向旭敏, 肖春梅, 熊雨舟, 汪 園, 程 華, 饒 申, 李 麗1,

(1.糧食作物種質(zhì)創(chuàng)新與遺傳改良湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430023;2.武漢輕工大學(xué)國家富硒農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)與研發(fā)專業(yè)中心,湖北武漢 430023;3.武漢輕工大學(xué)硒科學(xué)與工程現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院,湖北武漢 430023; 4.武漢輕工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,湖北武漢 430023)

近年來,土壤重金屬污染已成為全球性的環(huán)境問題[1-2]。中國處于工業(yè)化、城市化和農(nóng)業(yè)集約化的快速發(fā)展時(shí)期,因采礦、工廠的有害殘留物、廢水和廢氣的排放,農(nóng)藥肥料的不合理施用及污水灌溉等人為活動(dòng),我國約有53%的省份處于中度和重度污染水平(內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)>2)[1]。2014 年,原中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部公布的土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)顯示,全國農(nóng)田土壤污染超標(biāo)率為16.1%,其中重金屬(類)的污染占了82.4%,主要污染物砷(As)、鎘(Cd)、汞(Hg)、鉛(Pb)、鎳(Ni)、鉻(Cr)的超標(biāo)率分別達(dá)2.7%、7.0%、1.6%、1.5%、4.8%、1.1%,對(duì)我國農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量及安全性構(gòu)成嚴(yán)重威脅[3]。稻米質(zhì)量安全對(duì)保障全球糧食和營養(yǎng)安全至關(guān)重要。相比其他谷物,水稻更易于富集砷、鎘、汞、鉛等重金屬(類)元素。高濃度的重金屬(類)不僅引起植物脅迫和中毒反應(yīng),經(jīng)食物鏈在人體富集后,還會(huì)導(dǎo)致各種疾病的發(fā)生。目前在全球范圍內(nèi)廣泛發(fā)生的受污染稻米已構(gòu)成了巨大的公共衛(wèi)生風(fēng)險(xiǎn),降低稻米重金屬含量迫在眉睫。

硒(Se)是維持人體正常功能所必需的元素,也是植物的有益元素。全球約有11億人面臨著缺硒風(fēng)險(xiǎn),嚴(yán)重硒缺乏會(huì)導(dǎo)致克山病和大骨節(jié)病的發(fā)生,且有40種疾病與硒攝入不足有關(guān)[4]。在農(nóng)業(yè)實(shí)踐中通過葉面噴施或基施方式添加硒肥,以提高作物可食部位的硒含量,滿足人們每日硒攝入量,是目前普遍采用的生物硒強(qiáng)化措施,已取得較好的成效[5]。此外,硒可以作為分子引發(fā)劑,通過分子誘導(dǎo)使植物體產(chǎn)生生理防御機(jī)制,保護(hù)農(nóng)作物應(yīng)對(duì)干旱、鹽害、極端溫度、重金屬等不同類型的非生物脅迫[6-8]。截至2022年,硒已被用于降低植物對(duì)多種重金屬的吸收和毒性反應(yīng),如汞、鎘、鉻、砷、鉛、銅、銻等。

本文綜述了硒在緩解水稻重金屬脅迫和積累方面的最新研究進(jìn)展,分析了其中的作用機(jī)制,并就農(nóng)業(yè)實(shí)踐中采用外源硒降低水稻重金屬污染過程中應(yīng)考量的因素進(jìn)行了探討,以期為重金屬污染的稻米產(chǎn)區(qū)開展富硒低污染栽培,提高食品安全和營養(yǎng)保障提供參考。

1 水稻對(duì)硒的吸收和代謝

眾多研究表明,低劑量(硒含量<1 μmol/L)硒可提高植物生長、產(chǎn)量、品質(zhì)和抗氧化能力,并調(diào)節(jié)多個(gè)逆境響應(yīng)基因的表達(dá)[9-10];而高劑量(硒含量>60 μmol/L)硒則會(huì)抑制植物根系伸長,降低生物量,并改變植物對(duì)幾種基本礦物元素的吸收,進(jìn)而影響植物生長[11]。植物對(duì)硒的吸收和積累與生長介質(zhì)中硒的含量、可利用度、植物種類和基因型等有關(guān)。

高等植物主要以硫同化的方式進(jìn)行硒的代謝。硒酸鹽被還原為亞硒酸鹽,在亞硒酸鹽還原酶的作用下進(jìn)一步還原為(HSe-),或與還原性谷胱甘肽發(fā)生非酶促反應(yīng)[16],將亞硒酸鹽還原成為硒化物,形成半胱氨酸和甲硫氨酸,并取代蛋白質(zhì)中的硫合成含硒蛋白質(zhì)。

細(xì)胞內(nèi)的重金屬元素(如鎘)通常能與硫配體結(jié)合,如谷胱甘肽和植物螯合素(PCs)形成螯合物[17]。有研究表明,硒醇(—SeH)類物質(zhì)如SeCys、GSH-PCs可以與某些重金屬(如Cd)有更高的親和力,能形成更穩(wěn)定的螯合物[18]。

2 硒對(duì)水稻砷脅迫的影響

稻米是食物中無機(jī)砷(inorganic arsenic,簡稱iAs)攝入的首要貢獻(xiàn)者,尤其是在亞洲人口的膳食中,其占比可達(dá)60%[19]。稻田砷主要是源于采礦活動(dòng)和灌溉含砷地下水,因淹水條件下稻田土中 As(Ⅲ) 的遷移率高,且水稻根系對(duì)As(Ⅲ)的吸收能力強(qiáng),導(dǎo)致其籽粒中積累的砷約為其他谷類作物的10倍。稻米中砷的形態(tài)主要以無機(jī)形式如 As(Ⅲ)、As(Ⅴ)和有機(jī)形式二甲基砷(DMA)為主,相對(duì)而言,無機(jī)砷的毒性更強(qiáng),被列為人類 Ⅰ 級(jí)致癌物。多項(xiàng)研究證明,Se可以通過減少砷的積累和改變其在水稻組織中的形態(tài)和分布來減輕砷的毒性[20-21]。

硒對(duì)水稻砷毒性的緩解效應(yīng)與砷污染的程度以及施加硒的濃度有關(guān)。研究表明,1.0 mg/L 硒處理可有效緩解水稻砷脅迫,而5.0 mg/L 硒處理無顯著影響;在較低和中等濃度的砷污染條件下,硒可以減少砷從莖往葉的轉(zhuǎn)移,但在高砷土壤中,情況有所不同。當(dāng)生長介質(zhì)中亞硒酸鹽濃度高于1.0 mg/L時(shí)被證明可對(duì)水稻產(chǎn)生毒害作用[22]。不同形態(tài)外源硒均有減輕水稻砷毒害的效果,但形態(tài)不同緩解效應(yīng)方面存在差異。相較而言,Se(Ⅳ) 比Se(Ⅵ) 和納米硒(SeNPs)能更有效地緩解水稻砷脅迫和降低籽粒砷含量[23-24],這可能源于Se(Ⅳ) 和砷在相同系統(tǒng)中的競爭性吸收。Se(Ⅵ)(H2SeO3形式)和 As(Ⅲ) 均可以通過硅內(nèi)流轉(zhuǎn)運(yùn)體(OsNIP2;1)進(jìn)入水稻根系,相互間可能有競爭性抑制作用[25]。然而也有研究者觀察到,在含As(Ⅲ) 的水培體系中添加Se(Ⅵ) 只限制了水稻植株中砷從根向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn),卻刺激了砷在根系中的積累[26]。以上不一致可能表明存在其他影響 Se(Ⅳ)降低 As(Ⅲ) 吸收的因素,須要進(jìn)一步研究。

硒對(duì)水稻砷積累的影響與稻田水分管理也有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn),未淹水條件下,添加亞硒酸鹽可略微增加土壤溶液中砷的濃度,但會(huì)降低水稻植株及籽粒中砷的水平,相比對(duì)照可降低27.5%;淹水條件下與此相反。表明使用亞硒酸鹽緩解水稻砷毒害的作用在好氧土壤中效果更好[26]。

硒對(duì)水稻砷積累的影響與植株對(duì)礦質(zhì)元素的吸收和利用有關(guān)。Pandey等的研究表明,硒和砷的共同暴露顯著增強(qiáng)了水稻幼苗高親和力硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(NRT)、磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(PHT)、鉀離子通道蛋白(KCP)和鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(KTP)的表達(dá),這些基因的上調(diào)可能表明,硒因某種調(diào)控機(jī)制有助于必需元素的攝取用于砷的解毒,砷對(duì)水稻正常生長發(fā)育所需的3種最基本的常量營養(yǎng)素氮、磷和鉀均有一定的影響,而施硒分別使水稻葉和根中的氮、磷、鉀3種元素較砷處理下增加47%和34%、47%和69%、13%和9%,同時(shí),砷對(duì)鈉、鎂、鈣3種常見營養(yǎng)元素的抑制作用在施硒后也有明顯緩解[27]。

硒與其他元素的配施對(duì)降低水稻重金屬脅迫效果有重要影響。例如,磷和亞硒酸鹽的共同施用顯著降低了水稻對(duì)As(Ⅲ)的吸收和向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn),且增加了植株生物量[20]。

3 硒對(duì)水稻鎘污染的影響

水稻也是易于積累鎘的作物,我國每年生產(chǎn)的鎘超標(biāo)糧食約146億t[28],稻米源鎘的攝入量占我國人均日鎘攝入量的55.8%,南方人群到達(dá)65%?，F(xiàn)已證明,硒可以通過調(diào)控活性氧(ROS)及抗氧化成分含量,重建細(xì)胞膜和葉綠體結(jié)構(gòu),調(diào)節(jié)鎘的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及亞細(xì)胞分布,改變根系建成,參與鎘脅迫下植物的保護(hù)。適量施硒能明顯緩解水稻鎘脅迫,顯著增加秸稈鮮質(zhì)量和籽粒產(chǎn)量,并能使水稻糙米中鎘含量與對(duì)照相比下降29.8%[29]。

硒能降低稻田土壤中鎘的有效性。鎘與砷在土壤中表現(xiàn)出不同的行為模式,淹水狀態(tài)會(huì)降低鎘的生物有效性,而土壤干旱則會(huì)導(dǎo)致鎘從土壤顆粒中的釋放量增加[30]。在鎘污染土壤中適量添加硒不僅可以提高水稻籽粒中的硒含量,還可以顯著降低土壤溶液中總鎘濃度,降低鎘的有效性,抑制其從根向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn),從而減少鎘在水稻植株中的積累[31]。研究表明,厭氧條件下,根際的Se(Ⅳ)可以發(fā)生還原作用轉(zhuǎn)化為Se2-,易與鎘形成難溶的 Cd-Se 復(fù)合物,使鎘的有效性降低;而有氧條件下,土壤中Se(Ⅳ)易被氧化成Se(Ⅵ),而Se(Ⅵ)對(duì)鎘吸收的抑制效果弱于Se(Ⅳ)[32],因此,相較而言,淹水狀態(tài)下施用硒的效果更好。此外,在抑制水稻鎘的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)方面,不同水分管理模式與施加不同濃度和形態(tài)的硒之間存在交互效應(yīng):在濕潤灌溉下以高濃度(5.0 mg/kg)硒酸鹽處理對(duì)根吸收鎘的抑制效果最好,但有促進(jìn)鎘向籽粒轉(zhuǎn)移的風(fēng)險(xiǎn);而常規(guī)灌溉下以低濃度(1.0 mg/kg)亞硒酸鹽處理效果更佳,不僅會(huì)抑制根系對(duì)的鎘吸收,而且會(huì)顯著增加葉/莖轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)、降低糙米/葉轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù),具有抑制鎘向籽粒轉(zhuǎn)移的優(yōu)勢。除硒酸鹽和亞硒酸鹽外,納米硒(SeNPs)在緩解植物鎘毒性中的應(yīng)用也有報(bào)道,相比亞硒酸鈉,納米硒的施用對(duì)污染水稻土壤中鎘的鈍化效果更佳[33],且有益濃度范圍更廣[34]。

徐境懋等采用2種濃度(0.5、2.5 mg/kg)(以硒計(jì))的納米硒和亞硒酸鈉分別處理土壤鎘污染水稻時(shí)發(fā)現(xiàn),相較而言,0.5 mg/kg納米硒對(duì)水稻地上部生物量的提升效果最好,而2.5 mg/kg納米硒最有利于降低水稻根部的鎘含量;納米硒(0.5、2.5 mg/kg)和亞硒酸鈉(0.5、2.5 mg/kg)處理后水稻中鎘從根到莖葉的轉(zhuǎn)移率分別為47.1%、47.9%、67.2%、64.6%,分別較對(duì)照降低了43.7%、42.7%、19.6%、22.7%[35]?？梢?納米硒降低水稻根中鎘向地上部轉(zhuǎn)移的效果更好,且更有助于提高水稻生物量。

硒能影響水稻植株中鎘的再分配。硒和鎘的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)并不相同,因此二者在水稻的根表面不存在離子間的吸收競爭作用,但硒可以調(diào)控水稻細(xì)胞中鎘轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因OsIRT1、OsIRT2、OsLCT1和OsNramp5的表達(dá),從而影響鎘的運(yùn)輸和分配[36]。50～100 μmol/L的SeNPs在灌漿期下調(diào)了葉片中與鎘轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白相關(guān)的基因OsLCT1、OsHMA2和OsCCX2,下調(diào)了節(jié)間的基因OsLCT1、OsPCR1和OsCCX2,顯著降低了葉片和糙米中Cd的含量。同時(shí),Se結(jié)合蛋白1(SBP1)表達(dá)明顯升高,參與了鎘和鉛向水稻籽粒的運(yùn)輸[37]。除此以外,硒和鎘可能在細(xì)胞內(nèi)存在相互作用[38]。研究表明,硒的添加可增加鎘在細(xì)胞壁和細(xì)胞可溶性組分的分配率,減少其在亞細(xì)胞器中的分配,一方面可能是因?yàn)榧?xì)胞壁蛋白和多糖中氨基、羧基等配位基對(duì)鎘的固持作用,另一方面是因?yàn)榧?xì)胞質(zhì)中大量含巰基(或硒醇基)的PCs與鎘的螯合作用,將較多的鎘儲(chǔ)存在了液泡中。此外,外源硒的添加能上調(diào)參與木質(zhì)素合成的基因(OsPAL、OsCoMT、Os4CL3)表達(dá),增加木質(zhì)素濃度和細(xì)胞壁厚度,減少鎘向原生質(zhì)體的轉(zhuǎn)移,保護(hù)植物受鎘的毒害[34]。相對(duì)而言,SeMet[Se(Ⅱ)]可以將更多的Cd隔離在細(xì)胞壁中,因此其降低鎘毒性的效率高于Se(Ⅳ)或Se(Ⅵ)[33]。

硒對(duì)植物鎘脅迫的影響與二者的使用劑量有關(guān)。植物受鎘脅迫的嚴(yán)重程度對(duì)外源硒的效應(yīng)有顯著影響。水稻營養(yǎng)液栽培中添加低劑量(12.7 μmol/L)亞硒酸鹽,在低鎘脅迫(35.6 μmol/L)條件下能減少水稻幼苗中鎘的含量,而在較高濃度的鎘(89～178 μmol/L)脅迫下反而會(huì)增加植株對(duì)鎘的積累。硒對(duì)植物鎘吸收也具有兩面性:低濃度下硒與鎘表現(xiàn)拮抗作用,高濃度下卻表現(xiàn)出協(xié)同作用[25]。在自然栽培條件下,當(dāng)土壤生物有效Se與Cd摩爾比大于0.7時(shí),硒水平的提高可阻礙鎘進(jìn)入植物體,進(jìn)而使玉米鎘積累顯著下降;當(dāng)摩爾比低于0.7時(shí),硒和鎘可能會(huì)以CdSeO3和CdSeO4的形式更有效地被根吸收,反而會(huì)增加玉米中鎘的積累[39]。

4 硒對(duì)水稻汞污染的影響

汞的不同形態(tài)之間毒性差異很大,無機(jī)汞(iHg)的毒性相對(duì)較弱,由其轉(zhuǎn)化成的甲基汞(MeHg)毒性非常強(qiáng),對(duì)人體神經(jīng)系統(tǒng)有高致毒性,如水俁病的發(fā)生[40]。近海居民甲基汞暴露主要來自于日常攝食的海產(chǎn)品,而東南亞國家內(nèi)陸居民則主要源于攝食大米[41]。例如,我國西南部分汞礦區(qū)稻米中含有高含量的總汞和甲基汞,其中甲基汞含量高達(dá)180 μg/kg[36]。

硒能影響水稻根表面鐵膜的形成進(jìn)而影響水稻對(duì)汞的吸收。淹水環(huán)境中的水稻根因通氣組織輸送的氧促使根際環(huán)境中大量 Fe2+被氧化形成紅棕色的鐵氧化合物,呈膠膜狀包裹于根表面。鐵膜是兩性膠體,對(duì)重金屬有很高的親和力,可使之被吸附、固定,難以進(jìn)入水稻根系,進(jìn)而減緩對(duì)水稻植株的毒害作用。水稻根表鐵膜是根系吸收汞的主要屏障,硒的存在可以增加鐵膜對(duì)HgCl2和MeHgCl的吸附,降低其在水稻中的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。然而硒的這種作用可能與其施入的濃度有關(guān)。周鑫斌等發(fā)現(xiàn),施加低濃度(1.0 mg/kg)外源硒可促進(jìn)鐵膜的形成,高濃度(8.0 mg/kg)反而會(huì)有抑制效果;盡管如此,水稻根、莖、葉、稻殼和稻米中的汞含量均隨著硒處理濃度的增加而顯著下降,說明硒限制水稻對(duì)汞的蓄積不止于鐵膜的因素,推測可能是因?yàn)槲c水稻根際微域中的汞形成了穩(wěn)定難溶的Se-Hg復(fù)合物,從而降低了汞的濃度及活性[42]。

稻田因?yàn)殚L期的周期性灌溉和排水疏干土壤中交替發(fā)生還原和氧化反應(yīng),對(duì)汞的形態(tài)轉(zhuǎn)化和植物吸收產(chǎn)生潛在的重要影響[39]。稻田特殊的土壤環(huán)境條件促進(jìn)了硫酸鹽還原菌(SRB)和鐵還原菌(FeRB)等的生長與代謝[43],無機(jī)汞可通過這些微生物的甲基化作用轉(zhuǎn)化為毒性更強(qiáng)、遷移力更高的甲基汞,進(jìn)而被植物吸收、累積。有研究表明,厭氧環(huán)境下,高濃度硒及其轉(zhuǎn)化物會(huì)減少環(huán)境中SRB的數(shù)量,抑制汞的甲基化[44]。此外,土壤中被微生物還原成的低價(jià)態(tài)硒(HSe-)也可通過與甲基汞形成絡(luò)合物(CH3Hg)2Se,促進(jìn)對(duì)CH3Hg+的去甲基化[41]?？梢?一定濃度的硒可能通過影響微生物的特性和根際酶活性、微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性等進(jìn)而間接介導(dǎo)水稻對(duì)重金屬(如汞)的吸收和轉(zhuǎn)化[45]。

5 硒對(duì)水稻復(fù)合重金屬污染的影響

現(xiàn)已有眾多關(guān)于硒調(diào)控水稻單一重金屬脅迫作用的研究,尚缺乏多種重金屬污染的復(fù)雜土壤條件下Se與重金屬相互作用的數(shù)據(jù)。Feng等對(duì)生長在Cd/As復(fù)合污染土壤上的21個(gè)水稻品種14個(gè)不同部位中16種元素的含量進(jìn)行了離子譜分析,結(jié)果表明硒、鎘、砷、鐵、銅、鋅、銻、鉛、鉬(Mo)和鈷(Co)等元素在水稻根和節(jié)中的分布明顯高于其他部位,且水稻根中鎘與硒的含量呈正相關(guān)[46]。而在貴州省丹寨縣水稻種植區(qū)的一項(xiàng)研究中,檢測到土壤存在較大的重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)(尤其汞、鎘),有70%土壤樣本達(dá)到富硒標(biāo)準(zhǔn),然而僅23.3%水稻籽粒樣本達(dá)富硒大米標(biāo)準(zhǔn),且所有水稻樣本籽粒中均未檢測到重金屬含量超標(biāo)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),水稻各部位硒的吸收能力與土壤重金屬存在極顯著負(fù)相關(guān);而籽粒中鎘、砷、汞的含量與土壤中硒的含量顯著相關(guān),其中鎘與硒呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,而砷、汞與硒呈正相關(guān)關(guān)系[47]。

有研究表明硒與多種重金屬存在伴生關(guān)系。Jiao 等對(duì)我國5個(gè)富硒水稻產(chǎn)區(qū)182組富硒水稻樣品進(jìn)行了重金屬含量檢測,發(fā)現(xiàn)土壤中硒含量與鎘、鉻、汞含量呈正相關(guān)關(guān)系,而籽粒中硒含量與鎘、砷、鉻含量顯著正相關(guān),重金屬主要在水稻根部富集,而硒在籽粒中有明顯富集;采用12種不同濃度的硒和重金屬處理土壤樣品進(jìn)行溫室盆栽試驗(yàn),進(jìn)一步確認(rèn)了水稻籽粒中硒和鎘的含量存在顯著相關(guān)性。經(jīng) RNA-Seq分析,作者推測轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白編碼基因表達(dá)上調(diào)可能促進(jìn)了水稻對(duì)硒和鎘的吸收,而與抗氧化相關(guān)的基因和鎘螯合轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白編碼基因的表達(dá)上調(diào)降低了鎘對(duì)細(xì)胞的毒性,其中抗壞血酸-谷胱甘肽代謝途徑關(guān)鍵基因起到了重要作用[48]。

6 硒在緩解水稻重金屬污染中的作用機(jī)制

近10年來,國內(nèi)外學(xué)者在闡明硒降低植物中重金屬毒性、減少植物對(duì)重金屬的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)方面取得了顯著進(jìn)展[49-52]。硒緩解水稻重金屬(類)毒性的作用機(jī)制主要涉及4個(gè)方面(圖1)。

第一,硒對(duì)植物攝取重金屬的抑制作用。例如,還原態(tài)硒(HSe-)可與土壤溶液中重金屬陽離子如Hg2+、Cd2+結(jié)合,形成共沉淀或穩(wěn)定難溶的絡(luò)合物;氧化態(tài)硒Se(Ⅳ)、Se(Ⅵ) 可因競爭抑制減少根系對(duì)重金屬陰離子如As(Ⅲ)、As(Ⅴ) 的吸收;或者通過影響水稻根際微生物的種類和活性、根表鐵膜的形成和數(shù)量、根系分泌物(如檸檬酸等)的形成,降低重金屬的生物利用度。此外,硒還可以通過調(diào)控植物激素和木質(zhì)素的合成,進(jìn)而影響根系形態(tài)發(fā)育,如根表面積變小、細(xì)根數(shù)量減少、細(xì)胞壁加厚或結(jié)構(gòu)改變、刺激凱氏帶的形成,最終使重金屬離子被排斥在細(xì)胞外或減少進(jìn)入共質(zhì)體的機(jī)會(huì)。

第二,硒通過影響重金屬在植物組織和亞細(xì)胞中的形態(tài)和分布,減少水稻籽粒中重金屬的積累。硒可以增強(qiáng)編碼谷胱甘肽(GSH)和植物螯合素(PCs)合成相關(guān)基因的表達(dá),形成重金屬-PCs復(fù)合物(如PC-Cd、PC-Hg等),被區(qū)隔化到液泡中并被截留在植物根部。鎘是富硒水稻生長發(fā)育過程中最常見的重金屬?？寡趸瘎┚幋a基因、鎘螯合轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白編碼基因和抗壞血酸谷胱甘肽代謝途徑關(guān)鍵基因的表達(dá)上調(diào),可以降低鎘對(duì)細(xì)胞的毒性[48]。同時(shí),硒作為硫的類似物,可取代非蛋白巰基中的硫(S)形成—SeH基團(tuán)(—SeH對(duì)鎘的親和力高于—SH),進(jìn)一步形成鎘-硒醇復(fù)合物儲(chǔ)存在液泡中,避免進(jìn)一步損害植物組織細(xì)胞。此外,研究人員還發(fā)現(xiàn),在鎘脅迫下,硒預(yù)處理降低了鎘吸收(OsNramp5)和轉(zhuǎn)運(yùn)(OsLCT1)相關(guān)基因的表達(dá),但誘導(dǎo)了水稻懸浮細(xì)胞中編碼將鎘轉(zhuǎn)運(yùn)到液泡的基因(OsHMA3) 表達(dá)[29]。

第三,硒可以通過對(duì)抗氧化系統(tǒng)的調(diào)節(jié),增強(qiáng)水稻植株對(duì)重金屬毒害的耐受。眾多研究表明,適量硒可以上調(diào)超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)、愈創(chuàng)木酚過氧化物酶(GPOX)和谷胱甘肽還原酶(GR) 等抗氧化酶的活性,增加谷胱甘肽(GSH)、抗壞血酸(AsA)和生育酚、黃酮類、多酚類等低分子量物質(zhì)的濃度,進(jìn)而通過調(diào)控酶類和非酶系統(tǒng)降低重金屬脅迫過程中產(chǎn)生的活性氧(ROS)的含量,減輕對(duì)植物細(xì)胞的損傷[50]。不同抗氧化酶在硒緩解重金屬的毒性中作用可能不同。有研究表明,培養(yǎng)液中單獨(dú)添加硒和鎘會(huì)抑制水稻SOD活性;低鎘濃度(1 mg/L)下,SOD活性不受硒水平升高的影響;而高鎘濃度(>4 mg/L)下隨硒水平的升高,水稻植株(尤其根系)SOD活性明顯增強(qiáng)[53]。同時(shí),在鎘脅迫下施加硒(尤其0.2 mg/L),可刺激水稻根中APX的活性,但 POD和 CAT的活性隨硒水平升高甚至有所降低。暗示當(dāng)植物暴露于較高水平的硒和鎘時(shí),SOD才能發(fā)揮解毒作用,APX和POD僅在一定條件下在根系中具有作用,而CAT對(duì)鎘的解毒作用隨著硒添加量的增加反而減弱。作者推測莖和根中CAT和莖中APX、POD活性的降低可能通過硒引起的GPX活性的增加而得到補(bǔ)償。Qi等在甘藍(lán)型油菜的研究中報(bào)道了類似的結(jié)果,在鎘脅迫下,施加低濃度亞硒酸鈉和納米硒對(duì)甘藍(lán)型油菜植株SOD 和GPX活性有抑制作用,高濃度下有促進(jìn)作用,且CAT在應(yīng)用硒緩解鎘毒性中的作用也有限,僅在10 mg/L濃度下有效[34]。Wang等的研究表明,25～50 μmol/L 硒納米顆?？山档退居酌珞w內(nèi)還原型輔酶Ⅱ(NADPH)氧化酶(NOX)產(chǎn)生的過氧化產(chǎn)物,提高谷胱甘肽過氧化物酶活性,減少蛋白質(zhì)的羰化作用,可顯著減少籽粒中鎘的積累,促進(jìn)光合作用[37]。

第四,硒可以通過刺激生理代謝響應(yīng),緩和水稻植株在重金屬暴露下的毒害癥狀。研究表明,SeNPs對(duì)1,5-二磷酸核酮糖(RuBP)羧基酶和葉綠素有不同程度的改善,特別是一些涉及光合作用系統(tǒng)的關(guān)鍵基因和蛋白質(zhì)[37]。前人已證明,低濃度硒可以提高葉綠素、類胡蘿卜素的含量,增強(qiáng)天線復(fù)合體的保護(hù)作用,并促進(jìn)細(xì)胞膜、葉綠體結(jié)構(gòu)和光合系統(tǒng)的恢復(fù)[51]。低劑量Se(Ⅵ)還可以顯著提高鎘、砷超標(biāo)土壤中雜交水稻(H-Liangyou 6839) 籽粒中的氨基酸如天冬氨酸、谷氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸和組氨酸等的含量[27]。單獨(dú)的鎘處理往往會(huì)抑制水稻植株組織對(duì)鈣、鎂、錳、銅和鋅的吸收,而添加Se(Ⅵ)后,則會(huì)逆轉(zhuǎn)上述元素濃度的下降;同時(shí)外源硒可以明顯減輕砷脅迫對(duì)植株高度、生物量、分蘗數(shù)和質(zhì)量的不利影響?？梢?硒可以通過調(diào)控植物碳代謝、氮代謝,增加礦質(zhì)元素的攝取和分配,維持細(xì)胞的離子平衡或結(jié)構(gòu)完整,促進(jìn)植物生長。

7 結(jié)論與展望

利用外源硒減少作物中重金屬的積累,不僅可以滿足人們攝入硒的需求,同時(shí)也有利于生產(chǎn)低重金屬含量的安全食品。目前用于研究硒對(duì)抗植物重金屬毒性時(shí)通常用到的硒形態(tài)主要為Se(Ⅳ)和Se(Ⅵ),前者被證明比后者效果好;施入硒的方式有根部添加、葉面噴霧和種子引發(fā)。根據(jù)目前文獻(xiàn)報(bào)道,相對(duì)而言,根部施硒可能更可有效降低植物組織中的重金屬含量;葉面噴施對(duì)作物中重金屬(類)濃度的影響較復(fù)雜,有報(bào)道表明在不同條件下呈現(xiàn)不同的結(jié)果,其有效性可能與植物種類和基因型有關(guān);種子引發(fā)通常用于提高發(fā)芽種子對(duì)重金屬的耐受性,促進(jìn)萌發(fā)和幼苗生長。此外,掌握作物生長過程中的最佳施硒階段也尤為重要,因?yàn)橹参锊煌L階段對(duì)元素的吸收速率不同,一般認(rèn)為在水稻分蘗期、孕穗期鐵膜形成時(shí),是采用硒降低籽粒重金屬的最佳時(shí)期。由此可見,不同外源硒形態(tài)、不同施入方式、不同劑量及不同施入時(shí)期對(duì)水稻重金屬吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的抑制效果有所不同,同時(shí)這些因素與水稻基因型、受污染的重金屬種類及濃度間可能還存在互作效應(yīng),在農(nóng)業(yè)實(shí)踐中均需仔細(xì)考慮。

采用硒治理稻田重金屬污染,不僅要有效減少水稻植株及籽粒中重金屬含量,使其低于安全限度,還需要提高籽粒中有機(jī)硒含量,并盡量避免對(duì)環(huán)境造成次生污染?；诖?今后的研究重點(diǎn)可以集中在以下幾個(gè)方面:(1)進(jìn)一步研究硒在不同作物中、不同種類重金屬污染下的作用機(jī)制及最佳劑量和形態(tài),尤其是采用種子引發(fā)和葉面噴施方式時(shí)。通過種子引發(fā)方式進(jìn)行硒處理降低作物中重金屬含量,是一種低成本、環(huán)保、低風(fēng)險(xiǎn)的潛在策略,可重點(diǎn)考慮。(2)進(jìn)一步探索利用硒和其他策略(如與硅的配施、水分管理)聯(lián)用減少多種金屬(類)在作物中共積累的可能性。多種金屬(類)污染是世界上普遍存在的現(xiàn)象,目前僅有少數(shù)涉及硒緩解砷、鎘共污染的研究報(bào)道;(3)進(jìn)一步闡明根際環(huán)境尤其是土壤微生物,與硒(形態(tài)和用量)及植物接觸的重金屬(類)離子之間的相互作用機(jī)制。