提高作物硒含量研究进展

孙协平，王 武，罗友进，伊洪伟，谢永红，谢德体

（1. 重庆市农业科学院果树研究所， 重庆 401329；2. 西南大学资源环境学院， 重庆400715）

人类通过合理的膳食汲取基本营养元素以维持自身健康，目前全世界约有60%的人缺铁，超过30%的人缺锌和碘，15%的人缺硒[1]。众所周知，硒元素是人体必需的微量营养元素，其在提高人体免疫力和预防癌症方面有着重要作用，然而目前，硒元素的匮乏已经涉及21个国家和地区，波及5～10 亿人口[2]，人均硒摄入量不足40 μg/d。与此同时，缺硒个体也不能过多的补充硒元素，研究表明摄入大量硒会增加内皮功能障碍和糖尿病的风险[3-4]。为了安全起见，世界卫生组织设定安全硒摄入上线为400 μg/d。

土壤缺硒是导致人体硒含量不足的主要因素，在中国、南非、波兰以及其他国家尤为突出[5]。通过生产富硒作物可以有效提高人体硒水平[6]，因此丰富富硒产品来提高人体硒水平这项措施将会产生巨大的社会效益和经济效益。2013年4月发布的《“中国富硒食品标志”行业管理规范》有如下规定：富硒食品，是遵循我国特有的天然富硒带所产富硒食品可持续经营原则，在优良的生态环境下，按照特定方式生产，无污染、安全、优质的食用富硒食品，包括水果、蔬菜、药材、粮油、干果食品、肉蛋类食品等。但是在非富硒地区通过合理的施用硒肥也能够达到富硒的标准。

1 影响土壤硒含量因素

研究表明，我国富硒地区主要集中在南方地区和西北地区。一般认为土壤耕作层硒含量小于0.05 mg/kg 地区为极低硒地区；0.05～0.20 mg/kg 为低硒地区，0.20～0.40 mg/kg 为中硒地区，0.40～3.00 mg/kg 为高硒地区，高于3.00 mg/kg 为极高硒地区。

影响土壤硒含量主要有以下几个因素：首先是成土母质，由于土壤硒主要由成土母质风化释放，因此成土母质硒含量成为影响土壤硒含量的主因。其次是气候环境，Blazina 等[7]研究表明，在具有典型季风气候的中国，降水量是影响硒分布的重要因子。第三是人为因素，随着工业、农业的发展，人为干涉也成为影响土壤硒含量一个不容忽视的因素，如工业污染物，废水废气废物侵入土壤，增加了土壤硒的含量。硒肥的使用增加了土壤硒含量。第四个因素是富硒生物，富硒微生物在土壤中的分解释放硒，也是土壤硒的来源之一。

2 硒存在形态

由于植物主要从土壤中吸取硒，因而土壤硒的存在形态直接影响植物硒的含量。土壤中不同价态的硒以及不同形态的硒的化学性质不同，影响着植物对硒的吸收转运率。土壤中的硒以无机态为主，有Se6+（硒酸盐）、Se4+（亚硒酸盐）、Se（单质）、Se2-（无机和有机硒化物）几种存在形式。硒酸盐和亚硒酸盐以及低分子有机态硒是最易被植物吸收利用。按照提取土壤硒的存在形式可以分为易容性Se （0.25 mol/L KCl 提取）、吸附态Se（0.1 mol/L K2HPO4）、元素态Se（0.25 mol/L Na2SO3）、有机结合态Se（4 mol/L HCl）和残渣Se（HNO3，H2O2，HF 微波消解）[8]。耕作层是经耕种熟化的表土层，一般厚度在15～20 cm，作物根系最为密集，因此耕作层的理化性质如土壤结构、养分含量、土壤的氧化还原电位、土壤pH 值、土壤有机质等会较大程度地影响植物对硒的吸收。

在硒的生态链中植物可以有效的将无机硒转化为有机硒，因此植物体内硒主要以有机态为主，无机态硒含量较少。通过高效液相色谱仪、质谱仪等仪器可以将有机态硒有效的分成硒代甲硫氨酸（SeMet）、硒代半胱氨酸（SeCys）、硒代胱氨酸（SeCys2）、Se-丙烯基硒半胱氨酸亚砜（AllSeCys）、γ-L-谷酰基-Se-甲基硒-L- 半胱氨酸（y-Glu-MeSeCys）、甲基硒代半胱氨酸（MeSeCys）等有机形式而且能够精确测定每种有机态的含量[9]。除了游离态硒氨酸外，硒还以硒钛、硒核酸、硒多糖、硒兹类和类脂和其他类形式存在，不过目前关于这一类物质研究较少。

动物从饮食中摄入的硒被十二指肠等部位吸收后，一部分合成硒蛋白，一部分贮存在体内，剩下的被排出体外[10]。硒作为功能性硒蛋白的必须元素来发挥其生物学作用，如硒是谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）的组分，广泛存在于组织器官中，主要功能是催化还原型谷胱甘肽（GSH）变为氧化型谷胱甘肽（GSSG），使有毒的过氧化物还原成无毒的羟基化合物，保护细胞膜的完整及功能不受到活性氧的干扰与损害。脱碘酶家族、硫氧还原酶、硒磷酸合成酶-2 等都是硒蛋白，到目前为止，至少有20种硒蛋白被鉴定出来。

3 植物对硒的吸收、转运方式

水溶性的硒是植物吸收的主要形式，主要包括低分子有机酸、硒酸盐和亚硒酸盐。硒酸盐主要因为与土壤微粒的吸附亲和力低因而最易被植物吸收利用，亚硒酸因其与土壤吸附能力较强所以相比硒酸盐不易被植物吸收利用[11]。硒酸盐通过硫酸盐转运蛋白进入根系，很快运输到地上部，被还原成亚硒酸盐，进而转化为有机硒的化合物[12]，再分配到植物的其他组织；而亚硒酸盐通过磷酸盐转运蛋白和硅转运蛋白进入根系[13]，在根系中很快转化有机态，如硒代甲硫氨酸、硒甲基半胱氨酸等，有机态硒也会被运输到地上部[14]。当硒酸盐和亚硒酸混合存在时，亚硒酸盐的存在会影响硒酸盐的吸收[15]。硒代半胱氨酸甲基转移酶（SMT）通过转基因技术在非富硒植物拟南芥体内的过量表达促进了硒的吸收，进而证明SMT 是硒富集的关键酶[16]。然而不是所有的植物过量表达SMT 都能够提高植物体内的硒含量。除了SMT，目前研究表明ATP 硫酸化酶、硒代半胱氨酸裂解酶也是植物积累硒过程中的关键酶[17]。

4 提高作物吸收硒的措施

4.1 施肥

在缺硒地区施用硒肥能够显著提高植物体内的硒含量。许春霞等[18]在低硒茶园土里施亚硒酸钠，结果表明茶树硒含量随着硒剂量的提高而增加。Reilly等[19]研究指出洋葱和青葱含有大量保健作用的酚类和黄酮类物质，喷施硒酸盐和亚硒酸盐混合液溶液可使球茎里的硒含量从0.5～5.9 μg/g 增加到40.6～70.0 μg/g，且不影响酚类和黄酮类物质含量。付冬冬等[20]研究指出施硒肥能够提高小白菜的硒含量，而且对小白菜的生长低浓度硒（<5 mg/kg）具有促进作用，高浓度硒（>5 mg/kg）具有抑制作用，同时还指出低浓度的四价态或六价态硒均能促进对氮、磷、钾、硫、镁、锌的吸收。硒的浓度在1～100 μmol/L 范围内不会显著影响小麦大量元素的吸收，对微量元素的吸收也是微弱。

4.2 接种微生物

除了采取施硒肥外，采取接种微生物也可促进植物对硒的吸收。富硒植物芥菜在接种细菌团体（苏云金芽孢杆菌-YAK2，地衣芽孢杆菌-YAK4，内生芽胞杆菌-YAK7，纤维化纤维微细菌-CrK16 和微杆菌-CrK19）后，植株生长量增加进而促进硒的积累[21]。Yasin 等[22]研究表明一种与Bacillus pichinotyi 相似度为99%的YAM 2 菌株接种到小麦根系后不但植株生长量增加，并且显著的提高小麦籽粒（167%）和茎（252%）的硒含量，同时籽粒和茎中铁的含量也增加了，这可能与其提高体内酸性磷酸酶的活性有关，而Guerrero 等研究表明硒酸盐和亚硒酸盐浓度在10～100 μmol/L 范围内显著降低了小麦对铁的吸收（除了100 μmol/L 硒酸盐处理）[15]。由此可见，YAM 2菌株促进小麦对铁的吸收也是比较显著的。柑橘是南方栽培面积最大的果树，在自然栽培条件下其根毛少且短甚至没有，柑橘很大程度上依赖菌根来代替根毛吸收养分、水分和分泌有机物等功能[23]。汤静[23]、王明元[24]的研究表明接种丛枝菌根能够促进柑橘对锌、铁、镁的吸收。此外，也有许多细菌如专性好氧细菌睾丸酮丛毛单胞菌S44 使Se6+、Se4+还原成零价硒元素以降低硒的毒性[25]。

4.3 改良土壤

土壤热力学计算结果表明，在碱性好氧的土壤上硒酸盐是主要形态，在酸性和中性的矿物土壤中亚硒酸盐是主要形态。pH 高的土壤硒溶解度大，可溶态硒含量增高，易于植物的吸收利用，提高富硒地区土壤的pH 能够提高硒的活性；反之硒活性降低[26]。通过施用石灰提高土壤pH，深耕提高土壤的透气性，两种方法均能提高水溶性硒酸盐的含量，促进植物对硒的吸收。利用硒超富集植物沙漠王羽的茎叶当做肥料不但能够提高胡萝卜和花椰菜的硒含量还能提高产量，此外花椰菜中硒以硒代甲硫氨酸的含量最高，占总硒量的58.0%，胡萝卜以SeCyst 含量最高，占33.4%[27]。

4.4 筛选合适的富硒作物品种

不同作物对硒的吸收和富集能力差异很大，即使是同一作物，品种品系之间对硒的吸收能力也有差异。常见作物中十字花科植物对硒的积累能力最强，其次是豆科植物，谷类植物最低，谷类中以小麦对硒的积累最强[28]。在富硒土壤中根据植物对硒的积累量可将植物分为：硒超积累植物（1 000～15 000 mg/kg）、硒储蓄植物（100～1 000 mg/kg）和非富硒植物（10～100 mg/kg）。硒超积累植物如双沟黄芪（Astragalus bisulcatus）、沙漠王羽（Stanleya Pinnata）；较喜硒植物如印度芥菜（Brassica juncea）和壶瓶碎米荠（Cardamine Hupingshanesis）[29]；非富硒植物有三叶草、大麦等。硒超累积植物与硒储蓄植物以有机态形式积累硒，而非富硒植物以无机态硒的形式存在，如双沟黄芪和沙漠王羽以SeMeCys 为硒主要形式，印度芥菜以SeMet 为硒主要形式，而壶瓶碎米荠以SeCys2为主要形式[30]。沙漠王羽能够超富集硒与Vc、谷胱甘肽、总硫含量、非蛋白硫醇水平有关[31]。许多富硒植物能够通过硒代半胱氨酸甲基化转移酶（（SMT））将毒性强的SeCys 甲基化成无毒的游离的MeSeCys 进而降低硒对植物的毒害。非富硒植物如白三叶草、红三叶草、黑麦草在硒浓度为5 mg/kg 时其植株的生长就受到抑制[32]，当硒浓度大于2 mg/kg 时大麦的生长受到抑制[33]。当硒的浓度在4～6 mg/kg 时，菜豆地下和地上部的生长受到显著抑制，这与硒降低植物根尖生长、植物体内激素和内源NO 紊乱有关[34]。

5 展 望

我国是个缺硒大国，发展富硒作物对促进全民健康有着积极的作用。在土壤肥料方面，缺硒地区施用硒肥是一条有效途径；富硒地区除了生产富硒作物外，生产富硒肥料改良相对缺硒地区的土壤状况也是较好的途径；在作物选择上，除了选择富硒作物外，在主要粮油果蔬作物上，如水稻、小麦、花生、苹果、柑橘等筛选富硒品种品系对全民补硒的贡献也较大。

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