硒的自然分布及植物对硒的吸收转运转化机制研究进展

程兆东，王喜东

（1.濮阳市华龙区土肥站，河南濮阳 457001；2.濮阳市华龙区惠民种植农民专业合作社，河南濮阳 457002）

硒的自然分布及植物对硒的吸收转运转化机制研究进展

程兆东1，王喜东2

（1.濮阳市华龙区土肥站，河南濮阳 457001；2.濮阳市华龙区惠民种植农民专业合作社，河南濮阳 457002）

硒对人体具有重要的生理作用，生产开发富硒农产品是解决硒缺乏症、改善人类硒营养的主要途径。文章综述了硒在自然界的自然分布、存在形态，在植物中的吸收转运和转化规律，富硒农产品的开发现状，旨在研究硒的食物链传递规律，为富硒农产品的开发推广提供科学依据。

硒分布 形态 植物 吸收 转运 转化

自从硒元素被发现后，人们对硒进行了多方面的研究，并逐步认识到，硒为“人体必需的微量元素之一”[1]，“人体必需的15种每日膳食营养元素之一”[2]。

20世纪50年代前，人们发现硒对人畜具有剧毒，并进行了研究；20世纪70年代后，重点探索硒对人畜和植物的生理作用；当代，对硒的研究已经深入到分子水平。曾静等[3]研究表明，硒具有免疫功能、抗肿瘤作用、预防心脑血管疾病等作用。医学研究也发现，克山病、肿瘤、糖尿病等多种疾病与缺硒有关[4]。因为硒对人体健康的重要性，硒元素被誉为“抗癌之王”等称号，国家卫生部也将生产、推广、食用富硒农产品，补充硒元素，普及硒知识提高到了全民健康工程的高度。

近年来，我国科研工作者在硒对植物的生理作用、对人体的生理作用的理论研究和富硒农产品的研究开发方面取得了一定的进展，并走在了世界的前面，但是，对硒元素在自然界的分布和硒元素在植物体内的吸收、转运和转化机制方面的研究还比较分散，不够系统、深入、全面。该文对硒在自然界的分布，存在形态，在植物中的吸收、转运和转化规律，富硒农产品开发现状4个方面进行了综述，旨在研究硒的食物链传递规律，为富硒农产品的开发推广提供科学依据。

1 硒在自然界的分布

自然界中，硒存在于土壤、空气和水中。张弛[5]研究发现，空气中含有极少量的挥发硒，水中含量也仅有0.02～10μg/L；大量的硒存在于土壤中。

1.1 土壤中硒的分布与含量

戴维等[4]和WHO研究发现，世界上各国土壤全硒含量在0.1～2.0 mg/kg之间，不同国家和地区土壤全硒含量有着较大的差别，同一国家不同地区差别也很大。如，美国土壤的全硒含量有的高达20～40 mg/ kg，也有的在0.1 mg之下；加拿大白垩纪地层区土壤平均全硒含量为0.1～6.1 mg/kg；澳大利亚土壤为0.02～0.49 mg/kg；俄罗斯平原地带土壤则小于0.01 mg/kg。我国有2/3的土壤缺硒，硒含量在0.1 mg/kg以下，其中有近1/3的土壤严重缺硒，硒含量在0.02 mg/ kg以下。《中华人民共和国地方疾病与环境因素图集》显示，从东北3省起，斜穿至云贵高原，占中国国土面积70%的地区存在一条低硒地带，它包括东北的暗棕壤、黑土，黄土高原的褐土、黑垆土，川滇的紫色土、红褐土、红棕壤以及西藏高原东部和南部的亚高山草甸土等。全国有72%的人口存在不同程度的硒摄入不足[1]。中国农业科学院绘制的《中国土壤硒元素含量分布图》也得出了类似的结果，进一步证明了我国是一个72%国土面积缺硒的严重缺硒国家，同时反映出严重地方病经常发生的地区，正是严重缺硒的地区，在此有力地证明了硒与人体健康密不可分的关系。

我国也存在着世界知名的富硒地区，如湖北恩施就是我国最早被证实的富硒地区[6]，有“世界硒都”、“世界生物硒库”称号，土壤硒均值3.958 mg/kg。

1.2 土壤中硒的形态

对土壤中硒的形态，国内外有多种划分方法，多是依据浸提技术来划分。在我国划分方法也多种多样、不一而足，但有一个共同的特点就是无论如何划分都有一种大家公认的形态：水溶态（可溶态）。据此，根据其是否溶于水，能否被植物直接吸收利用可将其划分为水溶性硒和非水溶性硒两大类，这种划分方式与农业生产联系比较紧密，具有较强的指导意义。硒酸盐、亚硒酸盐和与富里酸络合的硒都属于水溶性硒，其它的如元素态、可交换态、有机结合态、铁锰氧化物结合态和残渣态硒都属于非水溶性硒。硒酸盐（Se6+）在碱性土壤和干旱土壤中含量高，条件具备时还能转化为亚硒酸盐（Se4+），一方面易被植物吸收，另一方面还能产生植物硒毒；亚硒酸盐（Se4+）在酸性土壤和南方湿润森林土壤中含量高；大分子的有机态硒难溶于水，植物难于吸收，如与胡敏酸络合的硒，但与富里酸络合的硒易被植物吸收。Beeson K C[7]等认为土壤中的矿物态硒主要是亚硒酸盐、硒酸盐。全硒是指各种形态硒的总和，但其数值并不能代表土壤中有效硒含量，它同植物的吸收往往没有显著关系[8]，植物可利用的只是其中的有机硒化物、硒酸盐和部分亚硒酸盐[9]。把这部分可被植物吸收利用的水溶性硒称为土壤有效态硒，常把测定土壤中水溶态硒作为测定土壤中有效硒的重要方法。

对于土壤有效硒的问题很早就有人进行了研究。OIson等利用盆栽试验，证实了土壤中硒的有效度决定于土壤中水溶性硒的数量。对我国陕西部分地区土壤水溶性硒含量与当地生产的小麦和玉米籽粒中硒含量的统计结果也说明了水溶性硒含量同作物吸硒量间有良好的相关性[9]。

影响土壤中有效硒含量的因素有土壤全硒含量、土壤理化性质、土壤pH值、土壤有机质含量和土壤氧化还原电位等。一般认为，土壤全硒含量与土壤有效态硒的含量成正比；土壤粘粒能吸附土壤硒，可降低土壤中硒的有效度；土壤pH值越高，土壤硒的有效度梯度增加越大；在半干旱条件下，土壤以氧化作用为主，硒主要以硒酸盐形式存在，具有较高的水溶性，硒的有效度增加，而在湿润条件下，土壤以还原作用为主，硒的主要存在形态为亚硒酸盐，易被含铁、铝粘粒吸附，形成难溶的亚硒酸铁盐，降低土壤硒的水溶率；土壤有机质含量与土壤有效态硒含量呈正相关。

2 植物对硒的吸收、转运和形态转化机制

植物是通过土壤和叶片来吸收硒的，吸收的硒有硒酸盐、亚硒酸盐和有机硒化物，其中土壤硒是植物吸收硒的主要来源。不同的植物硒的含量差别很大，根据不同植物积累硒的能力大小，可将植物划分为聚硒植物和非聚硒植物。聚硒植物可作为硒指示植物，如恩施碎米荠，据向天勇[10]研究，实验条件下根、叶硒的最大含量分别是847.88±39.59 mg/kg和1 075.72±37.82 mg/kg；野生条件下，碎米荠各器官硒含量顺序为种子＞茎＞根＞叶。恩施碎米荠可与美国的双钩黄芪和沙漠王羽并称为世界三大硒的超积累植物。吴军等[11]研究结果表明，黄芪属植物，硒含量为1～10 g/kg。大部分植物属于非聚硒植物，含硒量在30 mg/kg以下，刘铮[12]研究发现，不同作物对硒的吸收和富集能力有很大差异。一般来讲，作物聚硒能力的大小顺序是十字花科＞豆科＞禾本科，就目前已知的作物而言聚硒能力的大小顺序是恩施碎米荠＞黄芪＞油菜籽＞大豆＞小麦＞蚕豆，玉米、甘薯和蚕豆的硒含量均＜0.05 mg/kg。

2.1 植物根系对硒的吸收机制

植物根系对硒酸盐的吸收。White等[13]认为，硒和硫化学结构和化学性质相似，许多含硒和含硫的化合物在生物细胞内不易区分，植物根系对硒酸盐的吸收可通过硫酸盐转运体进行，在不同的硒酸盐和硫酸盐共给条件下，硒酸盐和硫酸盐通过多种硫转运途径进入植物体内。施和平等[14]的研究表明，缺硫处理番茄对硒的吸收运输和转化有促进作用。王卫真等[15]认为硒是通过取代含硫氨基酸中的硫原子而进入蛋白质的，这两种元素在吸附和吸收过程中，发生激烈竞争，硫酸盐通过竞争作用影响硒酸盐的吸收。Schiavon等[15]对高聚硒植物沙漠王羽的最新研究表明，在高聚硒植物进化过程中可能还保留特异性硒酸盐的转运体。可见，植物根系对硒酸盐的吸收与硫酸盐的吸收高度相关，但对于根系吸收硒酸盐和转运载体的认识争议很大，在高聚硒植物和低聚硒植物中可能存在不同的硒酸盐吸收过程，这需要进一步研究证实。

植物根系对亚硒酸盐的吸收。与硒酸盐的吸收不同，目前，对亚硒酸盐吸收机制的研究远没有对硒酸盐吸收机制研究的深入，没有形成统一的共识，还有待从分子生物学等角度继续探索。Arvy M P[16]研究表明，呼吸抑制剂对亚硒酸盐的吸收具有一定的抑制作用，这种抑制作用，只有25%左右，这说明亚硒酸盐可能是通过被动扩算进入植物根系的。Li等[17]最新研究发现，植物对亚硒酸盐的吸收机制和磷酸盐十分相似，可能是由磷的转运子调控的。Zhang L H等[18]研究说明，水稻根系的磷酸盐转运子在亚硒酸盐的主动吸收过程中有重要作用，转运子的过量表达或缺失都能显著增加或减少水稻对亚硒酸盐的吸收。

关于植物根系对有机硒化物的吸收及影响因素的研究较少，公开报道的就更少了，有待进一步加强。

2.2 植物叶片对硒的吸收机制

近年来，许多学者对粮食作物、果树和蔬菜等进行了叶面喷施硒肥试验，发现叶面喷施硒肥可以提高其体内的硒含量。高新楼等[19]于小麦孕穗期和灌浆期对其各喷施一次富硒液的试验表明，叶面喷施富硒液能显著提高小麦籽粒中的硒含量，并且小麦籽粒中的硒含量与富硒液的浓度成正比关系。郑晓翠等[20]对巨峰葡萄的试验、程兆东等[21]对晚秋黄梨的试验同样证实了这一点。王其兵等[22]对花生的研究表明，根、茎、叶和花生仁中的硒含量与叶面施硒浓度呈显著正相关，并且叶片对硒酸盐的吸收能力明显高于亚硒酸盐。Chen L C等[23]分别给水稻喷施硒酸钠和亚硒酸钠，也证实了硒酸盐对增加作物硒含量具有更高的有效性。

2.3 植物对不同形态硒的转运机制

植物对不同价态硒的转运机制是不同的。对硒酸盐的吸收，首先，植物根系细胞将硒酸盐吸附到根细胞周围，然后通过共质体和质外体途径进入木质部，再进入导管，通过导管输送到植物叶片中，在叶片中，先转化为亚硒酸盐，再转化为有机态硒，然后输送给植物其它器官。大量的硒酸盐为主动运输，需要能量，其运输过程可被呼吸抑制剂或低温抑制，也有部分硒酸盐可在木质部中被动运转。对亚硒酸盐的转运一般认为，在根部将吸收的亚硒酸盐转化为Se6+及有机硒化合物（硒代蛋氨酸及其氧化物、硒甲基半胱氨酸等），然后将硒酸盐和很小部分硒化物输送到植物叶片，在叶片中，硒酸盐转化为亚硒酸盐，再转化为有机态硒，最后转运到植物的不同器官中，绝大部分硒化物仍聚集在根部，这一转化过程慢于根系吸收，是不需要能量的。Asher[24]用75Se示踪法和色谱法证实植物体内转移的硒是硒酸根形态，进一步说明了这一点。

2.4 植物体内硒的形态转化

植物体内的硒按照是否含有碳元素可分为有机硒和无机硒两种。其中，有机硒约占总量的80%以上，有硒蛋白、硒多糖以及硒与蛋氨酸、RAN、多糖果胶、多酚的结合态等，以硒蛋白为主；无机硒主要以硒酸盐的形态存在，含量较少，约占总硒量的8%左右。杨玉玲等[25]研究发现大豆籽粒中硒的主要赋存形态是有机硒，约占总硒量的84%～91%，无机硒仅占8.9%～16.0%；赵萍等[26]对富硒小麦的研究也同样表明，籽粒中硒的主要赋存形态是有机硒，占总硒量的84.36%，其中硒蛋白占54.46%。

目前，大家普遍认为，硒在植物体内代谢途径有两条，一是硒的基本代谢途径，二是硒的特异性代谢途径。

硒的基本代谢途径认为，植物体内的硒与硫具有相同的代谢途径，植物根部吸收硒后，无机态硒通过植物硫同化代谢途径转化为有机态硒，Pilon-Smits EAH等[27-29]认为这个过程同时发生在植物的叶片和根部，植物硒的同化作用主要发生在叶片叶绿体中。

硒的特异性代谢途径主要是指高聚硒植物，这些植物可以区分硫与硒，可以特异性的将SaCys甲基化为MeSeCys，导致其不能参与蛋白构成而发生毒性作用[30]。这个甲基化过程由SeCys甲基转移酶介导完成。这种酶存在于高聚硒植物中，如大蒜[31]、西兰花[32]等，表明这种酶可能在硒特异性代谢过程中发挥重要作用。

3 富硒农产品的生产

富硒农产品是指作物在生长过程中自然富集硒元素，并且硒元素含量达到规定区间值要求的农产品。富硒农产品按其生产方式不同可分为天然富硒农产品和硒植物强化农产品。天然富硒农产品主要是指聚硒植物经过加工后的产品，如湖北恩施的碎米荠、富硒茶、粉葛等。硒植物强化农产品是指通过给植物叶面喷施硒肥和土壤施硒等方式来提高食物中硒元素含量，生产出来的农产品。如人和动物可食用的小麦、水稻、玉米、大豆和荞麦等，绿肥牧草作物苜蓿等，园艺植物梨、葡萄、苹果、大蒜和洋葱等都可以作为植物强化对象，生产出富硒农产品。Thiry等[33]认为，大多生物强化植物均为非聚硒类植物，其硒聚集能力有很大差别。据不完全统计，目前见诸报刊并被人们认可的富硒农产品有20多种，主要有粮食作物富硒水稻、富硒玉米、富硒小麦、和富硒荞麦等，豆类作物富硒大豆、富硒芸豆等，蔬菜类作物富硒洋葱、富硒大蒜等，药用作物富硒枸杞、富硒黄芪等，水果类作物富硒梨、富硒苹果、富硒葡萄等，油料作物富硒花生、富硒油葵等，根茎类作物富硒甘薯、富硒马铃薯、富硒葛根等，嗜好作物富硒茶等、干果类作物富硒核桃、富硒枣等，绿肥牧草作物富硒苜蓿等，以及新发现的植物物种、具有“聚硒之王”称号的恩施碎米荠。目前，市面上的富硒农产品种类繁多，良莠不齐，一旦打上“富硒”标签，往往价格倍增，让人望而却步，成了富硒农产品普及推广的瓶颈。

4 展望与问题

综上所述，我国科研工作者对土壤中硒的分布、形态，植物根系对土壤硒和叶片对液体硒肥的吸收转运转化机制进行了大量的研究，但这种研究还仅仅停留在通过土壤或叶片给植物补硒后，硒对植物叶片、籽粒、果实和根茎等器官中硒含量的变化上，对植物吸收转运转化亚硒酸盐和有机肽硒的机制，以及植物对硒吸收转化的生理水平和分子机制等诸多方面的研究还有待继续探索。进一步加强植物对硒的吸收转运转化机制的研究，不仅能对植物进行科学补硒，生产出富硒农产品提供技术支撑，也能对预防硒营养缺乏症提供科学指导。

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