硒强化园艺作物：增强抗逆性与营养品质改良的新策略

《Horticulture Research》：Selenium Phytofortification: Enhanced Stress Resistance and Nutraceutical Enrichment in Horticultural Crops

本研究聚焦硒（Se）植物强化技术在园艺作物中的应用，系统阐述了硒通过硫代谢途径被作物吸收、转化与储存的机制，揭示了硒通过提升抗氧化能力、诱导激素级联反应、促进关键代谢物积累等途径增强作物对生物与非生物胁迫的抵抗能力，并详细解析了硒对氨基酸、黄酮类化合物、多酚等营养品质成分的调控作用。研究为安全有效的膳食硒补充策略提供了理论依据与实践指导，对解决全球硒缺乏问题具有重要意义。

　　

在全球范围内，硒（Se）作为人体必需的微量元素，其分布极不均匀，约10亿人面临硒失衡问题。硒摄入不足（<40μg/d）可能导致不育、克山病、大骨节病、甲状腺功能减退和认知障碍，而过量摄入（>400μg/d）又会引起呕吐、疼痛和恶心等中毒症状。因此，开发安全有效的硒补充策略成为研究热点。膳食有机硒相较于无机硒具有更低毒性和更高生物利用度，通过硒植物强化技术，园艺作物不仅能积累更高的硒含量，还往往表现出改善的品质和风味特征，成为人类理想的膳食硒来源。

硒植物强化是一种通过农艺或育种策略提高园艺作物可食用部分硒含量的生物强化技术，旨在实现安全有效的膳食硒补充。作物根据硒积累能力可分为非积累型（<100μg/g干重，DW）、硒积累型（100-1000μg/g DW）和硒超积累型（>1000μg/g DW）。大多数植物属于非积累型，而如豆蔻、西兰花、大蒜、洋葱、针茅、黄芪、滨藜、草木樨、芥菜、番茄、萝卜、马铃薯、草莓、茶叶和坚果等作物表现出较强的硒积累能力。尽管硒对植物非必需元素，但植物强化显示出了多方面的积极效应，包括增强营养成分、改善关键感官属性（如甜度、香气、色泽）以及提升抗氧化能力以缓解生物/非生物胁迫。

本研究由浙江大学农业与生物技术学院的尚冠男、朱锦、叶剑辉与李春阳团队，以及赫尔辛基大学农业科学学院的Helena Korpelainen合作完成，研究成果发表在《Horticulture Research》上，系统阐述了硒在园艺作物中的代谢网络、抗逆机制、品质提升作用及应用策略，为硒强化技术的农业应用提供了全面指导。

研究人员通过文献系统综述与分析，整合了硒在植物体内的吸收、转运、转化与储存机制；采用多组学技术（转录组学、蛋白组学、代谢组学）解析了硒对作物代谢网络的调控作用；通过体外实验与田间试验验证了硒对作物抗逆性及品质成分的影响；利用生物信息学工具鉴定了参与硒代谢的关键转运蛋白与酶基因；并开展了不同硒肥料类型（无机硒、有机硒、纳米硒、生物合成硒）及施用方式（土壤施肥、叶面喷施、水培补充、种子浸泡）的比较研究。

硒代谢的动态网络：吸收、转运、转化与储存

硒的生物利用度排序为：硒酸盐（VI）>有机硒>亚硒酸盐（IV）>元素硒（0）>硒化物（-II）。由于与硫（S）的化学相似性，硒主要共享硫代谢途径。硒的吸收包括地下部分（根系）和地上部分（叶片和果实）。根系吸收依赖多种转运蛋白：硒酸盐主要通过硫酸盐转运蛋白（SULTR）、亚硒酸盐通过磷酸盐转运蛋白（PHT）、有机硒通过氨基酸和硝酸盐转运蛋白以及ABC转运蛋白，纳米硒则主要通过直接渗透（孔径5-20 nm）、被动扩散或内吞作用进入根系。这一过程受土壤性质（pH、Eh、微生物组）和植物因素（物种、生长阶段）影响。地上部吸收主要依靠气孔浸润（孔径10-100μm）和角质层渗透，效率受表面蜡质和毛状体调节。

硒在植物体内的分布遵循成熟组织>幼嫩组织、韧皮部>木质部、地下部分>地上部分的规律，由硒转运蛋白（SeT）、硒氨基酸转运蛋白（SAT）和硒蛋白协同介导吸收、跨膜运输和动态分布。地下吸收时，亚硒酸盐在根中迅速转化为有机硒，仅少量运输到地上部；而硒酸盐通过共质体途径高效移动至叶片进行生物转化，随后有机硒通过韧皮部进行再分配。纳米硒在根/叶中氧化为亚硒酸盐后通过质外体/共质体途径运输到地上部。地上部吸收时，无机硒主要转化为有机形式，以可溶性蛋白为主，部分可通过韧皮部导管转运到新芽和叶片，但无向下运输至根的能力。

转化过程涉及无机活化和有机转化。硒酸盐（SeO₄^2-）通过ATP硫酸化酶（ATPS2）活化形成5'-磷酸硒腺苷（ATPSe），随后通过APS还原酶（APSR）和APS激酶以还原型谷胱甘肽（GSH）为电子供体转化为腺苷5'-磷酸硒酸盐（APSe），最终产生亚硒酸盐（SeO₃^2-）。亚硒酸盐还原为Se^2-通过两条途径实现：叶绿体中磺酸盐还原酶（SiR）的直接酶促还原，或GSH介导的GSSeSG→GSSeH级联还原。Se^2-通过半胱氨酸合成酶复合物与O-乙酰丝氨酸结合形成硒代半胱氨酸（SeCys）。推测SeCys在机械转化阶段通过八条代谢途径转化：

（1）通过硒代半胱氨酸裂解酶（SL）分解为Se(0)和丙氨酸；

（2）氧化偶联为硒代胱氨酸（SeCys₂）；

（3）通过γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶和GSH合成酶合成硒代谷胱甘肽（Se-GSH）；

（4）通过胱硫醚-γ-合成酶（CGS）和胱硫醚-β-裂解酶（CBL）转化为硒代高半胱氨酸（SeHCys），随后通过蛋氨酸合成酶（MTR）转化为硒代蛋氨酸（SeMet）。部分SeMet整合入硒蛋白或被蛋氨酸甲基转移酶（MMT）甲基化为挥发性二甲基硒（DMSe）；

（5）在胁迫下形成硒-烯丙基-L-半胱氨酸亚砜（SeACSO）；

（6）合成硒代腺苷蛋氨酸（Se-AdoMet）和硒代葡萄糖苷；

（7）通过硒代半胱氨酸甲基转移酶（SMT）甲基化为甲基硒代半胱氨酸（MeSeCys），产生挥发性二甲基二硒（DMDSe）；

（8）非特异性掺入蛋白质，可能破坏分子构象、损害功能完整性并最终引发植物毒性。甲基化和挥发是硒耐受的关键机制。代谢物如SeCys₂、Se-GSH和硒代葡萄糖苷可能有助于抗氧化防御、解毒和硒储存/运输。

硒诱导的多维抗逆性

硒作为植物生长调节剂，对植物生长、发育和信号传导至关重要。它刺激植物代谢，参与防御化合物合成，并缓解环境胁迫。硒增强大多数园艺作物对多种胁迫的抗性，包括水分、温度、光照、盐度、植物毒性和生物胁迫。机制可总结为以下五个核心点：

第一，硒增强植物的抗氧化能力。一方面，它提升非酶抗氧化剂（如含硒蛋白用于ROS清除、维生素C、维生素E、花青素）；另一方面，硒协同调节编码酶抗氧化剂的基因，包括Cu-Zn-SOD和谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）、脂氧合酶（LOX）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）和抗坏血酸过氧化物酶（APX），从而增强其活性。这种双重作用减少了氧化标记物（ROS、MDA、生育酚）并保护膜完整性。

第二，硒介导植物激素信号和代谢物合成，从而减轻毒素。硒调节植物激素信号通路，诱导胁迫响应基因（如茶中的ERF、MYB和WRKY家族；黄瓜中的IAA、GH3和SAUR）表达。此外，硒协调涉及茉莉酸（JA）、茉莉酸甲酯（MeJA）、水杨酸（SA）、脱落酸（ABA）、乙烯和细胞分裂素的激素级联反应，重新配置植物的代谢和防御响应以提高胁迫耐受性。另一方面，硒增强渗透调节物如可溶性糖、脯氨酸、酚类、黄酮类、甘氨酸甜菜碱和海藻糖的合成，以在胁迫下维持渗透平衡。此外，硒通过调节转运蛋白基因、合成植物螯合肽、形成惰性硒-金属复合物、改变根细胞壁组成和根亚细胞分布来抑制有毒金属吸收和转运。它还改善养分获取，支持逆境下的生长。此外，它减少了茶多酚（如茶黄素）的氧化产物，增强抗氧化能力。

第三，硒增强细胞功能。硒可显著增强植物的生长特性，如促进碳（C）同化物向根部分布以增加主根长度和侧根数量，从而促进养分吸收。对茶、番茄、草莓、黄瓜和玫瑰作物的研究发现，硒可增加光合色素含量并增强光合作用。在胁迫下，硒不仅防止叶绿素降解，还合成Fe-Se复合物为电子能级的高激发能提供足够底物以维持组织，减少ROS产生，并减轻胁迫对光系统II和光化学效率的不利影响。硒在胁迫条件下对维持正常线粒体数量和嵴密度起关键作用。此外，硒参与呼吸链辅酶合成，增强α-酮戊二酸氧化酶系统活性，并增加线粒体呼吸强度，从而在三羧酸（TCA）循环和电子传递链中发挥重要生物学功能。硒调节气孔开闭，从而在干旱、盐度和金属胁迫下维持组织含水量并提高水分利用效率。这种机制保护细胞结构和功能。因此，硒不会对生物量产生不利影响。对某些作物，适当的硒剂量促进营养生长，加速生物量积累，并缩短萌发时间。

第四，微生物-植物相互作用是硒介导抗逆性增强的关键机制。植物组织内的内生共生体促进硒积累并显著调节脯氨酸水平和胁迫标记酶，从而加强植物的胁迫防御。同时，硒富集与固氮、氨同化、有毒物质降解、环境适应、能量代谢和DNA修复相关的功能内生菌，促进植物生长和胁迫恢复力。此外，植物根际促生细菌（PGPR）通过增加根际生物利用度和上调转运蛋白基因表达来增强根硒吸收，同时提高对高土壤硒水平的耐受性。硒还通过改变根系分泌物和根际环境来重塑根际微生物组，招募有益微生物或抑制病原体。这稳定了生态系统并降低了疾病易感性。例如，硒可改变柑橘根系分泌物的代谢产物分布，增加关键物质丰度，重塑微生物群落，并提高土壤磷利用效率。此外，硒表现出抗菌（核盘菌）、抗病毒和杀线虫特性，与杀菌剂协同保护作物免受生物胁迫。然而，效果主要是抑制而非致死。

硒驱动的营养产品富集

在富硒作物中，大部分硒以有机形式存在。有机硒主要存在于游离硒蛋白和氨基酸中，少部分与色素、多酚、果胶和核酸结合。常见硒氨基酸包括γ-谷氨酰-硒-甲基硒代半胱氨酸、γ-谷氨酰-硒代蛋氨酸、硒代蛋氨酸（SeMet）、硒-甲基-硒代半胱氨酸（SeMSC）、硒代半胱氨酸（SeCys）和甲基硒代半胱氨酸（MeSeCys）。这些化合物通过非特异性替换蛋白质中的Cys和Met形成硒蛋白，从而破坏蛋白质折叠和功能。目前，在高等植物中尚未发现特定的SeCys插入机制。硒蛋白介导硒 sequestration、胁迫抗性、次级代谢、光合作用、抗氧化响应和S/Se代谢途径，包括谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）、过氧化氢酶（CAT）、ATP合酶亚基a和硫氧还蛋白还原酶（TRx）。

硒多糖（Se-TPS）由多种硒蛋白和多糖通过-OH、-NH₂、-COOH、糖链和肽链的共价键连接形成Se-H、C-O-Se、O-Se-O、Se-O和Se=O键。这些独特的共价键赋予Se-TPS有助于细胞壁并具有更高的抗氧化活性，可增强茶对胁迫的抗性。

硒黄酮约占总硒的1%。黄酮苯并吡喃环C-3-OH位置的亲核羟基与HSeO₃^-反应，形成Se-O-C和Se=O键取代羟基。这种结构修饰破坏了分子平面性，减少了分子间吸引力，并改善了细胞摄取，从而放大抗氧化和药理效应。

硒调节园艺作物中氨基酸、黄酮类、酚类化合物、可溶性糖、矿质营养素、生物碱和挥发性物质的组成和含量。这些变化增强感官属性和营养价值。例如，硒可显著增强茶的甜味、鲜味和香气，同时减少苦味。原因是硒对园艺作物的品质效应可能与氮（N）和碳（C）代谢相关，表现出浓度依赖性和品种特异性。例如，在茶中，低硒浓度主要影响碳水化合物和黄酮代谢，而高硒浓度主要调节氨基酸代谢。

碳水化合物浓度和组成是园艺作物风味品质的重要组成部分。硒对光合作用的改善效应也有助于苷类化合物的合成和积累。硒上调葡萄糖基转移酶，显著增加叶片或果实中的可溶性糖（葡萄糖、果糖、蔗糖）。蛋白质和氨基酸是重要的含氮化合物。硒调节谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合成酶（GS/GOGAT）循环、三羧酸（TCA）循环和氨基酸代谢。它上调氨基酸生物合成关键酶的基因，包括谷氨酸脱羧酶（CsGAD）、茶氨酸合成酶（CsTS）、谷氨酰胺合成酶（CsGS）以及甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢途径。因此，硒调节多种必需植物氨基酸的生物合成。研究发现硒还可增加作物中可溶性蛋白浓度并降低硝酸盐水平，从而改善作物的安全品质。

在园艺作物中，次级代谢物与其健康益处密切相关。酚类化合物和黄酮类代表植物中两类最重要的次级代谢物。普遍存在于所有植物物种中，它们控制果实风味和着色。硒调节多酚和黄酮生物合成途径中关键酶基因的表达，从而影响多酚化合物的聚合、异构化和代谢方向。关键酶基因包括苯丙氨酸解氨酶（PAL）、4-香豆酸-CoA连接酶（4CL）、黄酮醇合酶（FLS）、多酚氧化酶（PPO）等。因此，硒改变多酚和黄酮的含量和组成。对于生物碱，硒可能下调咖啡因生物合成途径中的关键基因，如AMP脱氨酶（AMPD）和腺嘌呤磷酸核糖转移酶（APRT），从而降低作物中的总咖啡因含量。硒调节香气前体合成和内源酶活性，触发脂肪酸衍生挥发性化合物的形成并改变挥发性成分谱，从而优化作物香气。

硒与植物矿质营养素的相互作用是剂量依赖性的。适当的硒剂量通过影响植物的生理代谢和调节转运蛋白基因（如CsIRTs、CsZIPs、CsBOTs）来优化营养素稳态并增强作物品质。例如，硒提高作物中硒、氮、磷、硫、铁、锰、钾、钙和镁的含量，如葡萄、草莓、番茄和黄瓜。总体而言，硒增加必需宏量/微量营养素积累同时减少重金属含量，尽管特定元素响应因植物物种而异。

此外，硒植物强化增强园艺作物的货架期和贮藏性，对某些物种的采后保存产生有益 effects。例如，硒可延长切花玫瑰的瓶插寿命。这些效应归因于硒减少乙烯产生、提高果实中抗氧化酶活性以及抑制有害真菌的萌发和增殖。

硒植物强化的应用策略

硒植物强化依赖植物育种和农艺干预。人工硒施肥是常见的农艺方法，当前方法包括土壤施肥、叶面施用、水培供应和种子浸泡。土壤施肥操作简单且具有持久硒富集效果，但存在硒固定、淋失、低生物利用度和环境污染风险。叶面施用表现出比土壤施肥更高的植物强化效率，具有快速、安全和成本效益高的特点。它被广泛用于园艺作物植物强化。然而，叶面喷施易受不利天气条件（如强风、大雨、霜冻）影响，并可能留下硒残留。相较之下，水培硒供应操作简单、可重复性好且吸收效率高，在蔬菜如甜罗勒、生菜、番茄、菠菜和菊苣中实现有效植物强化。用硒溶液浸泡种子主要应用于谷物，其在园艺作物中的功效研究有限。

硒植物强化的功效表现出浓度依赖性和品种特异性，受目标作物、硒肥料形式、浓度、施用方法、时机和环境条件影响。例如，在作物营养生长高峰期喷施硒可实现最佳效果。当前农业硒肥料分为四类：无机硒（吸收快、成本低且持久，但效果不稳定、安全阈值窄且可能导致土壤板结）、有机硒（高生物利用度、增强安全性和缓释特性，但成本高且起效慢）、纳米硒（较低毒性、稳定性、高生物活性和环境友好性）、生物合成硒（高生物功效、安全性和生物利用度）。这些肥料类型在移动性、吸附特性和应用结果上差异显著，需要综合评估土壤固定、生物利用度和环境风险。

硒对植物产生双相浓度依赖性效应。安全剂量范围因不同硒肥料类型和作物而异。基于现有知识，大多数蔬菜的适宜剂量范围为2-15 mg/L。低剂量硒作为抗氧化剂，而高浓度促进氧化。过量硒诱导氧化损伤、光合抑制和代谢紊乱，导致萎蔫、生长受阻、产量损失或植物死亡。植物通过β-丙氨酸、牛磺酸、亚牛磺酸和S同化途径解毒硒，其中GSH清除ROS和GST介导的代谢起关键作用，特别是对有毒亚硒酸盐。过量施用风险生态系统破坏和食物链污染，需要严格剂量控制。

硒积累能力因作物品种、季节和生长阶段而异。例如，茶品种中茶108、鄂茶10、福鼎大白和龙井43被发现积累更多硒，而金观音、铁观音、乌牛早、鸠坑和柳叶积累较少硒。育种策略（常规或转基因）以增强可食用部分（如叶/果）的硒积累对植物强化具有重大潜力。

硒在植物代谢中与氮（N）、磷（P）和硫（S）协同相互作用。氮促进硒运输和生物利用度。外源氮（NH₄⁺/NO₃^-）提高作物中硒和氨基酸含量。硒调节氮代谢酶（如CsTS1、AMT、GS、GOGAT）和微生物驱动的氮循环，优化氮利用效率并缓解过量氮胁迫。适量磷通过改善土壤条件和酶活性增强硒吸收、光合作用和抗氧化能力；过量磷抑制这些效应。由于共享吸收途径，高硫形成Se-S复合物限制硒积累。然而，研究也发现纳米硒在低浓度（0.5-5μM）下与硫表现出协同效应，促进作物生长并增加干物质产量。硅（Si）和硒的联合应用也被发现具有显著协同效应，可显著改善作物生长。微生物协同（如解淀粉芽孢杆菌、溶磷菌、丛枝菌根真菌）重塑根际微生物组，缓解硒胁迫、激活土壤硒并促进吸收。硒化细菌（如短小杆菌属）也实现高效植物强化。这些机制为在最小化生态风险的同时提高硒肥料效率提供了基础。

挑战与未来展望

硒对植物而言是一把双刃剑。硒影响园艺作物生长、抗逆性和品质的调控机制仍未完全阐明，当前研究大多局限于实验室环境， thus limiting the development of agricultural applications. 未来研究建议包括：（1）硒吸收、运输和代谢机制。破译硒吸收、转运和同化的分子网络；识别硒特异性转运蛋白、调控基因及其功能；阐明对过量硒胁迫的响应。（2）优化硒施肥策略。筛选最佳硒形式、剂量、肥料组合施用和应用方法；评估对土壤微生物组、地下水和生态系统的长期影响。（3）硒对植物抗逆性的协同效应。利用多组学技术研究硒在生物/非生物胁迫耐受中的机制；探索与植物激素和内生菌的协同作用以建立靶向调控策略。（4）提高硒补充效率和安全性的协同效应。富硒作物中生物活性化合物与硒的协同效应有助于增强健康益处。因此，在缺硒地区适量消费这些作物不仅缓解硒缺乏相关疾病，还支持抗氧化和抗癌活性，同时改善免疫功能。然而，加工相关硒损失值得注意。例如，冲泡条件（时间/温度/水质）影响茶浸出液中有机硒溶解，富硒西兰花在煮沸过程中损失超过50%的硒含量。硒的推荐膳食 allowance（RDA）为55μg/d，成人可耐受上限摄入水平（UL）为400μg/d。尽管园艺产品主要包含安全高效的有机硒，适量消费仍是预防硒毒性的关键。

结论与意义

本研究系统阐述了硒在园艺作物中的代谢网络、抗逆机制、品质提升作用及应用策略，揭示了硒通过硫代谢途径被作物吸收、转化与储存的机制，阐明了硒通过提升抗氧化能力、诱导激素级联反应、促进关键代谢物积累等途径增强作物对生物与非生物胁迫的抵抗能力，并详细解析了硒对氨基酸、黄酮类化合物、多酚等营养品质成分的调控作用。研究为安全有效的膳食硒补充策略提供了理论依据与实践指导，对解决全球硒缺乏问题、改善人类健康具有重要意义。未来研究需进一步深入探索硒的分子调控机制、优化施肥策略并评估长期生态效应，以推动硒植物强化技术的广泛应用。