植物聚硒機制的分子遺傳學研究進展

彭李順+曹崢英+楊本鵬+張樹珍

摘要：硒是人體必需的微量元素之一，主要通過植物的吸收和轉化進入人類食物鏈，植物聚硒能力是決定植物硒含量高低的關鍵因素之一。對國內外關于植物聚硒能力的分子機制、遺傳變異、轉基因分子改良等方面的研究進展進行了綜述，并對該領域研究的發展趨勢進行了展望。

關鍵詞：植物；聚硒；分子機制；遺傳變異；轉基因

中圖分類號： Q945.12文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）23-0001-05

硒是人類所必需的微量營養元素之一，具有抗氧化、抗衰老、提高紅細胞的攜氧能力、保護心腦血管、拮抗重金屬毒性、提高人體免疫力、預防癌變等多種功能，膳食中硒攝入量不足將會影響人體健康[1-2]。植物是天然有機硒合成的生物工廠，也是硒進入人類食物鏈的關鍵環節。土壤中無機態硒可經由植物吸收轉化為人體可利用的具有生物活性的有機態硒源[3]。植物硒含量主要取決于自身的聚硒能力和土壤的有效硒含量。然而，大多數植物都屬于聚硒能力較弱的非聚硒植物，且我國3/4的土地面積屬于低硒和缺硒地區，是世界上缺硒最嚴重的國家之一，這就導致我國將近2/3的人口存在不同程度硒攝入不足的問題[4-5]。通過硒的生物強化，提高農作物硒含量水平，改善缺硒人群的硒營養攝入，已成為目前研究的熱點。其中，在缺硒地區施用硒肥是提高作物硒含量的常用措施，且在小麥、玉米、水稻等作物中均已取得較好的富硒效果[6-7]。然而，硒肥的長期施用不僅成本較高、而且會打破自然界的化學平衡，對生態環境造成影響[8]。從長遠的經濟和社會效益考慮，利用現代分子生物學方法提高作物對硒的吸收和累積，在改善人類硒營養缺乏方面具有較大的優勢和潛力。本文就近年來國內外對植物聚硒能力的差異、植物對硒的吸收、轉運、累積代謝的分子機制、聚硒植物的遺傳變異、聚硒關鍵基因的遺傳轉化等方面的研究進展進行了綜述，旨在為后期作物聚硒能力的分子遺傳改良提供理論基礎。

1植物聚硒能力差異

硒不是植物生長所必需的營養元素，但適量的硒不僅能夠促進植物生長，而且可以增強植物對多種生物和非生物脅迫的抗性，通常被劃分為植物的有益元素[9]。依據植物對硒累積和忍耐能力的差異，植物被分為非聚硒植物、硒指示植物和聚硒植物3類[10-11]。大多數植物都屬于非聚硒植物，組織能夠忍耐的硒含量（干物質濃度，下同）不超過100 μg/g，在高硒含量的土壤上通常無法正常生長[10-12]；而硒指示植物能夠忍耐的組織硒含量可達1 mg/g，且在低硒和高硒土壤中均可正常生長。硒指示植物的組織硒濃度和土壤的有效硒含量具有較高的相關性，因此可以用來指示土壤硒含量的高低[10，13]。生長在土壤硒含量較高區域的聚硒植物，其組織硒含量通常都在1 mg/g以上[10]。目前，發現聚硒植物主要包括一些菊科（Asteraceae）、十字花科（Brassicaceae）、豆科（Fabaceae）植物，另外部分玉蕊科（Lecythidaceae）、莧科（Amaranthaceae）、茜草科（Rubiaceae）植物也具有較強的聚硒能力[14]。

2植物聚硒過程中硒的吸收、運轉和代謝的分子機制

2.1硒的吸收

植物根系吸收硒的主要形式包括硒酸鹽（SeO42-）、亞硒酸鹽（SeO32-、HSeO3-、H2SeO3）和部分有機硒化物（SeCys、SeMet等）。其中植物對硒酸鹽的吸收主要通過根系的高親和硫酸根轉運體（HASTs）來調節，該過程為一個耗能的主動運輸過程[15]。在許多硒指示植物和非聚硒植物中，硫酸根轉運體的表達通常受環境硫酸根含量的調控。當環境硫素營養供應不足時，編碼SULTR1；1和SULTR1；2蛋白的基因表達量會顯著上調，且有利于植物根系對硒的吸收和組織硒含量的提高[16-17]，而在一些聚硒植物中，這類基因則通常表現為組成型高表達，保證其具有較強根系硒吸收能力[18-20]。在相同生長條件下，聚硒植物地上部組織中硒與硫含量的比值明顯高于其他植物[20-22]，這很可能是由聚硒植物與其他植物根系細胞質膜上的HASTs對硒酸根和硫酸根選擇性存在差異所導致的。2011年，Cabannes等在對聚硒植物黃芪的研究中證實，黃芪硫酸根轉運蛋白較其他非聚硒植物對硒酸根有更高的選擇性，而這種差異主要是由于黃芪硫酸根轉運蛋白保守序列上的1個甘氨酸氨殘基轉變為丙氨酸所致[19]。

對于植物亞硒酸根的吸收機制，早期的報道普遍認為，植物根系對亞硒酸根的吸收不受細胞膜轉運體的調節，屬于不需要能量的被動運輸過程。例如，亞硒酸可以以中性分子H2SeO3的形式通過根系質膜上的水孔蛋白NIP2；1，以易化擴散的方式被植物根系所吸收[23]。然而，最近在水稻中的研究顯示，亞硒酸鹽可以在根系磷酸轉運體OsPT2的協助下進行主動運輸，且過表達OsPT2的轉基因水稻對亞硒酸鹽的吸收顯著增強，稻米中的硒含量顯著增加[24]。但在其他作物中是否存在相同機制還有待進一步研究。而目前關于有機硒化物吸收的研究和報道并不多見，推測與植物半胱氨酸（Cys）和蛋氨酸（Met）相關的轉運體很可能參與了部分有機硒化物的吸收過程[25]。

2.2硒的轉運

植物根系吸收的硒酸鹽通常會進一步通過木質部長距離運輸至地上部，該過程主要由幾個低親和硫酸根轉運體負責[15，26]。在擬南芥中，AtSULTR2；1和AtSULTR2；2主要負責驅動硒酸鹽進入中柱細胞，而AtSULTR3；5能夠對AtSULTR2；1的活性進行調控，自身并不直接參與硒酸鹽的轉運[27]。AtSULTR2；1和AtSULTR2；2以及這2個基因在其他植物中同源基因的表達都受到硫饑餓脅迫的誘導，進而可以增加硒在植物體內的轉運效率[26，28]。在幾個黃芪屬的聚硒植物種中，[WTBX][STBX]SULTR2和SULTR3[WTBZ][STBZ]基因均表現為組成型高表達，其表達量明顯高于在硫充足或饑餓狀態下同為黃芪屬的非聚硒植物[19-20]，這也就解釋了聚硒植物通常都具有強大的從根系到地上部的硒轉運能力。通過后續序列分析發現，黃芪屬中的聚硒植物種和非聚硒植物種在氨基酸序列上存在明顯差異[19]。endprint

與硒酸鹽被植物根系吸收后立即通過木質部轉運到地上部不同，亞硒酸鹽被吸收后會在根系被迅速轉化為有機硒化物，主要包括硒代蛋氨酸（SeMet）及其氧化物（SeOMet）、硒甲基半胱氨酸（SeCys）等，這些物質主要累積在根部，極小部分也可通過木質部長距離運輸到地上部[29]。

2.3硒的代謝

硒酸鹽被植物吸收轉運至地上部后，首先會在葉綠體中被ATP硫酸化酶（ATPS）激活形成5′-磷酸硒腺苷（APSe），然后在谷胱甘肽和5′-磷硫酸腺苷還原酶（APR）的作用下進一步還原生成亞硒酸鹽，這是硒酸鹽同化為有機硒化物過程中最關鍵的限速反應[30]。目前，在擬南芥基因組中已經鑒定出4個編碼ATPS的基因和3個編碼APR的基因，在其他植物中也有相當數量的ATPS和APR基因被分離和鑒定[20]。過表達ATPS或APR的轉基因植株也被發現能夠顯著增強地上部葉片對有機硒的累積能力[30-32]。ATPS基因在非聚硒植物和硒指示植物中的表達可受硫素供應量的調節，當環境硫的供應減少時基因的表達量顯著降低，反之上調；而在聚硒植物中ATPS基因則通常表現為組成型高表達，因此其硒酸鹽轉化為亞硒酸鹽的速率明顯高于非聚硒和硒指示植物[18，20，33]。被還原的亞硒酸鹽會在亞硫酸還原酶或谷胱甘肽的作用下被進一步還原為硒化物，然后在半胱氨酸合成酶的催化作用下形成硒代半胱氨酸（SeCys）[34]。有研究顯示，在該過程中編碼亞硫酸還原酶和半胱氨酸合成酶的基因表達也會受到硒供應狀態的調節，當環境硒供應量增加時，植物可通過上調基因的表達量來增加硒的同化速率，而在幾個聚硒植物中這2個基因均表現為組成型高表達，可以進一步保證其高強度硒同化速率[18，35]。

隨著SeCys生物合成的結束，部分合成的SeCys會進一步經過胱硫醚-γ-合成酶（CγS）的作用轉化為硒代胱硫醚（SeCysta），然后經過胱硫醚-β-裂解酶（CBL）的作用分解為硒代高半胱氨酸（SeHCys），最后在蛋氨酸合成酶（MTR）的作用下轉化為硒代蛋氨酸（SeMet）[34]。然而，合成的SeCys和SeMet可分別通過置換Cys和Met的方式進入植物蛋白質的肽鏈中，從而對蛋白質的結構和功能產生影響[10，36]。尤其是當植物組織中硒和硫含量的比值較高時，這種置換發生的程度和對蛋白功能的影響較大，最終會對植物產生硒毒害作用[37]。因此，SeCys和SeMet轉化為無毒的或揮發性的硒代謝物是植物忍耐組織高硒含量的主要方式。

其中，SeCys和SeMet的甲基化是植物忍耐組織高硒含量的關鍵途徑之一。SeCys和SeMet可分別在硒代半胱氨酸甲基轉移酶（SMT）和蛋氨酸轉移酶（MMT）的作用下，生成硒甲基硒代半胱氨酸（SeMSeCys）和硒甲基硒代蛋氨酸（SeMSeMet），從而阻止SeCys和SeMet被整合到蛋白質中，避免毒害作用的產生[31，36]。雙槽紫云英（Astragalus bisulcatus）和沙漠王羽（Stanleya pinnata）是目前報道的含有SeMSeCys最高的（80%以上）聚硒作物[38]，且與其他植物相比，其SMT蛋白具有更高的活性[18，33]。此外，在一些聚硒的蔥屬[39]、蕓苔屬[40]和部分豆科植物中[41]也發現了含有較高含量的SeMSeCys；同時在蕓苔屬的西蘭花中還發現，SMT基因的表達量與SeMSeCys的累積量呈現顯著正相關[42]。在一些對組織硒含量忍耐度較低的植物，例如在擬南芥中，目前并沒有發現具備相似功能SMT基因的存在[36，43]，而將雙槽紫云英的SMT基因轉入擬南芥中，可顯著增加擬南芥的SeMSeCys含量并顯著增強擬南芥植株對硒的耐受力[44]。在甲基化途徑中生成的SeMSeCys和SeMSeMet可通過進一步轉化為可揮發的二甲基硒化物（DMSe，在非聚硒植物）和二甲基二硒化物（DMDSe，在聚硒植物）而排出體外，從而增加植物的耐硒能力[31]。除此之外，部分SeCys還可以在葉綠體硒代半胱氨酸裂解酶（SL）的作用下，分解為丙氨酸和元素硒，進而減輕硒代半胱氨酸進入蛋白對植物產生的毒害作用[31，35]。

3聚硒植物的遺傳變異

目前發現的聚硒植物主要集中分布在菊科（Asteraceae）、十字花科（Brassicaceae）、豆科（Fabaceae）、莧科（Amaranthaceae）、列當科（Orobanchaceae）、茜草科（Rubiaceae）等中，而這些科類在進化關系上并無明顯關聯[45]。因此，可以認為這些植物所具有的聚硒和耐硒特性并不是不同綱目植物間系統進化的結果，更可能是幾個特定被子植物分支對環境的適應性改變，進而發展出的多個趨同生理適應機制[45-46]。例如前述的組成型表達硫酸根轉運體可增強硒酸鹽的吸收和轉運；硫酸根轉運體對硒酸鹽有著更高的選擇性，保證植物擁有較高的Se/S比值；組成型表達硒酸鹽同化途徑相關酶的表達，增強硒酸鹽同化速率；提高硒代謝相關基因表達或者蛋白活性，限制硒代氨基酸進入蛋白，增強植物耐硒能力。這些特點可以作為今后聚硒植物鑒別（除組織硒含量外）的重要附加特征。

除了不同種植物間硒含量存在豐富的變異外，同種植物內不同生態型或基因型間也發現存在顯著的變異。在模式植物擬南芥中，不同生態型在同一環境條件下根際對于硒的忍耐以及地上部的硒含量均存在明顯變異。通過遺傳分析發現，存在1個主效基因控制擬南芥對亞硒酸鹽的忍耐性狀，另外至少有3個數量性狀位點（QTLs）控制著其對硒酸鹽的忍耐性狀[47]。在2008年，Tamaoki等通過比較亞硒酸鹽忍耐型（Col-0）和敏感型（Ws-0）擬南芥中參與硫酸鹽運輸和同化的相關基因表達量發現，這些基因在前者中的表達量高于后者，且前者具有更高的地上部硒含量，這也表明可以通過增加硫酸鹽運輸和同化相關基因表達的途徑來增強植株對硒的忍耐能力[48]。最近，Chao等在對一個擬南芥群體中具有極端地上部硒含量表型的株系進行關聯分析時發現，[WTBX][STBX]AtAPR2[WTBZ][STBZ]很可能與地上部硒含量的表型相關聯，后續的突變體互補試驗也進一步證實[WTBX][STBX]AtAPR2[WTBZ][STBZ]是控制擬南芥地上部硒含量的關鍵基因，且在不同基因型的擬南芥中葉片硒含量的差異主要是由[WTBX][STBX]AtAPR2[WTBZ][STBZ]中一個位點的突變引起的，該位點的突變可導致[WTBX][STBX]AtAPR2[WTBZ][STBZ]功能的缺失[49]。endprint

在一些農作物中，特別是在一些谷類作物（小麥、大麥、芒麥草、燕麥和水稻等）中，谷粒硒含量的遺傳變異已被大量報道，且控制谷粒硒含量的多個QTLs已被鑒定[50-52]。其中，Pu等利用一個人工合成小麥SHW-L1和Chuanmei 32雜交構建的遺傳群體鑒定了4個位于不同染色體上對谷粒硒含量有貢獻的QTLs，同時還利用Chuanmai 42和Chuannong 16構建的遺傳群體檢測到一個位于4D染色體上的QTL[50]。楊榮志等利用野生二粒小麥和一個四倍體硬粒小麥構建的遺傳群體，檢測到了4個能夠影響谷粒硒含量的位點[51]。在水稻中也有相關報道，Norton等利用1個秈稻（Bala）和1個粳稻（Azucena）品種構建的遺傳群體檢測到了8個對谷粒硒含量有影響的QTLs，另有2個影響葉片硒含量的QTLs，且其中大多數QTLs與環境因子存在明顯的互作效應[52]。

豆科是目前發現聚硒植物種類最多的科，其中菜豆、鷹嘴豆、小扁豆、綠豆、大豆等豆科作物的籽粒硒含量遺傳變異也已被大量報道[53-57]。與谷類作物類似，環境因子對籽粒的硒含量同樣有著較大的影響，在部分豆科作物中該影響效應甚至大于遺傳變異[53，56]。Ramamurthy等利用一個來自Williams82和DSR-173的大豆重組自交系群體檢測到了2個分別位于第8、18條染色體上控制籽粒硒含量的QTLs，2個位點共解釋21%的表型方差，且GmSULTR2；1位于第8條染色體的QTL置信區間內，是潛在的控制籽粒硒含量的候選基因[57]。

蔬菜作為人們日常飲食中必不可少的食物之一，其聚硒機制也是目前的研究熱點。在洋蔥、甘藍、西蘭花、花椰菜、中國大白菜、印度芥菜、菊苣、萵苣、馬鈴薯等眾多蔬菜的不同生態型間硒含量或硒累積能力的遺傳變異也已被檢測到[58-63]。其中，在萵苣各基因型中，硒累積能力與[WTBX][STBX]LsSULTR1；1、LsAPS1和LsAPR1[WTBZ][STBZ]的表達量呈顯著的正相關關系[62]。各類作物聚硒能力的遺傳分析和檢測到的大量相關QTLs可為后續富硒作物的育種工作及聚硒關鍵基因的分子克隆打下了堅實的基礎。

4植物聚硒能力的分子改良

目前，在幾個植物中通過轉基因的途徑強化植物對硒累積和忍耐能力的研究中已取得較大進展。早在1999年，Pilon-Smits等就將擬南芥的AtATPS基因轉入到了硒指示植物印度芥菜中，不僅提高了轉化植株硒酸鹽的還原和同化速率，還顯著增加了植株的有機硒和總硒含量[30]。然而，在非聚硒的擬南芥中，盡管AtATPS和PaAPR基因的過表達轉化植株的地上部有機硒含量均顯著上升，但總硒含量卻都出現了下降趨勢，其中過表達AtATPS植株的根系生長還受到硒酸鹽的影響[32]。這表明在對硒忍耐能力有限的非聚硒植物中，僅僅增強硒酸鹽的同化效率，并不能有效地促進植株對硒的吸收，提升總硒含量，甚至可能對植株生長產生不利影響；而通過甲基化途徑將硒酸鹽同化產生的初級產物SeCys轉化為無毒的硒代謝物，則是增加植物耐硒能力的主要方式。LeDuc等從聚硒植物雙槽紫云英中克隆到一個SMT基因，并將其轉入印度芥菜中，后續試驗表明，SMT的過表達轉化植株對硒的忍耐能力和總硒的累積量與野生型相比都得到了提升，但這種影響僅在以亞硒酸鹽作為硒源的培養介質中更為持久和穩定，而在硒酸鹽中的表現并不顯著[64]。這可能是由于受硒酸鹽轉化為亞硒酸鹽這個限速反應的影響，限制了SeCys的大量合成，使得過表達的SMT基因在轉化植株中的潛在效用不能完全發揮。為解決這個困擾，LeDuc等隨后同時將ATPS、SMT基因轉入到了印度芥菜中，結果證實，硒酸鹽作為培養介質的雙轉化植株的耐硒能力得到明顯提升，總硒含量較野生型提高9倍，SeMSeCys含量則提升了8倍，且轉化植株的生長及生物量并未受到影響[65]。同樣ATPS和SMT基因的雙轉化煙草植株的有機硒和總硒含量也均得到顯著提升[66]。表明同時提高植物ATPS、SMT基因的表達量，既可以提高硒酸鹽的利用效率，還可以增強植株對硒的忍耐能力，進而從整體上增強植株體內總硒和對人體有益的有機硒化物含量，用于作物硒的生物強化。此外，過表達的CγS和SL基因可以將轉化植株體內的硒轉化為揮發性代謝物排出體外或者轉化為毒性較低的元素硒，從而顯著促進植物硒的吸收和代謝效率，在高硒土壤的植物修復應用中具有較大潛力[67-68]。

5總結和展望

近年來，與植物對硒吸收、轉運和代謝相關的分子機制方面的研究已取得了較大的進展，對硒主要通過與其理化性質相似的硫的轉運體和相關代謝途徑在植物體內運轉有了較為深入的認知。此外，通過比較聚硒植物和非聚硒植物間一些關鍵基因表達或蛋白活性上的差異，有助于對植物聚硒和耐硒能力分子機制理解的深入。在擬南芥、煙草等模式植物中的遺傳轉化研究也進一步證實，這些基因在植物硒的生物強化方面具有應用潛力。然而，這些研究大多集中在少數幾種聚硒植物和模式植物上，并且很多是在特定硒源供應的試驗條件下完成的，要應用于生長在復雜田間環境下各種農作物中，還有待于進一步的深入研究與實踐。

在農作物（谷類、豆科和蔬菜等）聚硒機制的研究方面，大多是針對生理和遺傳機制的研究，檢測到了大量與硒含量和累積量相關的QTLs，且這些QTLs與環境因子多存在復雜的互作效應。隨著后基因組時代的到來，大量基因組序列信息的釋放必將加速這些QTLs向新聚硒相關功能基因的轉化。對這些新基因的進一步解析，將幫助我們更為深入系統地理解作物對硒的吸收、轉運、累積和代謝的分子機制，以及與各種環境因子互作的分子調控網絡，最終為農作物聚硒基因工程的改造提供重要理論基礎和技術支持。

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