彭李順+曹崢英+楊本鵬+張樹(shù)珍

摘要：硒是人體必需的微量元素之一，主要通過(guò)植物的吸收和轉(zhuǎn)化進(jìn)入人類食物鏈，植物聚硒能力是決定植物硒含量高低的關(guān)鍵因素之一。對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于植物聚硒能力的分子機(jī)制、遺傳變異、轉(zhuǎn)基因分子改良等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并對(duì)該領(lǐng)域研究的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：植物；聚硒；分子機(jī)制；遺傳變異；轉(zhuǎn)基因

中圖分類號(hào)： Q945.12文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）23-0001-05

硒是人類所必需的微量營(yíng)養(yǎng)元素之一，具有抗氧化、抗衰老、提高紅細(xì)胞的攜氧能力、保護(hù)心腦血管、拮抗重金屬毒性、提高人體免疫力、預(yù)防癌變等多種功能，膳食中硒攝入量不足將會(huì)影響人體健康[1-2]。植物是天然有機(jī)硒合成的生物工廠，也是硒進(jìn)入人類食物鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。土壤中無(wú)機(jī)態(tài)硒可經(jīng)由植物吸收轉(zhuǎn)化為人體可利用的具有生物活性的有機(jī)態(tài)硒源[3]。植物硒含量主要取決于自身的聚硒能力和土壤的有效硒含量。然而，大多數(shù)植物都屬于聚硒能力較弱的非聚硒植物，且我國(guó)3/4的土地面積屬于低硒和缺硒地區(qū)，是世界上缺硒最嚴(yán)重的國(guó)家之一，這就導(dǎo)致我國(guó)將近2/3的人口存在不同程度硒攝入不足的問(wèn)題[4-5]。通過(guò)硒的生物強(qiáng)化，提高農(nóng)作物硒含量水平，改善缺硒人群的硒營(yíng)養(yǎng)攝入，已成為目前研究的熱點(diǎn)。其中，在缺硒地區(qū)施用硒肥是提高作物硒含量的常用措施，且在小麥、玉米、水稻等作物中均已取得較好的富硒效果[6-7]。然而，硒肥的長(zhǎng)期施用不僅成本較高、而且會(huì)打破自然界的化學(xué)平衡，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成影響[8]。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益考慮，利用現(xiàn)代分子生物學(xué)方法提高作物對(duì)硒的吸收和累積，在改善人類硒營(yíng)養(yǎng)缺乏方面具有較大的優(yōu)勢(shì)和潛力。本文就近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)植物聚硒能力的差異、植物對(duì)硒的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、累積代謝的分子機(jī)制、聚硒植物的遺傳變異、聚硒關(guān)鍵基因的遺傳轉(zhuǎn)化等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，旨在為后期作物聚硒能力的分子遺傳改良提供理論基礎(chǔ)。

1植物聚硒能力差異

硒不是植物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，但適量的硒不僅能夠促進(jìn)植物生長(zhǎng)，而且可以增強(qiáng)植物對(duì)多種生物和非生物脅迫的抗性，通常被劃分為植物的有益元素[9]。依據(jù)植物對(duì)硒累積和忍耐能力的差異，植物被分為非聚硒植物、硒指示植物和聚硒植物3類[10-11]。大多數(shù)植物都屬于非聚硒植物，組織能夠忍耐的硒含量（干物質(zhì)濃度，下同）不超過(guò)100 μg/g，在高硒含量的土壤上通常無(wú)法正常生長(zhǎng)[10-12]；而硒指示植物能夠忍耐的組織硒含量可達(dá)1 mg/g，且在低硒和高硒土壤中均可正常生長(zhǎng)。硒指示植物的組織硒濃度和土壤的有效硒含量具有較高的相關(guān)性，因此可以用來(lái)指示土壤硒含量的高低[10，13]。生長(zhǎng)在土壤硒含量較高區(qū)域的聚硒植物，其組織硒含量通常都在1 mg/g以上[10]。目前，發(fā)現(xiàn)聚硒植物主要包括一些菊科（Asteraceae）、十字花科（Brassicaceae）、豆科（Fabaceae）植物，另外部分玉蕊科（Lecythidaceae）、莧科（Amaranthaceae）、茜草科（Rubiaceae）植物也具有較強(qiáng)的聚硒能力[14]。

2植物聚硒過(guò)程中硒的吸收、運(yùn)轉(zhuǎn)和代謝的分子機(jī)制

2.1硒的吸收

植物根系吸收硒的主要形式包括硒酸鹽（SeO42-）、亞硒酸鹽（SeO32-、HSeO3-、H2SeO3）和部分有機(jī)硒化物（SeCys、SeMet等）。其中植物對(duì)硒酸鹽的吸收主要通過(guò)根系的高親和硫酸根轉(zhuǎn)運(yùn)體（HASTs）來(lái)調(diào)節(jié)，該過(guò)程為一個(gè)耗能的主動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程[15]。在許多硒指示植物和非聚硒植物中，硫酸根轉(zhuǎn)運(yùn)體的表達(dá)通常受環(huán)境硫酸根含量的調(diào)控。當(dāng)環(huán)境硫素營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)不足時(shí)，編碼SULTR1；1和SULTR1；2蛋白的基因表達(dá)量會(huì)顯著上調(diào)，且有利于植物根系對(duì)硒的吸收和組織硒含量的提高[16-17]，而在一些聚硒植物中，這類基因則通常表現(xiàn)為組成型高表達(dá)，保證其具有較強(qiáng)根系硒吸收能力[18-20]。在相同生長(zhǎng)條件下，聚硒植物地上部組織中硒與硫含量的比值明顯高于其他植物[20-22]，這很可能是由聚硒植物與其他植物根系細(xì)胞質(zhì)膜上的HASTs對(duì)硒酸根和硫酸根選擇性存在差異所導(dǎo)致的。2011年，Cabannes等在對(duì)聚硒植物黃芪的研究中證實(shí)，黃芪硫酸根轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白較其他非聚硒植物對(duì)硒酸根有更高的選擇性，而這種差異主要是由于黃芪硫酸根轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白保守序列上的1個(gè)甘氨酸氨殘基轉(zhuǎn)變?yōu)楸彼崴耓19]。

對(duì)于植物亞硒酸根的吸收機(jī)制，早期的報(bào)道普遍認(rèn)為，植物根系對(duì)亞硒酸根的吸收不受細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)體的調(diào)節(jié)，屬于不需要能量的被動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程。例如，亞硒酸可以以中性分子H2SeO3的形式通過(guò)根系質(zhì)膜上的水孔蛋白NIP2；1，以易化擴(kuò)散的方式被植物根系所吸收[23]。然而，最近在水稻中的研究顯示，亞硒酸鹽可以在根系磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)體OsPT2的協(xié)助下進(jìn)行主動(dòng)運(yùn)輸，且過(guò)表達(dá)OsPT2的轉(zhuǎn)基因水稻對(duì)亞硒酸鹽的吸收顯著增強(qiáng)，稻米中的硒含量顯著增加[24]。但在其他作物中是否存在相同機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。而目前關(guān)于有機(jī)硒化物吸收的研究和報(bào)道并不多見(jiàn)，推測(cè)與植物半胱氨酸（Cys）和蛋氨酸（Met）相關(guān)的轉(zhuǎn)運(yùn)體很可能參與了部分有機(jī)硒化物的吸收過(guò)程[25]。

2.2硒的轉(zhuǎn)運(yùn)

植物根系吸收的硒酸鹽通常會(huì)進(jìn)一步通過(guò)木質(zhì)部長(zhǎng)距離運(yùn)輸至地上部，該過(guò)程主要由幾個(gè)低親和硫酸根轉(zhuǎn)運(yùn)體負(fù)責(zé)[15，26]。在擬南芥中，AtSULTR2；1和AtSULTR2；2主要負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)硒酸鹽進(jìn)入中柱細(xì)胞，而AtSULTR3；5能夠?qū)tSULTR2；1的活性進(jìn)行調(diào)控，自身并不直接參與硒酸鹽的轉(zhuǎn)運(yùn)[27]。AtSULTR2；1和AtSULTR2；2以及這2個(gè)基因在其他植物中同源基因的表達(dá)都受到硫饑餓脅迫的誘導(dǎo)，進(jìn)而可以增加硒在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)效率[26，28]。在幾個(gè)黃芪屬的聚硒植物種中，[WTBX][STBX]SULTR2和SULTR3[WTBZ][STBZ]基因均表現(xiàn)為組成型高表達(dá)，其表達(dá)量明顯高于在硫充足或饑餓狀態(tài)下同為黃芪屬的非聚硒植物[19-20]，這也就解釋了聚硒植物通常都具有強(qiáng)大的從根系到地上部的硒轉(zhuǎn)運(yùn)能力。通過(guò)后續(xù)序列分析發(fā)現(xiàn)，黃芪屬中的聚硒植物種和非聚硒植物種在氨基酸序列上存在明顯差異[19]。endprint

與硒酸鹽被植物根系吸收后立即通過(guò)木質(zhì)部轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部不同，亞硒酸鹽被吸收后會(huì)在根系被迅速轉(zhuǎn)化為有機(jī)硒化物，主要包括硒代蛋氨酸（SeMet）及其氧化物（SeOMet）、硒甲基半胱氨酸（SeCys）等，這些物質(zhì)主要累積在根部，極小部分也可通過(guò)木質(zhì)部長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)降厣喜縖29]。

2.3硒的代謝

硒酸鹽被植物吸收轉(zhuǎn)運(yùn)至地上部后，首先會(huì)在葉綠體中被ATP硫酸化酶（ATPS）激活形成5′-磷酸硒腺苷（APSe），然后在谷胱甘肽和5′-磷硫酸腺苷還原酶（APR）的作用下進(jìn)一步還原生成亞硒酸鹽，這是硒酸鹽同化為有機(jī)硒化物過(guò)程中最關(guān)鍵的限速反應(yīng)[30]。目前，在擬南芥基因組中已經(jīng)鑒定出4個(gè)編碼ATPS的基因和3個(gè)編碼APR的基因，在其他植物中也有相當(dāng)數(shù)量的ATPS和APR基因被分離和鑒定[20]。過(guò)表達(dá)ATPS或APR的轉(zhuǎn)基因植株也被發(fā)現(xiàn)能夠顯著增強(qiáng)地上部葉片對(duì)有機(jī)硒的累積能力[30-32]。ATPS基因在非聚硒植物和硒指示植物中的表達(dá)可受硫素供應(yīng)量的調(diào)節(jié)，當(dāng)環(huán)境硫的供應(yīng)減少時(shí)基因的表達(dá)量顯著降低，反之上調(diào)；而在聚硒植物中ATPS基因則通常表現(xiàn)為組成型高表達(dá)，因此其硒酸鹽轉(zhuǎn)化為亞硒酸鹽的速率明顯高于非聚硒和硒指示植物[18，20，33]。被還原的亞硒酸鹽會(huì)在亞硫酸還原酶或谷胱甘肽的作用下被進(jìn)一步還原為硒化物，然后在半胱氨酸合成酶的催化作用下形成硒代半胱氨酸（SeCys）[34]。有研究顯示，在該過(guò)程中編碼亞硫酸還原酶和半胱氨酸合成酶的基因表達(dá)也會(huì)受到硒供應(yīng)狀態(tài)的調(diào)節(jié)，當(dāng)環(huán)境硒供應(yīng)量增加時(shí)，植物可通過(guò)上調(diào)基因的表達(dá)量來(lái)增加硒的同化速率，而在幾個(gè)聚硒植物中這2個(gè)基因均表現(xiàn)為組成型高表達(dá)，可以進(jìn)一步保證其高強(qiáng)度硒同化速率[18，35]。

隨著SeCys生物合成的結(jié)束，部分合成的SeCys會(huì)進(jìn)一步經(jīng)過(guò)胱硫醚-γ-合成酶（CγS）的作用轉(zhuǎn)化為硒代胱硫醚（SeCysta），然后經(jīng)過(guò)胱硫醚-β-裂解酶（CBL）的作用分解為硒代高半胱氨酸（SeHCys），最后在蛋氨酸合成酶（MTR）的作用下轉(zhuǎn)化為硒代蛋氨酸（SeMet）[34]。然而，合成的SeCys和SeMet可分別通過(guò)置換Cys和Met的方式進(jìn)入植物蛋白質(zhì)的肽鏈中，從而對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生影響[10，36]。尤其是當(dāng)植物組織中硒和硫含量的比值較高時(shí)，這種置換發(fā)生的程度和對(duì)蛋白功能的影響較大，最終會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生硒毒害作用[37]。因此，SeCys和SeMet轉(zhuǎn)化為無(wú)毒的或揮發(fā)性的硒代謝物是植物忍耐組織高硒含量的主要方式。

其中，SeCys和SeMet的甲基化是植物忍耐組織高硒含量的關(guān)鍵途徑之一。SeCys和SeMet可分別在硒代半胱氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶（SMT）和蛋氨酸轉(zhuǎn)移酶（MMT）的作用下，生成硒甲基硒代半胱氨酸（SeMSeCys）和硒甲基硒代蛋氨酸（SeMSeMet），從而阻止SeCys和SeMet被整合到蛋白質(zhì)中，避免毒害作用的產(chǎn)生[31，36]。雙槽紫云英（Astragalus bisulcatus）和沙漠王羽（Stanleya pinnata）是目前報(bào)道的含有SeMSeCys最高的（80%以上）聚硒作物[38]，且與其他植物相比，其SMT蛋白具有更高的活性[18，33]。此外，在一些聚硒的蔥屬[39]、蕓苔屬[40]和部分豆科植物中[41]也發(fā)現(xiàn)了含有較高含量的SeMSeCys；同時(shí)在蕓苔屬的西蘭花中還發(fā)現(xiàn)，SMT基因的表達(dá)量與SeMSeCys的累積量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)[42]。在一些對(duì)組織硒含量忍耐度較低的植物，例如在擬南芥中，目前并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)具備相似功能SMT基因的存在[36，43]，而將雙槽紫云英的SMT基因轉(zhuǎn)入擬南芥中，可顯著增加擬南芥的SeMSeCys含量并顯著增強(qiáng)擬南芥植株對(duì)硒的耐受力[44]。在甲基化途徑中生成的SeMSeCys和SeMSeMet可通過(guò)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為可揮發(fā)的二甲基硒化物（DMSe，在非聚硒植物）和二甲基二硒化物（DMDSe，在聚硒植物）而排出體外，從而增加植物的耐硒能力[31]。除此之外，部分SeCys還可以在葉綠體硒代半胱氨酸裂解酶（SL）的作用下，分解為丙氨酸和元素硒，進(jìn)而減輕硒代半胱氨酸進(jìn)入蛋白對(duì)植物產(chǎn)生的毒害作用[31，35]。

3聚硒植物的遺傳變異

目前發(fā)現(xiàn)的聚硒植物主要集中分布在菊科（Asteraceae）、十字花科（Brassicaceae）、豆科（Fabaceae）、莧科（Amaranthaceae）、列當(dāng)科（Orobanchaceae）、茜草科（Rubiaceae）等中，而這些科類在進(jìn)化關(guān)系上并無(wú)明顯關(guān)聯(lián)[45]。因此，可以認(rèn)為這些植物所具有的聚硒和耐硒特性并不是不同綱目植物間系統(tǒng)進(jìn)化的結(jié)果，更可能是幾個(gè)特定被子植物分支對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性改變，進(jìn)而發(fā)展出的多個(gè)趨同生理適應(yīng)機(jī)制[45-46]。例如前述的組成型表達(dá)硫酸根轉(zhuǎn)運(yùn)體可增強(qiáng)硒酸鹽的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)；硫酸根轉(zhuǎn)運(yùn)體對(duì)硒酸鹽有著更高的選擇性，保證植物擁有較高的Se/S比值；組成型表達(dá)硒酸鹽同化途徑相關(guān)酶的表達(dá)，增強(qiáng)硒酸鹽同化速率；提高硒代謝相關(guān)基因表達(dá)或者蛋白活性，限制硒代氨基酸進(jìn)入蛋白，增強(qiáng)植物耐硒能力。這些特點(diǎn)可以作為今后聚硒植物鑒別（除組織硒含量外）的重要附加特征。

除了不同種植物間硒含量存在豐富的變異外，同種植物內(nèi)不同生態(tài)型或基因型間也發(fā)現(xiàn)存在顯著的變異。在模式植物擬南芥中，不同生態(tài)型在同一環(huán)境條件下根際對(duì)于硒的忍耐以及地上部的硒含量均存在明顯變異。通過(guò)遺傳分析發(fā)現(xiàn)，存在1個(gè)主效基因控制擬南芥對(duì)亞硒酸鹽的忍耐性狀，另外至少有3個(gè)數(shù)量性狀位點(diǎn)（QTLs）控制著其對(duì)硒酸鹽的忍耐性狀[47]。在2008年，Tamaoki等通過(guò)比較亞硒酸鹽忍耐型（Col-0）和敏感型（Ws-0）擬南芥中參與硫酸鹽運(yùn)輸和同化的相關(guān)基因表達(dá)量發(fā)現(xiàn)，這些基因在前者中的表達(dá)量高于后者，且前者具有更高的地上部硒含量，這也表明可以通過(guò)增加硫酸鹽運(yùn)輸和同化相關(guān)基因表達(dá)的途徑來(lái)增強(qiáng)植株對(duì)硒的忍耐能力[48]。最近，Chao等在對(duì)一個(gè)擬南芥群體中具有極端地上部硒含量表型的株系進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，[WTBX][STBX]AtAPR2[WTBZ][STBZ]很可能與地上部硒含量的表型相關(guān)聯(lián)，后續(xù)的突變體互補(bǔ)試驗(yàn)也進(jìn)一步證實(shí)[WTBX][STBX]AtAPR2[WTBZ][STBZ]是控制擬南芥地上部硒含量的關(guān)鍵基因，且在不同基因型的擬南芥中葉片硒含量的差異主要是由[WTBX][STBX]AtAPR2[WTBZ][STBZ]中一個(gè)位點(diǎn)的突變引起的，該位點(diǎn)的突變可導(dǎo)致[WTBX][STBX]AtAPR2[WTBZ][STBZ]功能的缺失[49]。endprint

在一些農(nóng)作物中，特別是在一些谷類作物（小麥、大麥、芒麥草、燕麥和水稻等）中，谷粒硒含量的遺傳變異已被大量報(bào)道，且控制谷粒硒含量的多個(gè)QTLs已被鑒定[50-52]。其中，Pu等利用一個(gè)人工合成小麥SHW-L1和Chuanmei 32雜交構(gòu)建的遺傳群體鑒定了4個(gè)位于不同染色體上對(duì)谷粒硒含量有貢獻(xiàn)的QTLs，同時(shí)還利用Chuanmai 42和Chuannong 16構(gòu)建的遺傳群體檢測(cè)到一個(gè)位于4D染色體上的QTL[50]。楊榮志等利用野生二粒小麥和一個(gè)四倍體硬粒小麥構(gòu)建的遺傳群體，檢測(cè)到了4個(gè)能夠影響谷粒硒含量的位點(diǎn)[51]。在水稻中也有相關(guān)報(bào)道，Norton等利用1個(gè)秈稻（Bala）和1個(gè)粳稻（Azucena）品種構(gòu)建的遺傳群體檢測(cè)到了8個(gè)對(duì)谷粒硒含量有影響的QTLs，另有2個(gè)影響葉片硒含量的QTLs，且其中大多數(shù)QTLs與環(huán)境因子存在明顯的互作效應(yīng)[52]。

豆科是目前發(fā)現(xiàn)聚硒植物種類最多的科，其中菜豆、鷹嘴豆、小扁豆、綠豆、大豆等豆科作物的籽粒硒含量遺傳變異也已被大量報(bào)道[53-57]。與谷類作物類似，環(huán)境因子對(duì)籽粒的硒含量同樣有著較大的影響，在部分豆科作物中該影響效應(yīng)甚至大于遺傳變異[53，56]。Ramamurthy等利用一個(gè)來(lái)自Williams82和DSR-173的大豆重組自交系群體檢測(cè)到了2個(gè)分別位于第8、18條染色體上控制籽粒硒含量的QTLs，2個(gè)位點(diǎn)共解釋21%的表型方差，且GmSULTR2；1位于第8條染色體的QTL置信區(qū)間內(nèi)，是潛在的控制籽粒硒含量的候選基因[57]。

蔬菜作為人們?nèi)粘ｏ嬍持斜夭豢缮俚氖澄镏唬渚畚鴻C(jī)制也是目前的研究熱點(diǎn)。在洋蔥、甘藍(lán)、西蘭花、花椰菜、中國(guó)大白菜、印度芥菜、菊苣、萵苣、馬鈴薯等眾多蔬菜的不同生態(tài)型間硒含量或硒累積能力的遺傳變異也已被檢測(cè)到[58-63]。其中，在萵苣各基因型中，硒累積能力與[WTBX][STBX]LsSULTR1；1、LsAPS1和LsAPR1[WTBZ][STBZ]的表達(dá)量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系[62]。各類作物聚硒能力的遺傳分析和檢測(cè)到的大量相關(guān)QTLs可為后續(xù)富硒作物的育種工作及聚硒關(guān)鍵基因的分子克隆打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4植物聚硒能力的分子改良

目前，在幾個(gè)植物中通過(guò)轉(zhuǎn)基因的途徑強(qiáng)化植物對(duì)硒累積和忍耐能力的研究中已取得較大進(jìn)展。早在1999年，Pilon-Smits等就將擬南芥的AtATPS基因轉(zhuǎn)入到了硒指示植物印度芥菜中，不僅提高了轉(zhuǎn)化植株硒酸鹽的還原和同化速率，還顯著增加了植株的有機(jī)硒和總硒含量[30]。然而，在非聚硒的擬南芥中，盡管AtATPS和PaAPR基因的過(guò)表達(dá)轉(zhuǎn)化植株的地上部有機(jī)硒含量均顯著上升，但總硒含量卻都出現(xiàn)了下降趨勢(shì)，其中過(guò)表達(dá)AtATPS植株的根系生長(zhǎng)還受到硒酸鹽的影響[32]。這表明在對(duì)硒忍耐能力有限的非聚硒植物中，僅僅增強(qiáng)硒酸鹽的同化效率，并不能有效地促進(jìn)植株對(duì)硒的吸收，提升總硒含量，甚至可能對(duì)植株生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響；而通過(guò)甲基化途徑將硒酸鹽同化產(chǎn)生的初級(jí)產(chǎn)物SeCys轉(zhuǎn)化為無(wú)毒的硒代謝物，則是增加植物耐硒能力的主要方式。LeDuc等從聚硒植物雙槽紫云英中克隆到一個(gè)SMT基因，并將其轉(zhuǎn)入印度芥菜中，后續(xù)試驗(yàn)表明，SMT的過(guò)表達(dá)轉(zhuǎn)化植株對(duì)硒的忍耐能力和總硒的累積量與野生型相比都得到了提升，但這種影響僅在以亞硒酸鹽作為硒源的培養(yǎng)介質(zhì)中更為持久和穩(wěn)定，而在硒酸鹽中的表現(xiàn)并不顯著[64]。這可能是由于受硒酸鹽轉(zhuǎn)化為亞硒酸鹽這個(gè)限速反應(yīng)的影響，限制了SeCys的大量合成，使得過(guò)表達(dá)的SMT基因在轉(zhuǎn)化植株中的潛在效用不能完全發(fā)揮。為解決這個(gè)困擾，LeDuc等隨后同時(shí)將ATPS、SMT基因轉(zhuǎn)入到了印度芥菜中，結(jié)果證實(shí)，硒酸鹽作為培養(yǎng)介質(zhì)的雙轉(zhuǎn)化植株的耐硒能力得到明顯提升，總硒含量較野生型提高9倍，SeMSeCys含量則提升了8倍，且轉(zhuǎn)化植株的生長(zhǎng)及生物量并未受到影響[65]。同樣ATPS和SMT基因的雙轉(zhuǎn)化煙草植株的有機(jī)硒和總硒含量也均得到顯著提升[66]。表明同時(shí)提高植物ATPS、SMT基因的表達(dá)量，既可以提高硒酸鹽的利用效率，還可以增強(qiáng)植株對(duì)硒的忍耐能力，進(jìn)而從整體上增強(qiáng)植株體內(nèi)總硒和對(duì)人體有益的有機(jī)硒化物含量，用于作物硒的生物強(qiáng)化。此外，過(guò)表達(dá)的CγS和SL基因可以將轉(zhuǎn)化植株體內(nèi)的硒轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性代謝物排出體外或者轉(zhuǎn)化為毒性較低的元素硒，從而顯著促進(jìn)植物硒的吸收和代謝效率，在高硒土壤的植物修復(fù)應(yīng)用中具有較大潛力[67-68]。

5總結(jié)和展望

近年來(lái)，與植物對(duì)硒吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝相關(guān)的分子機(jī)制方面的研究已取得了較大的進(jìn)展，對(duì)硒主要通過(guò)與其理化性質(zhì)相似的硫的轉(zhuǎn)運(yùn)體和相關(guān)代謝途徑在植物體內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)有了較為深入的認(rèn)知。此外，通過(guò)比較聚硒植物和非聚硒植物間一些關(guān)鍵基因表達(dá)或蛋白活性上的差異，有助于對(duì)植物聚硒和耐硒能力分子機(jī)制理解的深入。在擬南芥、煙草等模式植物中的遺傳轉(zhuǎn)化研究也進(jìn)一步證實(shí)，這些基因在植物硒的生物強(qiáng)化方面具有應(yīng)用潛力。然而，這些研究大多集中在少數(shù)幾種聚硒植物和模式植物上，并且很多是在特定硒源供應(yīng)的試驗(yàn)條件下完成的，要應(yīng)用于生長(zhǎng)在復(fù)雜田間環(huán)境下各種農(nóng)作物中，還有待于進(jìn)一步的深入研究與實(shí)踐。

在農(nóng)作物（谷類、豆科和蔬菜等）聚硒機(jī)制的研究方面，大多是針對(duì)生理和遺傳機(jī)制的研究，檢測(cè)到了大量與硒含量和累積量相關(guān)的QTLs，且這些QTLs與環(huán)境因子多存在復(fù)雜的互作效應(yīng)。隨著后基因組時(shí)代的到來(lái)，大量基因組序列信息的釋放必將加速這些QTLs向新聚硒相關(guān)功能基因的轉(zhuǎn)化。對(duì)這些新基因的進(jìn)一步解析，將幫助我們更為深入系統(tǒng)地理解作物對(duì)硒的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、累積和代謝的分子機(jī)制，以及與各種環(huán)境因子互作的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，最終為農(nóng)作物聚硒基因工程的改造提供重要理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣彬. 人體微量元素硒營(yíng)養(yǎng)[J]. 廣東微量元素科學(xué)，2002，9（2）：1-6.

[2]Rayman M P. Selenium and human health[J]. Lancet，2012，379（9822）：1256-1268.endprint

[3]張艷玲，潘根興，李正文，等. 土壤-植物系統(tǒng)中硒的遷移轉(zhuǎn)化及低硒地區(qū)食物鏈中硒的調(diào)節(jié)[J]. 土壤與環(huán)境，2002，11（4）：388-391.

[4]鄭達(dá)賢，李日邦，王五一. 初論世界低硒帶[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，1982，2（3）：241-249.

[5]廖自基. 微量元素的環(huán)境化學(xué)及生物效應(yīng)[M]. 北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1992：102-106.

[6]賈朝佩. 作物對(duì)外源硒的吸收效果及外源硒對(duì)作物生物量的影響研究[D]. 合肥：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

[7]Alfthan G，Eurola M，Ekholm P，et al. Effects of nationwide addition of selenium to fertilizers on foods，and animal and human health in Finland：from deficiency to optimal selenium status of the population[J]. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology，2015，31（1）：142-147.

[8]羅杰，溫漢輝，吳麗霞，等. 自然富硒與人工施硒肥的比較[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2011，27（33）：90-97.

[9]Feng R W，Wei C Y，Tu S X. The roles of selenium in protecting plants against abiotic stresses[J]. Environmental and Experimental Botany，2013，87：58-68.

[10]Brown T A，Shrift A. Selenium：toxicity and tolerance in higher plants[J]. Biological Reviews，1982，57（1）：59-84.

[11]White P J，Bowen H C，Marshall B，et al. Extraordinarily high leaf selenium to sulfur ratios define‘Se-accumulatorplants[J]. Annals of Botany，2007，100（1）：111-118.

[12]Dhillon K S，Dhillon S K. Accumulation and distribution of selenium in some vegetable crops grown in selenate-Se treated clay loam soil[J]. Frontiers of Agriculture in China，2009，3（4）：366-373.

[13]Rodriguez M J M，Rivero V C，Ballesta R J. Selenium distribution in top soils and plants of a semi-arid Mediterranean environment[J]. Environmental Geochemistry and Health，2005，27（5/6）：513-519.

[14]El Mehdawi A F，Pilon-Smits E A H. Ecological aspects of plant selenium hyperaccumulation[J]. Plant Biology，2012，14（1）：1-10.

[15]Gigolashvili T，Kopriva S. Transporters in plant sulfur metabolism[J]. Frontiers in Plant Science，2014，5（442）：422.

[16]Rouached H，Wirtz M，Alary R，et al. Differential regulation of the expression of two high-affinity sulfate transporters，SULTR1.1 and SULTR1.2，in Arabidopsis[J]. Plant Physiology，2008，147（2）：897-911.

[17]Shinmachi F，Buchner P，Stroud J L，et al. Influence of sulfur deficiency on the expression of specific sulfate transporters and the distribution of sulfur，selenium，and molybdenum in wheat[J]. Plant Physiology，2010，153（1）：327-336.

[18]Freeman J L，Tamaoki M，Stushnoff C，et al. Molecular mechanisms of selenium tolerance and hyperaccumulation in Stanleya pinnata[J]. Plant Physiology，2010，153（4）：1630-1652.

[19]Cabannes E，Buchner P，Broadley M R. A comparison of sulfate and selenium accumulation in relation to the expression of sulfate transporter genes in Astragalus species[J]. Plant Physiology，2011，157（4）：2227-2239.endprint

[20]Schiavon M，Pilon M，Malagoli M，et al. Exploring the importance of sulphate transporters and ATP sulphurylases for selenium hyperaccumulation—A comparison of Stanleya pinnata and Brassica juncea（Brassicaceae）[J]. Frontiers in Plant Science，2015，6：2.

[21]Harris J，Schneberg K A，Pilon-Smits E A H. Sulfur-selenium-molybdenum interactions dis-tinguish selenium hyperaccumulator Stanleya pinnata from non-hyperaccumulator Brassica juncea （Brassicaceae）[J]. Planta，2014，239（2）：479-491.

[22]De Tar R A，Alford E′R，Pilon-Smits E A H. Molybdenum accumulation，tolerance and molybdenum-selenium-sulfur interactions in Astragalus selenium hyperaccumulator and nonaccumulator species[J]. Journal of Plant Physiology，2015，183：32-40.

[23]Zhao X Q，Mitani N，Yamaji N，et al. Involvement of silicon influx transporter OsNIP2；1 in selenite uptake in rice[J]. Plant Physiology，2010，153（4）：1871-1877.

[24]Zhang L H，Hu B，Li W，et al. OsPT2，a phosphate transporter，is involved in the active uptake of selenite in rice[J]. New Phytologist，2014，201（4）：1183-1191.

[25]Tegeder M. Transporters for amino acids in plant cells：some functions and many unknowns[J]. Current Opinion in Plant Biology，2012，15（3）：315-321.

[26]Takahashi H，Watanabe-Takahashi A，Smith F W，et al. The roles of three functional sulphate transporters involved in uptake and translocation of sulphate in Arabidopsis thaliana[J]. Plant Journal，2000，23（2）：171-182.

[27]Kataoka T，Hayashi N，Yamaya T，et al. Root-to-shoot transport of sulfate in Arabidopsis. Evidence for the role of SULTR3；5 as a component of low-affinity sulfate transport system in the root vasculature[J]. Plant Physiology，2004，136（4）：4198-4204.

[28]Buchner P，Parmar S，Kriegel A，et al. The sulfate transporter family in wheat：tissue-specific gene expression in relation to nutrition[J]. Molecular Plant，2010，3（2）：374-389.

[29]Li H F，McGrath S P，Zhao F J. Selenium uptake，translocation and speciation in wheat supplied with selenate or selenite[J]. New Phytologist，2008，178（1）：92-102.

[30]Pilon-Smits E A，Hwang S，Lytle C M，et al. Overexpression of ATP sulphurylase in Indian mustard leads to increased selenite uptake，reduction and tolerance[J]. Plant Physiology，1999，119（1）：123-132.

[31]Pilon-Smits E A H，LeDuc D L. Phytoremediation of selenium using transgenic plants[J]. Current Opinion in Biotechnology，2009，20（2）：207-212.

[32]Huysen T，Terry N，Pilon-Smits E A H. Exploring the Selenium phytoremediation poten-tial of transgenic Indian Mustard overexpressing ATP sulfurylase or cystathionine-γ-synthase[J]. International Journal of Phytoremediation，2004，6（2）：111-118.endprint

[33]Sors T G，Ellis D R，Na G N，et al. Analysis of sulfur and selenium assimilation in Astragalus plants with varying capacities to accumulate selenium[J]. The Plant Journal，2005，42（6）：785-797.

[34]Terry N，Zayed A M，de Souza M P，et al. Selenium in higher plants[J]. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology，2000，51：401-432.

[35]van Hoewyk D，Takahashi H，Inoue E，et al. Transcriptome and biochemical analyses give insights into selenium-stress responses and selenium tolerance mechanisms in Arabidopsis[J]. Physiologia Plantarum，2008，132（2）：236-253.

[36]van Hoewyk D. A tale of two toxicities：malformed selenoproteins and oxidative stress both contribute to selenium stress in plants[J]. Annals of Botany，2013，112（6）：965-972.

[37]White P J，Bowen H C，Parmaguru P，et al. Interactions between selenium and sulphur nutrition in Arabidopsis thaliana[J]. Journal of Experimental Botany，2004，55（404）：1927-1937.

[38]Lindblom S D，Valdez-Barillas J R，F(xiàn)akra S C，et al. Influence of microbial associations on selenium localization and speciation in roots of Astragalus and Stanleya hyperaccumulators[J]. Environmental and Experimental Botany，2013，88：33-42.

[39]Kápolna E，Laursen K H，Husted S，et al. Bio-fortification and isotopic labelling of Se metabolites in onions and carrots following foliar application of Se and 77Se[J]. Food Chemistry，2012，133（3）：650-657.

[40]vila F W，Yang Y，F(xiàn)aquin V，et al. Impact of selenium supply on Se-methylselenocysteine and glucosinolate accumulation in selenium-biofortified Brassica sprouts[J]. Food Chemistry，2014，165（3）：578-586.

[JP2][41]Shao S X，Mi X B，Ouerdane L，et al. Quantification of Se-methylselenocysteine and its γ-glutamyl derivative from naturally Se-enriched green bean （Phaseolus vulgaris vulgaris） after HPLC-ESI-TOF-MS and orbitrap MSn-based identification[J]. Food Analytical Methods，2014，7（5）：1147-1157.[JP]

[42]Lyi S M，Heller L I，Rutzke M，et al. Molecular and biochemical characterization of the sele-nocysteine Se-methyltransferase gene and Se-methylselenocysteine synthesis in broccoli[J]. Plant Physiology，2005，138（1）：409-420.

[43]Zhao D Y，Sun F L，Zhang B，et al. Systematic comparisons of orthologous selenocysteine methyltransferase and homocysteine methyltransferase genes from seven monocots species[J]. Notulae Scientia Biologicae，2015，7（2）：210-216.

[44]Ellis D R，Sors T G，Brunk D G，et al. Production of Se-methylselenocysteine in transgenic plants expressing selenocysteine methyltransferase[J]. BMC Plant Biology，2004，4（1）：1.endprint

[45]Cappa J J，Pilon-Smits E A H. Evolutionary aspects of elemental hyperaccumulation[J]. Planta，2014，239（2）：267-275.

[46]Watanabe T，Broadley M R，Jansen S A，et al. Evolutionary control of leaf element composition in plants[J]. New Phytologist，2007，174（3）：516-523.

[47]Zhang L H，Ackley A R，Pilon-Smits E A H. Variation in selenium tolerance and accumulation among 19 Arabidopsis thaliana accessions[J]. Journal of Plant Physiology，2007，164（3）：327-336.

[48]Tamaoki M，F(xiàn)reeman J L，Pilon-Smits E A. Cooperative ethylene and jasmonic acid signaling regulates selenite resistance in Arabidopsis[J]. Plant Physiology，2008，146（3）：1219-1230.

[49]Chao D Y，Baraniecka P，Danku J，et al. Variation in sulfur and selenium accumulation is controlled by naturally occurring isoforms of the key sulfur assimilation enzyme ADENOSINE 5′-PHOSPHOSULFATE REDUCTASE2 across the Arabidopsis species range[J]. Plant Physiology，2014，166（3）：1593-1608.

[50]Pu Z E，Yu M，He Q Y，et al. Quantitative trait loci associated with micronutrient concen-trations in two recombinant inbred wheat lines[J]. Journal of Integrative Agriculture，2014，13（11）：2322-2329.

[51]楊榮志，王茹，薛文韜，等. 四倍體小麥籽粒硒含量的QTL定位與分析[J]. 貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（10）：1-4，10.

[52]Norton G J，Duan G L，Lei M，et al. Identification of quantitative trait loci for rice grain element composition on an arsenic impacted soil：influence of flowering time on genetic loci[J]. Annals of Applied Biology，2012，161（1）：46-56.

[53]Ray H，Bett K，TarAn B，et al. Mineral micronutrient content of cultivars of field pea，chickpea，common bean，and lentil grown in Saskatchewan，Canada[J]. Crop Science，2014，54（4）：1698-1708.

[54]Rahman M M，Erskine W，Materne M A，et al. Enhancing selenium concentration in lentil （Lens culinaris subsp. culinaris） through foliar application[J]. Journal of Agricultural Science，2015，153（4）：656-665.

[55]Nair R M，Thavarajah D，Thavarajah P，et al. Mineral and phenolic concentrations of mungbean[Vigna radiata （L.） R. Wilczek var. radiata] grown in semi-arid tropical India[J]. Journal of Food Composition and Analysis，2015，39：23-32.

[56]Garrett R G，Gawalko E，Wang N，et al. Macrorelationships between regional-scale field pea （Pisum sativum） selenium chemistry and environmental factors in western Canada[J]. Canadian Journal of Plant Science，2013，93（6）：1059-1071.

[57]Ramamurthy R K，Jedlicka J，Graef G L，et al. Identification of new QTLs for seed mineral，cysteine，and methionine concentrations in soybean [Glycine max （L.） Merr.][J]. Molecular Breeding，2014，34（2）：431-445.endprint

[58]Kopsell D A，Randle W M. Short-day onion cultivars differ in bulb selenium and sulphur accumulation which can affect bulb pungency[J]. Euphytica，1997，96：385-390.

[59]Ramos S J，Yuan Y X，F(xiàn)aquin V，et al. Evaluation of genotypic variation of broccoli （Brassica oleracea var. italic） in response to selenium treatment[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry，2011，59（8）：3657-3665.

[60]Banuelos G S，Ajwa H A，Wu L，et al. Selenium-induced growth reduction in Brassica land races considered for phytoremediation[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety，1997，36（3）：282-287.

[61]Mazej D，Osvald J，Stibilj V. Selenium species in leaves of chicory，dandelion，lambs lettuce and parsley[J]. Food Chemistry，2008，107（1）：75-83.

[62]Ramos S J，Rutzke M A，Hayes R J，et al. Selenium accumulation in lettuce germplasm[J]. Planta，2011，233（4）：649-660.

[63]Perla V，Holm D G，Jayanty S S. Selenium and sulfur content and[HT][HJ][HT]

[KH*4D]

[HT8.]

activity of associated enzymes in selected potato germplasm[J]. American Journal of Potato Research，2012，89（2）：111-120.

[64]LeDuc D L，Tarun A S，Montes-Bayon M，et al. Overexpression of selenocysteine methyl-transferase in Arabidopsis and Indian mustard increases selenium tolerance and accumulation[J]. Plant Physiology，2004，135（1）：377-383.

[65]LeDuc D L，AbdelSamie M，Móntes-Bayon M，et al. Overexpressing both ATP sulfurylase and selenocysteine methyltransferase enhances selenium phytoremediation traits in [JP2]Indian mustard[J]. Environmental Pollution，2006，144（1）：70-76.[JP]

[66]Matich A J，Mckenzie M J，Brummell D A. Organoselenides from Nicotiana tabacum genetically modified to accumulate selenium[J]. Phytochemistry，2009，70（9）：1098-1106.

[67]Van Huysen T，Abdel-Ghany S，Hale K L，et al. Overexpression of cystathio-nine-gamma-synthase enhances selenium volatilization in Brassica juncea[J]. Planta，2003，218（1）：71-78.

[68]Garifullina G F，Owen J D，Lindblom S D，et al. Expression of a mouse selenocysteine lyase in Brassica juncea chloroplasts affects selenium tolerance and accumulation[J]. Physiologia Plantarum，2003，118：538-544.endprint