谷胱甘肽（GSH）在硒吸收和同化中的作用：马铃薯中 Na?SeO? 暴露下的解毒

《Journal of Hazardous Materials》：The role of GSH involved in Selenium absorption and assimilation: Detoxification under Na?SeO? exposure in potato

　　

摘要硒 (Se) 及其衍生物广泛分布于土壤、海洋和农作物中，过度暴露可能导致肺水肿、心动过速和器官损伤，威胁人类健康并破坏生态系统。研究主要集中在硒的营养价值上，而对其吸收、同化和解毒的研究较少。在本研究中，我们探讨了谷胱甘肽 (GSH) 在调节马铃薯中硒积累和同化中的作用。GSH 减少了无机硒形态（硒酸盐和亚硒酸盐）的积累，同时促进其转化为有机硒化合物。机制上，GSH 通过增加硫含量、减少蛋白质错误掺入以及促进无机硒转化为毒性较低的有机形态（包括硒代半胱氨酸 (SeCys) 和硒代甲硫氨酸 (SeMet)）来减轻硒毒性。此外，GSH 和 Na?SeO? 的联合应用增强了氧化还原稳态并减轻了氧化损伤。这些发现为基于 GSH 的策略以减少食品和环境系统中的硒危害提供了新见解。

引言硒 (Se) 是一种重要的微量营养素，参与氧化还原调节、繁殖和免疫功能，然而，其在环境和食品系统中的过量积累对人类健康和生态可持续性构成风险 [1], [2], [3]。硒的主要来源包括火山活动、采矿、煤炭燃烧、工业排放、农业径流和废水排放 [4]。一旦进入陆地和水生环境，硒就会呈现生态和健康风险，因为它在毒性和营养必需性之间存在狭窄的窗口 [5]。过量硒暴露破坏氧化还原稳态和蛋白质功能，导致多个生物系统中的氧化和亚硝化应激。在人类中，每日硒摄入量超过 400 μg 会带来显著的健康风险 [2]。在农业系统中，过量硒暴露导致活性氧 (ROS) 的产生、细胞结构的氧化损伤以及营养吸收和转运的干扰，特别是影响氮和磷等必需大量营养元素 [6]。硒毒性也延伸至自然生态系统，长期食用富硒饲料会导致敏感野生动物物种慢性硒中毒 [3]。

尽管存在这些潜在风险，硒在生物系统中表现出双重作用，其影响很大程度上取决于浓度。在适当水平下，硒在农业系统中仍然是必需的，被广泛用于解决饮食缺乏和改善作物产量 [7], [8]。全球超过十亿人患有硒缺乏症，导致一系列健康问题 [9], [10]。充足的硒摄入增强免疫功能，并降低患克山病和大骨节病的易感性 [1], [11]。除了支持免疫之外，硒对大脑健康至关重要，并能预防甲状腺和心脏病 [12], [13], [14]。作物的可食用部分，特别是水稻、小麦和玉米等主食，是人类硒摄入的主要饮食来源，这使得农业生物强化成为硒补充的关键策略 [1], [2], [15]。除了作为微量元素补充剂外，富硒作物还提供了更广泛的生态和经济效益 [16]。硒通过刺激抗氧化防御系统，提高了小麦、马铃薯和茶叶等作物的产量和营养质量，特别是在土壤肥力较差的地区 [1], [16]。硒补充还增强了植物韧性，提高了抵抗各种胁迫的能力 [1], [17], [18]。然而，硒的有益作用发生在相对狭窄的浓度范围内，过量的硒积累很容易导致毒性。这种狭窄的有益 - 毒性窗口反映在 aquatic organisms 的毒性研究中，其中 Se 的 96 h LC50 值在 Pseudorasbora parva 中为 3.62 mg L?1，在 Pagrus major 中为 11.5 mg L?1，O. niloticus 鱼苗显示出中间值 4.42 mg L?1 [19]。这些数值跨度不到一个数量级，落在相对狭窄的浓度范围内，表明硒的有益和毒性作用之间的余地有限。

硒与硫具有相似的化学性质，包括相似的键能、原子大小和电负性，这使其能够在生物过程中与硫竞争 [5], [20]。在植物同化途径中，硒被硫转运蛋白吸收，并遵循与硫相同的代谢途径，最终被代谢为硒氨基酸，如 SeCys 和 SeMet，它们取代蛋白质中的半胱氨酸 (Cys) 和甲硫氨酸 (Met) [4], [16], [17]。虽然这种替代在受控条件下可能具有有益效果，但过量的硒积累可能具有毒性。具体而言，SeCys 和 SeMet 掺入蛋白质导致错误折叠和蛋白质结构改变，特别是含有铁 - 硫簇的酶，从而在植物中引起氧化应激和毒性效应 [18]。有趣的是，硫可以减轻硒诱导的毒性，因为较高的硫浓度减少了硒掺入蛋白质，从而增强了植物耐受性 [21]。这突出了理解硒与硫代谢之间相互作用的重要性，以便在农业系统中安全地实施硒生物强化。除了蛋白质损伤外，硒毒性还受其化学形态的强烈影响 [22]。无机硒，如硒酸盐 (SeO42-) 和亚硒酸盐 (SeO32-)，即使在低浓度下也具有高度毒性 [23]。这些形态的硒一旦被植物吸收，也会在氨基酸中取代硫，破坏正常的代谢过程并导致氧化应激 [4], [11], [17]。相反，有机硒化合物，如 SeMet、SeCys、二甲基硒化物 (DMSe) 和二甲基二硒化物 (DMDSe)，表现出较低的毒性、较高的生物活性和改善的生物利用度，从而能够更有效地整合到代谢过程中 [11], [16], [24], [25]。这种差异强调了将无机硒转化为其有机形态对于更安全生物强化的重要性，特别是为了增强人类健康的硒摄入 [5]。然而，完全理解从无机硒到有机硒的转化仍面临挑战。

为了减轻过量无机硒的毒性作用，植物进化出了防御机制 [26]。一种关键的解毒策略涉及将 SeMet 和 SeCys 转化为挥发性有机化合物 DMDSe 和 DMSe，它们的毒性比硒低 500-700 倍 [16], [18]。然而，由于生长速度慢和生物量产生低，植物修复潜力有限 [17]。硒激活参与氧化防御的硒蛋白，并通过谷胱甘肽过氧化物酶 (GPx) 途径增强抗氧化活性；然而，过量的硒会消耗细胞内 GSH 池，导致 ROS 积累 [21], [27]。为了应对挑战，GSH 已成为一种有前景的策略 [28]。最近的研究表明，GSH 在调节硒积累和缓解氧化应激方面起着关键作用 [29]。作为 GPx 的重要辅因子，GSH 对于控制细胞氧化还原电位以及储存和运输还原硫至关重要 [6]。GSH 和 Se 之间的协同作用促进了无机硒转化为硒蛋白、硒多糖和其他有机化合物，从而调节氧化还原平衡并促进植物生长、代谢和胁迫耐受性 [27], [30], [31]。尽管人们对硒的毒理学影响越来越感兴趣，但在理解 GSH 如何影响硒化学形态和解毒动力学方面仍存在空白。

马铃薯是全球重要的根茎类作物，其直根对硒敏感，然而，硒和 GSH 调节马铃薯采后质量的精确代谢机制仍未完全了解 [20], [32]。本研究调查了 GSH 在 Na2SeO3 处理马铃薯中调节硒积累和同化的作用，重点关注硒化学形态、氧化还原稳态和采后质量保存。我们旨在探索 GSH 和 Na2SeO3 如何在解毒中协调，特别是在将有毒的无机硒转化为危害较小的有机形态（如 SeMet 和 SeCys）方面。通过理解硒代谢与氧化还原调节之间的相互作用，我们提出了一种绿色、安全的策略，以平衡硒生物强化与污染风险。结果预计将为改进硒生物强化实践提供有价值的见解，并帮助减少农业和环境系统中的硒相关危害。

片段

植物材料
马铃薯 (Solanum tuberosum L. cv. 'Favorita') 购自位于中国浙江省杭州的一个市场。选择了大小均匀（每个重 250±50 g）、无物理损伤和疾病的马铃薯用于实验。马铃薯用 1.5% 次氯酸钠消毒 2 分钟，然后用蒸馏水冲洗。

处理浓度基于之前的报告和初步实验确定。Na2SeO3 的浓度基于先前的研究

Na2SeO3 和 GSH 处理在维持马铃薯质量中的作用
马铃薯发芽率和质量保存受到储存期间 Na2SeO3 和 GSH 处理的影响。储存期间的形态和生化变化如图 1 所示。收获时，所有马铃薯颜色均匀且无明显损伤。到第 4 天，CT 组表现出明显的发芽，到第 12 天发芽变得更加普遍，芽眼增大 (Fig. 1A)。尽管与 CT 组相比略有延迟，Na2SeO3 处理的马铃薯在第 8 天开始发芽。

讨论
生物强化已成为一种有效的策略，以提高作物中的硒水平并缓解饮食硒缺乏 [40]。然而，超过推荐范围的硒摄入可能导致硒毒性，可能导致健康问题，如甲状腺功能减退症和心血管疾病 [40]。在本研究中，单独使用 Na?SeO? 处理延迟了马铃薯发芽并减少了储存期间的质量恶化 (Fig. 1)。在休眠期释放过程中，块茎动员储存的淀粉以支持。

结论
在本研究中，我们证明 GSH 调节马铃薯中的硒同化和解毒，而不损害硒积累。表皮在驱动空间区室化方面起关键作用，有效保护内部组织免受过量无机硒的影响，确保食用安全。GSH 通过增加硫含量、减少蛋白质错误掺入和错误折叠，同时促进无机硒形态（如硒酸盐和亚硒酸盐）转化为。

未引用的参考文献
[58], [59], [60], [61]

CRediT 作者贡献声明
董莹莹：写作 - 审查与编辑，写作 - 初稿，调查。相艺洲：调查，数据整理。胡泉南：写作 - 审查与编辑，写作 - 初稿，方法论，调查，数据整理，概念化。董南南：可视化，方法论，概念化。米罗斯拉娃·卡恰尼奥瓦：写作 - 审查与编辑，监督。亚历山德罗·比安奇：方法论，调查。斯特凡妮亚·加佐利：方法论，调查。李丽：写作 - 审查与

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本报告的工作。

致谢
这项工作得到了国家重点研发计划 - 政府间合作项目 (No. 2024YFE0197800) 的资金支持。

重要性声明
硒是一种重要的微量营养素，但其残留物对健康和环境构成严重风险。在人类中，每日摄入量超过 400 μg 威胁健康，慢性暴露导致肺水肿、心动过速和器官损伤。在农业中，硒暴露抑制叶绿素合成，减少生物量，并导致作物坏死。硒是

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