硒对水稻吸收转运镉、砷和汞影响机制的研究进展

张祎雯，董畅茹，刘小强，张 伟，潘丹丹，樊 霆

(安徽农业大学 资源与环境学院 农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室，合肥230036)

土壤是指地球陆地表面能够生长植物的疏松表层，具有肥力的特征，是陆地生态系统的组成部分。近年来人类活动如化工生产、矿山开采、农业生产等导致土壤中的重金属污染日益严重[1]。2014年《全国土壤污染状况调查公报》表明，全国土壤点位超标率为16.1%，主要污染物镉、砷和汞点位超标率分别为7.0%、2.7%和1.6%[2]。镉、砷和汞均列于“五毒”之中，毒性大，容易迁移转化，广泛存在于土壤和水体中，可以通过食物链在人类和动物体内富集，严重威胁人类健康和生命安全[3-5]。

硒是人和动物必需的营养元素[6]，主要包括无机硒、有机硒和单质硒3种形态。无机硒盐在自然界主要为可溶性的硒酸盐和亚硒酸盐；有机硒为无机硒和有机化合物合成如硒氨酸；单质硒主要以黑色、灰色和红色3种颜色存在。研究表明，除红色单质硒具有活性外，其他单质硒均不具有生物活性[7]。纳米硒(SeNPs)通过生物、物理和化学方法合成红色纳米元素硒是由中国科学家率先研制的以蛋白质为分散剂的硒纳米粒子，粒径小于60 nm，与有机硒和无机硒相比，具有更高效、更安全的特点和更高的生物利用率。SeNPs清除体外羟基自由基能力分别是无机硒和有机硒的5倍和2.5倍。化学合成纳米硒生物毒性大于生物合成[8]。硒对重金属可以产生拮抗作用，阻挡重金属对植物的危害[9]，被誉为“重金属的天然解毒剂”。所以，为了阻控重金属向食物链的迁移、生产富硒农产品和提高食品安全，研究硒对植物吸收转运重金属的影响机制具有重要的意义。

1 硒对水稻吸收转运镉、砷和汞的影响

1.1 硒对水稻吸收转运镉的影响

近年来，对水稻的水培和土培试验研究表明，镉含量、硒添加量和植物类型等因素影响硒与镉的拮抗作用。在一定浓度范围内添加硒会抑制水稻对镉的吸收，超出范围会促进水稻对镉的吸收。

水培条件下，添加50 μmol/L以下的镉时，添加10 μmol/L以下的亚硒酸盐降低了水稻根茎叶的镉含量；添加89 μmol/L以上的镉时，添加硒增加了根系的镉含量[10-14]；在镉浓度为0.5 μmol/L时，添加0.1 μmol/L亚硒酸盐对水稻镉吸收和转运没有显著影响[13]。Wan等[15]研究硒和镉共处理1 h时水稻吸收动力学发现，添加亚硒酸盐可略增加水稻根系对镉的吸收，而添加硒酸盐对水稻根系镉的吸收无显著影响；共处理3 h后，亚硒酸盐和硒酸盐使单位水稻根系对镉的吸收量分别增加了8.4%和21.6%；随着培养时间增加，加硒可降低水稻根系对镉的吸收及向地上部的转运，且亚硒酸盐的降低程度大于硒酸盐。Xu等[16]分别采用1 μmol/L的硒酸钠、亚硒酸钠、SeNPs和有机硒[硒代蛋氨酸(SeMet)]与镉(20 μmol/L)共同处理水培水稻25 d时，发现除硒酸钠外，其他处理都能有效降低水稻根部和地上部对镉累积量和根部到地上的转运，增加水稻苗生物量和叶绿素含量，增加抗氧化酶的活力，SeNPs作用效果仅次于SeMet，优于硒酸钠和亚硒酸钠。

土培条件下，添加亚硒酸盐降低了水稻根系镉含量，随着硒浓度增加，对水稻根系镉含量的降低呈增加趋势[17-18]。在硒含量较高的土壤中，水稻籽粒的镉累积量比在硒含量较低土壤中低[19]。有研究表明，当镉浓度超过2.0 mg/kg时，硒可降低水稻镉的积累量，然而硒的积累依赖于镉的暴露水平，镉对3个品种水稻硒转运的影响均比较小[20]。

Hussain等[21]设置实验小区，采用叶面喷洒化学合成的SeNPs(粒径12.26 nm±2 nm)，浓度分别为5、10和20 mg/L，在分蘖期和抽穗期各喷洒1次，结果表明，除SeNPs为20 mg/L时，其他处理均降低了糙米中镉的含量，提高了水稻产量、糙米蛋白质和有效硒含量。闫金朋[22]实验表明，添加硒明显缓解了镉胁迫对水稻造成的伤害，但不同形态外源硒对缓解水稻的效果存在差异，硒对植物存在剂量效应，添加1.0 μmol/L的SeNPs、Se(Ⅳ)、SeMet和2.0 μmol/L SeNPs可有效缓解镉胁迫，但添加2.0 μmol/L SeMet加重了对水稻幼苗的损伤程度。

在水稻生长中，过量硒对水稻毒性症状包括生长抑制、枯萎病、加剧氧化应激、过度自由基氧积累和膜损伤[23]。在不同土壤条件和不同浓度镉暴露时，添加不同形态和浓度的硒对水稻吸收转运镉的能力不同。因此，要根据水稻对镉的耐性选取最佳硒施加量[24]。

1.2 硒对水稻吸收转运汞的影响

硒能够抑制水稻对汞的吸收[25-26]，影响水稻根表铁膜的形成[27-28]。采用汞污染(236.63 ±13.26)mg/kg土壤进行水稻盆栽实验，每30 d根部浇灌不同浓度硒，研究发现，低浓度硒(0.15 mg/kg)处理，可有效降低水稻组织及胚乳中Hg和MeHg，增加胚乳中铜、锌、硒和铁的含量[29]。实验发现，未诱导铁膜时，硒汞(HgCl2或MeHgCl)同时暴露，硒显著降低了水稻根部的汞含量和转移系数，说明硒能抑制水稻对HgCl2和MeHgCl的吸收和转运。诱导形成铁膜后，硒汞(HgCl2或MeHgCl)同时暴露，硒可显著增加水稻根表铁膜对汞的吸附、降低水稻根中汞的含量、降低汞从水稻根部到茎叶的转运效率[30]。周鑫斌等[28]试验发现，硒能显著降低根表铁膜中和水稻体内汞的含量，硒能与土壤中汞在水稻根系周围或者根表结合形成难溶性的汞硒复合物，其较稳定，不易被植物吸收利用，这不仅减少了汞浓度，而且降低了汞的活性，从而抑制了水稻根系对汞的吸收，同时硒可通过影响根表铁膜的形成来影响水稻对汞的吸收，在硒浓度为1.0 mg/kg时，硒活化土壤中的铁和锰，增加了水稻根表铁膜数量，土壤施硒的这种双重作用极大地阻止了水稻对汞的吸收和转运。

1.3 硒对水稻吸收转运砷的影响

砷在土壤中的大量积累不但会导致土壤性质发生改变、影响水稻的产量和稻米的质量，而且通过食物链危害人类的健康。廖宝凉等[31]的研究显示低浓度硒对砷有拮抗作用。吴永尧等[32]发现，硒可提高水稻产量。硒处理增加旱稻根系砷吸收，降低了旱稻地上部砷累积。硒可以降低旱稻砷茎/根和叶/根转运系数，即降低旱稻砷从根系向茎叶的转运。硒对砷的作用表现与其浓度有关[33]。在重金属胁迫下，叶面喷施硒肥可缓解重金属对水稻的胁迫、累积和毒害作用，促进水稻生长[34-35]。适量的硒可增加叶绿素含量[36]，从而提高叶绿体电子传递速度，维持类囊体和叶绿体基质稳定[37]，促进光合作用的顺利进行。高浓度的硒对水稻光合作用产生抑制作用[32]。王晋民等[36]的研究表示，在亚砷酸盐和砷酸盐共处理中，SeNPs的存在对水稻根系吸收砷的影响最小，相反，与单独处理相比，亚硒酸盐显著刺激根吸收，砷吸收值比砷酸盐处理组高33.2%～43.3%，说明亚砷酸盐处理水稻根系吸收速度远快于砷酸盐处理；亚砷酸盐处理时添加SeNPs和亚硒酸盐显著降低地上部砷含量，分别比单独处理组降低37.1%和48.9%。

2 硒对水稻吸收转运镉、砷和汞的影响机制

研究表明，硒与镉、砷和汞拮抗作用的机制主要表现：抑制水稻的过氧化作用、重建细胞膜和叶绿体组织[11]、改变镉、砷和汞的存在形态、阻碍镉、砷和汞的吸收和转运。

2.1 硒对水稻吸收转运镉的影响机制

硒对水稻吸收转运镉的影响过程如图1所示[15]。镉主要以镉离子的形式进入水稻体内，竞争阳离子通道，硒主要以硒酸盐或亚硒酸盐的形式，竞争阴离子通道。Wan等[15]对水稻的吸收动力学试验也进行了证明。硒抑制镉从水稻根部向地上部的转移，从而降低地上部镉的积累量。通过合成镉有机配体，如半胱氨酸、谷胱甘肽(GSH)和植物螯合肽(PC)等，能够将镉转化为毒性较小的结合形态。PC中的大量巯基可络合多种重金属离子形成离子键或共价键，达到吸附重金属离子的目的，在三磷酸腺苷(ATP)的作用下，重金属-PC螯合物可穿过液泡膜贮存在液泡中，减少了重金属对细胞器的伤害和向木质部运输。硒可促进 PC 的形成并提高PC合成酶的活性，而且硒能够促进PC合成前体GSH的形成。水稻细胞壁上的多糖可与镉结合形成复合物，使镉固定在细胞壁上，降低了镉的活性。庞晓辰等[14]发现，镉、硒复合处理会改变镉在地下部的亚细胞分布，使细胞壁中的镉含量增高，降低可溶组分的镉含量，减少镉对地上部的毒害，降低地上部的膜脂过氧化程度。对水稻进行硒预处理会显著减少镉往水稻地上部的转运[11,15]，表明硒与镉存在相互作用。植物作为富硒载体可将无机硒转化为有机硒[SeMet、硒代半胱氨酸 (MeSeCys)]，谷胱甘肽过氧化物酶 (GSH-Px)的活性中心是MeSeCys。GSH-Px是机体内广泛存在的一种重要催化过氧化物分解酶，能有效地催化有害的过氧化物还原成无害的羟基化合物，清除体内由于氧化反应产生的自由基，保护细胞膜结构的完整性和正常功能的发挥。所以，硒能够通过提高GSH-Px等的活性而降低镉的毒性。同时，硒对抗氧化酶活性具有调节作用，在一定程度上缓解镉胁迫对植物根系的毒害效应，降低镉在植物中的积累。

图1 硒对水稻吸收转运镉的影响过程示意图[15]Figure 1 Diagram of the effect of Se on Cd uptake and transport in rice[15]

2.2 硒对水稻吸收转运汞的影响机制

图2 硒对水稻吸收转运汞的影响过程示意图[39]Figure 2 The effect of Se on Hg uptake and transport in rice[39]

2.3 硒对水稻吸收转运砷的影响机制

3 结论与展望

合理施用硒能有效降低水稻对重金属的吸收，增强水稻籽粒中硒水平，对确保粮食安全有着重要的意义。目前，大多数研究通过开展水培和土培实验，关注硒降低镉、汞和砷在水稻内的吸收转运以及相关的解毒机制。在今后的研究中，仍有一些关键技术需要进一步的探究：(1)需展开大量的田间试验，研究“硒-重金属-水稻”三者相互作用机理，以及土壤水分、管理方法以及土壤微生物对硒降低重金属在水稻中积累的作用。(2)纳米硒更易被植物吸收，应广泛研究纳米硒对水稻吸收和转运重金属的影响机制。(3)硒从有益到有害作用的浓度范围非常窄，在降低水稻重金属积累，提高硒水平，同时确保硒含量不超标，需在确定硒对植物体的安全使用范围开展大量研究。(4)应从分子生物学角度，探究决定硒能够降低水稻吸收转运重金属的基因编码。