外源硒調控植物重金屬脅迫機制的研究進展

馬俊桃，周文，李靜浩，景藝卓，韓丹，邵惠芳

（河南農業大學煙草學院，鄭州 450002）

近幾年，隨著工業、農業的發展以及鄉村振興的推進，人們賴以生存的環境遭受了不同程度的污染，其中重金屬污染成為社會各界關注的焦點[1]。工業廢棄物、化學肥料和農藥含有一些重金屬及其化合物，其不規范處理和不當使用都會使部分金屬離子流失到環境中，進而不同程度地污染水體與土壤[2]，長期重金屬毒害會嚴重阻礙作物生長發育并導致減產[3]。因此，尋找有效降低重金屬對作物毒害作用的方法已成為科研工作者關注的熱點。

硒(selenium,Se)是人和動物必需的微量元素，其具有多種生物功能，如抗氧化、預防癌癥和提高免疫力等[4-5]。硒在植物體內也是不可缺少的有益微量元素，適當添加外源硒能增強植物光合作用，增加生物量[6]，提高植物抗氧化能力和抗逆性[7-8]。近幾年關于硒緩解植物重金屬脅迫的研究逐漸增多，研究范圍也在逐步擴大。本文綜述了植物對硒的吸收、轉運與積累規律以及硒緩解植物重金屬脅迫的生理及分子機理，旨在為緩解植物尤其是農作物重金屬脅迫提供相關的理論基礎。

1 硒與逆境脅迫相關研究論文分析

對硒參與調控逆境脅迫相關的研究型論文進行檢索并分類整理發現，這些論文主要研究了硒在緩解鹽脅迫、干旱脅迫、重金屬(鎘、鉻、銅、鉛、鐵、汞)和非金屬脅迫、低溫脅迫、高溫脅迫、水分脅迫、營養脅迫、農藥脅迫、連作脅迫（重茬脅迫）、萘脅迫、酸脅迫、氟脅迫、菲脅迫、柴油脅迫、H2O2脅迫和生物脅迫等方面的作用。從分析結果來看，硒在響應不同逆境脅迫時存在一些共同作用，如硒能提高植物抗氧化能力、增強光合作用等。此外，硒與逆境脅迫相關的研究主要集中在硒與重金屬脅迫、鹽脅迫以及自身硒鹽脅迫3個方面，尤其以重金屬脅迫的研究較為系統，研究材料涉及水稻、小麥等糧食作物，還有葡萄、煙草和油菜等經濟作物；研究內容主要涉及硒與光合作用(photosynthesis)、抗氧化系統 (antioxidant system)、植物螯合肽(phytochelatins,PCs)、重金屬復合物(hormone)以及對植物重金屬的吸收作用（heavy metal absorption）5個方面。因此，本文從植物對硒的吸收和轉運、硒對植物光合作用和抗氧化能力的影響，以及硒對重金屬離子的吸收、螯合、復合物的形成和金屬轉運蛋白基因表達的影響等方面，對硒緩解植物重金屬脅迫的主要機制進行總結，同時針對現有研究的短板提出進一步探究的方向，旨在為后續研究提供參考。

2 植物對硒的吸收與轉運

硒的形態是影響植物吸收利用硒的重要因素。通常認為，植物吸收硒的形態主要為硒酸鹽(SeO2-4)、亞硒酸鹽(SeO2-3)和少量有機硒[9-10]，植物根系更容易吸收硒酸鹽，不易吸收亞硒酸鹽，且被吸收的亞硒酸鹽大多在根系被轉化為有機硒進而向地上部運輸[11-12]。陳思楊等[13]研究發現，等量硒酸鈉和亞硒酸鈉處理的小麥幼苗，根部吸收的硒酸鈉有62%被轉運到地上部，而亞硒酸鈉只有8.2%被轉運到地上部。可見，植物對硒酸鹽的吸收與轉運能力遠遠高于亞硒酸鹽。然而，在相同價態下，硒的吸收速率和轉運能力與其濃度、作物種類等密切相關。張聯合等[14]發現，低水平亞硒酸鈉處理下，莖和根中硒(Ⅳ)總量比值顯著高于高水平硒處理。韓丹等[15]研究表明，烤煙品種云煙87相對于K326對硒的吸收速率更高，并且在弱酸和中性環境下更有益于根系吸收硒酸鹽；而黎妍妍等[16]則發現，K326更適應于低亞硒酸鹽水平下的養分吸收。綜上，植物對硒的吸收受硒的形態及含量的影響，另外，不同植物對硒酸鹽及亞硒酸鹽的吸收速率也不盡相同。

無機硒(硒酸鹽、亞硒酸鹽)以及有機硒被植物吸收，大多都需要依靠其他元素的轉運蛋白。硒和硫(sulfur,S)屬同主族元素，化學結構與性質有較高相似性。植物根系可利用硫酸鹽轉運體來吸收硒酸鹽[17]，且通常利用高親和力硫轉運體來轉 運[18]，并 且 在 擬 南 芥[19]和 茶 樹[20]中 均 證 實SULTR1;2為硒酸鹽轉運蛋白。與之不同，亞硒酸鹽在植物體內則通過磷酸鹽轉運蛋白來進行轉運。Zhang等[21]發現，缺失磷酸鹽轉運子基因(OsP T2)的水稻根系對亞硒酸鹽的吸收顯著減少，而過表達材料對亞硒酸鹽的吸收顯著增加，這說明OsPT2在水稻根系對亞硒酸鹽的吸收過程中發揮著重要作用。至今，對亞硒酸鹽吸收機制的研究還不夠系統和深入，有待從分子層面和多組學角度繼續探索。

高等植物能將無機硒轉化為有機硒，如硒代蛋氨酸(selenomethionine,SeMet)、硒代半胱氨酸(selenocysteine,SeCys)等，并在植物體內運輸。Zhang等[22]發現，水稻吸收亞硒酸鹽后，在根中迅速轉化為SeMet，大部分存在于根部，少量再經由水稻肽轉運家族成員NRT1.1B轉運蛋白將有機硒運送至地上部。同樣的研究發現，植物吸收的硒酸鹽先通過木質部送到葉綠體，在葉綠體中被還原為亞硒酸鹽，再經一系列代謝過程轉化為SeCys[23-25]。此外，有機硒也能直接被植物根系吸收轉運[17]。從現有研究結果可以看出，植物對硒的吸收與轉運機制十分復雜，尤其是對亞硒酸鹽以及有機硒的吸收和轉運機制的研究還不夠全面，這也是當下亟待解決的問題。

3 外源硒緩解植物重金屬脅迫的機理

3.1 外源硒對重金屬脅迫下植物體內抗氧化系統和光合作用的影響

正常情況下，植物自身抗氧化酶系統如超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、過氧化物酶(peroxidase,POD)、過氧化氫酶(catalase,CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(aseorbate peroxidase,APX)、谷胱甘肽還原酶(glutathione reductase,GR)等和非酶系統如抗壞血酸(ascorbic acid,AsA)、谷胱甘肽(glutathione,GSH)等可以維持體內自由基的動態平衡，有效清除活性氧，以避免植物遭受氧化脅迫的傷害，尤其是對膜系統的危害[26-27]。但重金屬脅迫下，植物體內丙二醛(malondialdehyde,MDA)、過氧化氫(hydrogen peroxide,H2O2)和過氧根離子(peroxy radical,O2-)等氧化產物會增加，清除不及時會對膜透性產生一定的危害，影響植物正常的生長發育及代謝。

硒具有一定的抗氧化性，其可以清除植物體內多余的活性氧自由基[28]，在緩解重金屬脅迫方面具有重要作用[29-30]。添加適量硒可調控植物抗氧化系統的響應來緩解脅迫，比如，在水稻中，添加硒使鎘脅迫下植株的SOD、POD活性接近正常值，從而緩解毒害[31]。在煙草中，低質量濃度的硒(≤1 mg·L-1)顯著提高了砷脅迫下烤煙葉片SOD酶和POD酶活性以及AsA含量，使MDA含量降低[32]。同樣的，添加外源硒對黃芪幼苗[33]和油菜[34]鎘脅迫也有明顯緩解作用，能增加葉綠素含量和生物量，提高抗氧化酶活性，減輕膜脂過氧化程度。徐傳婕等[35]認為，鑭（lanthanum,La）和硒的共同作用能夠抑制H2O2和O2-的產生，提高小麥抗氧化酶活性，從而抑制脂質過氧化反應，緩解銅離子對小麥幼苗的毒害作用。劉曉娟等[36]研究發現，添加適宜含量的外源硒能抑制細胞膜的破壞，增加可溶性蛋白含量，降低MDA含量以緩解茄子在鉻脅迫中的氧化脅迫傷害。

植物生長與光合作用密切相關，逆境脅迫則導致光合作用受阻，抑制植物生長。重金屬脅迫下，植物生長受抑制也與光合能力降低有關：①脅迫會使植物體內葉綠體膜系統和能量轉化相關的酶系統遭到損傷；②有些重金屬會與葉綠體組成相關的金屬離子共用轉運蛋白，如鐵離子(Fe2+)、鋅離子(Zn2+)等[37]，離子之間存在競爭，導致葉綠體形成受阻，進而光合作用減弱、光合速率降低，影響植物正常生長。硒可以增加植物細胞內葉綠素含量[33]，對緩解重金屬毒害有一定幫助。朱娟娟等[38]研究發現，添加硒可使銅脅迫下葡萄幼苗體內葉綠素含量增加，進而促進其光合作用。同樣，代鄒等[39]研究發現，添加外源硒可以促進鎘脅迫下3種不同品種水稻葉綠素a的合成，并顯著提高葉片類胡蘿卜素含量。

綜上，植物在遭受重金屬脅迫時，添加適量硒可以增強其抗氧化系統的功能，提高抗氧化酶的活性，加快體內自由基的清除速度，促進光合作用以緩解植物重金屬毒害。

3.2 外源硒對重金屬吸收及轉運的影響

硒能與多種重金屬產生拮抗效應，如鎘、鉛、鉻、汞和砷等[40-45]。江念等[46]對延齡草施加不同濃度硒，發現隨著硒濃度的增加，鎘、砷、鉛和汞含量均先降低后增加再降低。在油菜[47]和生菜[48]中研究發現，施硒對植物積累重金屬能產生明顯的拮抗效應，可以阻擋重金屬向地上部的運輸。但目前研究最多的是外源硒對單一重金屬吸收和轉運的影響，馬月花[33]研究發現，在黃芪幼苗中添加硒顯著降低了其地上部和根系的鎘含量；卞威樂斯等[49]認為，適量施硒能減少花生對鎘的吸收，并且可將吸收的鎘轉化為毒性較小的形態從而緩解毒害。施硒可以減少重金屬在植物體內的積累，在水稻中，隨著硒濃度的增加，植株各器官和稻米(糙米和精米)中鎘含量顯著下降[50]。硒還可以影響植物對鉻、鉛、汞等其他重金屬的吸收和轉運，在茄子中，施加適宜用量的硒降低植物體內鉻的積累量且有效抑制鉻從根部向地上部的轉運[37]。但是，不同價態硒緩解重金屬脅迫的作用也不盡相同，孫漢文等[51]研究發現，亞硒酸鹽對鉻的緩解作用大于硒酸鹽；殷行行等[52]研究顯示，施加外源硒會使旱稻根系砷含量增加，而減少莖和葉中砷的積累，說明硒可以降低砷從根系向地上部的轉運；同樣，趙秀峰等[53]研究發現，硒能抑制鉛向小白菜地上部的轉運而使大量鉛滯留在小白菜根部，從而達到緩解脅迫的目的。這些研究都表明硒在一定程度上抑制了植物對重金屬的吸收和轉運。

3.3 硒與重金屬的螯合作用

植物遭受重金屬脅迫時會通過自身的螯合作用避免細胞器被重金屬破壞，從而抵御脅迫[54]。重金屬螯合劑主要有4類[55]：金屬硫蛋白、植物螯合肽(phytochelatins,PCs)、氨基酸和有機酸，但在高等植物中以植物螯合肽為主[56]。PCs是一種植物多肽，由半胱氨酸、甘氨酸和谷氨酸組成，能與重金屬絡合[57]，是植物緩解重金屬脅迫的重要物質[58]。PCs與重金屬離子形成螯合物后主要被轉運至液泡中，如細胞中的鎘和汞多數都會與PCs結合成螯合物，之后再轉運至液泡中減少其在細胞內的流動，降低毒性[59]。

螯合劑PCs以GSH作為底物通過酶促反應合成，而硒的添加會影響PCs合成酶和GSH的活性，進而影響PCs的合成[60]。方勇[61]研究表明，外源硒能促進植物PCs的合成，使多數鎘與PCs形成螯合物，降低水稻細胞內活性態鎘的比例，阻礙鎘向水稻籽粒中遷移從而減少鎘積累。同樣，Cintia等[62]研究發現，鎘、鎳(nickel,Ni)脅迫下加入亞硒酸鹽，轉基因煙草（過量表達半胱氨酸合成酶基因）的半胱氨酸(cysteine,Cys)和GSH含量均增加，而且與野生型煙草相比重金屬耐性明顯提高，說明施加外源硒可以促進PCs的形成，進而緩解重金屬對植物的脅迫。綜上，硒能激活PC合成酶并促進GSH的產生，使植物產生更多PCs并與重金屬離子結合形成螯合物，降低重金屬的有效性，從而緩解毒害作用。

3.4 硒-重金屬復合物的形成

硒能與重金屬形成復合物，減少有毒重金屬離子在植物體內的移動，有利于減輕植物重金屬毒害[63-65]。張慶等[66]認為，施加硒使茶樹地上部鎘積累量降低是因為硒與鎘形成了配合物亞硒酸鎘(CdSeO3)難以向地上部運輸，從而達到緩解鎘脅迫的作用。土壤中的硒也能與鎘產生拮抗作用，通過改變鎘的存在形態并與其形成難溶復合物來降低鎘的活性，抑制植物對鎘的吸收[67-68]。余垚等[69]對青菜研究發現，硒可以降低鎘向地上部的轉運，這可能是由硒與硫的化學性質相似導致，硒取代硫與鎘結合形成復合物難以被根部吸收轉運，進而抑制鎘在植物內的移動。施入外源硒能與汞結合形成Se-Hg復合物，降低土壤汞的生物有效性[70]。此外，Flora等[71]認為，硒和鉛在體內與一些功能性生物配體結合，從而產生競爭抑制并在體內形成Se-Pb復合物從而緩解鉛毒害作用。陳晞[72]發現，在油菜鉛脅迫下添加外源硒可使根部鉛濃度大大降低，這是由于硒在根部與重金屬產生了復合物，阻礙根部對鉛的吸收從而緩解鉛對油菜的毒害。綜上，外源硒不僅能與土壤中的重金屬離子形成復合物阻礙植物根系吸收，也可以在植物體內與重金屬離子結合成絡合物，從而阻止重金屬離子的移動，進而有效緩解重金屬脅迫對植物的損害。

3.5 外源硒對重金屬脅迫下植物基因表達的影響

外源硒進入植物細胞內通過調控相關基因的表達來緩解重金屬脅迫。硒能影響鎘轉運蛋白基因的表達，隨著硒加入時間的增加，水稻根系中鎘相關的轉運蛋白基因OsNramp1、OsHMA3和OsHM A2的表達量均下降，最終緩解鎘對水稻的毒害作用[73]。Cui等[74]發現，對鎘脅迫下的水稻添加外源硒可以有效抑制OsLC T1、Os Nramp5、OsNr amp1、OsIRT1和OsIRT2的表達量來減少水稻對鎘的吸收，從而緩解鎘毒害作用。趙園園[47]以油菜為研究對象，發現添加低水平的外源硒能明顯降低鎘脅迫下油菜根部鎘吸收基因Bn IR T1;7和BnI RT1;8以及鎘轉運基因Bn H M A4;3和Bn H M A2;1的表達。另外，添加適量外源硒還能增加重金屬脅迫下植物體內微量元素的含量，如鐵、鋅、錳、銅等，這在一定程度上增強了與鎘的競爭，同時會抑制鎘相關基因的表達，從而影響植物對鎘的吸收及轉運[75-76]。He等[77]發現，適量增加鐵的供應會抑制I RT1的表達，減少鎘在擬南芥中的積累，這與Chen等[78]的轉錄組結果一致。此外，細胞壁在植物抵御脅迫中也發揮重要作用，硒預處理水稻能激活木質素合成基因(Os PA L、Os Co M T和Os 4 CL3)的表達，通過增加木質素的合成促進細胞壁增厚，增強機械強度以緩解毒害[74]。因此，施加外源硒還可以通過調節木質素合成來緩解植物鎘脅迫。最近，劉霄霏等[79]發現，添加外源硒還能調控鎘脅迫下黑麥草的抗氧化酶基因表達量，進而影響抗氧化能力以緩解鎘脅迫。目前，外源硒對重金屬脅迫下相關基因表達的研究主要集中在重金屬轉運蛋白基因方面，并且對鎘轉運蛋白基因的研究最為深入，對其他基因如抗氧化酶基因和木質素合成基因等的研究相對較少，今后可以深入研究。

植物遭受重金屬脅迫時，其體內大分子代謝物及相關基因最先響應，隨著毒害濃度及時間的改變，進而引起生理代謝紊亂，最終影響植物正常生長，導致生物量降低，農作物因此降質減產。施加適量的外源硒能增加植物生物量、減少膜脂過氧化反應(增強抗氧化酶活性)、提高葉綠素含量并增強植株光合作用，還會影響植物對重金屬離子的吸收及轉運，促進植物螯合肽的形成以及降低重金屬離子活性(如形成復合物)，達到緩解重金屬毒害的作用。外源硒緩解植物重金屬脅迫的效果，因植物品種、生長特點以及生活環境的不同而有差異，且施加外源硒的形態、含量等對重金屬脅迫的緩解效果也大有不同。就硒對不同種類重金屬脅迫的緩解效應的特點做了總結歸納(表1)，期望對硒緩解不同種類重金屬脅迫作用機制的研究提供一定的指導作用。表1主要針對研究較多的重金屬脅迫進行分析比較，其中硒緩解鎘脅迫的研究相對其他金屬離子更全面，并且在基因水平也有較多成果。就目前的研究結果來看，硒緩解重金屬脅迫的機制依然較為復雜，尚不完全清楚，尤其是分子水平上的研究還遠遠不夠，可用多組學聯合對其緩解脅迫的分子機制及代謝通路進行更加深入與系統的研究與總結。

表1 硒對不同重金屬/類金屬脅迫的作用機制的特點Table 1 Characteristics of the mechanism of selenium on different heavy metals/metalloids stresses

4 結語

外源硒可以緩解植物重金屬脅迫。一方面，添加外源硒能增強植物光合作用、提高抗氧化能力，從而提高植物抗逆性；另一方面，硒能調控植物對重金屬的吸收和轉運，促進重金屬形成不溶物（螯合物、復合物），抑制金屬離子吸收和轉運蛋白基因的表達。但是，在分子水平上，現階段僅對鎘脅迫的緩解機制研究較為深入，并已驗證部分基因在硒緩解鎘脅迫中的作用及功能，而外源硒對其他重金屬脅迫緩解作用的研究仍主要停留在生理方面，期望后續能在分子水平上有更多的研究突破。此外，現有研究對植物材料的選取也不夠廣泛，未來應在更多植物種類中進行驗證。目前，多數研究只闡述了硒對單一重金屬脅迫的緩解機制，而硒對多種重金屬同時脅迫的緩解機制尚不明確，當多種重金屬共存時，外源硒的加入對植物自身、對各類重金屬會有什么樣的影響，其機理還需要在后續的研究中不斷補充和完善。