植物對土壤硒污染的響應及耐硒機制研究進展

張 萍,薛經倫,劉 園,程玉淵,史玉龍,丁新潔,賈宏昉,邵惠芳*

(1.河南農業大學煙草學院,河南鄭州 450002;2.河南省煙草公司南陽市公司,河南南陽 473000)

硒是高等生物生長發育所必需的一種微量元素,也是動物體內多種酶和蛋白的重要組成成分[1]。我國約72%的土壤存在缺硒或低硒現象,相關研究表明噴施低濃度硒可以增加種子發芽率、增強作物的光合作用,提高農作物的產量和質量[2-6]。而大量的礦產開發導致土壤硒污染,土壤中大量硒被作物吸收積累,后經食物鏈傳遞至人體,從而誘發急性和慢性硒中毒[2-7]。土壤硒污染的條件下,作物吸收運轉硒的機制、作物耐受硒的毒害閾值等問題顯見報道。該研究對土壤硒污染的形成及現狀、植物對土壤硒污染的生理響應、植物的毒害閾值和耐硒的調控機制進行綜述,重點分析硒污染后作物生理活動的響應,以期明晰作物對硒的吸收與轉運機制,創制硒富集品種,從而修復土壤硒污染。

1 土壤硒污染現狀及其生態風險

硒不僅是生態環境中的微量有益元素,同時在植物生長、人類健康、農業生產與生態等方面被廣泛關注[8-9]。然而常因工業化、電子垃圾及金屬礦床和煤的開采,導致部分地區出現相對嚴重的硒污染,如美國西南地區[10]、波蘭托倫市[11]及我國恩施地區等[12]。我國的硒蘊藏量約是全球硒資源量的1/3[13],我國探明點狀分布的富硒和高硒地區廣泛分布在湖北、陜西、安徽、廣西、江西等地[14]。土壤中硒含量在一定程度上由成土母質的組成和性質決定,從硒含量來看(表1),硒毒土壤的含硒量遠高于自然界中土壤硒含量一般值0.5 μg/g[15],最高可達上萬倍,土壤硒污染情況十分嚴重。

表1 我國土壤硒含量狀況

土壤中的硒通過“土壤-作物-動物”和“土壤-作物-人體”等食物鏈傳遞方式被人和動物吸收利用,而過量攝取硒會威脅動物和人體的健康。研究表明,在土壤硒含量>3 μg/g的區域生活,就存在硒中毒的風險[19-20]。硒中毒是動物攝入過量硒而發生的中毒性疾病,各種動物均可發生,高硒地區的牛、羊和馬較為常見,其次是豬[20]。王建辰等[21]發現過量的硒會影響動物的繁殖和生長發育,導致母畜受胎率和產仔數下降,且仔畜的發育變得遲緩。土壤硒污染使作物可食用部位的硒水平提高,過量的硒進入人體后引發中毒,導致指甲和頭發脫落、神經系統疾病等[22-24]。成年人推薦硒攝入量為50～400 μg/d[25],而生活在恩施硒中毒地區的居民,其硒攝入量高達4 990 μg/d[26],印度硒中毒地區居民男性平均硒攝入量為(632.0±31.2)μg/d;女性平均硒攝入量為(475.0±52.8)μg/d[27-28],遠遠超過人體每日推薦攝入量。這些結果表明我國部分高硒地區存在硒污染而引發的人體攝入硒含量過高的風險,而影響土壤硒有效性的因素,土壤的硒形態變化還有待研究,對土壤硒污染引起的健康風險評價具有相當重要的意義。

2 植物對土壤硒污染的響應

2.1 生長發育土壤硒污染影響植物生長發育,主要體現在低濃度硒促進植物的生長發育,而高濃度硒會出現抑制現象。硒污染條件下,茶苗成熟葉片出現枯斑,根系顏色褐黃,新生側根數量減少[29],水果黃瓜種子萌發受到抑制[30],魔芋植株小、葉邊緣明顯變黃且葉柄長度減小[31]。當硒濃度為100 mg/L時,番茄減產約6.29%,胡蘿卜減產約3.24%;為500 mg/L時,大蒜減產約9.80%。在光照培養箱中,100和200 μmol/L的硒濃度抑制了水稻幼苗的株高、根長、鮮重和干重,且濃度愈高抑制作用愈大[32]。在土壤中相較對照,40 mg/kg的硒濃度下地上部干重和根干重分別下降了21.50%和35.35%;當達到150 mg/kg時,地上部干重和根干重分別下降了81.28%和87.54%。硒處理改變了煙苗的生長發育,硒濃度>5 mg/L時,植株矮小,葉片小而少;當硒濃度達到20 mg/L,地上部和地下部生物量相較對照分別降低了70.8%和73.8%[33]。由此可知,在相同的濃度下,硒對根長的抑制作用大于對苗長[34-35]。

2.2 光合作用硒污染會損傷光合器官,抑制植物光合作用[36]。過量的硒易破壞葉綠體的結構,進而使得大部分植物出現硒中毒癥狀[37]。研究表明,過量的硒會使得葉綠體的細胞器超微結構發生改變[38],可能破壞了微藻葉綠體中的光系統Ⅱ的復合體結構,抑制光合作用的電子傳遞[39]。CO2濃度同樣會影響光合作用的速率。土壤硒濃度達到100 mg/kg時,茄子幼苗的胞間CO2濃度比對照降低了80.44%,抑制了茄子幼苗的凈光合速率[40]。葉綠素是植物進行光合作用、同化物質的基礎,90 mg/L的硒濃度導致花生葉綠素a和總葉綠素含量均下降,且與對照有顯著差異[41];21和24 mg/L的硒濃度降低了苗期油菜葉片的胡蘿卜素含量[42];硒濃度>16 mg/kg時,小麥葉綠素a含量和葉綠素a/b受到明顯的抑制。硒濃度為0.1 mmol/L時就會抑制黃化小麥葉片轉綠過程中葉綠素的積累[43],可能是由于硒取代了合成葉綠素關鍵酶中的硫原子,導致酶蛋白被破壞,活性降低,進而阻礙了葉綠素的合成[44]。

2.3 抗氧化系統硒污染對抗氧化酶系統產生脅迫效應,植物憑借體內2套抗氧化系統清除體內的自由基:一套是低分子物質,例如GSH、ASA和黃酮類等;另一套是抗氧化酶系統,包括SOD、POD、CAT和APX等。高濃度的硒造成花生中MDA的積累,抑制了花生器官的生理功能[45],韓丹[46]研究表明,22.2 mg/kg的硒濃度條件下,烤煙中以無機硒為主,SOD酶活性和GSH含量顯著上升,CAT酶活性和ASA含量與對照相差不大,破壞了植株體內ROS平衡,MAD含量增加。土壤硒污染對SOD的影響較大,而對CAT的影響較小[47]。目前已在眾多高等植物和藻類中檢測到GPX的活性,且證明植物體內硒含量與其活性有著顯著正相關[48],不過陳思嘉等[49]研究發現,硒與螺旋藻中的硒含量沒有太大聯系,與硒脅迫強度相關,硒脅迫越強,GPX活性越高,說明GPX的作用是抗氧化的重要機制之一。由于各種抗氧化酶作用底物的相關性和在生物體內活性氧種類的相互轉化,其中一種抗氧化酶活性的變化,可能影響到其他抗氧化酶活性,可能是硒對植物的生長具有雙重效應的主要原因之一。

2.4 基因表達植物吸收積累硒的過程受關鍵基因的表達及轉錄因子的調控。大量的研究已經證實了耐硒關鍵基因在植物抵抗硒污染中扮演重要角色。岳琳祺等[50]對不同基因型的谷子材料進行硒試驗,表明在110 g/hm2的硒濃度下,不同谷子品質的農藝性狀的變化差異較大;周毅峰[51]研究表明,在壺瓶碎米薺中,SUL1A、Aat和PLR1的表達顯著上調,通過硒化作用和硒代半胱氨酸及其衍生物的轉氨作用提高了硒耐受性。姚新等[52]研究表明,SMT基因的轉入降低了煙草在一定硒濃度范圍內的GSH-Px受影響的程度,改善了煙草對硒的耐受性。但也有研究表明,在硒處理后的茶樹根系中沒有發現SMT基因,推測茶樹根系中硒的代謝不受該基因調控[53]。

3 硒對植物的毒害閾值及其影響因子

植物體內的含硒量不等,但大多數可食用植物的含硒量都比較低,一般為0.01～1.00 mg/kg[54]。目前關于硒對植物的毒害閾值尚無明確定義,施用外源硒肥是獲得優質富硒農產品的有效途徑,但由于硒礦粉等施用后大量的硒殘留在土壤中,造成了環境問題。該研究以植物體出現相應癥狀時的葉面噴施硒濃度為定義,整理不同植物對硒的毒害閾值(表2)。

表2 植物葉面噴施硒的毒害水平

不同物種作物對硒的毒害閾值呈現出了顯著性差異。通常按照不同植物物種對硒耐受和積累程度的不同,可分為3類: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)[66]。不同培養條件下生長的作物對硒的毒害閾值同樣呈現顯著性差異,杜芳等[67]研究表明,平板培養條件下硒濃度>160 mg/kg;液體搖瓶條件下硒濃度>4 mg/L就會抑制菌絲生長速度;栽培模式下,硒濃度>600 mg/kg,菌絲產量亦與對照相比差異不顯著。不同的硒形態影響植物的毒害閾值,研究表明,外源Se(Ⅵ)和外源Se(Ⅳ)對玉米生長具有抑制作用,硒濃度<5 mg/kg時,Se(Ⅵ)毒害性小,硒濃度10～40 mg/kg時,Se(Ⅳ)毒害性小[68]。而植株發育成熟程度也會影響硒的毒害閾值,吳永堯等[69]研究表明,硒濃度>20 mg/kg對大豆苗期生長產生抑制,到后期各處理間形態上無明顯差異。

4 植物對過量硒的耐性機制

過量的硒對植物有毒害作用,已知通過2種機制實現,一種是畸形的硒蛋白,另一種是產生氧化應激[70]。而耐硒植物耐受高濃度硒的機制為減少細胞中硒代半胱氨酸和硒代甲硫氨酸的濃度[71],這些氨基酸滲入蛋白質后影響植物蛋白結構和肽鍵狀態,對蛋白功能造成損壞[72]。Gabel-Jensen等[73]研究表明,硒若轉化為非蛋白硒代氨基酸能夠減少硒的摻入。此外Pilon-Smits等[74]研究表明,植物可以將Se6+轉化為易揮發物質二甲基硒醚或二甲基二硒醚,將體內硒外排,從而提升植物耐硒能力。由此可見,耐硒植物的轉化效率可能高于硒敏感植株,進而揮發體內更多的硒,降低硒污染帶來的傷害。因此培育耐硒植物應選擇可以適度拒硒或能夠轉化毒性較高無機硒為氣態硒揮發的植物。

5 展望

目前人類攝取硒的主要途徑為攝取植物體內積累的硒,當前雖對植物硒的生理功能有所研究,但隨著工業化的發展和煤的開采,使得土壤硒污染日益顯現,現研究的防范措施尚不能完全解決硒污染帶來的生態危害,需要從硒污染評價、分析和創制硒富集植株三部分著手深入研究。其中加強土壤硒污染評價的研究主要是通過定性分析和定量分析相結合,豐富土壤硒污染的評價研究方法,合理確定各評價因子的選擇和對整個評價單元的權重,為因地制宜進行土壤硒污染的防范治理提供系統性理論依據和研究思路;傳統修復措施主要包含客土法、淋洗法、熱處理和固化等方式,但由于難以大規模推廣,無法應急修復,需要未來加強研究土壤硒污染的修復理論技術,提高應對土壤硒污染的能力;植物對硒的超富集、高耐受機理機制的研究,目前已發現的真正意義上的超硒富集植物只有雙槽紫云英,厘清硒在植物體內的基因調控機理,快速篩選出具有應用價值的硒富集和耐硒植物,將硒富集植物與植物修復技術有效地配套組合,可為土壤硒污染修復的發展提供一定的理論基礎。