張 萍,薛經(jīng)倫,劉 園,程玉淵,史玉龍,丁新潔,賈宏昉,邵惠芳*

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院,河南鄭州 450002;2.河南省煙草公司南陽市公司,河南南陽 473000)

硒是高等生物生長發(fā)育所必需的一種微量元素,也是動物體內(nèi)多種酶和蛋白的重要組成成分[1]。我國約72%的土壤存在缺硒或低硒現(xiàn)象,相關(guān)研究表明噴施低濃度硒可以增加種子發(fā)芽率、增強作物的光合作用,提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量[2-6]。而大量的礦產(chǎn)開發(fā)導(dǎo)致土壤硒污染,土壤中大量硒被作物吸收積累,后經(jīng)食物鏈傳遞至人體,從而誘發(fā)急性和慢性硒中毒[2-7]。土壤硒污染的條件下,作物吸收運轉(zhuǎn)硒的機制、作物耐受硒的毒害閾值等問題顯見報道。該研究對土壤硒污染的形成及現(xiàn)狀、植物對土壤硒污染的生理響應(yīng)、植物的毒害閾值和耐硒的調(diào)控機制進(jìn)行綜述,重點分析硒污染后作物生理活動的響應(yīng),以期明晰作物對硒的吸收與轉(zhuǎn)運機制,創(chuàng)制硒富集品種,從而修復(fù)土壤硒污染。

1 土壤硒污染現(xiàn)狀及其生態(tài)風(fēng)險

硒不僅是生態(tài)環(huán)境中的微量有益元素,同時在植物生長、人類健康、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)等方面被廣泛關(guān)注[8-9]。然而常因工業(yè)化、電子垃圾及金屬礦床和煤的開采,導(dǎo)致部分地區(qū)出現(xiàn)相對嚴(yán)重的硒污染,如美國西南地區(qū)[10]、波蘭托倫市[11]及我國恩施地區(qū)等[12]。我國的硒蘊藏量約是全球硒資源量的1/3[13],我國探明點狀分布的富硒和高硒地區(qū)廣泛分布在湖北、陜西、安徽、廣西、江西等地[14]。土壤中硒含量在一定程度上由成土母質(zhì)的組成和性質(zhì)決定,從硒含量來看(表1),硒毒土壤的含硒量遠(yuǎn)高于自然界中土壤硒含量一般值0.5 μg/g[15],最高可達(dá)上萬倍,土壤硒污染情況十分嚴(yán)重。

表1 我國土壤硒含量狀況

土壤中的硒通過“土壤-作物-動物”和“土壤-作物-人體”等食物鏈傳遞方式被人和動物吸收利用,而過量攝取硒會威脅動物和人體的健康。研究表明,在土壤硒含量>3 μg/g的區(qū)域生活,就存在硒中毒的風(fēng)險[19-20]。硒中毒是動物攝入過量硒而發(fā)生的中毒性疾病,各種動物均可發(fā)生,高硒地區(qū)的牛、羊和馬較為常見,其次是豬[20]。王建辰等[21]發(fā)現(xiàn)過量的硒會影響動物的繁殖和生長發(fā)育,導(dǎo)致母畜受胎率和產(chǎn)仔數(shù)下降,且仔畜的發(fā)育變得遲緩。土壤硒污染使作物可食用部位的硒水平提高,過量的硒進(jìn)入人體后引發(fā)中毒,導(dǎo)致指甲和頭發(fā)脫落、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等[22-24]。成年人推薦硒攝入量為50～400 μg/d[25],而生活在恩施硒中毒地區(qū)的居民,其硒攝入量高達(dá)4 990 μg/d[26],印度硒中毒地區(qū)居民男性平均硒攝入量為(632.0±31.2)μg/d;女性平均硒攝入量為(475.0±52.8)μg/d[27-28],遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人體每日推薦攝入量。這些結(jié)果表明我國部分高硒地區(qū)存在硒污染而引發(fā)的人體攝入硒含量過高的風(fēng)險,而影響土壤硒有效性的因素,土壤的硒形態(tài)變化還有待研究,對土壤硒污染引起的健康風(fēng)險評價具有相當(dāng)重要的意義。

2 植物對土壤硒污染的響應(yīng)

2.1 生長發(fā)育土壤硒污染影響植物生長發(fā)育,主要體現(xiàn)在低濃度硒促進(jìn)植物的生長發(fā)育,而高濃度硒會出現(xiàn)抑制現(xiàn)象。硒污染條件下,茶苗成熟葉片出現(xiàn)枯斑,根系顏色褐黃,新生側(cè)根數(shù)量減少[29],水果黃瓜種子萌發(fā)受到抑制[30],魔芋植株小、葉邊緣明顯變黃且葉柄長度減小[31]。當(dāng)硒濃度為100 mg/L時,番茄減產(chǎn)約6.29%,胡蘿卜減產(chǎn)約3.24%;為500 mg/L時,大蒜減產(chǎn)約9.80%。在光照培養(yǎng)箱中,100和200 μmol/L的硒濃度抑制了水稻幼苗的株高、根長、鮮重和干重,且濃度愈高抑制作用愈大[32]。在土壤中相較對照,40 mg/kg的硒濃度下地上部干重和根干重分別下降了21.50%和35.35%;當(dāng)達(dá)到150 mg/kg時,地上部干重和根干重分別下降了81.28%和87.54%。硒處理改變了煙苗的生長發(fā)育,硒濃度>5 mg/L時,植株矮小,葉片小而少;當(dāng)硒濃度達(dá)到20 mg/L,地上部和地下部生物量相較對照分別降低了70.8%和73.8%[33]。由此可知,在相同的濃度下,硒對根長的抑制作用大于對苗長[34-35]。

2.2 光合作用硒污染會損傷光合器官,抑制植物光合作用[36]。過量的硒易破壞葉綠體的結(jié)構(gòu),進(jìn)而使得大部分植物出現(xiàn)硒中毒癥狀[37]。研究表明,過量的硒會使得葉綠體的細(xì)胞器超微結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[38],可能破壞了微藻葉綠體中的光系統(tǒng)Ⅱ的復(fù)合體結(jié)構(gòu),抑制光合作用的電子傳遞[39]。CO2濃度同樣會影響光合作用的速率。土壤硒濃度達(dá)到100 mg/kg時,茄子幼苗的胞間CO2濃度比對照降低了80.44%,抑制了茄子幼苗的凈光合速率[40]。葉綠素是植物進(jìn)行光合作用、同化物質(zhì)的基礎(chǔ),90 mg/L的硒濃度導(dǎo)致花生葉綠素a和總?cè)~綠素含量均下降,且與對照有顯著差異[41];21和24 mg/L的硒濃度降低了苗期油菜葉片的胡蘿卜素含量[42];硒濃度>16 mg/kg時,小麥葉綠素a含量和葉綠素a/b受到明顯的抑制。硒濃度為0.1 mmol/L時就會抑制黃化小麥葉片轉(zhuǎn)綠過程中葉綠素的積累[43],可能是由于硒取代了合成葉綠素關(guān)鍵酶中的硫原子,導(dǎo)致酶蛋白被破壞,活性降低,進(jìn)而阻礙了葉綠素的合成[44]。

2.3 抗氧化系統(tǒng)硒污染對抗氧化酶系統(tǒng)產(chǎn)生脅迫效應(yīng),植物憑借體內(nèi)2套抗氧化系統(tǒng)清除體內(nèi)的自由基:一套是低分子物質(zhì),例如GSH、ASA和黃酮類等;另一套是抗氧化酶系統(tǒng),包括SOD、POD、CAT和APX等。高濃度的硒造成花生中MDA的積累,抑制了花生器官的生理功能[45],韓丹[46]研究表明,22.2 mg/kg的硒濃度條件下,烤煙中以無機硒為主,SOD酶活性和GSH含量顯著上升,CAT酶活性和ASA含量與對照相差不大,破壞了植株體內(nèi)ROS平衡,MAD含量增加。土壤硒污染對SOD的影響較大,而對CAT的影響較小[47]。目前已在眾多高等植物和藻類中檢測到GPX的活性,且證明植物體內(nèi)硒含量與其活性有著顯著正相關(guān)[48],不過陳思嘉等[49]研究發(fā)現(xiàn),硒與螺旋藻中的硒含量沒有太大聯(lián)系,與硒脅迫強度相關(guān),硒脅迫越強,GPX活性越高,說明GPX的作用是抗氧化的重要機制之一。由于各種抗氧化酶作用底物的相關(guān)性和在生物體內(nèi)活性氧種類的相互轉(zhuǎn)化,其中一種抗氧化酶活性的變化,可能影響到其他抗氧化酶活性,可能是硒對植物的生長具有雙重效應(yīng)的主要原因之一。

2.4 基因表達(dá)植物吸收積累硒的過程受關(guān)鍵基因的表達(dá)及轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控。大量的研究已經(jīng)證實了耐硒關(guān)鍵基因在植物抵抗硒污染中扮演重要角色。岳琳祺等[50]對不同基因型的谷子材料進(jìn)行硒試驗,表明在110 g/hm2的硒濃度下,不同谷子品質(zhì)的農(nóng)藝性狀的變化差異較大;周毅峰[51]研究表明,在壺瓶碎米薺中,SUL1A、Aat和PLR1的表達(dá)顯著上調(diào),通過硒化作用和硒代半胱氨酸及其衍生物的轉(zhuǎn)氨作用提高了硒耐受性。姚新等[52]研究表明,SMT基因的轉(zhuǎn)入降低了煙草在一定硒濃度范圍內(nèi)的GSH-Px受影響的程度,改善了煙草對硒的耐受性。但也有研究表明,在硒處理后的茶樹根系中沒有發(fā)現(xiàn)SMT基因,推測茶樹根系中硒的代謝不受該基因調(diào)控[53]。

3 硒對植物的毒害閾值及其影響因子

植物體內(nèi)的含硒量不等,但大多數(shù)可食用植物的含硒量都比較低,一般為0.01～1.00 mg/kg[54]。目前關(guān)于硒對植物的毒害閾值尚無明確定義,施用外源硒肥是獲得優(yōu)質(zhì)富硒農(nóng)產(chǎn)品的有效途徑,但由于硒礦粉等施用后大量的硒殘留在土壤中,造成了環(huán)境問題。該研究以植物體出現(xiàn)相應(yīng)癥狀時的葉面噴施硒濃度為定義,整理不同植物對硒的毒害閾值(表2)。

表2 植物葉面噴施硒的毒害水平

不同物種作物對硒的毒害閾值呈現(xiàn)出了顯著性差異。通常按照不同植物物種對硒耐受和積累程度的不同,可分為3類:非聚硒植株(<10～100 mg Se/kg 干重)、硒指示植株(100～1 000 mg Se/kg 干重)、聚硒植物(>1 000 mg Se/kg干重)[66]。不同培養(yǎng)條件下生長的作物對硒的毒害閾值同樣呈現(xiàn)顯著性差異,杜芳等[67]研究表明,平板培養(yǎng)條件下硒濃度>160 mg/kg;液體搖瓶條件下硒濃度>4 mg/L就會抑制菌絲生長速度;栽培模式下,硒濃度>600 mg/kg,菌絲產(chǎn)量亦與對照相比差異不顯著。不同的硒形態(tài)影響植物的毒害閾值,研究表明,外源Se(Ⅵ)和外源Se(Ⅳ)對玉米生長具有抑制作用,硒濃度<5 mg/kg時,Se(Ⅵ)毒害性小,硒濃度10～40 mg/kg時,Se(Ⅳ)毒害性小[68]。而植株發(fā)育成熟程度也會影響硒的毒害閾值,吳永堯等[69]研究表明,硒濃度>20 mg/kg對大豆苗期生長產(chǎn)生抑制,到后期各處理間形態(tài)上無明顯差異。

4 植物對過量硒的耐性機制

過量的硒對植物有毒害作用,已知通過2種機制實現(xiàn),一種是畸形的硒蛋白,另一種是產(chǎn)生氧化應(yīng)激[70]。而耐硒植物耐受高濃度硒的機制為減少細(xì)胞中硒代半胱氨酸和硒代甲硫氨酸的濃度[71],這些氨基酸滲入蛋白質(zhì)后影響植物蛋白結(jié)構(gòu)和肽鍵狀態(tài),對蛋白功能造成損壞[72]。Gabel-Jensen等[73]研究表明,硒若轉(zhuǎn)化為非蛋白硒代氨基酸能夠減少硒的摻入。此外Pilon-Smits等[74]研究表明,植物可以將Se6+轉(zhuǎn)化為易揮發(fā)物質(zhì)二甲基硒醚或二甲基二硒醚,將體內(nèi)硒外排,從而提升植物耐硒能力。由此可見,耐硒植物的轉(zhuǎn)化效率可能高于硒敏感植株,進(jìn)而揮發(fā)體內(nèi)更多的硒,降低硒污染帶來的傷害。因此培育耐硒植物應(yīng)選擇可以適度拒硒或能夠轉(zhuǎn)化毒性較高無機硒為氣態(tài)硒揮發(fā)的植物。

5 展望

目前人類攝取硒的主要途徑為攝取植物體內(nèi)積累的硒,當(dāng)前雖對植物硒的生理功能有所研究,但隨著工業(yè)化的發(fā)展和煤的開采,使得土壤硒污染日益顯現(xiàn),現(xiàn)研究的防范措施尚不能完全解決硒污染帶來的生態(tài)危害,需要從硒污染評價、分析和創(chuàng)制硒富集植株三部分著手深入研究。其中加強土壤硒污染評價的研究主要是通過定性分析和定量分析相結(jié)合,豐富土壤硒污染的評價研究方法,合理確定各評價因子的選擇和對整個評價單元的權(quán)重,為因地制宜進(jìn)行土壤硒污染的防范治理提供系統(tǒng)性理論依據(jù)和研究思路;傳統(tǒng)修復(fù)措施主要包含客土法、淋洗法、熱處理和固化等方式,但由于難以大規(guī)模推廣,無法應(yīng)急修復(fù),需要未來加強研究土壤硒污染的修復(fù)理論技術(shù),提高應(yīng)對土壤硒污染的能力;植物對硒的超富集、高耐受機理機制的研究,目前已發(fā)現(xiàn)的真正意義上的超硒富集植物只有雙槽紫云英,厘清硒在植物體內(nèi)的基因調(diào)控機理,快速篩選出具有應(yīng)用價值的硒富集和耐硒植物,將硒富集植物與植物修復(fù)技術(shù)有效地配套組合,可為土壤硒污染修復(fù)的發(fā)展提供一定的理論基礎(chǔ)。