植物對(duì)土壤硒污染的響應(yīng)及耐硒機(jī)制研究進(jìn)展

張 萍,薛經(jīng)倫,劉 園,程玉淵,史玉龍,丁新潔,賈宏昉,邵惠芳*

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院,河南鄭州 450002;2.河南省煙草公司南陽市公司,河南南陽 473000)

硒是高等生物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的一種微量元素,也是動(dòng)物體內(nèi)多種酶和蛋白的重要組成成分[1]。我國(guó)約72%的土壤存在缺硒或低硒現(xiàn)象,相關(guān)研究表明噴施低濃度硒可以增加種子發(fā)芽率、增強(qiáng)作物的光合作用,提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量[2-6]。而大量的礦產(chǎn)開發(fā)導(dǎo)致土壤硒污染,土壤中大量硒被作物吸收積累,后經(jīng)食物鏈傳遞至人體,從而誘發(fā)急性和慢性硒中毒[2-7]。土壤硒污染的條件下,作物吸收運(yùn)轉(zhuǎn)硒的機(jī)制、作物耐受硒的毒害閾值等問題顯見報(bào)道。該研究對(duì)土壤硒污染的形成及現(xiàn)狀、植物對(duì)土壤硒污染的生理響應(yīng)、植物的毒害閾值和耐硒的調(diào)控機(jī)制進(jìn)行綜述,重點(diǎn)分析硒污染后作物生理活動(dòng)的響應(yīng),以期明晰作物對(duì)硒的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制,創(chuàng)制硒富集品種,從而修復(fù)土壤硒污染。

1 土壤硒污染現(xiàn)狀及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

硒不僅是生態(tài)環(huán)境中的微量有益元素,同時(shí)在植物生長(zhǎng)、人類健康、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)等方面被廣泛關(guān)注[8-9]。然而常因工業(yè)化、電子垃圾及金屬礦床和煤的開采,導(dǎo)致部分地區(qū)出現(xiàn)相對(duì)嚴(yán)重的硒污染,如美國(guó)西南地區(qū)[10]、波蘭托倫市[11]及我國(guó)恩施地區(qū)等[12]。我國(guó)的硒蘊(yùn)藏量約是全球硒資源量的1/3[13],我國(guó)探明點(diǎn)狀分布的富硒和高硒地區(qū)廣泛分布在湖北、陜西、安徽、廣西、江西等地[14]。土壤中硒含量在一定程度上由成土母質(zhì)的組成和性質(zhì)決定,從硒含量來看(表1),硒毒土壤的含硒量遠(yuǎn)高于自然界中土壤硒含量一般值0.5 μg/g[15],最高可達(dá)上萬倍,土壤硒污染情況十分嚴(yán)重。

表1 我國(guó)土壤硒含量狀況

土壤中的硒通過“土壤-作物-動(dòng)物”和“土壤-作物-人體”等食物鏈傳遞方式被人和動(dòng)物吸收利用,而過量攝取硒會(huì)威脅動(dòng)物和人體的健康。研究表明,在土壤硒含量>3 μg/g的區(qū)域生活,就存在硒中毒的風(fēng)險(xiǎn)[19-20]。硒中毒是動(dòng)物攝入過量硒而發(fā)生的中毒性疾病,各種動(dòng)物均可發(fā)生,高硒地區(qū)的牛、羊和馬較為常見,其次是豬[20]。王建辰等[21]發(fā)現(xiàn)過量的硒會(huì)影響動(dòng)物的繁殖和生長(zhǎng)發(fā)育,導(dǎo)致母畜受胎率和產(chǎn)仔數(shù)下降,且仔畜的發(fā)育變得遲緩。土壤硒污染使作物可食用部位的硒水平提高,過量的硒進(jìn)入人體后引發(fā)中毒,導(dǎo)致指甲和頭發(fā)脫落、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等[22-24]。成年人推薦硒攝入量為50～400 μg/d[25],而生活在恩施硒中毒地區(qū)的居民,其硒攝入量高達(dá)4 990 μg/d[26],印度硒中毒地區(qū)居民男性平均硒攝入量為(632.0±31.2)μg/d;女性平均硒攝入量為(475.0±52.8)μg/d[27-28],遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人體每日推薦攝入量。這些結(jié)果表明我國(guó)部分高硒地區(qū)存在硒污染而引發(fā)的人體攝入硒含量過高的風(fēng)險(xiǎn),而影響土壤硒有效性的因素,土壤的硒形態(tài)變化還有待研究,對(duì)土壤硒污染引起的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)具有相當(dāng)重要的意義。

2 植物對(duì)土壤硒污染的響應(yīng)

2.1 生長(zhǎng)發(fā)育土壤硒污染影響植物生長(zhǎng)發(fā)育,主要體現(xiàn)在低濃度硒促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育,而高濃度硒會(huì)出現(xiàn)抑制現(xiàn)象。硒污染條件下,茶苗成熟葉片出現(xiàn)枯斑,根系顏色褐黃,新生側(cè)根數(shù)量減少[29],水果黃瓜種子萌發(fā)受到抑制[30],魔芋植株小、葉邊緣明顯變黃且葉柄長(zhǎng)度減小[31]。當(dāng)硒濃度為100 mg/L時(shí),番茄減產(chǎn)約6.29%,胡蘿卜減產(chǎn)約3.24%;為500 mg/L時(shí),大蒜減產(chǎn)約9.80%。在光照培養(yǎng)箱中,100和200 μmol/L的硒濃度抑制了水稻幼苗的株高、根長(zhǎng)、鮮重和干重,且濃度愈高抑制作用愈大[32]。在土壤中相較對(duì)照,40 mg/kg的硒濃度下地上部干重和根干重分別下降了21.50%和35.35%;當(dāng)達(dá)到150 mg/kg時(shí),地上部干重和根干重分別下降了81.28%和87.54%。硒處理改變了煙苗的生長(zhǎng)發(fā)育,硒濃度>5 mg/L時(shí),植株矮小,葉片小而少;當(dāng)硒濃度達(dá)到20 mg/L,地上部和地下部生物量相較對(duì)照分別降低了70.8%和73.8%[33]。由此可知,在相同的濃度下,硒對(duì)根長(zhǎng)的抑制作用大于對(duì)苗長(zhǎng)[34-35]。

2.2 光合作用硒污染會(huì)損傷光合器官,抑制植物光合作用[36]。過量的硒易破壞葉綠體的結(jié)構(gòu),進(jìn)而使得大部分植物出現(xiàn)硒中毒癥狀[37]。研究表明,過量的硒會(huì)使得葉綠體的細(xì)胞器超微結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[38],可能破壞了微藻葉綠體中的光系統(tǒng)Ⅱ的復(fù)合體結(jié)構(gòu),抑制光合作用的電子傳遞[39]。CO2濃度同樣會(huì)影響光合作用的速率。土壤硒濃度達(dá)到100 mg/kg時(shí),茄子幼苗的胞間CO2濃度比對(duì)照降低了80.44%,抑制了茄子幼苗的凈光合速率[40]。葉綠素是植物進(jìn)行光合作用、同化物質(zhì)的基礎(chǔ),90 mg/L的硒濃度導(dǎo)致花生葉綠素a和總?cè)~綠素含量均下降,且與對(duì)照有顯著差異[41];21和24 mg/L的硒濃度降低了苗期油菜葉片的胡蘿卜素含量[42];硒濃度>16 mg/kg時(shí),小麥葉綠素a含量和葉綠素a/b受到明顯的抑制。硒濃度為0.1 mmol/L時(shí)就會(huì)抑制黃化小麥葉片轉(zhuǎn)綠過程中葉綠素的積累[43],可能是由于硒取代了合成葉綠素關(guān)鍵酶中的硫原子,導(dǎo)致酶蛋白被破壞,活性降低,進(jìn)而阻礙了葉綠素的合成[44]。

2.3 抗氧化系統(tǒng)硒污染對(duì)抗氧化酶系統(tǒng)產(chǎn)生脅迫效應(yīng),植物憑借體內(nèi)2套抗氧化系統(tǒng)清除體內(nèi)的自由基:一套是低分子物質(zhì),例如GSH、ASA和黃酮類等;另一套是抗氧化酶系統(tǒng),包括SOD、POD、CAT和APX等。高濃度的硒造成花生中MDA的積累,抑制了花生器官的生理功能[45],韓丹[46]研究表明,22.2 mg/kg的硒濃度條件下,烤煙中以無機(jī)硒為主,SOD酶活性和GSH含量顯著上升,CAT酶活性和ASA含量與對(duì)照相差不大,破壞了植株體內(nèi)ROS平衡,MAD含量增加。土壤硒污染對(duì)SOD的影響較大,而對(duì)CAT的影響較小[47]。目前已在眾多高等植物和藻類中檢測(cè)到GPX的活性,且證明植物體內(nèi)硒含量與其活性有著顯著正相關(guān)[48],不過陳思嘉等[49]研究發(fā)現(xiàn),硒與螺旋藻中的硒含量沒有太大聯(lián)系,與硒脅迫強(qiáng)度相關(guān),硒脅迫越強(qiáng),GPX活性越高,說明GPX的作用是抗氧化的重要機(jī)制之一。由于各種抗氧化酶作用底物的相關(guān)性和在生物體內(nèi)活性氧種類的相互轉(zhuǎn)化,其中一種抗氧化酶活性的變化,可能影響到其他抗氧化酶活性,可能是硒對(duì)植物的生長(zhǎng)具有雙重效應(yīng)的主要原因之一。

2.4 基因表達(dá)植物吸收積累硒的過程受關(guān)鍵基因的表達(dá)及轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控。大量的研究已經(jīng)證實(shí)了耐硒關(guān)鍵基因在植物抵抗硒污染中扮演重要角色。岳琳祺等[50]對(duì)不同基因型的谷子材料進(jìn)行硒試驗(yàn),表明在110 g/hm2的硒濃度下,不同谷子品質(zhì)的農(nóng)藝性狀的變化差異較大;周毅峰[51]研究表明,在壺瓶碎米薺中,SUL1A、Aat和PLR1的表達(dá)顯著上調(diào),通過硒化作用和硒代半胱氨酸及其衍生物的轉(zhuǎn)氨作用提高了硒耐受性。姚新等[52]研究表明,SMT基因的轉(zhuǎn)入降低了煙草在一定硒濃度范圍內(nèi)的GSH-Px受影響的程度,改善了煙草對(duì)硒的耐受性。但也有研究表明,在硒處理后的茶樹根系中沒有發(fā)現(xiàn)SMT基因,推測(cè)茶樹根系中硒的代謝不受該基因調(diào)控[53]。

3 硒對(duì)植物的毒害閾值及其影響因子

植物體內(nèi)的含硒量不等,但大多數(shù)可食用植物的含硒量都比較低,一般為0.01～1.00 mg/kg[54]。目前關(guān)于硒對(duì)植物的毒害閾值尚無明確定義,施用外源硒肥是獲得優(yōu)質(zhì)富硒農(nóng)產(chǎn)品的有效途徑,但由于硒礦粉等施用后大量的硒殘留在土壤中,造成了環(huán)境問題。該研究以植物體出現(xiàn)相應(yīng)癥狀時(shí)的葉面噴施硒濃度為定義,整理不同植物對(duì)硒的毒害閾值(表2)。

表2 植物葉面噴施硒的毒害水平

不同物種作物對(duì)硒的毒害閾值呈現(xiàn)出了顯著性差異。通常按照不同植物物種對(duì)硒耐受和積累程度的不同,可分為3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)[66]。不同培養(yǎng)條件下生長(zhǎng)的作物對(duì)硒的毒害閾值同樣呈現(xiàn)顯著性差異,杜芳等[67]研究表明,平板培養(yǎng)條件下硒濃度>160 mg/kg;液體搖瓶條件下硒濃度>4 mg/L就會(huì)抑制菌絲生長(zhǎng)速度;栽培模式下,硒濃度>600 mg/kg,菌絲產(chǎn)量亦與對(duì)照相比差異不顯著。不同的硒形態(tài)影響植物的毒害閾值,研究表明,外源Se(Ⅵ)和外源Se(Ⅳ)對(duì)玉米生長(zhǎng)具有抑制作用,硒濃度<5 mg/kg時(shí),Se(Ⅵ)毒害性小,硒濃度10～40 mg/kg時(shí),Se(Ⅳ)毒害性小[68]。而植株發(fā)育成熟程度也會(huì)影響硒的毒害閾值,吳永堯等[69]研究表明,硒濃度>20 mg/kg對(duì)大豆苗期生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制,到后期各處理間形態(tài)上無明顯差異。

4 植物對(duì)過量硒的耐性機(jī)制

過量的硒對(duì)植物有毒害作用,已知通過2種機(jī)制實(shí)現(xiàn),一種是畸形的硒蛋白,另一種是產(chǎn)生氧化應(yīng)激[70]。而耐硒植物耐受高濃度硒的機(jī)制為減少細(xì)胞中硒代半胱氨酸和硒代甲硫氨酸的濃度[71],這些氨基酸滲入蛋白質(zhì)后影響植物蛋白結(jié)構(gòu)和肽鍵狀態(tài),對(duì)蛋白功能造成損壞[72]。Gabel-Jensen等[73]研究表明,硒若轉(zhuǎn)化為非蛋白硒代氨基酸能夠減少硒的摻入。此外Pilon-Smits等[74]研究表明,植物可以將Se6+轉(zhuǎn)化為易揮發(fā)物質(zhì)二甲基硒醚或二甲基二硒醚,將體內(nèi)硒外排,從而提升植物耐硒能力。由此可見,耐硒植物的轉(zhuǎn)化效率可能高于硒敏感植株,進(jìn)而揮發(fā)體內(nèi)更多的硒,降低硒污染帶來的傷害。因此培育耐硒植物應(yīng)選擇可以適度拒硒或能夠轉(zhuǎn)化毒性較高無機(jī)硒為氣態(tài)硒揮發(fā)的植物。

5 展望

目前人類攝取硒的主要途徑為攝取植物體內(nèi)積累的硒,當(dāng)前雖對(duì)植物硒的生理功能有所研究,但隨著工業(yè)化的發(fā)展和煤的開采,使得土壤硒污染日益顯現(xiàn),現(xiàn)研究的防范措施尚不能完全解決硒污染帶來的生態(tài)危害,需要從硒污染評(píng)價(jià)、分析和創(chuàng)制硒富集植株三部分著手深入研究。其中加強(qiáng)土壤硒污染評(píng)價(jià)的研究主要是通過定性分析和定量分析相結(jié)合,豐富土壤硒污染的評(píng)價(jià)研究方法,合理確定各評(píng)價(jià)因子的選擇和對(duì)整個(gè)評(píng)價(jià)單元的權(quán)重,為因地制宜進(jìn)行土壤硒污染的防范治理提供系統(tǒng)性理論依據(jù)和研究思路;傳統(tǒng)修復(fù)措施主要包含客土法、淋洗法、熱處理和固化等方式,但由于難以大規(guī)模推廣,無法應(yīng)急修復(fù),需要未來加強(qiáng)研究土壤硒污染的修復(fù)理論技術(shù),提高應(yīng)對(duì)土壤硒污染的能力;植物對(duì)硒的超富集、高耐受機(jī)理機(jī)制的研究,目前已發(fā)現(xiàn)的真正意義上的超硒富集植物只有雙槽紫云英,厘清硒在植物體內(nèi)的基因調(diào)控機(jī)理,快速篩選出具有應(yīng)用價(jià)值的硒富集和耐硒植物,將硒富集植物與植物修復(fù)技術(shù)有效地配套組合,可為土壤硒污染修復(fù)的發(fā)展提供一定的理論基礎(chǔ)。