張祎雯，董暢茹，劉小強(qiáng)，張 偉，潘丹丹，樊 霆

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院 農(nóng)田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥230036)

土壤是指地球陸地表面能夠生長(zhǎng)植物的疏松表層，具有肥力的特征，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的組成部分。近年來(lái)人類活動(dòng)如化工生產(chǎn)、礦山開(kāi)采、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等導(dǎo)致土壤中的重金屬污染日益嚴(yán)重[1]。2014年《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》表明，全國(guó)土壤點(diǎn)位超標(biāo)率為16.1%，主要污染物鎘、砷和汞點(diǎn)位超標(biāo)率分別為7.0%、2.7%和1.6%[2]。鎘、砷和汞均列于“五毒”之中，毒性大，容易遷移轉(zhuǎn)化，廣泛存在于土壤和水體中，可以通過(guò)食物鏈在人類和動(dòng)物體內(nèi)富集，嚴(yán)重威脅人類健康和生命安全[3-5]。

硒是人和動(dòng)物必需的營(yíng)養(yǎng)元素[6]，主要包括無(wú)機(jī)硒、有機(jī)硒和單質(zhì)硒3種形態(tài)。無(wú)機(jī)硒鹽在自然界主要為可溶性的硒酸鹽和亞硒酸鹽；有機(jī)硒為無(wú)機(jī)硒和有機(jī)化合物合成如硒氨酸；單質(zhì)硒主要以黑色、灰色和紅色3種顏色存在。研究表明，除紅色單質(zhì)硒具有活性外，其他單質(zhì)硒均不具有生物活性[7]。納米硒(SeNPs)通過(guò)生物、物理和化學(xué)方法合成紅色納米元素硒是由中國(guó)科學(xué)家率先研制的以蛋白質(zhì)為分散劑的硒納米粒子，粒徑小于60 nm，與有機(jī)硒和無(wú)機(jī)硒相比，具有更高效、更安全的特點(diǎn)和更高的生物利用率。SeNPs清除體外羥基自由基能力分別是無(wú)機(jī)硒和有機(jī)硒的5倍和2.5倍?；瘜W(xué)合成納米硒生物毒性大于生物合成[8]。硒對(duì)重金屬可以產(chǎn)生拮抗作用，阻擋重金屬對(duì)植物的危害[9]，被譽(yù)為“重金屬的天然解毒劑”。所以，為了阻控重金屬向食物鏈的遷移、生產(chǎn)富硒農(nóng)產(chǎn)品和提高食品安全，研究硒對(duì)植物吸收轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬的影響機(jī)制具有重要的意義。

1 硒對(duì)水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)鎘、砷和汞的影響

1.1 硒對(duì)水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)鎘的影響

近年來(lái)，對(duì)水稻的水培和土培試驗(yàn)研究表明，鎘含量、硒添加量和植物類型等因素影響硒與鎘的拮抗作用。在一定濃度范圍內(nèi)添加硒會(huì)抑制水稻對(duì)鎘的吸收，超出范圍會(huì)促進(jìn)水稻對(duì)鎘的吸收。

水培條件下，添加50 μmol/L以下的鎘時(shí)，添加10 μmol/L以下的亞硒酸鹽降低了水稻根莖葉的鎘含量；添加89 μmol/L以上的鎘時(shí)，添加硒增加了根系的鎘含量[10-14]；在鎘濃度為0.5 μmol/L時(shí)，添加0.1 μmol/L亞硒酸鹽對(duì)水稻鎘吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)沒(méi)有顯著影響[13]。Wan等[15]研究硒和鎘共處理1 h時(shí)水稻吸收動(dòng)力學(xué)發(fā)現(xiàn)，添加亞硒酸鹽可略增加水稻根系對(duì)鎘的吸收，而添加硒酸鹽對(duì)水稻根系鎘的吸收無(wú)顯著影響；共處理3 h后，亞硒酸鹽和硒酸鹽使單位水稻根系對(duì)鎘的吸收量分別增加了8.4%和21.6%；隨著培養(yǎng)時(shí)間增加，加硒可降低水稻根系對(duì)鎘的吸收及向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)，且亞硒酸鹽的降低程度大于硒酸鹽。Xu等[16]分別采用1 μmol/L的硒酸鈉、亞硒酸鈉、SeNPs和有機(jī)硒[硒代蛋氨酸(SeMet)]與鎘(20 μmol/L)共同處理水培水稻25 d時(shí)，發(fā)現(xiàn)除硒酸鈉外，其他處理都能有效降低水稻根部和地上部對(duì)鎘累積量和根部到地上的轉(zhuǎn)運(yùn)，增加水稻苗生物量和葉綠素含量，增加抗氧化酶的活力，SeNPs作用效果僅次于SeMet，優(yōu)于硒酸鈉和亞硒酸鈉。

土培條件下，添加亞硒酸鹽降低了水稻根系鎘含量，隨著硒濃度增加，對(duì)水稻根系鎘含量的降低呈增加趨勢(shì)[17-18]。在硒含量較高的土壤中，水稻籽粒的鎘累積量比在硒含量較低土壤中低[19]。有研究表明，當(dāng)鎘濃度超過(guò)2.0 mg/kg時(shí)，硒可降低水稻鎘的積累量，然而硒的積累依賴于鎘的暴露水平，鎘對(duì)3個(gè)品種水稻硒轉(zhuǎn)運(yùn)的影響均比較小[20]。

Hussain等[21]設(shè)置實(shí)驗(yàn)小區(qū)，采用葉面噴灑化學(xué)合成的SeNPs(粒徑12.26 nm±2 nm)，濃度分別為5、10和20 mg/L，在分蘗期和抽穗期各噴灑1次，結(jié)果表明，除SeNPs為20 mg/L時(shí)，其他處理均降低了糙米中鎘的含量，提高了水稻產(chǎn)量、糙米蛋白質(zhì)和有效硒含量。閆金朋[22]實(shí)驗(yàn)表明，添加硒明顯緩解了鎘脅迫對(duì)水稻造成的傷害，但不同形態(tài)外源硒對(duì)緩解水稻的效果存在差異，硒對(duì)植物存在劑量效應(yīng)，添加1.0 μmol/L的SeNPs、Se(Ⅳ)、SeMet和2.0 μmol/L SeNPs可有效緩解鎘脅迫，但添加2.0 μmol/L SeMet加重了對(duì)水稻幼苗的損傷程度。

在水稻生長(zhǎng)中，過(guò)量硒對(duì)水稻毒性癥狀包括生長(zhǎng)抑制、枯萎病、加劇氧化應(yīng)激、過(guò)度自由基氧積累和膜損傷[23]。在不同土壤條件和不同濃度鎘暴露時(shí)，添加不同形態(tài)和濃度的硒對(duì)水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)鎘的能力不同。因此，要根據(jù)水稻對(duì)鎘的耐性選取最佳硒施加量[24]。

1.2 硒對(duì)水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)汞的影響

硒能夠抑制水稻對(duì)汞的吸收[25-26]，影響水稻根表鐵膜的形成[27-28]。采用汞污染(236.63 ±13.26)mg/kg土壤進(jìn)行水稻盆栽實(shí)驗(yàn)，每30 d根部澆灌不同濃度硒，研究發(fā)現(xiàn)，低濃度硒(0.15 mg/kg)處理，可有效降低水稻組織及胚乳中Hg和MeHg，增加胚乳中銅、鋅、硒和鐵的含量[29]。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，未誘導(dǎo)鐵膜時(shí)，硒汞(HgCl2或MeHgCl)同時(shí)暴露，硒顯著降低了水稻根部的汞含量和轉(zhuǎn)移系數(shù)，說(shuō)明硒能抑制水稻對(duì)HgCl2和MeHgCl的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。誘導(dǎo)形成鐵膜后，硒汞(HgCl2或MeHgCl)同時(shí)暴露，硒可顯著增加水稻根表鐵膜對(duì)汞的吸附、降低水稻根中汞的含量、降低汞從水稻根部到莖葉的轉(zhuǎn)運(yùn)效率[30]。周鑫斌等[28]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，硒能顯著降低根表鐵膜中和水稻體內(nèi)汞的含量，硒能與土壤中汞在水稻根系周圍或者根表結(jié)合形成難溶性的汞硒復(fù)合物，其較穩(wěn)定，不易被植物吸收利用，這不僅減少了汞濃度，而且降低了汞的活性，從而抑制了水稻根系對(duì)汞的吸收，同時(shí)硒可通過(guò)影響根表鐵膜的形成來(lái)影響水稻對(duì)汞的吸收，在硒濃度為1.0 mg/kg時(shí)，硒活化土壤中的鐵和錳，增加了水稻根表鐵膜數(shù)量，土壤施硒的這種雙重作用極大地阻止了水稻對(duì)汞的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。

1.3 硒對(duì)水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)砷的影響

砷在土壤中的大量積累不但會(huì)導(dǎo)致土壤性質(zhì)發(fā)生改變、影響水稻的產(chǎn)量和稻米的質(zhì)量，而且通過(guò)食物鏈危害人類的健康。廖寶涼等[31]的研究顯示低濃度硒對(duì)砷有拮抗作用。吳永堯等[32]發(fā)現(xiàn)，硒可提高水稻產(chǎn)量。硒處理增加旱稻根系砷吸收，降低了旱稻地上部砷累積。硒可以降低旱稻砷莖/根和葉/根轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，即降低旱稻砷從根系向莖葉的轉(zhuǎn)運(yùn)。硒對(duì)砷的作用表現(xiàn)與其濃度有關(guān)[33]。在重金屬脅迫下，葉面噴施硒肥可緩解重金屬對(duì)水稻的脅迫、累積和毒害作用，促進(jìn)水稻生長(zhǎng)[34-35]。適量的硒可增加葉綠素含量[36]，從而提高葉綠體電子傳遞速度，維持類囊體和葉綠體基質(zhì)穩(wěn)定[37]，促進(jìn)光合作用的順利進(jìn)行。高濃度的硒對(duì)水稻光合作用產(chǎn)生抑制作用[32]。王晉民等[36]的研究表示，在亞砷酸鹽和砷酸鹽共處理中，SeNPs的存在對(duì)水稻根系吸收砷的影響最小，相反，與單獨(dú)處理相比，亞硒酸鹽顯著刺激根吸收，砷吸收值比砷酸鹽處理組高33.2%～43.3%，說(shuō)明亞砷酸鹽處理水稻根系吸收速度遠(yuǎn)快于砷酸鹽處理；亞砷酸鹽處理時(shí)添加SeNPs和亞硒酸鹽顯著降低地上部砷含量，分別比單獨(dú)處理組降低37.1%和48.9%。

2 硒對(duì)水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)鎘、砷和汞的影響機(jī)制

研究表明，硒與鎘、砷和汞拮抗作用的機(jī)制主要表現(xiàn)：抑制水稻的過(guò)氧化作用、重建細(xì)胞膜和葉綠體組織[11]、改變鎘、砷和汞的存在形態(tài)、阻礙鎘、砷和汞的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。

2.1 硒對(duì)水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)鎘的影響機(jī)制

硒對(duì)水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)鎘的影響過(guò)程如圖1所示[15]。鎘主要以鎘離子的形式進(jìn)入水稻體內(nèi)，競(jìng)爭(zhēng)陽(yáng)離子通道，硒主要以硒酸鹽或亞硒酸鹽的形式，競(jìng)爭(zhēng)陰離子通道。Wan等[15]對(duì)水稻的吸收動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)也進(jìn)行了證明。硒抑制鎘從水稻根部向地上部的轉(zhuǎn)移，從而降低地上部鎘的積累量。通過(guò)合成鎘有機(jī)配體，如半胱氨酸、谷胱甘肽(GSH)和植物螯合肽(PC)等，能夠?qū)㈡k轉(zhuǎn)化為毒性較小的結(jié)合形態(tài)。PC中的大量巰基可絡(luò)合多種重金屬離子形成離子鍵或共價(jià)鍵，達(dá)到吸附重金屬離子的目的，在三磷酸腺苷(ATP)的作用下，重金屬-PC螯合物可穿過(guò)液泡膜貯存在液泡中，減少了重金屬對(duì)細(xì)胞器的傷害和向木質(zhì)部運(yùn)輸。硒可促進(jìn) PC 的形成并提高PC合成酶的活性，而且硒能夠促進(jìn)PC合成前體GSH的形成。水稻細(xì)胞壁上的多糖可與鎘結(jié)合形成復(fù)合物，使鎘固定在細(xì)胞壁上，降低了鎘的活性。龐曉辰等[14]發(fā)現(xiàn)，鎘、硒復(fù)合處理會(huì)改變鎘在地下部的亞細(xì)胞分布，使細(xì)胞壁中的鎘含量增高，降低可溶組分的鎘含量，減少鎘對(duì)地上部的毒害，降低地上部的膜脂過(guò)氧化程度。對(duì)水稻進(jìn)行硒預(yù)處理會(huì)顯著減少鎘往水稻地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)[11,15]，表明硒與鎘存在相互作用。植物作為富硒載體可將無(wú)機(jī)硒轉(zhuǎn)化為有機(jī)硒[SeMet、硒代半胱氨酸 (MeSeCys)]，谷胱甘肽過(guò)氧化物酶 (GSH-Px)的活性中心是MeSeCys。GSH-Px是機(jī)體內(nèi)廣泛存在的一種重要催化過(guò)氧化物分解酶，能有效地催化有害的過(guò)氧化物還原成無(wú)害的羥基化合物，清除體內(nèi)由于氧化反應(yīng)產(chǎn)生的自由基，保護(hù)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的完整性和正常功能的發(fā)揮。所以，硒能夠通過(guò)提高GSH-Px等的活性而降低鎘的毒性。同時(shí)，硒對(duì)抗氧化酶活性具有調(diào)節(jié)作用，在一定程度上緩解鎘脅迫對(duì)植物根系的毒害效應(yīng)，降低鎘在植物中的積累。

圖1 硒對(duì)水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)鎘的影響過(guò)程示意圖[15]Figure 1 Diagram of the effect of Se on Cd uptake and transport in rice[15]

2.2 硒對(duì)水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)汞的影響機(jī)制

圖2 硒對(duì)水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)汞的影響過(guò)程示意圖[39]Figure 2 The effect of Se on Hg uptake and transport in rice[39]

2.3 硒對(duì)水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)砷的影響機(jī)制

3 結(jié)論與展望

合理施用硒能有效降低水稻對(duì)重金屬的吸收，增強(qiáng)水稻籽粒中硒水平，對(duì)確保糧食安全有著重要的意義。目前，大多數(shù)研究通過(guò)開(kāi)展水培和土培實(shí)驗(yàn)，關(guān)注硒降低鎘、汞和砷在水稻內(nèi)的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)以及相關(guān)的解毒機(jī)制。在今后的研究中，仍有一些關(guān)鍵技術(shù)需要進(jìn)一步的探究：(1)需展開(kāi)大量的田間試驗(yàn)，研究“硒-重金屬-水稻”三者相互作用機(jī)理，以及土壤水分、管理方法以及土壤微生物對(duì)硒降低重金屬在水稻中積累的作用。(2)納米硒更易被植物吸收，應(yīng)廣泛研究納米硒對(duì)水稻吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬的影響機(jī)制。(3)硒從有益到有害作用的濃度范圍非常窄，在降低水稻重金屬積累，提高硒水平，同時(shí)確保硒含量不超標(biāo)，需在確定硒對(duì)植物體的安全使用范圍開(kāi)展大量研究。(4)應(yīng)從分子生物學(xué)角度，探究決定硒能夠降低水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬的基因編碼。