外源硒调控植物重金属胁迫机制的研究进展

马俊桃，周文，李静浩，景艺卓，韩丹，邵惠芳

（河南农业大学烟草学院，郑州 450002）

近几年，随着工业、农业的发展以及乡村振兴的推进，人们赖以生存的环境遭受了不同程度的污染，其中重金属污染成为社会各界关注的焦点[1]。工业废弃物、化学肥料和农药含有一些重金属及其化合物，其不规范处理和不当使用都会使部分金属离子流失到环境中，进而不同程度地污染水体与土壤[2]，长期重金属毒害会严重阻碍作物生长发育并导致减产[3]。因此，寻找有效降低重金属对作物毒害作用的方法已成为科研工作者关注的热点。

硒(selenium,Se)是人和动物必需的微量元素，其具有多种生物功能，如抗氧化、预防癌症和提高免疫力等[4-5]。硒在植物体内也是不可缺少的有益微量元素，适当添加外源硒能增强植物光合作用，增加生物量[6]，提高植物抗氧化能力和抗逆性[7-8]。近几年关于硒缓解植物重金属胁迫的研究逐渐增多，研究范围也在逐步扩大。本文综述了植物对硒的吸收、转运与积累规律以及硒缓解植物重金属胁迫的生理及分子机理，旨在为缓解植物尤其是农作物重金属胁迫提供相关的理论基础。

1 硒与逆境胁迫相关研究论文分析

对硒参与调控逆境胁迫相关的研究型论文进行检索并分类整理发现，这些论文主要研究了硒在缓解盐胁迫、干旱胁迫、重金属(镉、铬、铜、铅、铁、汞)和非金属胁迫、低温胁迫、高温胁迫、水分胁迫、营养胁迫、农药胁迫、连作胁迫（重茬胁迫）、萘胁迫、酸胁迫、氟胁迫、菲胁迫、柴油胁迫、H2O2胁迫和生物胁迫等方面的作用。从分析结果来看，硒在响应不同逆境胁迫时存在一些共同作用，如硒能提高植物抗氧化能力、增强光合作用等。此外，硒与逆境胁迫相关的研究主要集中在硒与重金属胁迫、盐胁迫以及自身硒盐胁迫3个方面，尤其以重金属胁迫的研究较为系统，研究材料涉及水稻、小麦等粮食作物，还有葡萄、烟草和油菜等经济作物；研究内容主要涉及硒与光合作用(photosynthesis)、抗氧化系统 (antioxidant system)、植物螯合肽(phytochelatins,PCs)、重金属复合物(hormone)以及对植物重金属的吸收作用（heavy metal absorption）5个方面。因此，本文从植物对硒的吸收和转运、硒对植物光合作用和抗氧化能力的影响，以及硒对重金属离子的吸收、螯合、复合物的形成和金属转运蛋白基因表达的影响等方面，对硒缓解植物重金属胁迫的主要机制进行总结，同时针对现有研究的短板提出进一步探究的方向，旨在为后续研究提供参考。

2 植物对硒的吸收与转运

硒的形态是影响植物吸收利用硒的重要因素。通常认为，植物吸收硒的形态主要为硒酸盐(SeO2-4)、亚硒酸盐(SeO2-3)和少量有机硒[9-10]，植物根系更容易吸收硒酸盐，不易吸收亚硒酸盐，且被吸收的亚硒酸盐大多在根系被转化为有机硒进而向地上部运输[11-12]。陈思杨等[13]研究发现，等量硒酸钠和亚硒酸钠处理的小麦幼苗，根部吸收的硒酸钠有62%被转运到地上部，而亚硒酸钠只有8.2%被转运到地上部。可见，植物对硒酸盐的吸收与转运能力远远高于亚硒酸盐。然而，在相同价态下，硒的吸收速率和转运能力与其浓度、作物种类等密切相关。张联合等[14]发现，低水平亚硒酸钠处理下，茎和根中硒(Ⅳ)总量比值显著高于高水平硒处理。韩丹等[15]研究表明，烤烟品种云烟87相对于K326对硒的吸收速率更高，并且在弱酸和中性环境下更有益于根系吸收硒酸盐；而黎妍妍等[16]则发现，K326更适应于低亚硒酸盐水平下的养分吸收。综上，植物对硒的吸收受硒的形态及含量的影响，另外，不同植物对硒酸盐及亚硒酸盐的吸收速率也不尽相同。

无机硒(硒酸盐、亚硒酸盐)以及有机硒被植物吸收，大多都需要依靠其他元素的转运蛋白。硒和硫(sulfur,S)属同主族元素，化学结构与性质有较高相似性。植物根系可利用硫酸盐转运体来吸收硒酸盐[17]，且通常利用高亲和力硫转运体来转 运[18]，并 且 在 拟 南 芥[19]和 茶 树[20]中 均 证 实SULTR1;2为硒酸盐转运蛋白。与之不同，亚硒酸盐在植物体内则通过磷酸盐转运蛋白来进行转运。Zhang等[21]发现，缺失磷酸盐转运子基因(OsP T2)的水稻根系对亚硒酸盐的吸收显著减少，而过表达材料对亚硒酸盐的吸收显著增加，这说明OsPT2在水稻根系对亚硒酸盐的吸收过程中发挥着重要作用。至今，对亚硒酸盐吸收机制的研究还不够系统和深入，有待从分子层面和多组学角度继续探索。

高等植物能将无机硒转化为有机硒，如硒代蛋氨酸(selenomethionine,SeMet)、硒代半胱氨酸(selenocysteine,SeCys)等，并在植物体内运输。Zhang等[22]发现，水稻吸收亚硒酸盐后，在根中迅速转化为SeMet，大部分存在于根部，少量再经由水稻肽转运家族成员NRT1.1B转运蛋白将有机硒运送至地上部。同样的研究发现，植物吸收的硒酸盐先通过木质部送到叶绿体，在叶绿体中被还原为亚硒酸盐，再经一系列代谢过程转化为SeCys[23-25]。此外，有机硒也能直接被植物根系吸收转运[17]。从现有研究结果可以看出，植物对硒的吸收与转运机制十分复杂，尤其是对亚硒酸盐以及有机硒的吸收和转运机制的研究还不够全面，这也是当下亟待解决的问题。

3 外源硒缓解植物重金属胁迫的机理

3.1 外源硒对重金属胁迫下植物体内抗氧化系统和光合作用的影响

正常情况下，植物自身抗氧化酶系统如超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、过氧化物酶(peroxidase,POD)、过氧化氢酶(catalase,CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(aseorbate peroxidase,APX)、谷胱甘肽还原酶(glutathione reductase,GR)等和非酶系统如抗坏血酸(ascorbic acid,AsA)、谷胱甘肽(glutathione,GSH)等可以维持体内自由基的动态平衡，有效清除活性氧，以避免植物遭受氧化胁迫的伤害，尤其是对膜系统的危害[26-27]。但重金属胁迫下，植物体内丙二醛(malondialdehyde,MDA)、过氧化氢(hydrogen peroxide,H2O2)和过氧根离子(peroxy radical,O2-)等氧化产物会增加，清除不及时会对膜透性产生一定的危害，影响植物正常的生长发育及代谢。

硒具有一定的抗氧化性，其可以清除植物体内多余的活性氧自由基[28]，在缓解重金属胁迫方面具有重要作用[29-30]。添加适量硒可调控植物抗氧化系统的响应来缓解胁迫，比如，在水稻中，添加硒使镉胁迫下植株的SOD、POD活性接近正常值，从而缓解毒害[31]。在烟草中，低质量浓度的硒(≤1 mg·L-1)显著提高了砷胁迫下烤烟叶片SOD酶和POD酶活性以及AsA含量，使MDA含量降低[32]。同样的，添加外源硒对黄芪幼苗[33]和油菜[34]镉胁迫也有明显缓解作用，能增加叶绿素含量和生物量，提高抗氧化酶活性，减轻膜脂过氧化程度。徐传婕等[35]认为，镧（lanthanum,La）和硒的共同作用能够抑制H2O2和O2-的产生，提高小麦抗氧化酶活性，从而抑制脂质过氧化反应，缓解铜离子对小麦幼苗的毒害作用。刘晓娟等[36]研究发现，添加适宜含量的外源硒能抑制细胞膜的破坏，增加可溶性蛋白含量，降低MDA含量以缓解茄子在铬胁迫中的氧化胁迫伤害。

植物生长与光合作用密切相关，逆境胁迫则导致光合作用受阻，抑制植物生长。重金属胁迫下，植物生长受抑制也与光合能力降低有关：①胁迫会使植物体内叶绿体膜系统和能量转化相关的酶系统遭到损伤；②有些重金属会与叶绿体组成相关的金属离子共用转运蛋白，如铁离子(Fe2+)、锌离子(Zn2+)等[37]，离子之间存在竞争，导致叶绿体形成受阻，进而光合作用减弱、光合速率降低，影响植物正常生长。硒可以增加植物细胞内叶绿素含量[33]，对缓解重金属毒害有一定帮助。朱娟娟等[38]研究发现，添加硒可使铜胁迫下葡萄幼苗体内叶绿素含量增加，进而促进其光合作用。同样，代邹等[39]研究发现，添加外源硒可以促进镉胁迫下3种不同品种水稻叶绿素a的合成，并显著提高叶片类胡萝卜素含量。

综上，植物在遭受重金属胁迫时，添加适量硒可以增强其抗氧化系统的功能，提高抗氧化酶的活性，加快体内自由基的清除速度，促进光合作用以缓解植物重金属毒害。

3.2 外源硒对重金属吸收及转运的影响

硒能与多种重金属产生拮抗效应，如镉、铅、铬、汞和砷等[40-45]。江念等[46]对延龄草施加不同浓度硒，发现随着硒浓度的增加，镉、砷、铅和汞含量均先降低后增加再降低。在油菜[47]和生菜[48]中研究发现，施硒对植物积累重金属能产生明显的拮抗效应，可以阻挡重金属向地上部的运输。但目前研究最多的是外源硒对单一重金属吸收和转运的影响，马月花[33]研究发现，在黄芪幼苗中添加硒显著降低了其地上部和根系的镉含量；卞威乐斯等[49]认为，适量施硒能减少花生对镉的吸收，并且可将吸收的镉转化为毒性较小的形态从而缓解毒害。施硒可以减少重金属在植物体内的积累，在水稻中，随着硒浓度的增加，植株各器官和稻米(糙米和精米)中镉含量显著下降[50]。硒还可以影响植物对铬、铅、汞等其他重金属的吸收和转运，在茄子中，施加适宜用量的硒降低植物体内铬的积累量且有效抑制铬从根部向地上部的转运[37]。但是，不同价态硒缓解重金属胁迫的作用也不尽相同，孙汉文等[51]研究发现，亚硒酸盐对铬的缓解作用大于硒酸盐；殷行行等[52]研究显示，施加外源硒会使旱稻根系砷含量增加，而减少茎和叶中砷的积累，说明硒可以降低砷从根系向地上部的转运；同样，赵秀峰等[53]研究发现，硒能抑制铅向小白菜地上部的转运而使大量铅滞留在小白菜根部，从而达到缓解胁迫的目的。这些研究都表明硒在一定程度上抑制了植物对重金属的吸收和转运。

3.3 硒与重金属的螯合作用

植物遭受重金属胁迫时会通过自身的螯合作用避免细胞器被重金属破坏，从而抵御胁迫[54]。重金属螯合剂主要有4类[55]：金属硫蛋白、植物螯合肽(phytochelatins,PCs)、氨基酸和有机酸，但在高等植物中以植物螯合肽为主[56]。PCs是一种植物多肽，由半胱氨酸、甘氨酸和谷氨酸组成，能与重金属络合[57]，是植物缓解重金属胁迫的重要物质[58]。PCs与重金属离子形成螯合物后主要被转运至液泡中，如细胞中的镉和汞多数都会与PCs结合成螯合物，之后再转运至液泡中减少其在细胞内的流动，降低毒性[59]。

螯合剂PCs以GSH作为底物通过酶促反应合成，而硒的添加会影响PCs合成酶和GSH的活性，进而影响PCs的合成[60]。方勇[61]研究表明，外源硒能促进植物PCs的合成，使多数镉与PCs形成螯合物，降低水稻细胞内活性态镉的比例，阻碍镉向水稻籽粒中迁移从而减少镉积累。同样，Cintia等[62]研究发现，镉、镍(nickel,Ni)胁迫下加入亚硒酸盐，转基因烟草（过量表达半胱氨酸合成酶基因）的半胱氨酸(cysteine,Cys)和GSH含量均增加，而且与野生型烟草相比重金属耐性明显提高，说明施加外源硒可以促进PCs的形成，进而缓解重金属对植物的胁迫。综上，硒能激活PC合成酶并促进GSH的产生，使植物产生更多PCs并与重金属离子结合形成螯合物，降低重金属的有效性，从而缓解毒害作用。

3.4 硒-重金属复合物的形成

硒能与重金属形成复合物，减少有毒重金属离子在植物体内的移动，有利于减轻植物重金属毒害[63-65]。张庆等[66]认为，施加硒使茶树地上部镉积累量降低是因为硒与镉形成了配合物亚硒酸镉(CdSeO3)难以向地上部运输，从而达到缓解镉胁迫的作用。土壤中的硒也能与镉产生拮抗作用，通过改变镉的存在形态并与其形成难溶复合物来降低镉的活性，抑制植物对镉的吸收[67-68]。余垚等[69]对青菜研究发现，硒可以降低镉向地上部的转运，这可能是由硒与硫的化学性质相似导致，硒取代硫与镉结合形成复合物难以被根部吸收转运，进而抑制镉在植物内的移动。施入外源硒能与汞结合形成Se-Hg复合物，降低土壤汞的生物有效性[70]。此外，Flora等[71]认为，硒和铅在体内与一些功能性生物配体结合，从而产生竞争抑制并在体内形成Se-Pb复合物从而缓解铅毒害作用。陈晞[72]发现，在油菜铅胁迫下添加外源硒可使根部铅浓度大大降低，这是由于硒在根部与重金属产生了复合物，阻碍根部对铅的吸收从而缓解铅对油菜的毒害。综上，外源硒不仅能与土壤中的重金属离子形成复合物阻碍植物根系吸收，也可以在植物体内与重金属离子结合成络合物，从而阻止重金属离子的移动，进而有效缓解重金属胁迫对植物的损害。

3.5 外源硒对重金属胁迫下植物基因表达的影响

外源硒进入植物细胞内通过调控相关基因的表达来缓解重金属胁迫。硒能影响镉转运蛋白基因的表达，随着硒加入时间的增加，水稻根系中镉相关的转运蛋白基因OsNramp1、OsHMA3和OsHM A2的表达量均下降，最终缓解镉对水稻的毒害作用[73]。Cui等[74]发现，对镉胁迫下的水稻添加外源硒可以有效抑制OsLC T1、Os Nramp5、OsNr amp1、OsIRT1和OsIRT2的表达量来减少水稻对镉的吸收，从而缓解镉毒害作用。赵园园[47]以油菜为研究对象，发现添加低水平的外源硒能明显降低镉胁迫下油菜根部镉吸收基因Bn IR T1;7和BnI RT1;8以及镉转运基因Bn H M A4;3和Bn H M A2;1的表达。另外，添加适量外源硒还能增加重金属胁迫下植物体内微量元素的含量，如铁、锌、锰、铜等，这在一定程度上增强了与镉的竞争，同时会抑制镉相关基因的表达，从而影响植物对镉的吸收及转运[75-76]。He等[77]发现，适量增加铁的供应会抑制I RT1的表达，减少镉在拟南芥中的积累，这与Chen等[78]的转录组结果一致。此外，细胞壁在植物抵御胁迫中也发挥重要作用，硒预处理水稻能激活木质素合成基因(Os PA L、Os Co M T和Os 4 CL3)的表达，通过增加木质素的合成促进细胞壁增厚，增强机械强度以缓解毒害[74]。因此，施加外源硒还可以通过调节木质素合成来缓解植物镉胁迫。最近，刘霄霏等[79]发现，添加外源硒还能调控镉胁迫下黑麦草的抗氧化酶基因表达量，进而影响抗氧化能力以缓解镉胁迫。目前，外源硒对重金属胁迫下相关基因表达的研究主要集中在重金属转运蛋白基因方面，并且对镉转运蛋白基因的研究最为深入，对其他基因如抗氧化酶基因和木质素合成基因等的研究相对较少，今后可以深入研究。

植物遭受重金属胁迫时，其体内大分子代谢物及相关基因最先响应，随着毒害浓度及时间的改变，进而引起生理代谢紊乱，最终影响植物正常生长，导致生物量降低，农作物因此降质减产。施加适量的外源硒能增加植物生物量、减少膜脂过氧化反应(增强抗氧化酶活性)、提高叶绿素含量并增强植株光合作用，还会影响植物对重金属离子的吸收及转运，促进植物螯合肽的形成以及降低重金属离子活性(如形成复合物)，达到缓解重金属毒害的作用。外源硒缓解植物重金属胁迫的效果，因植物品种、生长特点以及生活环境的不同而有差异，且施加外源硒的形态、含量等对重金属胁迫的缓解效果也大有不同。就硒对不同种类重金属胁迫的缓解效应的特点做了总结归纳(表1)，期望对硒缓解不同种类重金属胁迫作用机制的研究提供一定的指导作用。表1主要针对研究较多的重金属胁迫进行分析比较，其中硒缓解镉胁迫的研究相对其他金属离子更全面，并且在基因水平也有较多成果。就目前的研究结果来看，硒缓解重金属胁迫的机制依然较为复杂，尚不完全清楚，尤其是分子水平上的研究还远远不够，可用多组学联合对其缓解胁迫的分子机制及代谢通路进行更加深入与系统的研究与总结。

表1 硒对不同重金属/类金属胁迫的作用机制的特点Table 1 Characteristics of the mechanism of selenium on different heavy metals/metalloids stresses

4 结语

外源硒可以缓解植物重金属胁迫。一方面，添加外源硒能增强植物光合作用、提高抗氧化能力，从而提高植物抗逆性；另一方面，硒能调控植物对重金属的吸收和转运，促进重金属形成不溶物（螯合物、复合物），抑制金属离子吸收和转运蛋白基因的表达。但是，在分子水平上，现阶段仅对镉胁迫的缓解机制研究较为深入，并已验证部分基因在硒缓解镉胁迫中的作用及功能，而外源硒对其他重金属胁迫缓解作用的研究仍主要停留在生理方面，期望后续能在分子水平上有更多的研究突破。此外，现有研究对植物材料的选取也不够广泛，未来应在更多植物种类中进行验证。目前，多数研究只阐述了硒对单一重金属胁迫的缓解机制，而硒对多种重金属同时胁迫的缓解机制尚不明确，当多种重金属共存时，外源硒的加入对植物自身、对各类重金属会有什么样的影响，其机理还需要在后续的研究中不断补充和完善。