植物对硒的吸收和代谢研究进展及对富硒种植业发展的启示

李琳玲，张国际，郭杰，肖贤，程水源，程华1，

（1.经济林木种质改良与资源综合利用湖北省重点实验室/黄冈师范学院，湖北 黄冈438000；2.武汉轻工大学生物与制药工程学院，武汉430023；3.麻城市林业局，湖北 黄冈438300；4.湖北省农业科学院中药材研究所，湖北 恩施445000）

硒是哺乳动物必需的微量营养元素之一［1］。在世界范围，有40多个国家和地区出现缺硒现象，且广泛分布；在中国，除了湖北恩施、陕西紫阳和江西丰城三大富硒地区外，其他大部分地区均为低硒或缺硒地区，约有1亿人口的膳食结构中硒含量不足。人体硒缺乏会引起甲状腺功能减退、心血管疾病、免疫力下降、男性不育、认知能力下降及增加癌症发病率等［2］，从而严重影响人类健康。植物性食品作为人体硒摄入的主要来源，是决定食物链中硒水平的重要环节，对于调节人体硒素营养起枢纽作用。因此，植物硒生物强化，即通过农业措施以及遗传育种手段来提作物硒的积累量，将无机硒转化为生命活性物质对人体营养和健康具有非常重要的意义。本研究对国内外植物对硒的吸收和代谢文献进行总结分析，在阐述植物在对环境硒循环代谢的作用基础上，系统分析近年来关于植物对硒的吸收、转运、积累及代谢的研究进展及其对富硒种植业发展策略的启示，以期为合理利用环境硒资源优势，充分发挥植物硒生物强化功能，提高富硒农业产业水平提供理论指导。

1 环境中的硒循环与植物对硒的吸收

硒以不同形态（无机硒和有机硒），在整个生物圈中（包括大气、水、土壤、动物、植物、微生物等）存在，在环境酸碱度、氧化还原电位（pH、Eh）和生物作用等因素的影响下会发生相互转变、迁移和循环（图1）［3，4］。

图1 土壤硒迁移、转化过程

在硒循环生物圈中，以植物硒吸收、转化和积累为其中重要环节，备受关注，如天然富硒土壤栽培、土壤增施硒肥、叶面喷施硒肥及改善土壤有效硒含量［5-7］等试验，大量的研究结果表明，植物对环境硒的吸收转化主要在于土壤中的有效硒含量高低。无机硒肥料的应用，尤其是增加土壤有效性硒浓度，通过可食用植物的转化，达到增加膳食中硒含量，改善缺硒状态，对维持人和动物健康具有重要意义。

土壤中硒来源主要以自然因素为主，如岩石的分化、大气沉降和火山作用等，人为因素包括工业废渣、人工施硒等。土壤中硒是植物硒吸收的主要来源，土壤硒的含量、形态、分布及生物有效性是影响植物硒积累量的决定性因素［8］。

不同地区土壤中硒的含量因土壤母质、气候条件以及土地利用方式的差异而不同。世界土壤自然含硒量为0.01～2.00 mg/kg，平均为0.40 mg/kg，最高可达到1 200.00 mg/kg［9］。全球高硒土壤呈不连续的点状分布，仅在美洲、欧洲、亚洲个别地区有报道，这些土壤中的平均硒含量为4.00～5.00 mg/kg，个别地区可达80.00 mg/kg以上［9］。中国土壤含硒量分布不均，除三大富硒地区湖北恩施、陕西紫阳和江西丰城外，大部分地区硒含量在0.20～0.30 mg/kg，平均硒含量为0.25 mg/kg，其他地区均为低硒或缺硒地区［10］。

硒在土壤中以硒酸盐、亚硒酸盐、元素硒、硒化物、有机硒以及气态硒等多种形式存在。瞿建国等［11］研究认为，土壤中水溶态硒主要是以硒酸盐、亚硒酸盐和可溶性有机硒形式存在，而交换态硒主要是以亚硒酸盐形式存在。不同形态硒的有效性不同，一般认为易溶于水的硒酸盐（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；亚硒酸盐（SeO32-）主要存在于水稻田等中性偏酸性土壤中（pH+pe=7.5～15）［12］，虽然亚硒酸盐易溶于水，但由于其在土壤中易被氧化铁或氢氧化铁吸附，而导致生物有效性相对硒酸盐较低；硒化物（Se2-）难溶于水，仅存在于低氧化还原式土壤中（pH+pe＜15），在耕作土壤中存在很少，植物应用率低。通过测定水培条件下小麦和油菜对硒酸盐、亚硒酸盐、有机硒，如硒代半胱氨酸（Selenocystein，SeCys）、硒代甲硫氨酸（Selenomethinione，SeMet）等4种形态硒的吸收速率，结果发现二者对有机硒的吸收速率明显高于对无机硒的吸收速率［13］。

2 植物对硒的吸收、运输及代谢

硒对于植物本身来说并不是一种生长所必需的营养元素，但适量的硒不仅能够促进植物的生长发育，还能起到改善植物品质的效果，提高抗逆性和抗病性［14］。如对胡萝卜叶面施硒能够显著提高胡萝卜体内各形态硒含量，且随施硒量增加，可以不同程度地提高总糖、胡萝卜素、粗纤维、Ca、Mg、Fe、K等的含量［13］；苦丁茶中添加硒，可以提高其叶片中维生素C含量和可溶性蛋白质含量，改善茶叶品质；硒肥可以通过提高藤茶中可溶性糖、可溶性蛋白质、游离氨基酸及黄酮含量达到改善其品质的目的；另外，硒也可以提高植物体内叶绿素含量，以增加植物光合作用和提高植物的抗氧化能力［15］。目前普遍认为，低浓度硒在不同程度上对植物有促进作用，高浓度则抑制，硒对植物产生毒害的机理主要是由于硒与硫相似的化学性质，硒取代硫参与其代谢，硒结合蛋白质后使原来蛋白质的代谢功能发生紊乱，蛋白酶的活性降低，碳水化合物无法正常合成［16］。

不同植物物种对硒的耐受力不同，按照对硒的耐受和积累程度，被子植物被分为三类：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长，其组织中的硒浓度直接与环境中硒含量相关。

2.1 植物对硒的吸收

研究普遍认为，植物吸收硒的主要途径是土壤或溶液中的无机硒通过木质部从植物根转运至地上部，其过程和外界供硒的形态有关［4，8］。植物主要通过根系从土壤或溶液中吸收无机态硒（SeO42-、SeO32-、HSeO3-、H2SeO3）和少量低分子有机硒（SeCys、SeMet），但不能吸收胶体硒和金属硒化物［18］。植物根系对硒的吸收见图2。

图2 植物根对硒的吸收

2.1.1 植物对硒酸盐的吸收硒酸盐经植物根系吸收，通过硫酸盐转运蛋白（High-affinity sulphate transporters，HASTs）进入植物体内［19］。迄今鉴定的硫转运体基因至少有14个，按进化关系可以分成5组。这些编码硫酸盐转运蛋白的基因一样也出现在其他被子植物，尤其是超聚硒植物中［20］。

硒酸盐转运蛋白对硒酸盐和硫酸盐选择性吸收的能力与硒酸盐水平、转运蛋白的类型以及植物的种类有关。不同亲和性的硫酸盐转运蛋白对硫酸盐和硒酸盐的选择吸收能力不同。Shinmachi等［21］研究认为，当硫酸盐浓度较高时，硫酸盐转运蛋白对硫酸盐吸收能力较高，且诱导表达的硫酸盐转运蛋白相较于组成型硫酸盐转运蛋白具有更强的硫酸盐选择吸收能力。

在拟南芥中，硫酸盐转运蛋白AtSULTR1；1基因在硫充分时对硒的转运贡献不大，但当植物生长硫不足时表达量升高，对硒的聚集能力也会显著升高［12］。当土壤中缺硫或者组织中硒含量升高时，非聚硒和硒指示植物中SULTR1；1和SULTR1；2的表达量通常会升高［22］。这些基因在超聚硒植物的根部组织有组成型高表达，这也许就是其能够大量吸收硒的原因［23］。在硒指示植物中，编码硫酸盐转运蛋白的基因尤其是SULTR1；1基因的大量表达，提高了植株对硒和硫的吸收能力，使得在缺硫条件下植株组织中硒浓度升高［12，21］。拟南芥SULTR1；2缺失突变体，虽然其他的硫酸盐转运蛋白没有缺失，但其根系对硒酸盐耐受能力远低于野生型［24］。

研究发现，在超聚硒植物枝叶中Se/S比例明显高于其他植物［12，25］，某些超聚硒植物，如沙漠王羽（Stanleya pinnata）在外源硫浓度提高10倍时对其体内聚集硒的能力并没有显著影响［26］，这说明超聚硒植物根细胞膜上的硫酸盐转运蛋白对硒酸盐/硫酸盐的选择性跟非聚硒植物相比存在差异，或者在超聚硒植物根细胞膜存在对硒转运更专一的硫酸盐转运蛋白。Inostroza-blancheteau等［23］通过对聚硒植物和非聚硒植物硫酸盐转运蛋白的序列进行比对后发现，聚硒植物双钩黄芪（Astragalus bisulcatus）硫酸盐转运蛋白跨膜区2-α螺旋的第二位甘氨酸被丙氨酸所取代，而该位点被认为是硫酸盐转运蛋白最为保守的区域，保守位点的突变可能导致硫酸盐转运蛋白对硫酸盐/硒酸盐选择专一性的改变。

2.1.2 植物对亚硒酸盐的吸收在土壤pH偏酸及还原性较强时，植物对亚硒酸盐的吸收也普遍存在。植物对亚硒酸盐的吸收机理存在争议；Arvy［27］认为亚硒酸盐的转运是一个被动运输过程，因为代谢抑制剂只能抑制亚硒酸盐吸收的20%～30%，而Li等［28］的研究发现，呼吸抑制剂间氯苯羰氰化物（Carbonyl cyanide mchlorophenyl hydrazine，CCCP）能够明显抑制植物对亚硒酸盐的吸收，这意味着亚硒酸盐是通过主动运输途径被吸收的。

通过进一步研究发现，pH不同，亚硒酸盐进入植物体的形态不同，当溶液中pH较低时（pH=3.0），亚硒酸盐以中性分子H2SeO3的形式被植物吸收，而此时的吸收能被水通道抑制剂（HgCl、AgNO3）抑制，但不为呼吸抑制剂（2，4-dinitrophenol，DNP）所明显抑制。在水稻中鉴定出了参与H2SeO3吸收的载体为水通道家族成员硅转运蛋白OsNIP2；1，这是植物中首次报道的亚硒酸盐转运体。当溶液pH=5.0时，亚硒酸盐主要以HSeO3-的形式存在，此时亚硒酸盐的吸收能够被呼吸抑制剂抑制。当植物缺乏足够的磷时，水稻根部OsPT2基因表达量增加能显著提高植物亚硒酸盐的吸收能力，OsPT2缺失突变体对亚硒酸盐的吸收能力远低于野生型［29］，直接证明磷酸盐转运蛋白基因参与亚磷酸盐的吸收。当溶液pH=8.0时，亚硒酸盐的主要存在形态是SeO32-，其可能通过阴离子通道进入植物体内，但研究显示，阴离子通道抑制剂并不能显著抑制亚硒酸盐的吸收，这说明植物可能存在其他的亚硒酸盐吸收途径，有待进一步研究。

2.1.3 植物对有机硒的吸收土壤中有机硒含量较低，主要以小分子有机硒形式存在；植物根细胞对有机硒的吸收机理目前研究较少。通过对水稻、拟南芥等植物的研究，现已明确植物中负责催化吸收和转移半胱氨酸和甲硫氨酸的转运蛋白负责转运Se⁃Cys和SeMet［30］。

2.2 植物对硒的运输、转化及代谢

2.2.1 植物对硒的运输和重分配植物根部吸收的亚硒酸盐大部分直接同化成有机硒化合物，因此在木质部很少能检测到；而吸收的硒酸盐则很快通过木质部转运到植物地上部分［28］。拟南芥中与硒酸盐在木质部长距离运输有关的基因是硫酸盐转运蛋白同源基因AtSULTR2；1、AtSULTR2；2和AtSUL⁃TR3；5［31］。

植物地上部分的硒主要通过韧皮部进行重新分配，在不同组织进行积累。如富硒大米中，有机硒通过韧皮部能迅速转运到大米胚及胚乳中；无机硒则主要滞留在维管束末端无法进入到大米子粒中［32］。研究发现，硒在植物组织中的空间分布则表现出与硫的分布特征相似，如在富硒大米中，通过进一步的亚细胞结构定位，发现大米子粒中有机硒主要分布在糊粉层，少量分布在胚乳中，且硒的浓度由外部向中心逐渐降低［33］；可见硒与硫在植物体内可能存在相同的转运与重分配机制。

2.2.2 植物对硒的转化和代谢硒通过根进入植株，在体内的代谢过程主要包括硒酸盐的还原、硒代氨基酸的合成以及挥发性硒的形成（图3）。由于硒与硫的化学性质相近，因此目前认为，硒主要通过硫代谢途径进行同化。

植物根吸收的硒酸盐很快由木质部运到植物叶绿体内，按照硫同化途径进行转换。整个同化过程大致为：硒酸盐在叶绿体内被ATP硫酸化酶（APS）激活，形成5'-磷酸硒腺苷（APSe），在APS还原酶（APR）的作用下被还原生成亚硒酸盐，进而通过亚硒酸还原酶或者还原型谷胱甘肽被还原为Se2-。再经过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种代谢途径：第1种是从叶绿体中转运到细胞液中，经过细胞液中硒代半胱氨酸甲基转移酶（SMT）的甲基化转变成甲基硒代半胱氨酸（Methyl-Se-cysteine）。第2种是经过硒代半胱氨酸裂解酶的作用分解成硒和丙氨酸。第3种是在叶绿体中经过胱硫醚合成酶和胱硫醚裂解酶的作用分解为硒代高半氨酸（Sehocys），进一步合成硒代蛋氨酸在蛋氨酸甲基转移酶作用下合成硒代甲硫氨酸，再进一步合成具有挥发性的二甲基二硒化物。第4种是硒代半胱氨酸和硒代甲硫氨酸直接进入细胞液或叶绿体中作为半胱氨酸和甲硫氨酸的替代物，用于合成硒蛋白。其中第1种和第2种代谢方式富集有机硒，且对植物无毒性，是植物最主要的硒代谢方式。

图3 硒在植物组织中的转化和代谢

研究表明，硒向有机硒同化过程中关键限速步骤为硒酸盐向亚硒酸盐的转化［34］。在拟南芥等植物基因组中有4个编码APS基因和3个编码APR基因。其中，APS基因的表达情况决定了植物聚硒能力的大小，在非聚硒和硒指示植物中，APS基因表达量受到硫含量的影响，而在超聚硒植物沙漠王羽中，该基因呈组成型表达，不受细胞内硫的影响［23］；且APS基因的表达受到miRNA（如miRNA395）的调控［35］。转基因研究也进一步证实了APS或者APR基因的过表达，会使转化植株叶片中有机硒的积累明显增加［36］。

不同的植物，在组织内聚硒存在形式和浓度各有差异。如富硒大蒜中硒的主要存在形式是硒代半胱氨酸［37］，而可食用的种子及谷物［38］、玉蕊科植物种子［39］和土豆块茎等最常见的硒形式为SeMet［40］。硒代胱硫醚是非超聚硒植物中最常见的硒存在形式，在超聚硒植物中，硒代胱硫醚浓度也很高［41］。西兰花、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在植物体内可以非特异性地参与蛋白质的合成，但目前对含硒蛋白的合成与代谢机制尚不清楚。硒的毒性曾经被认为是由于蛋白质的半胱氨酸和甲硫氨酸被硒非特异性地取代成了SeCys和SeMet；而大部分蛋白酶的活性中心位置由Cys残基组成，因此，SeCys的存在很可能影响蛋白质正常的折叠及催化功能，从而干扰植物正常的生理代谢［43］。但是有研究表明，硒代氨基酸的出现对植物体也可能带来重要的生理促进作用。如富硒大米中硒蛋白可能对大米种子形态建成及营养物质的贮存具有重要作用；圆叶拟南芥的AhPDF1.1蛋白质中SeCys取代有利于提高植物抗虫害及耐硒能力［44］。

对于大部分植物来说，将存在于体内的SeCys和SeMet转化成为无毒或挥发性硒代谢产物，可以提高植物对硒的耐受性［43］。通过模式植物研究推测，硒代半胱氨酸甲基转移酶（SMT）催化SeCys的甲基转移生成硒甲基硒代半胱氨酸（SeMSeCys），S-腺苷-甲硫氨酸∶甲硫氨酸甲基转移酶（MMT）催化SeMet生成硒甲基硒代甲硫氨酸（SeMSeMet）［12，34，43］。其中，SMT基因的表达及活性与植物聚硒能力直接相关：在低耐硒的拟南芥中，不存在SMT编码基因，在基因组中只有单个拷贝的MMT编码基因［45］；在富硒西兰花中，SMT基因表达量与外源施加硒酸盐浓度和组织内SeMSeCys积累量存在直接相关性，超聚硒的黄耆属植物及沙漠王羽的聚硒能力直接与SMT活性呈正相关［46］。在超聚硒植物中，SeMSeCys是主要的硒存在形式［44，47］。此外，葱属植物（香葱、大蒜、韭菜、洋葱）和芸薹属植物（西兰花、球甘蓝、卷心菜、花椰菜、大白菜、羽衣甘蓝）等食叶蔬菜外施硒酸盐或亚硒酸盐后在叶片中可以大量富硒［48］；富硒马铃薯块茎［40］、富硒大豆种子［49］等均富集大量硒代氨基酸。SeCys也可以通过叶绿体膜上的硒代半胱氨酸裂解酶（cpNifs）转化成丙氨酸和硒元素［34］。

虽然硒元素在植物叶片中很少能检测到，但是在超聚硒植物的茎、节结和根的内生细菌和真菌中含量比较高［50］。在植物基因组中也存在与维持组织中硒平衡相关的硒结合蛋白（SBPs）编码基因［51］。在拟南芥基因组中存在3个编码SBPs基因；若将AtSBP1基因转化到其他植物中使其大量表达，可以提 高 植 物 对Se缺 乏 的 耐 受 性［52］。SeMSeCys和SeMSeMet可以与谷氨酸反应转化成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），或者转化为可挥发的二甲基二硒醚（DMSe）或二甲基硒醚（DMDSe）［53］。在超聚硒植物，如双钩黄芪在富硒土壤中生长，依靠其根部共生的固氮根瘤菌作用，促使植株内富集大量的γ-谷氨酰-硒甲基硒代半胱氨酸（γ-Glu-SeMSeCys）［47］。此外，硒还会通过同化挥发从植物体代谢出去，一般情况下，非超聚硒植物中通常以DMSe形式，超聚硒植物常以DMDSe形式挥发［34］。

3 植物对硒的积累能力差异及机理

3.1 被子植物聚硒能力可能的进化机理

植物对硒的积累能力差异很大。超聚硒植物物种常集中在不同科中，其中豆科中含有较多的超聚硒植物。结合被子植物进化历程看，植物中积累硒的能力似乎在以下核心双子叶植物科中独立进化：苋科（石竹目）、菊科（菊目）、十字花科（十字花目）、豆科（豆目）、列当科（唇形目）和茜草科（龙胆目）［9］。不仅在不同的物种间植物的聚硒能力存在差异，在特定物种中不同的生态型间也存在显著差异，Cappa等［54］研究发现，沙漠王羽超聚硒能力仅限于美洲大陆分水岭东侧的种群，西部种群则主要表现为耐硒特性，推测可能是落基山脉的地理屏障作用阻挡了基因流动到西部，耐受较高组织硒含量的能力比超积累硒的这个特性进化地更早，且耐硒能力可能是超聚硒形成的必要条件。在对另一种硒富集植物柳叶白菀［Symphyotrichum ericoides（L.）G.L.Nesom］不同生态型叶片富硒能力研究中亦得到相似的结果［55］。

关于超聚硒能力在植物中的进化机理，目前学者主要提出了以下几种假设。首先，植物耐硒能力进化早于超聚硒能力；植物通过将体内的硒转化为无毒硒代谢物从而限制含硒氨基酸进入蛋白质的生物合成途径，使得植物能够耐高硒环境。因为，如果能在富硒土壤中生存的耐硒植物，其将会有明显的进化优势。这一耐受特性可能是通过根系硒排斥，组织硒耐受或者通过硒挥发机制演变而成。然而，尽管根系硒排斥能让非积累植物在更高的根际硒浓度下生存，但它并不赋予植物拓殖富硒土壤的能力［56］；相反，若以无毒的形式积累硒并通过挥发的方式去除硒，这是许多能够拓殖富硒土壤的硒指示植物和硒积累植物的共同特征［34，57］。其次，有学者提出，硒在植物组织中的积累可以保护它们免受病原体和食草动物的侵害，这可能是超聚硒进化的主要生态驱动力［58］。也有学者认为，硒含量较大的落叶在超聚硒植物周围汇集，可以防止来自对根际硒的耐受性较低物种的竞争［59］。

3.2 物种间聚硒能力差异的分子遗传机理

物种的基因型差异造成组织中聚硒能力的差异现象，备受研究者关注。在相同环境中，拟南芥属不同种间在对根际硒的耐受性和茎硒含量上均有差异，而根际硒的耐受性和相对的茎硒含量之间无相关性。拟南芥种质间的杂交分析表明，控制该物种对亚硒酸盐耐受性的基因只有1个主基因，而控制对硒的耐受性的基因在染色体上至少有3个性状位点（QTLs）［60］。有研究表明，当被同时暴露于亚硒酸盐下，相比于非亚硒酸盐耐受的拟南芥种质（Ws-2），亚硒酸盐耐受的拟南芥种质（Col-0）含有更高的硫含量。这是因为与非亚硒酸盐耐受的种质相比，在亚硒酸盐耐受的种质中，编码SULTR2；2、SUR⁃TR3；1和SULTR3；5的基因以及多个参与硫同化的基因有更高表达；这与“上调硫转运和同化通路是一种提高亚硒酸盐的机制”的假设一致。当将全基因组关联定位技术应用于一组含349种种质的多样性组时，尽管试验中大部分叶硒浓度的差异可以由基因型解释（遗传度0.68），但未能确定影响拟南芥叶中硒含量的QTLs。而通过极端阵列定位法，则推测AtAPR2影响了拟南芥种群的叶硒浓度，该种群来自于一种含有高叶硒浓度的种质（Hodonin）和亚硒酸耐受的种质（Col-0种质）［61］。

富硒作物中，对谷物的子粒中硒含量差异研究一直是研究热点之一。研究结果显示，在大部分谷物的子粒中硒的含量存在显著的基因差异，如圆锥小麦（Triticum turgidumL.）、栽培大麦（Hordeum vul⁃gareL.）、野生大麦（Hordeum spontaneumK.Koch）、燕麦（Avena sativaL.）、水稻等。而对于普通小麦的研究结果存在争议，有研究认为其基因型中硒浓度的遗传差异很小［62］，也有研究认为存在显著的遗传差异，存在结果的差异主要在于小麦富硒状况很大程度上依赖于天气状况、耕作条件和硒肥状况［63］。此外，研究也表明不同基因型小麦子粒硒含量与子粒产量之间存在负相关性，但这种负相关未达到显著水平。通过杂交小麦研究，目前鉴定了4个影响子粒硒浓度的小麦QTLs和若干水稻QTLs［64］，这些位点定位于不同的染色体中，但尚未定位到基因。

已有报道显示，与环境影响相比，基因对豆类植物种子硒含量影响差异相对较小。基因对菜豆（Phaseolus vulgarisL.）或豌豆（Pisum sativumL.）种子硒浓度的效应不显著，无与种子硒浓度变化相关联的单核苷酸多态性（SNP）［65］。相反，鹰嘴豆（Cicer arietinumL.）、小扁豆（Lens culinarisMedik）、绿豆［Vigna radiata（L.）R.Wilczek］和大豆［Glycine max（L.）Merr.］等，基因型变异对种子硒含量有显著影响，并在大豆中确定了2个与种子硒含量差异相关的QTLs，且能确定其中1个QTL包含GmSULTR2；1基因［66］。

更多的研究表明，尽管有很大的环境因素，但大部分植物的聚硒能力表现出显著的遗传效应。洋葱、甘蓝、西兰花、豆芽菜、羽衣甘蓝、大白菜、印度芥菜、菊苣、生菜、番茄、青椒、马铃薯等，植物可食用的茎、叶、花、果实等组织中聚硒能力在不同的基因型种质中差异达到显著水平［10］。

在调控植株聚硒能力的关键酶或关键基因方面研究，一般认为，由于硒进入植物体内代谢途径主要依赖于硫转运及代谢体系，因此，能催化硒酸盐转化为腺苷硒酸盐的ATP硫酸化酶（APS），及促使硒代半胱氨酸同化成无毒硒代氨基酸的关键催化酶硒代半胱氨酸甲基转移酶（SMT），是植物硒聚集过程中2个关键酶，在植物富集硒中具有不可替代的作用。大量的转基因研究表明，使上述2个酶编码基因过表达，能够显著提高植物组织耐受硒的能力；尤其当2个基因同时过表达时，甚至能够显著提高植物组织积累更高浓度硒的能力［9］。与未转化的对照相比，过表达SMT，无论有或没有同时过表达ATPS，能提高转基因植物对根际亚硒酸盐，有时甚至是硒酸盐的耐受性，能增加叶片中总硒、硒-甲基硒代半胱氨酸和γ-谷氨酰基-硒-甲基硒代半胱氨酸的浓度，并且增加硒挥发［67］。此外，编码硒代半胱氨酸裂解酶（cpNifs）基因的过表达对转基因植物的根际硒酸盐和亚硒酸盐耐受性有不同的影响，但是与非转化植物相比，能引起暴露在硒酸盐或亚硒酸盐的转基因植物的叶片中含有更高的硒浓度及更少的硒合成蛋白（减少硒毒害）［68］。

4 植物体内硒生物强化与重金属互作

硒生物强化即通过农业措施（又称“农业生物强化”，Agronomic biofortification）及遗传育种手段（又称“遗传生物强化”，Genetic biofortification）来提高作物中能为人体吸收利用的硒含量［7］。农业生物强化通过合理的增施硒肥等农业手段调节植物硒吸收、积累能力，从而达到增加作物收获部分硒含量的目的。而遗传生物强化则是在研究植物硒含量种间和种内差异的基础上，以选择天然耐硒、超富硒植物种质方式，或者通过生物技术手段对经济作物调控硒耐受和硒聚积能力的关键遗传基因进行改造，从根本上提高作物硒水平［69］。

研究表明，植物体内适量的硒生物强化能显著降低组织中重金属的积累，组织中硒的转运和积累可能与重金属间存在一定的互作效应。如芥菜（Si⁃napis alba）地上部分的茎和叶组织中硒含量的增加能显著降低Cd、Zn、Cu和Pb的积累［70］；莴苣（Lactuca sati⁃vaL.）大田试验也证实施加亚硒酸盐，可以显著降低环境中Cd和Pb在植物地上部的含量［71］。重金属在作物地上部积累量的下降可能与组织中硒的加入能够抑制重金属在作物根部向地上茎和叶部等组织的迁移和转运有关。因为在水稻中加硒处理虽然显著提高了As在水稻根部的积累，但能显著降低水稻地上部组织中As含量［72］；在大蒜（Allium sativum）根部组织中，加硒能够显著降低Hg在大蒜根尖中柱鞘中的含量，这意味着硒能够拮抗Hg从根部向地上部分转运，从而减少Hg在地上部分的积累［73］。

硒对重金属积累的这种拮抗效应受硒和重金属浓度及形态等多种因素的影响。环境中砷浓度较高时，硒浓度的增加能够显著降低As在蜈蚣草（Pteris vittataL.）中的积累，但当环境中砷浓度较低时，蜈蚣草中砷的积累量随硒浓度的增加先降低后升高［74］；硒酸盐或亚硒酸盐都能有效降低Hg在大蒜根、茎、叶中的积累，但低浓度硒对大蒜Hg含量几乎没有影响［73］；在油菜（Spinacea oleracea）中，硒对植物Cr（Ⅲ）吸收的抑制作用显著强于对Cr（Ⅵ）的抑制。但是也有研究表明，硒不仅不能拮抗重金属的积累，甚至可能增加重金属在植物中的含量。如硒处理增加了As在黑眼苏珊（Thunbergia alata）的积累，提高了小麦地上部Cd和Cu的含量［75］；陈姗姗等［76］通过对冬小麦盆栽试验发现，低硒水平时，小麦的硒含量随外源汞的增加而增加，两者为促进作用；在高硒水平时两者则表现为拮抗作用。Feng等［77］研究认为，造成这样结论的差异，可能是由于试验处理中硒的添加量不合理，或者是作物品种不同，这需要做进一步深入研究。因此，作物种类、重金属形态与含量以及硒的施用量是推行硒生物强化必须考虑的因素。

5 小结与展望

硒是一种动物健康生长必需的微量元素之一，可食用植物的硒强化作为动物或人类硒营养摄入是相对最有效和安全的方式；此外，针对近年来由于人类活动而被过度硒污染的土地修复问题等，了解原生植物在富硒土壤中生长代谢情况，研究植物对硒的吸收、转化和积累代谢具有重要意义。综合近期相关文献，富硒种植技术研究发展迅速，但也存在不足。

5.1 植物硒代谢机理研究需深入

植物对硒的吸收和代谢比较复杂，很多相关机制还不清楚。从人类营养健康的角度来讲，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强化后的作物虽然硒含量有所提高，但硒主要分布在不可收获的部分。此外，由于人体对不同形态硒的吸收和利用效果差异很大，如Se⁃MeSeCys的抗癌效果较好，因此，从人摄取利用硒的有效性和价值来讲，如何通过植物代谢调控技术提高作物可食用部分中有价值的生物硒（如SeMeSe⁃Cys）成分含量，可能对人类更有益。

另外，目前对富硒农作物研究主要集中在常见的若干种食用果蔬、谷物，关于硒的富集对以利用次生代谢产物为主的植物，如中草药类或药食兼用植物，其药用食用经济价值是否有影响，目前尚缺乏系统的研究。这也是将来富硒地区种植业全面发展的一个研究内容。

不同植物对硒的忍耐和聚集能力有明显差异，如果盲目通过富硒土壤栽培或外源施硒肥等基本栽培技术对硒不耐受作物进行处理，不仅效果不好，而且可能是不安全的。因此，高硒地区种植业技术推广中，农作物种类选择上要慎重。

5.2 硒与重金属互作机制研究需要加强

硒与重金属互作的研究虽然取得一定的进展，但是两者相互作用的机制尚不清楚。目前，有关适量硒能够缓解重金属毒害的机理研究主要集中在硒的抗氧化作用上，但重金属胁迫下植物抗氧化系统与硒形态、浓度以及重金属种类之间的关系仍待阐明。关于重金属如何影响植物硒吸收、转运、代谢和积累的报道较少；那么在重金属含量较高情况下，如何有效降低重金属在作物中的积累同时提高作物硒营养水平，这对大部分富硒地区种植业来说意义重大。

大量研究表明，土壤硒与重金属之间有一定的伴生关系，随着工业化、城镇化的发展等各种因素使得富硒地区存在较大的重金属威胁。如安徽池州富硒地区，土壤重金属镉与土壤硒水平空间分布较为一致［78］；浙江金华富硒地区存在镉、铅、锌、铜的污染［79］；湖北恩施部分富硒茶园土壤中镉略有超标［80］；巴西58个土壤样品中硒含量与土壤pH和金属铝的含量相关［81］。然而，这种富硒地区土壤重金属含量超标也不是绝对的，宋明义等［82］研究指出，特殊的地形地貌、母岩风化物质搬运条件以及有利的土壤理化性质等条件，使得浙江典型富硒地区土壤中重金属较少，但是成土母岩中与硒伴生的重金属汞、镉、铅、砷等含量仍较高。这也为富硒地区土壤中重金属污染修复提供了有利的参考。

5.3 通过遗传生物强化提高硒生物强化效率将是富硒农业研究的前沿

相对于农业生物强化而言，遗传生物强化对加强硒生物强化发展潜力更大。近年来，随着研究的深入，对植物硒代谢机理研究已由最初的比较植物对硒的吸收、组织分布及硒积累差异，慢慢集中于确定影响植物硒获取与硒积累的遗传因素；通过对关键酶基因进行遗传操作，来增加植物组织中硒积累量或促进硒挥发，对植物硒强化和植物硒修复2个方面均有益。硒的代谢过程与其他矿物质代谢一样，在植物体内的平衡代谢是一个复杂的调控过程，不是受个别基因控制；因此，要对该调控机理做更系统的研究，需要从组织学水平进行详细的分析研究，目前来看此研究相对滞后。近来在部分农作物上，确定了控制植物硒耐受和硒聚积能力差异的潜在染色体位点（QTLs），这使定向选择和培育耐硒、强聚硒农作物新种质成为可能。尽管现在对于植物硒积累的遗传学知识仍显粗浅，但在植物生理学和生物化学的坚实基础上，随着分子技术现代工具的应用，这一领域将会迅速发展。遗传生物强化研究必将成为硒生物强化研究的前沿。