提高作物硒含量研究進展

孫協平，王 武，羅友進，伊洪偉，謝永紅，謝德體

（1. 重慶市農業科學院果樹研究所， 重慶 401329；2. 西南大學資源環境學院， 重慶400715）

人類通過合理的膳食汲取基本營養元素以維持自身健康，目前全世界約有60%的人缺鐵，超過30%的人缺鋅和碘，15%的人缺硒[1]。眾所周知，硒元素是人體必需的微量營養元素，其在提高人體免疫力和預防癌癥方面有著重要作用，然而目前，硒元素的匱乏已經涉及21個國家和地區，波及5～10 億人口[2]，人均硒攝入量不足40 μg/d。與此同時，缺硒個體也不能過多的補充硒元素，研究表明攝入大量硒會增加內皮功能障礙和糖尿病的風險[3-4]。為了安全起見，世界衛生組織設定安全硒攝入上線為400 μg/d。

土壤缺硒是導致人體硒含量不足的主要因素，在中國、南非、波蘭以及其他國家尤為突出[5]。通過生產富硒作物可以有效提高人體硒水平[6]，因此豐富富硒產品來提高人體硒水平這項措施將會產生巨大的社會效益和經濟效益。2013年4月發布的《“中國富硒食品標志”行業管理規范》有如下規定：富硒食品，是遵循我國特有的天然富硒帶所產富硒食品可持續經營原則，在優良的生態環境下，按照特定方式生產，無污染、安全、優質的食用富硒食品，包括水果、蔬菜、藥材、糧油、干果食品、肉蛋類食品等。但是在非富硒地區通過合理的施用硒肥也能夠達到富硒的標準。

1 影響土壤硒含量因素

研究表明，我國富硒地區主要集中在南方地區和西北地區。一般認為土壤耕作層硒含量小于0.05 mg/kg 地區為極低硒地區；0.05～0.20 mg/kg 為低硒地區，0.20～0.40 mg/kg 為中硒地區，0.40～3.00 mg/kg 為高硒地區，高于3.00 mg/kg 為極高硒地區。

影響土壤硒含量主要有以下幾個因素：首先是成土母質，由于土壤硒主要由成土母質風化釋放，因此成土母質硒含量成為影響土壤硒含量的主因。其次是氣候環境，Blazina 等[7]研究表明，在具有典型季風氣候的中國，降水量是影響硒分布的重要因子。第三是人為因素，隨著工業、農業的發展，人為干涉也成為影響土壤硒含量一個不容忽視的因素，如工業污染物，廢水廢氣廢物侵入土壤，增加了土壤硒的含量。硒肥的使用增加了土壤硒含量。第四個因素是富硒生物，富硒微生物在土壤中的分解釋放硒，也是土壤硒的來源之一。

2 硒存在形態

由于植物主要從土壤中吸取硒，因而土壤硒的存在形態直接影響植物硒的含量。土壤中不同價態的硒以及不同形態的硒的化學性質不同，影響著植物對硒的吸收轉運率。土壤中的硒以無機態為主，有Se6+（硒酸鹽）、Se4+（亞硒酸鹽）、Se（單質）、Se2-（無機和有機硒化物）幾種存在形式。硒酸鹽和亞硒酸鹽以及低分子有機態硒是最易被植物吸收利用。按照提取土壤硒的存在形式可以分為易容性Se （0.25 mol/L KCl 提取）、吸附態Se（0.1 mol/L K2HPO4）、元素態Se（0.25 mol/L Na2SO3）、有機結合態Se（4 mol/L HCl）和殘渣Se（HNO3，H2O2，HF 微波消解）[8]。耕作層是經耕種熟化的表土層，一般厚度在15～20 cm，作物根系最為密集，因此耕作層的理化性質如土壤結構、養分含量、土壤的氧化還原電位、土壤pH 值、土壤有機質等會較大程度地影響植物對硒的吸收。

在硒的生態鏈中植物可以有效的將無機硒轉化為有機硒，因此植物體內硒主要以有機態為主，無機態硒含量較少。通過高效液相色譜儀、質譜儀等儀器可以將有機態硒有效的分成硒代甲硫氨酸（SeMet）、硒代半胱氨酸（SeCys）、硒代胱氨酸（SeCys2）、Se-丙烯基硒半胱氨酸亞砜（AllSeCys）、γ-L-谷酰基-Se-甲基硒-L- 半胱氨酸（y-Glu-MeSeCys）、甲基硒代半胱氨酸（MeSeCys）等有機形式而且能夠精確測定每種有機態的含量[9]。除了游離態硒氨酸外，硒還以硒鈦、硒核酸、硒多糖、硒茲類和類脂和其他類形式存在，不過目前關于這一類物質研究較少。

動物從飲食中攝入的硒被十二指腸等部位吸收后，一部分合成硒蛋白，一部分貯存在體內，剩下的被排出體外[10]。硒作為功能性硒蛋白的必須元素來發揮其生物學作用，如硒是谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）的組分，廣泛存在于組織器官中，主要功能是催化還原型谷胱甘肽（GSH）變為氧化型谷胱甘肽（GSSG），使有毒的過氧化物還原成無毒的羥基化合物，保護細胞膜的完整及功能不受到活性氧的干擾與損害。脫碘酶家族、硫氧還原酶、硒磷酸合成酶-2 等都是硒蛋白，到目前為止，至少有20種硒蛋白被鑒定出來。

3 植物對硒的吸收、轉運方式

水溶性的硒是植物吸收的主要形式，主要包括低分子有機酸、硒酸鹽和亞硒酸鹽。硒酸鹽主要因為與土壤微粒的吸附親和力低因而最易被植物吸收利用，亞硒酸因其與土壤吸附能力較強所以相比硒酸鹽不易被植物吸收利用[11]。硒酸鹽通過硫酸鹽轉運蛋白進入根系，很快運輸到地上部，被還原成亞硒酸鹽，進而轉化為有機硒的化合物[12]，再分配到植物的其他組織；而亞硒酸鹽通過磷酸鹽轉運蛋白和硅轉運蛋白進入根系[13]，在根系中很快轉化有機態，如硒代甲硫氨酸、硒甲基半胱氨酸等，有機態硒也會被運輸到地上部[14]。當硒酸鹽和亞硒酸混合存在時，亞硒酸鹽的存在會影響硒酸鹽的吸收[15]。硒代半胱氨酸甲基轉移酶（SMT）通過轉基因技術在非富硒植物擬南芥體內的過量表達促進了硒的吸收，進而證明SMT 是硒富集的關鍵酶[16]。然而不是所有的植物過量表達SMT 都能夠提高植物體內的硒含量。除了SMT，目前研究表明ATP 硫酸化酶、硒代半胱氨酸裂解酶也是植物積累硒過程中的關鍵酶[17]。

4 提高作物吸收硒的措施

4.1 施肥

在缺硒地區施用硒肥能夠顯著提高植物體內的硒含量。許春霞等[18]在低硒茶園土里施亞硒酸鈉，結果表明茶樹硒含量隨著硒劑量的提高而增加。Reilly等[19]研究指出洋蔥和青蔥含有大量保健作用的酚類和黃酮類物質，噴施硒酸鹽和亞硒酸鹽混合液溶液可使球莖里的硒含量從0.5～5.9 μg/g 增加到40.6～70.0 μg/g，且不影響酚類和黃酮類物質含量。付冬冬等[20]研究指出施硒肥能夠提高小白菜的硒含量，而且對小白菜的生長低濃度硒（<5 mg/kg）具有促進作用，高濃度硒（>5 mg/kg）具有抑制作用，同時還指出低濃度的四價態或六價態硒均能促進對氮、磷、鉀、硫、鎂、鋅的吸收。硒的濃度在1～100 μmol/L 范圍內不會顯著影響小麥大量元素的吸收，對微量元素的吸收也是微弱。

4.2 接種微生物

除了采取施硒肥外，采取接種微生物也可促進植物對硒的吸收。富硒植物芥菜在接種細菌團體（蘇云金芽孢桿菌-YAK2，地衣芽孢桿菌-YAK4，內生芽胞桿菌-YAK7，纖維化纖維微細菌-CrK16 和微桿菌-CrK19）后，植株生長量增加進而促進硒的積累[21]。Yasin 等[22]研究表明一種與Bacillus pichinotyi 相似度為99%的YAM 2 菌株接種到小麥根系后不但植株生長量增加，并且顯著的提高小麥籽粒（167%）和莖（252%）的硒含量，同時籽粒和莖中鐵的含量也增加了，這可能與其提高體內酸性磷酸酶的活性有關，而Guerrero 等研究表明硒酸鹽和亞硒酸鹽濃度在10～100 μmol/L 范圍內顯著降低了小麥對鐵的吸收（除了100 μmol/L 硒酸鹽處理）[15]。由此可見，YAM 2菌株促進小麥對鐵的吸收也是比較顯著的。柑橘是南方栽培面積最大的果樹，在自然栽培條件下其根毛少且短甚至沒有，柑橘很大程度上依賴菌根來代替根毛吸收養分、水分和分泌有機物等功能[23]。湯靜[23]、王明元[24]的研究表明接種叢枝菌根能夠促進柑橘對鋅、鐵、鎂的吸收。此外，也有許多細菌如專性好氧細菌睪丸酮叢毛單胞菌S44 使Se6+、Se4+還原成零價硒元素以降低硒的毒性[25]。

4.3 改良土壤

土壤熱力學計算結果表明，在堿性好氧的土壤上硒酸鹽是主要形態，在酸性和中性的礦物土壤中亞硒酸鹽是主要形態。pH 高的土壤硒溶解度大，可溶態硒含量增高，易于植物的吸收利用，提高富硒地區土壤的pH 能夠提高硒的活性；反之硒活性降低[26]。通過施用石灰提高土壤pH，深耕提高土壤的透氣性，兩種方法均能提高水溶性硒酸鹽的含量，促進植物對硒的吸收。利用硒超富集植物沙漠王羽的莖葉當做肥料不但能夠提高胡蘿卜和花椰菜的硒含量還能提高產量，此外花椰菜中硒以硒代甲硫氨酸的含量最高，占總硒量的58.0%，胡蘿卜以SeCyst 含量最高，占33.4%[27]。

4.4 篩選合適的富硒作物品種

不同作物對硒的吸收和富集能力差異很大，即使是同一作物，品種品系之間對硒的吸收能力也有差異。常見作物中十字花科植物對硒的積累能力最強，其次是豆科植物，谷類植物最低，谷類中以小麥對硒的積累最強[28]。在富硒土壤中根據植物對硒的積累量可將植物分為：硒超積累植物（1 000～15 000 mg/kg）、硒儲蓄植物（100～1 000 mg/kg）和非富硒植物（10～100 mg/kg）。硒超積累植物如雙溝黃芪（Astragalus bisulcatus）、沙漠王羽（Stanleya Pinnata）；較喜硒植物如印度芥菜（Brassica juncea）和壺瓶碎米薺（Cardamine Hupingshanesis）[29]；非富硒植物有三葉草、大麥等。硒超累積植物與硒儲蓄植物以有機態形式積累硒，而非富硒植物以無機態硒的形式存在，如雙溝黃芪和沙漠王羽以SeMeCys 為硒主要形式，印度芥菜以SeMet 為硒主要形式，而壺瓶碎米薺以SeCys2為主要形式[30]。沙漠王羽能夠超富集硒與Vc、谷胱甘肽、總硫含量、非蛋白硫醇水平有關[31]。許多富硒植物能夠通過硒代半胱氨酸甲基化轉移酶（（SMT））將毒性強的SeCys 甲基化成無毒的游離的MeSeCys 進而降低硒對植物的毒害。非富硒植物如白三葉草、紅三葉草、黑麥草在硒濃度為5 mg/kg 時其植株的生長就受到抑制[32]，當硒濃度大于2 mg/kg 時大麥的生長受到抑制[33]。當硒的濃度在4～6 mg/kg 時，菜豆地下和地上部的生長受到顯著抑制，這與硒降低植物根尖生長、植物體內激素和內源NO 紊亂有關[34]。

5 展 望

我國是個缺硒大國，發展富硒作物對促進全民健康有著積極的作用。在土壤肥料方面，缺硒地區施用硒肥是一條有效途徑；富硒地區除了生產富硒作物外，生產富硒肥料改良相對缺硒地區的土壤狀況也是較好的途徑；在作物選擇上，除了選擇富硒作物外，在主要糧油果蔬作物上，如水稻、小麥、花生、蘋果、柑橘等篩選富硒品種品系對全民補硒的貢獻也較大。

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