硒对植物的生理作用及富硒瓜菜研究进展

张杨杨 焦自高 艾希珍 王崇启 董玉梅 肖守华

摘 要： 中国72% 的土壤缺硒，硒对人体健康发挥着重要作用。根据有关文献阐述了富硒瓜菜的特点，瓜菜硒含量的国家标准；植物对硒的吸收、转运及同化的机理；硒对作物产量、品质、种子萌发、根系活力和叶绿素含量等的影响。此外还介绍了硒对植物矿质营养吸收、抗逆性、酶活性、抗氧化作用及重金属拮抗等的影响；简述了硒在厚皮甜瓜和西瓜上的研究现状；提出了富硒农业发展中存在的问题及未来的发展方向。

关键词： 硒； 植物； 富硒瓜菜； 富硒农业

The Physiological Role of Selenium on Plants and Research of Effects of Selenium-rich on Cucurbits

ZHANG Yang-yang1， JIAO Zi-gao2， AI Xi-zhen1， WANG Chong-qi2， DONG Yu-mei2， XIAO Shou-hua2

（1. Horticulture and Engineering College， Shandong Agricultural University， Taian， Shandong 271018， China； 2. Vegetable Institute， Shandong Academy of Agricultural Sciences， Jinan， Shandong 250100， China）

Abstract： Selenium plays an important role in human health，but in China 72% of soil deficient of selenium. This article describes the characteristics of selenium-rich cucurbit vegetable and the national standard of selenium content in cucurbit vegetable； the mechanism of plants absorbing，transferring and assimilating selenium； the influence of selenium on crop production，quality，seed germination，root activity and chlorophyll content. The effects of selenium on the absorption of mineral nutrition，stress tolerance，enzyme activity，antioxidant effect and antagonism of heavy metals are also discussed. We also briefly describe the research of selenium in melon and watermelon. The future efforts of selenium research are proposed in this review.

Key words： Selenium； Plants； Selenium-rich cucurbit vegetable； Selenium-rich agriculture

硒是瑞典化学家Berzelius 于 1817 年在生产硫酸的尾矿中发现的，此后硒一直被认为是一种有毒元素。1957 年Schwarz 和 Fo1tz 首次证明硒是动物的必需营养元素[1]，1973年 Rotruck 等[2]发现和证实硒是动物和人体谷胱甘肽过氧化物酶的组成成分，随着研究的进展，发现谷胱甘肽过氧化物酶参与了众多的生理功能，发挥着重要的作用。世界卫生组织专家委员会正式宣布，硒是人体生理必须的14种微量元素之一[3]。硒具有抗癌、抗衰老、提高免疫力的作用。此外，硒对克山病、艾滋病、甲状腺病、大骨节病、帕金森病、肝炎均有一定的调节作用。还能抗有毒重金属达到解毒作用；保护肝脏和心肌健康，防止心脑血管病；参与光子传导并减少白内障等。由于硒的特殊作用以及我国大部分地区缺硒的现状，从食物中摄取硒成为了人体补硒的重要途径[4]。最新公布的全国公民膳食营养调查结果显示，全国人均摄入硒为39.9 μg，不到中国营养学会推荐的4/5。土壤中的硒分布极不均匀，在我国除了湖北恩施、海南东北部市县、陕西紫阳和安徽石台属富硒地区外，全国约72%地区处于缺硒或低硒带。硒分为无机硒和有机硒两种，无机硒不能被人体直接利用，只能通过有机硒的方式来补充人体内的硒。发展富硒瓜菜，可产生巨大的经济效益，具有广阔的市场前景。

1 富硒瓜菜的发展现状

富硒瓜菜营养价值丰富，口感良好，是补硒食物中的良品。要提高瓜菜中硒的含量，必须了解富硒瓜菜的特点和瓜菜硒含量标准。

1.1 富硒瓜菜的特点

瓜菜中的硒都是以有机硒的形态存在的，这种硒对于生命健康是最直接有效的。因此，富硒瓜菜的一大特点是有很强的保健作用，能极大提高各种生理功能。富硒瓜菜的最大特点就是硒含量比普通瓜菜要高[4]。目前的富硒瓜菜主要有富硒甜瓜和富硒西瓜。

1.2 瓜菜硒含量的国家标准

人每天摄取的硒量达到55 μg 就能维持硒酶的最大表达量，超过400 μg 就会对人体产生负效应[5]。中国营养学会推荐正常人体每日摄入硒量60～200 μg[6]。在富硒食品标准方面， 1992年国家颁布了GB13105-1991《食品中硒限量标准》，并在2005年收入GB2762-2005《食品污染物限量》中。2011年1月24日卫生部发布第3号公告称：根据《食品安全法》和《食品安全国家标准管理办法》的规定，经食品安全国家标准评审委员会审查通过，决定取消GB2762-2005《食品中污染物限量》中硒指标，从此硒不再作为食品污染物进行管理[7]。目前生产中仍需要控制瓜菜的硒含量为0.01～0.1 mg·kg-1。

2 植物对硒的吸收、转运及同化机理

植物吸收硒的主要来源是土壤中的硒。根系吸收运转Se6+和Se4+的机理不同，根系吸收的硒主要是硒酸盐（SeO24-）和亚硒酸盐（SeO23-）[8]。 Se4+为被动吸收，不需要能量。Se4+先转化为Se6+及有机硒化合物，小部分运转到地上部枝叶中去，大部分运转到根部。 Se6+为主动运输， 根系对SeO24-的吸收易于SeO23-[9]。土壤的酸碱度对硒的吸收有重要影响，碱性土壤中，硒主要以硒酸盐的形式存在，易溶于水，利于植物吸收；酸性土壤中硒以难溶解的碱式亚硒酸铁的形式存在，不易被植物吸收利用[10]。不仅根系可吸收硒，叶对硒也有吸收作用，王其兵等[11]试验表明，叶片能够吸收利用Se6+和Se4+，且叶片对Se6+的吸收能力约是Se4+的3倍，吸收量与施硒质量比成正比，在花针期施用有利于叶片的吸收利用和转运。Hamilten等[12]对17种蔬菜的试验结论是：同一植物不同部位吸收硒的能力各异，蔬菜的可食用部位含硒质量比低于非食用部位。Wan等[13]研究甜菜、大麦、番茄3种作物对硒的吸收进一步证实了作物可食用部分吸收硒的能力低于非食用部位这个结论。试验证明，在缺硒和低硒土壤栽培作物，通过土施、叶喷和浸（拌）种都是提高植物中硒质量比的有效措施[14]。硒在植物体的转运与所吸收的硒酸盐状态有关，运转速率是：硒酸盐>有机硒>亚硒酸盐[15]。随生育期进程， 硒在植物体内可以转移和再分配[16]。

硒酸盐被吸收进入植物叶绿体细胞后被 ATP 硫酸化酶激活，形成5′-磷酸硒腺苷（APSe）。在谷胱甘肽和5′-磷硫酸腺苷（APS）还原酶的作用下，APSe进一步还原生成亚硒酸盐。在植物叶绿体内经过半胱氨酸合成酶的作用，Se2-生成硒代半胱氨酸（SeCys）。SeCys进一步经过胱硫醚-γ-合成酶的作用合成为硒代胱硫醚，然后经过胱硫醚-β-裂解酶的作用分解为硒代高半胱氨酸，最后完成硒代蛋氨酸（SeMET）生物合成。随着 SeCys生物合成的结束，它从植物叶绿体中转运到细胞胞液中。此时细胞胞液中的硒代半胱氨酸甲基转移酶（SMT）通过甲基化途径转变成硒代甲基半胱氨酸（MetSeCys）。同时MetSeCys进一步被氧化为甲基半胱氨酸硒氧化物（MetSeCysSeO），并经过半胱氨酸亚砜裂解酶的作用分解为胶态硒甲烷。最后生成具有挥发性的二甲基二硒化物 （DMDSe）。最近植物对硒的挥发性已备受关注，因为它可能成为一种植物修复土壤硒污染的有效方法[17]。

3 硒对植物的作用及其影响

一般而言，适量浓度的硒可以促进植株生长，提高产量及品质，但过量硒对植株有毒害作用，这在番茄、莴苣、菠菜、白菜等蔬菜作物上已得到证实。

3.1 施硒对作物产量的影响

关于外源硒对作物产量的影响机制可能有两方面的途径。其一是硒的直接作用。硒通过作用于植物体内某些生化过程，进而直接影响作物的生物量。吴雄平等[18]在对白菜的研究就这样指出：低浓度的硒能够促进白菜的生长，使其根变粗，并诱导脯氨酸的产生，阻止丙二醛（MDA）的合成，增强白菜的抗逆性，使其生物量明显提高；高浓度的硒之所以会抑制白菜的生长，是因为过量硒导致了植物体内脯氨酸合成下降、MDA 合成量增加，叶及根系生长受到抑制，地上和地下部质量显著急速下降。另一个途径就是硒的间接作用。外源硒可能会影响土壤中某些微生物的种类、数量或酶的活性[19-20]，进而影响作物生长的养分环境，通过影响植物对养分的吸收，最终对作物产量产生作用，但目前国内外关于这方面的研究还很少。

3.2 施硒对作物品质的影响

硒影响作物品质主要是通过影响作物体内某些有机化合物水平来实现的。水培莴苣加硒 0.4 mg ·L-1提高了莴苣叶的总糖、还原糖、叶绿素、可溶性蛋白质含量，降低了粗纤维和亚硝酸盐的含量，对保护人体健康起到很好的作用[21]。李登超等[22-23]在白菜的水培试验中发现，适宜浓度的外源硒增加了白菜地上部可溶性总糖、还原糖含量，提高了植株体内总蛋白质的含量，降低了蔗糖、淀粉及纤维的含量；而且，添加外源硒后增加白菜地上部游离氨基酸总量和 N、Ca、Mg、Mn、Zn 含量；提高白菜地下部 N、S 元素的含量，降低地下部 P、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn 元素的含量，大大改善了白菜的品质。

3.3 硒对种子萌发的影响

大量研究表明，硒可以促进种子萌发，而且硒对种子萌发的影响与价态无关，但这种促进作用与硒浓度有密切关系。适宜浓度的硒处理种子，能够促进其萌发，浓度高时对种子会产生毒害作用，反而不利于种子萌发。不同类型的植物种子萌发所需适宜的硒浓度不同。芸豆种子在低硒质量浓度（<15.0 mg·L-1）处理时，对萌发有促进作用；在硒质量浓度为15.0 mg·L-1 时，其发芽率和发芽势最大；高质量浓度 （>15.0 mg·L-1）硒处理则对萌发表现为一定的抑制作用[24]。 大豆种子在硒质量浓度为0.05 mg·L-1 时，对其萌发最有利，能提高其发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数，但浓度过高对大豆种子发芽有明显的抑制作用[25]。

硒促进种子萌发可能与影响到种子的酶活性和物质代谢有关，不同浓度的硒溶液对油菜种子的脂肪酶活力有一定影响，证明硒对油菜种子萌发机理有作用，从脂肪酸的产生量分析，脂肪酶活力高低与种子发芽状况相一致[26]。

3.4 硒对根系活力的影响

植物根系活力与硒的浓度有关，总的来说，低浓度硒促进根系活力加强，高浓度则抑制了根系的活力。在0～20 mg·kg-1的范围内，黑麦草体内GSH-Px活性及根系活力均随施硒量增加而增大，当施硒高于20 mg·kg-1时黑麦草根系活力随之降低[13]。叶面喷硒也能提高植物的根系活力，如小麦喷硒后根系活力明显高于对照[27]。

3.5 硒对叶绿素含量的影响

吴永尧等[28]发现，线粒体呼吸速率和叶绿体电子传递速率都与硒的存在与否以及含硒量的多少有显著的相关性。在一定范围内（0.10 mg·L-1以下），硒增强了线粒体呼吸速率和叶绿体电子传递速率，而当硒处在较高质量浓度（≥1.0 mg·L-1）时则导致其速率降低，说明在植物体内硒可能参与了能量代谢过程。茶树经喷施硒肥后，叶绿素含量从0.21% 提高到0.31%，这表明硒肥有助于茶树的光合作用和生长代谢[29]。在油菜上施硒，发现油菜苗期叶片中叶绿素质量分数与施硒浓度呈显著正相关[30]。由此可见，硒可促进和调控植物叶绿素的合成代谢。

4 硒影响植物对其他营养元素的吸收

植物吸收含硒营养元素时，会影响植株对其他的营养元素的吸收。硫对硒酸盐存在拮抗作用，研究发现，硒可以和硫竞争细胞膜上的硫转运蛋白[31]。硒对硫既具有拮抗作用也有协同作用，某一浓度范围内一般只表现为拮抗作用。在烟草生长前期，植株全株及地上部的硒积累量在低硫（<75 mg·kg-1）条件下随施硫增加而增多，硒硫表现为协同作用；在高硫（>75 mg·kg-1）条件下，烟草硒积累量则随施硫的增加而减少，表现为拮抗作用。有试验发现锌、锰、铜的施用对大蒜吸收硒几乎没有影响，而硒会明显地抑制大蒜对锌、锰、铜的吸收。施硒后增加了小白菜地上部钙、镁、锰、锌等元素的含量，降低钾元素的含量；而在小白菜地下部，施硒则降低了钙、镁、锰、锌等元素的含量；硒与磷既具有拮抗作用也有协同作用；蛋白质、氨基酸和水溶性氮素可促进植物对硒的吸收，而加入腐殖酸则降低植物中硒的含量[32]。叶面喷施一定浓度的硒，可促进青花菜对Ca、Mg、Fe和K等元素的吸收，但使各元素含量增加的硒浓度有所不同。其机理可能是不同浓度对SeO32-、Ca2+、Mg2+、Fe2+、K+等阳离子吸收的促进作用不同[33]。

5 硒对植物抗逆性的影响

硒能保护水稻细胞，降低电解质外渗，提高植物体内脯氨酸和束缚水含量，使束缚水与自由水的比值提高，水稻的抗逆性增加。在试验中观察到施用硒肥可增强水稻对植物病害的抵抗能力，亚硒酸钠和抗坏血酸的配合使用具有增强稻苗抗寒能力的作用[34]。

植物受辐射、干旱、低温、病虫害等逆境伤害的主要表现之一是植物体内会产生大量的自由基。在高光照强度胁迫下，硒能够中和与衰老相关的氧化胁迫，从而使生菜叶片的绿色保持时间更长些。适量硒可清除过量自由基，参与能量代谢，促进植物根系生长发育，提高根系活力，从而提高机体抵御紫外辐射损伤的能力。施硒还能够通过增强水稻叶片GSH-Px的活性和根部GSH的浓度与氧化能力并减少根部MDA的含量来缓解亚铁对水稻的毒害，从而显著提高水稻的产量。在大豆重茬和连茬中，硒的施用提高了大豆对连作胁迫的抗性，表明施硒有可能成为一条克服大豆连作障碍的有效途径。作物施硒还有减轻除草剂药害、提高作物抗逆性、抑制真菌的作用[32， 35]。

6 硒对植物酶活性的影响

硒对植物体内多种酶都有影响，且对酶活性的影响与其浓度有关。低质量浓度硒（1.0 mg·L-1亚硒酸钠）能明显提高水稻分蘖期、孕穗期谷胱甘肽过氧化物酶活性；高质量浓度硒（10.0 mg·L-1亚硒酸钠）处理明显抑制分蘖期谷胱甘肽过氧化物酶活性，但对水稻孕穗期谷胱甘肽过氧化物酶活性有促进作用[36]。水培试验结果表明，适量的硒能提高水稻幼苗叶片超氧化物歧化酶、过氧化物酶活性，降低过氧化氢酶活性[37]。薛泰麟等[38]发现硒在小麦、玉米、大豆和油菜中具有抗氧化作用，且证明硒的抗氧化作用主要是通过谷胱甘肽过氧化物酶的机制实现。小麦喷施硒肥，在灌浆初期或中期，叶片内谷胱甘肽过氧化物酶和超氧化物歧化酶活性明显提高[39]。

7 对作物抗氧化作用的影响

以小麦、玉米、大豆和油菜为试验材料，证明硒对高等植物具有抗氧化作用，从而增强了植株体内抗氧化能力，提高了植株的抗逆性和抗衰老能力，保证了植株的正常生长[38]。在大豆重茬和连茬小区试验中，硒的施用显著提高了大豆叶片和植株体内GSH-Px的活性，使大豆叶片中MDA（丙二醛）的含量明显降低[40]。也有研究表明，硒是通过起动与GSH-Px合成有关的特异基因，提高酶含量和增强酶活性，以抵抗逆境因子的影响；过氧化物酶（POD）和多酚氧化酶（PPO）是生物体内另外两种活性氧防御酶，其活性也受硒处理浓度的影响，低浓度亚硒酸钠具有激活这些酶的作用[41]。在水稻上的研究也表明，膜质过氧化产物MDA的含量、O2-的产生速率和自由基的生成量，均随硒浓度的增加而降低，说明硒在植物体内消除过量自由基，防止过氧化方面发挥重要作用[42]。

8 拮抗重金属

硒对重金属的拮抗作用表现在3个方面：（1）与重金属结合，生成难溶的沉淀物质；（2）减轻重金属对植物体内抗氧化酶的抑制作用，从而减轻自由基对植物的伤害；（3）参与调控植物螫合肽酶的活性，该酶可与重金属离子形成螫合蛋白，缓解重金属对植物的毒害[43]。

在硒与汞交互作用对马齿苋叶片再生的影响中，发现硒对汞的毒害效应有拮抗作用，从而缓解汞对马齿苋叶片生根所产生的抑制作用[44]。硒还能显著降低萝卜根部对汞的吸收和转运，从而缓解汞对萝卜的毒性[45]。沙培试验也发现，随着预先处理菜豆的亚硒酸盐或硒酸盐浓度的增加，菜豆对镉的吸收明显下降，亚硒酸盐对镉的拮抗作用比硒酸盐更有效[46]；施硒还能降低大白菜对镉的吸收与累积[47]。在水稻上施用低浓度的硒，同对照相比可明显降低稻米中Pd、Cr等重金属的含量[48]。在大白菜和生菜上施硒能显著降低两种蔬菜对Pd的吸收和累积[35]。在研究水稻体内硒、砷之间的相互作用时发现，当培养液中硒在0～1×10-6mol·L-1浓度范围时，硒有拮抗水稻砷毒害的作用，且有效量关系；硒对砷毒性的拮抗作用可能与其抗氧化作用及其能减轻砷对植物体内抗氧化酶的抑制作用有关[49]。此外，硒与砷之间有较大的化学亲合力，在植物体内可能生成一种较稳定、毒性低的硒—砷复合物，从而减轻砷对抗氧化酶活性的抑制作用。

9 硒在西瓜和厚皮甜瓜上的研究现状目前关于硒在厚皮甜瓜和西瓜上的研究的文献资料较少。司立征等[50]对厚皮甜瓜坐果后10 d、20 d叶面喷硒的研究，得出果实膨大期叶面喷施肽硒对甜瓜增产有一定的作用。杨红丽等[51]在西瓜的初花期和坐果期做了叶面喷施硒肥的研究，发现施硒的比对照硒含量增加，产量增加，可溶性固形物含量增加。土壤施硒在西瓜和甜瓜上的研究，国内目前还没有，硒对厚皮甜瓜生理特性及品质的影响的研究也未形成完整的体系。

10 存在的问题及展望

虽然富硒瓜菜发展前景良好，但也面临着一些迫切的问题。

首先，缺硒和硒过量都会对生物体造成不良影响。如何在富硒土壤中使瓜菜能够有效地吸收硒，且不影响生长，又能为人类提供丰富的硒元素，以及如何有效地利用硒肥来达到瓜菜增产的目的，都是需要解决的问题 。

其次，目前关于提高瓜菜产品器官中硒含量的研究主要集中在叶面喷施等栽培技术方面，这种传统种植方法比较粗放，容易造成资源的浪费和环境的污染。

今后应用上一方面更应加强施硒在作物栽培技术方面的研究，如开发出优质硒肥，使得土壤硒含量增加，转化土壤中硒元素，把无效态的硒缓慢分解释放并转化为易被吸收利用的可溶性硒；另一方面应结合分子遗传育种等生物技术手段，选育出对硒具有高集作用的瓜菜品种；最后，还需对硒在瓜菜体内的生理作用机制、硒对瓜菜生长发育进程的影响、硒在土壤和植物体内迁移与转化 、硒在食物链中的迁移与转化等方面进行深入研究[1]。

如何生产出适宜人类食用的硒浓度的富硒西甜瓜，了解硒在瓜菜植株各组织的分布及存在形式，系统的研究硒对瓜菜生理作用的影响，将是本课题今后的主要研究内容。

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