硒對水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)鎘、砷和汞影響機(jī)制的研究進(jìn)展

張祎雯，董暢茹，劉小強(qiáng)，張 偉，潘丹丹，樊 霆

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院 農(nóng)田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點(diǎn)實(shí)驗室，合肥230036)

土壤是指地球陸地表面能夠生長植物的疏松表層，具有肥力的特征，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的組成部分。近年來人類活動如化工生產(chǎn)、礦山開采、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等導(dǎo)致土壤中的重金屬污染日益嚴(yán)重[1]。2014年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》表明，全國土壤點(diǎn)位超標(biāo)率為16.1%，主要污染物鎘、砷和汞點(diǎn)位超標(biāo)率分別為7.0%、2.7%和1.6%[2]。鎘、砷和汞均列于“五毒”之中，毒性大，容易遷移轉(zhuǎn)化，廣泛存在于土壤和水體中，可以通過食物鏈在人類和動物體內(nèi)富集，嚴(yán)重威脅人類健康和生命安全[3-5]。

硒是人和動物必需的營養(yǎng)元素[6]，主要包括無機(jī)硒、有機(jī)硒和單質(zhì)硒3種形態(tài)。無機(jī)硒鹽在自然界主要為可溶性的硒酸鹽和亞硒酸鹽；有機(jī)硒為無機(jī)硒和有機(jī)化合物合成如硒氨酸；單質(zhì)硒主要以黑色、灰色和紅色3種顏色存在。研究表明，除紅色單質(zhì)硒具有活性外，其他單質(zhì)硒均不具有生物活性[7]。納米硒(SeNPs)通過生物、物理和化學(xué)方法合成紅色納米元素硒是由中國科學(xué)家率先研制的以蛋白質(zhì)為分散劑的硒納米粒子，粒徑小于60 nm，與有機(jī)硒和無機(jī)硒相比，具有更高效、更安全的特點(diǎn)和更高的生物利用率。SeNPs清除體外羥基自由基能力分別是無機(jī)硒和有機(jī)硒的5倍和2.5倍?；瘜W(xué)合成納米硒生物毒性大于生物合成[8]。硒對重金屬可以產(chǎn)生拮抗作用，阻擋重金屬對植物的危害[9]，被譽(yù)為“重金屬的天然解毒劑”。所以，為了阻控重金屬向食物鏈的遷移、生產(chǎn)富硒農(nóng)產(chǎn)品和提高食品安全，研究硒對植物吸收轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬的影響機(jī)制具有重要的意義。

1 硒對水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)鎘、砷和汞的影響

1.1 硒對水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)鎘的影響

近年來，對水稻的水培和土培試驗研究表明，鎘含量、硒添加量和植物類型等因素影響硒與鎘的拮抗作用。在一定濃度范圍內(nèi)添加硒會抑制水稻對鎘的吸收，超出范圍會促進(jìn)水稻對鎘的吸收。

水培條件下，添加50 μmol/L以下的鎘時，添加10 μmol/L以下的亞硒酸鹽降低了水稻根莖葉的鎘含量；添加89 μmol/L以上的鎘時，添加硒增加了根系的鎘含量[10-14]；在鎘濃度為0.5 μmol/L時，添加0.1 μmol/L亞硒酸鹽對水稻鎘吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)沒有顯著影響[13]。Wan等[15]研究硒和鎘共處理1 h時水稻吸收動力學(xué)發(fā)現(xiàn)，添加亞硒酸鹽可略增加水稻根系對鎘的吸收，而添加硒酸鹽對水稻根系鎘的吸收無顯著影響；共處理3 h后，亞硒酸鹽和硒酸鹽使單位水稻根系對鎘的吸收量分別增加了8.4%和21.6%；隨著培養(yǎng)時間增加，加硒可降低水稻根系對鎘的吸收及向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)，且亞硒酸鹽的降低程度大于硒酸鹽。Xu等[16]分別采用1 μmol/L的硒酸鈉、亞硒酸鈉、SeNPs和有機(jī)硒[硒代蛋氨酸(SeMet)]與鎘(20 μmol/L)共同處理水培水稻25 d時，發(fā)現(xiàn)除硒酸鈉外，其他處理都能有效降低水稻根部和地上部對鎘累積量和根部到地上的轉(zhuǎn)運(yùn)，增加水稻苗生物量和葉綠素含量，增加抗氧化酶的活力，SeNPs作用效果僅次于SeMet，優(yōu)于硒酸鈉和亞硒酸鈉。

土培條件下，添加亞硒酸鹽降低了水稻根系鎘含量，隨著硒濃度增加，對水稻根系鎘含量的降低呈增加趨勢[17-18]。在硒含量較高的土壤中，水稻籽粒的鎘累積量比在硒含量較低土壤中低[19]。有研究表明，當(dāng)鎘濃度超過2.0 mg/kg時，硒可降低水稻鎘的積累量，然而硒的積累依賴于鎘的暴露水平，鎘對3個品種水稻硒轉(zhuǎn)運(yùn)的影響均比較小[20]。

Hussain等[21]設(shè)置實(shí)驗小區(qū)，采用葉面噴灑化學(xué)合成的SeNPs(粒徑12.26 nm±2 nm)，濃度分別為5、10和20 mg/L，在分蘗期和抽穗期各噴灑1次，結(jié)果表明，除SeNPs為20 mg/L時，其他處理均降低了糙米中鎘的含量，提高了水稻產(chǎn)量、糙米蛋白質(zhì)和有效硒含量。閆金朋[22]實(shí)驗表明，添加硒明顯緩解了鎘脅迫對水稻造成的傷害，但不同形態(tài)外源硒對緩解水稻的效果存在差異，硒對植物存在劑量效應(yīng)，添加1.0 μmol/L的SeNPs、Se(Ⅳ)、SeMet和2.0 μmol/L SeNPs可有效緩解鎘脅迫，但添加2.0 μmol/L SeMet加重了對水稻幼苗的損傷程度。

在水稻生長中，過量硒對水稻毒性癥狀包括生長抑制、枯萎病、加劇氧化應(yīng)激、過度自由基氧積累和膜損傷[23]。在不同土壤條件和不同濃度鎘暴露時，添加不同形態(tài)和濃度的硒對水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)鎘的能力不同。因此，要根據(jù)水稻對鎘的耐性選取最佳硒施加量[24]。

1.2 硒對水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)汞的影響

硒能夠抑制水稻對汞的吸收[25-26]，影響水稻根表鐵膜的形成[27-28]。采用汞污染(236.63 ±13.26)mg/kg土壤進(jìn)行水稻盆栽實(shí)驗，每30 d根部澆灌不同濃度硒，研究發(fā)現(xiàn)，低濃度硒(0.15 mg/kg)處理，可有效降低水稻組織及胚乳中Hg和MeHg，增加胚乳中銅、鋅、硒和鐵的含量[29]。實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，未誘導(dǎo)鐵膜時，硒汞(HgCl2或MeHgCl)同時暴露，硒顯著降低了水稻根部的汞含量和轉(zhuǎn)移系數(shù)，說明硒能抑制水稻對HgCl2和MeHgCl的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。誘導(dǎo)形成鐵膜后，硒汞(HgCl2或MeHgCl)同時暴露，硒可顯著增加水稻根表鐵膜對汞的吸附、降低水稻根中汞的含量、降低汞從水稻根部到莖葉的轉(zhuǎn)運(yùn)效率[30]。周鑫斌等[28]試驗發(fā)現(xiàn)，硒能顯著降低根表鐵膜中和水稻體內(nèi)汞的含量，硒能與土壤中汞在水稻根系周圍或者根表結(jié)合形成難溶性的汞硒復(fù)合物，其較穩(wěn)定，不易被植物吸收利用，這不僅減少了汞濃度，而且降低了汞的活性，從而抑制了水稻根系對汞的吸收，同時硒可通過影響根表鐵膜的形成來影響水稻對汞的吸收，在硒濃度為1.0 mg/kg時，硒活化土壤中的鐵和錳，增加了水稻根表鐵膜數(shù)量，土壤施硒的這種雙重作用極大地阻止了水稻對汞的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。

1.3 硒對水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)砷的影響

砷在土壤中的大量積累不但會導(dǎo)致土壤性質(zhì)發(fā)生改變、影響水稻的產(chǎn)量和稻米的質(zhì)量，而且通過食物鏈危害人類的健康。廖寶涼等[31]的研究顯示低濃度硒對砷有拮抗作用。吳永堯等[32]發(fā)現(xiàn)，硒可提高水稻產(chǎn)量。硒處理增加旱稻根系砷吸收，降低了旱稻地上部砷累積。硒可以降低旱稻砷莖/根和葉/根轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，即降低旱稻砷從根系向莖葉的轉(zhuǎn)運(yùn)。硒對砷的作用表現(xiàn)與其濃度有關(guān)[33]。在重金屬脅迫下，葉面噴施硒肥可緩解重金屬對水稻的脅迫、累積和毒害作用，促進(jìn)水稻生長[34-35]。適量的硒可增加葉綠素含量[36]，從而提高葉綠體電子傳遞速度，維持類囊體和葉綠體基質(zhì)穩(wěn)定[37]，促進(jìn)光合作用的順利進(jìn)行。高濃度的硒對水稻光合作用產(chǎn)生抑制作用[32]。王晉民等[36]的研究表示，在亞砷酸鹽和砷酸鹽共處理中，SeNPs的存在對水稻根系吸收砷的影響最小，相反，與單獨(dú)處理相比，亞硒酸鹽顯著刺激根吸收，砷吸收值比砷酸鹽處理組高33.2%～43.3%，說明亞砷酸鹽處理水稻根系吸收速度遠(yuǎn)快于砷酸鹽處理；亞砷酸鹽處理時添加SeNPs和亞硒酸鹽顯著降低地上部砷含量，分別比單獨(dú)處理組降低37.1%和48.9%。

2 硒對水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)鎘、砷和汞的影響機(jī)制

研究表明，硒與鎘、砷和汞拮抗作用的機(jī)制主要表現(xiàn)：抑制水稻的過氧化作用、重建細(xì)胞膜和葉綠體組織[11]、改變鎘、砷和汞的存在形態(tài)、阻礙鎘、砷和汞的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。

2.1 硒對水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)鎘的影響機(jī)制

硒對水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)鎘的影響過程如圖1所示[15]。鎘主要以鎘離子的形式進(jìn)入水稻體內(nèi)，競爭陽離子通道，硒主要以硒酸鹽或亞硒酸鹽的形式，競爭陰離子通道。Wan等[15]對水稻的吸收動力學(xué)試驗也進(jìn)行了證明。硒抑制鎘從水稻根部向地上部的轉(zhuǎn)移，從而降低地上部鎘的積累量。通過合成鎘有機(jī)配體，如半胱氨酸、谷胱甘肽(GSH)和植物螯合肽(PC)等，能夠?qū)㈡k轉(zhuǎn)化為毒性較小的結(jié)合形態(tài)。PC中的大量巰基可絡(luò)合多種重金屬離子形成離子鍵或共價鍵，達(dá)到吸附重金屬離子的目的，在三磷酸腺苷(ATP)的作用下，重金屬-PC螯合物可穿過液泡膜貯存在液泡中，減少了重金屬對細(xì)胞器的傷害和向木質(zhì)部運(yùn)輸。硒可促進(jìn) PC 的形成并提高PC合成酶的活性，而且硒能夠促進(jìn)PC合成前體GSH的形成。水稻細(xì)胞壁上的多糖可與鎘結(jié)合形成復(fù)合物，使鎘固定在細(xì)胞壁上，降低了鎘的活性。龐曉辰等[14]發(fā)現(xiàn)，鎘、硒復(fù)合處理會改變鎘在地下部的亞細(xì)胞分布，使細(xì)胞壁中的鎘含量增高，降低可溶組分的鎘含量，減少鎘對地上部的毒害，降低地上部的膜脂過氧化程度。對水稻進(jìn)行硒預(yù)處理會顯著減少鎘往水稻地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)[11,15]，表明硒與鎘存在相互作用。植物作為富硒載體可將無機(jī)硒轉(zhuǎn)化為有機(jī)硒[SeMet、硒代半胱氨酸 (MeSeCys)]，谷胱甘肽過氧化物酶 (GSH-Px)的活性中心是MeSeCys。GSH-Px是機(jī)體內(nèi)廣泛存在的一種重要催化過氧化物分解酶，能有效地催化有害的過氧化物還原成無害的羥基化合物，清除體內(nèi)由于氧化反應(yīng)產(chǎn)生的自由基，保護(hù)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的完整性和正常功能的發(fā)揮。所以，硒能夠通過提高GSH-Px等的活性而降低鎘的毒性。同時，硒對抗氧化酶活性具有調(diào)節(jié)作用，在一定程度上緩解鎘脅迫對植物根系的毒害效應(yīng)，降低鎘在植物中的積累。

圖1 硒對水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)鎘的影響過程示意圖[15]Figure 1 Diagram of the effect of Se on Cd uptake and transport in rice[15]

2.2 硒對水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)汞的影響機(jī)制

圖2 硒對水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)汞的影響過程示意圖[39]Figure 2 The effect of Se on Hg uptake and transport in rice[39]

2.3 硒對水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)砷的影響機(jī)制

3 結(jié)論與展望

合理施用硒能有效降低水稻對重金屬的吸收，增強(qiáng)水稻籽粒中硒水平，對確保糧食安全有著重要的意義。目前，大多數(shù)研究通過開展水培和土培實(shí)驗，關(guān)注硒降低鎘、汞和砷在水稻內(nèi)的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)以及相關(guān)的解毒機(jī)制。在今后的研究中，仍有一些關(guān)鍵技術(shù)需要進(jìn)一步的探究：(1)需展開大量的田間試驗，研究“硒-重金屬-水稻”三者相互作用機(jī)理，以及土壤水分、管理方法以及土壤微生物對硒降低重金屬在水稻中積累的作用。(2)納米硒更易被植物吸收，應(yīng)廣泛研究納米硒對水稻吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬的影響機(jī)制。(3)硒從有益到有害作用的濃度范圍非常窄，在降低水稻重金屬積累，提高硒水平，同時確保硒含量不超標(biāo)，需在確定硒對植物體的安全使用范圍開展大量研究。(4)應(yīng)從分子生物學(xué)角度，探究決定硒能夠降低水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬的基因編碼。