植物響應硒作用的代謝遺傳及生態適應機制

曾維超 陳大清

摘要：植物對硒的吸收和耐受是生產富硒食物的關鍵因素，從生物化學、生理遺傳與生態角度對國內外關于植物富硒吸收代謝、分子機制、生態作用等方面的研究進展進行了綜述，并對植物與硒方面的研究趨勢進行了展望。

關鍵詞：植物;富硒;硒代謝;分子機制;生理生態

中圖分類號：Q945?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）07-0005-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.07.001

Abstract： The absorption and tolerance of selenium by plants are the key factors in the production of selenium rich foods，the research progress of selenium rich metabolism，molecular mechanism and ecological function of plants at home and abroad was reviewed from the perspective of biochemistry，physiological genetics and ecology，and the research trend of plants and selenium was prospected.

Key words： plant; selenium（Se）; selenium metabolism; molecular mechanism; physiological ecology

硒（Selenium，Se）位于元素周期表第4周期第Ⅵ主族。1817年瑞典科學家貝采利烏斯首次在生產硫酸的副產品中發現了該元素。研究表明硒元素能清除自由基，抗氧化，延緩衰老，還具有抑制多種癌癥發生并減緩惡化的效果;有益于生長激素和精子的形成[1-3]。缺硒可以導致免疫系統衰弱，還引起心臟病、癌癥、大骨節病、克山病、克汀病、白肌病等幾十種疾病[4-8]。人體補充硒元素主要來源于植物，植物性有機硒是目前最安全高效的硒來源[9]。美國國立衛生研究院建議每人每日攝入硒量是55 μg[10]，2000年中國營養學會提出成人膳食硒推薦攝入量為50 μg[11]。全球預計有10億人缺硒[12]，而在中國約有7億人口缺硒[13]。土壤是硒元素的重要來源，通過植物對土壤中的硒元素進行吸收、同化和積聚，對人類補充硒元素具有重要意義。對于植物來說，硒也具有促進生長、抗氧化、提高抗逆性、抵御草食者和提高抗病性等作用。雖然適度的硒對人類和植物來說都具有有益作用，但高濃度的硒卻具有毒害作用。硒元素的有益劑量和致毒劑量之間的差值與其他微量元素相比要小得多[14]。高濃度的硒能造成嚴重的環境問題，如美國加利福尼亞州的凱斯特森水庫（Kesterson reservoir）因為硒濃度過高導致魚類和候鳥的死亡與畸形[15]。研究植物硒吸收同化與積聚不僅能為人類提供穩定安全的高效硒源，還能利用植物的富集作用修復硒污染[16]。本文從生物化學、生理遺傳和生態角度來對植物與硒關系進行綜述，以期為硒資源的進一步開發和硒產品的研發以及環境植物修復提供參考。

1?植物根系對硒的吸收方式與對硒的運輸積累

硒元素在大自然中的存在有多種形態，硒在水生環境中的兩種主要化學形式是亞硒酸鹽和硒酸鹽[17]。土壤中的硒可以分為有機硒和無機硒兩大類，有機硒包括烷基硒化合物（揮發態硒和含硒植物的分解）;無機硒的存在形態包括硒酸鹽、亞硒酸鹽、硒化物和元素態硒[18]。土壤硒還存在多種不同分類方法，國內學者根據不同形態硒溶解度，用連續提取法將土壤中的硒分為可溶態（水溶態）、可交換態及碳酸鹽結合態、鐵-錳氧化物結合態、有機物-硫化物結合態、元素態、殘渣態[19]。由于可溶態硒與植物吸收息息相關，因此根據不同形態硒的溶解度來進行分類具有較強的指導意義。

因為硒與硫這兩種元素具有相似的化學性質，植物對硒的吸收、轉運和代謝與硫相似。與硫相同，硒具有5種化學價態，其中有機硒是植物能夠吸收利用的主要形態。植物吸收硒的能力與土壤中硒的含量、土壤溶液中硒的化學形態以及土壤根部條件（例如土壤pH、土壤硫和磷的含量）等因素有關[20]。植物吸收的硒主要以硒酸鹽（SeO42-）或亞硒酸鹽（SeO32-）為主。植物也可以吸收有機硒如硒代半胱氨酸（SeCys）和硒代甲硫氨酸（SeMet），植物不吸收不溶性元素硒（SeO）或金屬硒化合物[20]。有研究表明，植物對于Se6+、硒代蛋氨酸類物質主要是主動吸收，而對于Se4+的吸收主要采用被動擴散形式[21，22]，植物對不同化學形態硒的吸收存在不同的機制。

植物主要吸收土壤溶液中的水溶性硒，包括部分硒酸鹽、亞硒酸鹽和有機硒。不同形態的硒具有不同的化學和生物學特性，對植物的有效性也有很大的差異。亞硒酸鹽容易被植物吸收并固定在根系中，極易被轉化為其他形態，如硒代蛋氨酸、硒代蛋氨酸氧化物或其他未知形態的可溶性硒小部分硒形態是亞硒酸鹽。不同種類的植物對硒酸鹽的選擇吸收不盡相同，多數研究表明植物對硒酸鹽的吸收是通過高親和力的硫酸鹽轉運子完成的，其在硒酸鹽的吸收過程中發揮著重要的作用[23，24]。有研究結果表明，硫酸鹽轉運子有高親和力和低親和力2種。高親和力轉運蛋白在根吸收硫酸根時發揮作用，低親和力轉運蛋白在根和細胞之間運輸硫酸鹽，并且這些轉運蛋白也可以在植物其他組織細胞中轉運硫酸鹽[23，25]。

有學者硏究發現在不同pH環境下，亞硒酸鹽會以不同的形式存在，不同形式的亞硒酸鹽具有不同的吸收機制。在酸性土壤中，還原條件下亞硒酸鹽是主要形態;而在堿性和氧化環境中，硒酸鹽是主要形態[26]。與硫酸鹽相似，硒酸鹽在被植物吸收到根部的同時，在SULTR3;5的輔助下，被低親和力的硫酸鹽轉運蛋白（SULTR2;1 和 SULTR2;2）進一步運輸到根木質部維管束中[27]。然后通過SULTR 1轉運蛋白進入葉肉細胞，由 SULTR3;1進入葉綠體[28]。高親和硫轉運蛋白SULTR1;1 和 SULTR1;2主要涉及從根際層中初步吸收硫酸鹽[29]。兩個轉運體的表達都是由植物的硫狀態和根際環境中的可供利用的硫所控制[30]。在硫缺乏情況下，SULTR1;1強烈表達上調，而SULTR1;2調控對硫含量不敏感，在硫充足或缺乏的情況下均能良好表達調控作用[31]。兩種突變體都具有將硒酸鹽從根際環境轉運到根細胞的能力，擬南芥sultr1;2突變體對硒酸鹽的耐受力比突變體sultr1;1和野生型植物更強，雙突變體sultr1;1-sultr1;2的硒耐受性最強[32]。硫酸鹽轉運蛋白可以分為5類。第一類是高親和性硫酸鹽轉運蛋白，此類蛋白主要在根部表達，與根系直接吸收硫酸鹽有關。第二類大部分為低親和硫酸鹽轉運蛋白，通常在根和葉中表達，主要與硫酸鹽在根系與其他細胞間轉運有關。第三類在根、莖、葉中均表達，其表達不受硫酸鹽濃度調控。第四類通過與液泡膜的共同作用，負責調節細胞內硫酸鹽濃度。第五類目前尚未見報道其與硫酸鹽的吸收運輸有關。

根際微生物能在植物吸收營養物質時發揮重要作用，兩者形成許多生理生化和代謝機制[33]。據報道，接種根際細菌和叢枝菌根真菌能夠增加植物對硒的吸收[34]。在多年生麥草（Lolium perennee‘Barclay）、玉米（Zea mays‘DK 250）、萵苣（Lactuca sativae ‘Grosse blonde paresseuse）和蘿卜（Raphanus sativuse ‘18 jours）上的盆栽試驗也表明接種根際微生物后硒的吸收量有所提高[35]。而在丹參（Salvia miltiorrhiza）上的研究表明，接種不同叢枝菌根真菌對植物吸收硒產生不同影響[36]。共生菌不但能夠影響植物吸收，還能夠影響植物硒同化與代謝。在大豆中接種叢枝根菌真菌和硒處理后，大豆谷胱甘肽硫轉移酶家族基因和重金屬轉運類基因表達上調，能夠緩解硒毒性[37]。袁林喜等[38]在對硒超積累植物壺瓶碎米薺根際微生物的研究中發現，壺瓶碎米薺的根際環境中微生物豐富度高于非根際環境，而根際的微生物群落組成簡單，優勢菌為 α-變形菌綱和硝化螺旋菌綱。

2?硒耐受的分子生物學與硒富集的機制

低濃度的硒對一些植物生長有利，會產生增長刺激，被稱為毒物興奮效應[12]。在低濃度的硒脅迫下，可以發現參與上調抗氧化反應的酶，如過氧化物酶和還原酶[16]。除了硒的毒害作用之外，還發現硒具有保護植物免受非生物脅迫和重金屬脅迫的作用[39]，非生物脅迫和重金屬脅迫包括紫外線[40]、水[41]、銅[42]、鎘[43]和鉛[44]等。同樣地，硒處理也能保護植物免受生物脅迫，包括病原體的侵襲和草食動物取食[45，46]。

根據物種在自然生境中硒積累能力的不同，可以分為三類植物，非硒富集植物（硒含量每千克干重小于100 mg）、硒富集植物 （硒含量每千克干重為100～1 000 mg）和硒超富集植物（硒含量每千克干重大于1 000 mg）[10]。在十字花科、百合科、豆科、菊科、莧科、列當科、茜草科等多個不同的科中發現了硒超富集植物。這些硒超積累植物多為多年生雜草，主要生長在硒超積累土壤，這些植物積累的硒甚至可以占干重的1.5%[47]。從現有報道來看，硒超富集植物在植物界獨立地分布在不同的植物科中，因此不同的類群可能已經進化出不同的硒超積累機制[10]。然而，來自不同科的硒超富集植物還是存在許多相似的耐硒機制。

硒超富集植物與其他植物相比，其硒含量可以達到一般植物的10～100倍，同時在組織中硒硫比也高出10～100倍[47]。硒超富集植物組織中的硒硫比高于他們的生長基質，這表明硒超富集植物具有一個偏好轉運亞硒酸鹽的轉運蛋白[48，49]。水稻磷轉運蛋白OsPT2在植物體內可促進硒的有效吸收，OsPT2基因主要在根中表達，從外界吸收亞硒酸鹽轉化為有機硒后，向根上部分轉運，OsPT2基因的過表達可提高植物的硒耐受性[23]。

目前對耐硒植物的研究發現，植物硒耐受和富硒關鍵酶有ATP硫酸化酶（ATPS）、硒代半胱氨酸甲基轉移酶（SMT）、5-磷硫酸腺苷還原酶（APR）等[50]。ATP硫酸化酶（ATPS）可以把硒酸鹽轉化為形成5-磷酸硒腺苷（APSe），接著在APR的作用下還原為亞硒酸鹽，最終將其轉化為有機硒[51]。植物也可以通過將SeCys分解為硒和丙氨酸，或者將其轉化為可揮發的二甲基硒化物（dimethylselenide，DMSe）來避免其摻入蛋白質中[15，52]。

當有機硒沒有被摻入蛋白質時，也可以引起毒性[14]。硒超富集植物可以利用SMT將有機硒轉換成硒甲基半胱氨酸（SeMSeCys）[53]，從而避免這類毒性。通過甲基化作用，減少硒進入蛋白質的機會，硒甲基半胱氨酸能夠積累更多的硒，可以提高植物的耐硒性[50，54，55]。硒超富集植物中的SMT活性特別高[56]。硒超富集植物的其他潛在硒耐受機制是將硒甲基半胱氨酸隔離在表皮組織和轉化為揮發性二甲基二硒化物（DMDSe）[25，57，58]。此外，在擬南芥中發現茉莉酸、乙烯兩種內源性植物激素能夠提高耐硒性，并受硒的調節[59]。因此，在擬南芥中，硒耐性和積累似乎與增強的硫酸鹽/硒酸鹽吸收和同化有關，這可能通過高濃度的茉莉酸和乙烯來調節[59]。

綜上所述，硒超富集植物的硒耐受機制包括優先吸收硒并通過木質部和韌皮部地上部分轉運硒，并且能夠吸收無機硒將其轉化為甲基硒代胱氨酸，將硒儲存于表皮結構的嫩葉、花粉、生殖器官中的胚珠和種子和揮發為DMDSe的能力。

3?植物-硒同化代謝

與硫酸鹽相似，硒能夠利用硫的同化途徑轉化為硒氨基酸[58]。首先，亞硒酸鹽必須在ATPS激活下轉化為5-磷酸硒腺苷（APSe）[24]，這一步主要發生在質體。據報道，在轉基因芥菜（Brassica juncea）中超表達ATPS1亞型與野生型相比，其具有更高的積累有機硒的能力，并且具有更強的耐硒性[60]。這種轉基因增強硒的積累可用于生物富集或植物修復，超表達ATPS1芥菜植株從污染沉積物中積累硒的效率提高了4～5倍[60，61]。

目前，在擬南芥質粒中已經發現了4種ATPS[62]，在質體和細胞質中都發現了ATPS2的存在[63]。APSe 在ATPS調控的反應中形成，在質體中通過APR的反應進一步變成亞硒酸鹽[64]。在擬南芥中APR是調控硒酸鹽同化中至關重要的一種酶。例如，在擬南芥中，通過轉基因超表達APR可以觀察到硒吸收量和硒酸鹽在植物體內同化量的增加[58]。同時，擬南芥的突變體apr2-1表現出增強的硒積累，但植株體內的亞硒酸鹽卻減少了，說明APR2參與APSe 轉化亞硒酸鹽的過程。由于谷胱甘肽（GSH）濃度降低，GSH是參與預防和減少氧化應激的一個關鍵分子，能夠直接將亞硒酸還原為硒化物[65]，該突變體顯示低耐硒性[63，64] 。

在硒同化下一步，硒酸鹽變成硒化物（Se2-），Se2-是SeCys的組分之一[66]。亞硒酸鹽還原為硒化物可能通過兩種機制發生。第一種機制是通過亞硫酸鹽還原酶（SiR）轉化，SiR是一種將亞硫酸鹽轉化為硫化物的一種酶，同時這種酶也具有將亞硒酸鹽轉化為硒化物的能力[67]。第二種方式是亞硒酸鹽與谷胱甘肽相互作用進而轉化為硒化物，在這種情況下，亞硒酸鹽和GSH不需要酶的參與就可以初步轉化為谷胱甘肽硒代三硫化物（GSSeSG），并進一步轉化為硒過硫化物（GSSeH），最后在谷胱甘肽還原酶（GR）的作用下轉化為硒化物[65]。

植物體內的SeCys在CGS酶的參與下可以與OPH縮合產生硒-胱硫（Se-cystathionine），該反應是一個限速性的將SeCys轉化為揮發性DMSe的過程，這也是植物用來緩解硒毒性的一種機制[25]。芥菜通過超表達CGS，具有較高的硒揮發率，與野生型相比，其葉片和根系硒含量有所降低，增強了其對硒的耐受性[68]。SeCys和SeMet代替Cys和Met錯誤地摻入蛋白質中，被認為是硒致毒的重要原因，因為這個過程擾亂了蛋白質的折疊，導致蛋白質失去功能[14]。作為一種解毒機制，植物可以利用SeMet作為前體，將硒從DMSe中揮發出來。這一過程的第一步涉及到在MMT催化下，SeMet甲基化為SeMM，在水解酶作用下或者經過中間分子DMSeP的合成，SeMM可以直接轉化為DMSe[69]。除了在植物中潛在地減少有毒硒濃度，這種具有硒揮發能力的植物在硒的植物修復上具有相當大的應用前景，因為它們以揮發方式去除污染而無需收獲、處理植株。

硒還可以摻入其他的硫化合物中包括谷胱甘肽和芥子油甙。硒還可插入鐵（Fe）硒集群，作為酶釋放硫的Cys的硫鐵集群也可以利用SeCys作為底物。超表達這種SeCys裂解酶能夠減少硒摻入蛋白質中，并且增強植物的耐硒性和增加硒積累，使硒不產生毒性。無論是實驗室還是野外試驗都表明，超表達SeCys裂解酶的植株能夠積累2倍以上的硒[70]。

4?硒的生理生態

4.1?植物-草食動物相互作用

硒可以保護硒超富集植物和非硒超富集植物，以應對各種取食方式的食草動物[45，46]。只有在用硒預處理植物時才發現這種保護作用，因此可能是由于硒的毒性威懾作用所致，如揮發性硒化物氣味的影響，降低了如蚜蟲、鱗翅目幼蟲等對植物的危害[71，72]。目前認為有機形式和無機形式的硒都具有保護性。

在人工培養條件下的植物中，植物硒的積累明顯地保護了其不受多種食草動物的影響，但在其自然棲息地中，超積累硒植物卻受到了蟲害。有多份關于抗硒性無脊椎動物的報告，它們可以取食硒超積累植物而不產生任何負面影響[73]。所以硒不能簡單地被認定為是一種有利于植物產生防衛性質的元素，一些食草動物顯然通過協同進化克服了這種防衛機制。一些以硒超積累植物為食的食草動物具有高度耐硒性，因為他們可以具有較高的組織硒含量[73]。

4.2?植物-傳粉者相互作用

硒超富集植物所有器官中硒濃度均大于0.1%（干重），含量最高的部位是花和種子[46]。在植物-草食動物之間的相互作用中，植物通過高濃度硒阻止昆蟲取食，因此也可能阻止昆蟲授粉，從而導致植物適合度降低[46]。Quinn等[46]研究發現，花中的硒含量并沒有影響潛在的授粉者，研究者在蜜蜂組織中發現硒，蜜蜂以它們的攜粉足收集硒超富集花粉。 Kristen等[74]的研究已經證明，硒的攝入對蜜蜂是否產生負面影響，主要取決于硒的形態。蜜蜂并沒有回避硒超富集食物資源，這表明蜜蜂可能會在生長著硒超富集植物的土地上進行取食，這與Quinn等[46]的野外觀察結果一致。是否能夠利用硒耐受蜜蜂生產富硒蜂蜜值得進一步研究。

4.3?植物-植物的相互作用

在天然富硒地區的硒超積累植物冠層下的土壤發現硒含量比在同一地點較遠的土壤高10倍[75]。硒富集植物多是多年生雜草，擁有發達的根系并且能夠以分解落葉積累有機形式的硒，硒超富集植物的根均可分泌出有機形式的硒，在發現硒富集的木本植物的部分樹冠下土壤含有高濃度的有機硒[76]。硒超富集植物如果通過分泌和凋落物分解，轉移硒到他們的根際環境中，這就會影響整個地下生態系統。迄今為止進行的幾項研究表明，硒超富集植物會影響其周圍的植物。在試驗中發現，從超富集植物沙漠王羽（Stanleya pinnata）和雙槽紫云英（Astragalus bisulcatus）中收集的土壤與非富集植物菊芋（Helianthus pumilus）和紫苜蓿（Medicago sativa）中所收集的土壤相比抑制了擬南芥的萌發和生長，這些土壤都是來自同一個地區的含硒土壤，超富集植物相關的土壤抑制擬南芥的萌發和生長[75]。這表明，在超積累植物的土壤中的硒對敏感植物來說具有毒性，植物蓋度在超富集植物下會更低[75]，該研究提出硒超富集可能是植物化感作用的一種形式，從而為超富集植物提供了一種生態效益。

5?展望

硒是人類和動物的必需微量元素之一，后續研究的重點應圍繞以下幾個方面開展。①許多研究已經證實硒是動物的必需元素，然而對于高等植物包括超富集植物來說，硒是否是其必需元素尚無定論。②植物體內的有機硒化物種類眾多，且含量低，目標化合物具有不可知性，應著重從硒蛋白及含硒氨基酸分離、純化及測定方面開展研究。③硒如何與其他元素相互作用，硒如何在植物重金屬元素脅迫中發揮作用，尚有待研究。④硒超富集的分子機制還缺乏深入研究，尤其需要加強植物對硒吸收和轉化機理方面的研究，如硒相關蛋白質的研究與應用、分子水平的富硒機理研究等，進而篩選富硒突變體，對富硒植物新品種進行優選。⑤硒超富集植物的進化機制包括硒超富集植物與其他物種間的協同進化機制、硒超富集植物對硒分布和生態系統物種組成的影響。⑥硒在對植物提高抗病抗蟲性上發揮一定作用，其中在硒與食草動物、微生物間的交互作用機制缺乏深入研究。⑦富硒食品的研發是當下研究的熱點領域之一，但植物對硒的吸收耐受不同且在植物體內硒的適用范圍很狹窄，對農產品中硒含量的控制仍是難點。因此需要加強農作物富硒機理的研究，為缺硒地區合理補充硒營養、為富硒地區防治硒污染提供一定的理論和技術依據。

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