通過揮發(fā)的方式去除硒，這是許多能夠拓殖富硒土壤的硒指示植物和硒積累植物的共同特征［34，57］。其次，有學(xué)者提出，硒在植物組織中的積累可以保護(hù)它們免受病原體和食草動(dòng)物的侵害，這可能是超聚硒進(jìn)化的主要生態(tài)驅(qū)動(dòng)力［58］。也有學(xué)者認(rèn)為，硒含量較大的落葉在超聚硒植物周圍匯集，可以防止來自對(duì)根際硒的耐受性較低物種的競(jìng)爭(zhēng)［59］。

3.2 物種間聚硒能力差異的分子遺傳機(jī)理

物種的基因型差異造成組織中聚硒能力的差異現(xiàn)象，備受研究者關(guān)注。在相同環(huán)境中，擬南芥屬不同種間在對(duì)根際硒的耐受性和莖硒含量上均有差異，而根際硒的耐受性和相對(duì)的莖硒含量之間無相關(guān)性。擬南芥種質(zhì)間的雜交分析表明，控制該物種對(duì)亞硒酸鹽耐受性的基因只有1個(gè)主基因，而控制對(duì)硒的耐受性的基因在染色體上至少有3個(gè)性狀位點(diǎn)（QTLs）［60］。有研究表明，當(dāng)被同時(shí)暴露于亞硒酸鹽下，相比于非亞硒酸鹽耐受的擬南芥種質(zhì)（Ws-2），亞硒酸鹽耐受的擬南芥種質(zhì)（Col-0）含有更高的硫含量。這是因?yàn)榕c非亞硒酸鹽耐受的種質(zhì)相比，在亞硒酸鹽耐受的種質(zhì)中，編碼SULTR2；2、SUR?TR3；1和SULTR3；5的基因以及多個(gè)參與硫同化的基因有更高表達(dá)；這與“上調(diào)硫轉(zhuǎn)運(yùn)和同化通路是一種提高亞硒酸鹽的機(jī)制”的假設(shè)一致。當(dāng)將全基因組關(guān)聯(lián)定位技術(shù)應(yīng)用于一組含349種種質(zhì)的多樣性組時(shí)，盡管試驗(yàn)中大部分葉硒濃度的差異可以由基因型解釋（遺傳度0.68），但未能確定影響擬南芥葉中硒含量的QTLs。而通過極端陣列定位法，則推測(cè)AtAPR2影響了擬南芥種群的葉硒濃度，該種群來自于一種含有高葉硒濃度的種質(zhì)（Hodonin）和亞硒酸耐受的種質(zhì)（Col-0種質(zhì)）［61］。

富硒作物中，對(duì)谷物的子粒中硒含量差異研究一直是研究熱點(diǎn)之一。研究結(jié)果顯示，在大部分谷物的子粒中硒的含量存在顯著的基因差異，如圓錐小麥（Triticum turgidumL.）、栽培大麥（Hordeum vul?gareL.）、野生大麥（Hordeum spontaneumK.Koch）、燕麥（Avena sativaL.）、水稻等。而對(duì)于普通小麥的研究結(jié)果存在爭(zhēng)議，有研究認(rèn)為其基因型中硒濃度的遺傳差異很?。?2］，也有研究認(rèn)為存在顯著的遺傳差異，存在結(jié)果的差異主要在于小麥富硒狀況很大程度上依賴于天氣狀況、耕作條件和硒肥狀況［63］。此外，研究也表明不同基因型小麥子粒硒含量與子粒產(chǎn)量之間存在負(fù)相關(guān)性，但這種負(fù)相關(guān)未達(dá)到顯著水平。通過雜交小麥研究，目前鑒定了4個(gè)影響子粒硒濃度的小麥Q(jìng)TLs和若干水稻QTLs［64］，這些位點(diǎn)定位于不同的染色體中，但尚未定位到基因。

已有報(bào)道顯示，與環(huán)境影響相比，基因?qū)Χ诡愔参锓N子硒含量影響差異相對(duì)較小?；?qū)Σ硕梗≒haseolus vulgarisL.）或豌豆（Pisum sativumL.）種子硒濃度的效應(yīng)不顯著，無與種子硒濃度變化相關(guān)聯(lián)的單核苷酸多態(tài)性（SNP）［65］。相反，鷹嘴豆（Cicer arietinumL.）、小扁豆（Lens culinarisMedik）、綠豆［Vigna radiata（L.）R.Wilczek］和大豆［Glycine max（L.）Merr.］等，基因型變異對(duì)種子硒含量有顯著影響，并在大豆中確定了2個(gè)與種子硒含量差異相關(guān)的QTLs，且能確定其中1個(gè)QTL包含GmSULTR2；1基因［66］。

更多的研究表明，盡管有很大的環(huán)境因素，但大部分植物的聚硒能力表現(xiàn)出顯著的遺傳效應(yīng)。洋蔥、甘藍(lán)、西蘭花、豆芽菜、羽衣甘藍(lán)、大白菜、印度芥菜、菊苣、生菜、番茄、青椒、馬鈴薯等，植物可食用的莖、葉、花、果實(shí)等組織中聚硒能力在不同的基因型種質(zhì)中差異達(dá)到顯著水平［10］。

在調(diào)控植株聚硒能力的關(guān)鍵酶或關(guān)鍵基因方面研究，一般認(rèn)為，由于硒進(jìn)入植物體內(nèi)代謝途徑主要依賴于硫轉(zhuǎn)運(yùn)及代謝體系，因此，能催化硒酸鹽轉(zhuǎn)化為腺苷硒酸鹽的ATP硫酸化酶（APS），及促使硒代半胱氨酸同化成無毒硒代氨基酸的關(guān)鍵催化酶硒代半胱氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶（SMT），是植物硒聚集過程中2個(gè)關(guān)鍵酶，在植物富集硒中具有不可替代的作用。大量的轉(zhuǎn)基因研究表明，使上述2個(gè)酶編碼基因過表達(dá)，能夠顯著提高植物組織耐受硒的能力；尤其當(dāng)2個(gè)基因同時(shí)過表達(dá)時(shí)，甚至能夠顯著提高植物組織積累更高濃度硒的能力［9］。與未轉(zhuǎn)化的對(duì)照相比，過表達(dá)SMT，無論有或沒有同時(shí)過表達(dá)ATPS，能提高轉(zhuǎn)基因植物對(duì)根際亞硒酸鹽，有時(shí)甚至是硒酸鹽的耐受性，能增加葉片中總硒、硒-甲基硒代半胱氨酸和γ-谷氨?；?硒-甲基硒代半胱氨酸的濃度，并且增加硒揮發(fā)［67］。此外，編碼硒代半胱氨酸裂解酶（cpNifs）基因的過表達(dá)對(duì)轉(zhuǎn)基因植物的根際硒酸鹽和亞硒酸鹽耐受性有不同的影響，但是與非轉(zhuǎn)化植物相比，能引起暴露在硒酸鹽或亞硒酸鹽的轉(zhuǎn)基因植物的葉片中含有更高的硒濃度及更少的硒合成蛋白（減少硒毒害）［68］。

4 植物體內(nèi)硒生物強(qiáng)化與重金屬互作

硒生物強(qiáng)化即通過農(nóng)業(yè)措施（又稱“農(nóng)業(yè)生物強(qiáng)化”，Agronomic biofortification）及遺傳育種手段（又稱“遺傳生物強(qiáng)化”，Genetic biofortification）來提高作物中能為人體吸收利用的硒含量［7］。農(nóng)業(yè)生物強(qiáng)化通過合理的增施硒肥等農(nóng)業(yè)手段調(diào)節(jié)植物硒吸收、積累能力，從而達(dá)到增加作物收獲部分硒含量的目的。而遺傳生物強(qiáng)化則是在研究植物硒含量種間和種內(nèi)差異的基礎(chǔ)上，以選擇天然耐硒、超富硒植物種質(zhì)方式，或者通過生物技術(shù)手段對(duì)經(jīng)濟(jì)作物調(diào)控硒耐受和硒聚積能力的關(guān)鍵遺傳基因進(jìn)行改造，從根本上提高作物硒水平［69］。

研究表明，植物體內(nèi)適量的硒生物強(qiáng)化能顯著降低組織中重金屬的積累，組織中硒的轉(zhuǎn)運(yùn)和積累可能與重金屬間存在一定的互作效應(yīng)。如芥菜（Si?napis alba）地上部分的莖和葉組織中硒含量的增加能顯著降低Cd、Zn、Cu和Pb的積累［70］；萵苣（Lactuca sati?vaL.）大田試驗(yàn)也證實(shí)施加亞硒酸鹽，可以顯著降低環(huán)境中Cd和Pb在植物地上部的含量［71］。重金屬在作物地上部積累量的下降可能與組織中硒的加入能夠抑制重金屬在作物根部向地上莖和葉部等組織的遷移和轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)。因?yàn)樵谒局屑游幚黼m然顯著提高了As在水稻根部的積累，但能顯著降低水稻地上部組織中As含量［72］；在大蒜（Allium sativum）根部組織中，加硒能夠顯著降低Hg在大蒜根尖中柱鞘中的含量，這意味著硒能夠拮抗Hg從根部向地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)，從而減少Hg在地上部分的積累［73］。

硒對(duì)重金屬積累的這種拮抗效應(yīng)受硒和重金屬濃度及形態(tài)等多種因素的影響。環(huán)境中砷濃度較高時(shí)，硒濃度的增加能夠顯著降低As在蜈蚣草（Pteris vittataL.）中的積累，但當(dāng)環(huán)境中砷濃度較低時(shí)，蜈蚣草中砷的積累量隨硒濃度的增加先降低后升高［74］；硒酸鹽或亞硒酸鹽都能有效降低Hg在大蒜根、莖、葉中的積累，但低濃度硒對(duì)大蒜Hg含量幾乎沒有影響［73］；在油菜（Spinacea oleracea）中，硒對(duì)植物Cr（Ⅲ）吸收的抑制作用顯著強(qiáng)于對(duì)Cr（Ⅵ）的抑制。但是也有研究表明，硒不僅不能拮抗重金屬的積累，甚至可能增加重金屬在植物中的含量。如硒處理增加了As在黑眼蘇珊（Thunbergia alata）的積累，提高了小麥地上部Cd和Cu的含量［75］；陳姍姍等［76］通過對(duì)冬小麥盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低硒水平時(shí)，小麥的硒含量隨外源汞的增加而增加，兩者為促進(jìn)作用；在高硒水平時(shí)兩者則表現(xiàn)為拮抗作用。Feng等［77］研究認(rèn)為，造成這樣結(jié)論的差異，可能是由于試驗(yàn)處理中硒的添加量不合理，或者是作物品種不同，這需要做進(jìn)一步深入研究。因此，作物種類、重金屬形態(tài)與含量以及硒的施用量是推行硒生物強(qiáng)化必須考慮的因素。

5 小結(jié)與展望

硒是一種動(dòng)物健康生長(zhǎng)必需的微量元素之一，可食用植物的硒強(qiáng)化作為動(dòng)物或人類硒營(yíng)養(yǎng)攝入是相對(duì)最有效和安全的方式；此外，針對(duì)近年來由于人類活動(dòng)而被過度硒污染的土地修復(fù)問題等，了解原生植物在富硒土壤中生長(zhǎng)代謝情況，研究植物對(duì)硒的吸收、轉(zhuǎn)化和積累代謝具有重要意義。綜合近期相關(guān)文獻(xiàn)，富硒種植技術(shù)研究發(fā)展迅速，但也存在不足。

5.1 植物硒代謝機(jī)理研究需深入

植物對(duì)硒的吸收和代謝比較復(fù)雜，很多相關(guān)機(jī)制還不清楚。從人類營(yíng)養(yǎng)健康的角度來講，迫切需要的是如何提高作物可食用部分的硒含量；但目前研究表明一些生物強(qiáng)化后的作物雖然硒含量有所提高，但硒主要分布在不可收獲的部分。此外，由于人體對(duì)不同形態(tài)硒的吸收和利用效果差異很大，如Se?MeSeCys的抗癌效果較好，因此，從人攝取利用硒的有效性和價(jià)值來講，如何通過植物代謝調(diào)控技術(shù)提高作物可食用部分中有價(jià)值的生物硒（如SeMeSe?Cys）成分含量，可能對(duì)人類更有益。

另外，目前對(duì)富硒農(nóng)作物研究主要集中在常見的若干種食用果蔬、谷物，關(guān)于硒的富集對(duì)以利用次生代謝產(chǎn)物為主的植物，如中草藥類或藥食兼用植物，其藥用食用經(jīng)濟(jì)價(jià)值是否有影響，目前尚缺乏系統(tǒng)的研究。這也是將來富硒地區(qū)種植業(yè)全面發(fā)展的一個(gè)研究?jī)?nèi)容。

不同植物對(duì)硒的忍耐和聚集能力有明顯差異，如果盲目通過富硒土壤栽培或外源施硒肥等基本栽培技術(shù)對(duì)硒不耐受作物進(jìn)行處理，不僅效果不好，而且可能是不安全的。因此，高硒地區(qū)種植業(yè)技術(shù)推廣中，農(nóng)作物種類選擇上要慎重。

5.2 硒與重金屬互作機(jī)制研究需要加強(qiáng)

硒與重金屬互作的研究雖然取得一定的進(jìn)展，但是兩者相互作用的機(jī)制尚不清楚。目前，有關(guān)適量硒能夠緩解重金屬毒害的機(jī)理研究主要集中在硒的抗氧化作用上，但重金屬脅迫下植物抗氧化系統(tǒng)與硒形態(tài)、濃度以及重金屬種類之間的關(guān)系仍待闡明。關(guān)于重金屬如何影響植物硒吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、代謝和積累的報(bào)道較少；那么在重金屬含量較高情況下，如何有效降低重金屬在作物中的積累同時(shí)提高作物硒營(yíng)養(yǎng)水平，這對(duì)大部分富硒地區(qū)種植業(yè)來說意義重大。

大量研究表明，土壤硒與重金屬之間有一定的伴生關(guān)系，隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的發(fā)展等各種因素使得富硒地區(qū)存在較大的重金屬威脅。如安徽池州富硒地區(qū)，土壤重金屬鎘與土壤硒水平空間分布較為一致［78］；浙江金華富硒地區(qū)存在鎘、鉛、鋅、銅的污染［79］；湖北恩施部分富硒茶園土壤中鎘略有超標(biāo)［80］；巴西58個(gè)土壤樣品中硒含量與土壤pH和金屬鋁的含量相關(guān)［81］。然而，這種富硒地區(qū)土壤重金屬含量超標(biāo)也不是絕對(duì)的，宋明義等［82］研究指出，特殊的地形地貌、母巖風(fēng)化物質(zhì)搬運(yùn)條件以及有利的土壤理化性質(zhì)等條件，使得浙江典型富硒地區(qū)土壤中重金屬較少，但是成土母巖中與硒伴生的重金屬汞、鎘、鉛、砷等含量仍較高。這也為富硒地區(qū)土壤中重金屬污染修復(fù)提供了有利的參考。

5.3 通過遺傳生物強(qiáng)化提高硒生物強(qiáng)化效率將是富硒農(nóng)業(yè)研究的前沿

相對(duì)于農(nóng)業(yè)生物強(qiáng)化而言，遺傳生物強(qiáng)化對(duì)加強(qiáng)硒生物強(qiáng)化發(fā)展?jié)摿Ω蟆＝陙?，隨著研究的深入，對(duì)植物硒代謝機(jī)理研究已由最初的比較植物對(duì)硒的吸收、組織分布及硒積累差異，慢慢集中于確定影響植物硒獲取與硒積累的遺傳因素；通過對(duì)關(guān)鍵酶基因進(jìn)行遺傳操作，來增加植物組織中硒積累量或促進(jìn)硒揮發(fā)，對(duì)植物硒強(qiáng)化和植物硒修復(fù)2個(gè)方面均有益。硒的代謝過程與其他礦物質(zhì)代謝一樣，在植物體內(nèi)的平衡代謝是一個(gè)復(fù)雜的調(diào)控過程，不是受個(gè)別基因控制；因此，要對(duì)該調(diào)控機(jī)理做更系統(tǒng)的研究，需要從組織學(xué)水平進(jìn)行詳細(xì)的分析研究，目前來看此研究相對(duì)滯后。近來在部分農(nóng)作物上，確定了控制植物硒耐受和硒聚積能力差異的潛在染色體位點(diǎn)（QTLs），這使定向選擇和培育耐硒、強(qiáng)聚硒農(nóng)作物新種質(zhì)成為可能。盡管現(xiàn)在對(duì)于植物硒積累的遺傳學(xué)知識(shí)仍顯粗淺，但在植物生理學(xué)和生物化學(xué)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)上，隨著分子技術(shù)現(xiàn)代工具的應(yīng)用，這一領(lǐng)域?qū)?huì)迅速發(fā)展。遺傳生物強(qiáng)化研究必將成為硒生物強(qiáng)化研究的前沿。