植物聚硒机制的分子遗传学研究进展

彭李顺+曹峥英+杨本鹏+张树珍

摘要：硒是人体必需的微量元素之一，主要通过植物的吸收和转化进入人类食物链，植物聚硒能力是决定植物硒含量高低的关键因素之一。对国内外关于植物聚硒能力的分子机制、遗传变异、转基因分子改良等方面的研究进展进行了综述，并对该领域研究的发展趋势进行了展望。

关键词：植物；聚硒；分子机制；遗传变异；转基因

中图分类号： Q945.12文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）23-0001-05

硒是人类所必需的微量营养元素之一，具有抗氧化、抗衰老、提高红细胞的携氧能力、保护心脑血管、拮抗重金属毒性、提高人体免疫力、预防癌变等多种功能，膳食中硒摄入量不足将会影响人体健康[1-2]。植物是天然有机硒合成的生物工厂，也是硒进入人类食物链的关键环节。土壤中无机态硒可经由植物吸收转化为人体可利用的具有生物活性的有机态硒源[3]。植物硒含量主要取决于自身的聚硒能力和土壤的有效硒含量。然而，大多数植物都属于聚硒能力较弱的非聚硒植物，且我国3/4的土地面积属于低硒和缺硒地区，是世界上缺硒最严重的国家之一，这就导致我国将近2/3的人口存在不同程度硒摄入不足的问题[4-5]。通过硒的生物强化，提高农作物硒含量水平，改善缺硒人群的硒营养摄入，已成为目前研究的热点。其中，在缺硒地区施用硒肥是提高作物硒含量的常用措施，且在小麦、玉米、水稻等作物中均已取得较好的富硒效果[6-7]。然而，硒肥的长期施用不仅成本较高、而且会打破自然界的化学平衡，对生态环境造成影响[8]。从长远的经济和社会效益考虑，利用现代分子生物学方法提高作物对硒的吸收和累积，在改善人类硒营养缺乏方面具有较大的优势和潜力。本文就近年来国内外对植物聚硒能力的差异、植物对硒的吸收、转运、累积代谢的分子机制、聚硒植物的遗传变异、聚硒关键基因的遗传转化等方面的研究进展进行了综述，旨在为后期作物聚硒能力的分子遗传改良提供理论基础。

1植物聚硒能力差异

硒不是植物生长所必需的营养元素，但适量的硒不仅能够促进植物生长，而且可以增强植物对多种生物和非生物胁迫的抗性，通常被划分为植物的有益元素[9]。依据植物对硒累积和忍耐能力的差异，植物被分为非聚硒植物、硒指示植物和聚硒植物3类[10-11]。大多数植物都属于非聚硒植物，组织能够忍耐的硒含量（干物质浓度，下同）不超过100 μg/g，在高硒含量的土壤上通常无法正常生长[10-12]；而硒指示植物能够忍耐的组织硒含量可达1 mg/g，且在低硒和高硒土壤中均可正常生長。硒指示植物的组织硒浓度和土壤的有效硒含量具有较高的相关性，因此可以用来指示土壤硒含量的高低[10，13]。生长在土壤硒含量较高区域的聚硒植物，其组织硒含量通常都在1 mg/g以上[10]。目前，发现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）、苋科（Amaranthaceae）、茜草科（Rubiaceae）植物也具有较强的聚硒能力[14]。

2植物聚硒过程中硒的吸收、运转和代谢的分子机制

2.1硒的吸收

植物根系吸收硒的主要形式包括硒酸盐（SeO42-）、亚硒酸盐（SeO32-、HSeO3-、H2SeO3）和部分有机硒化物（SeCys、SeMet等）。其中植物对硒酸盐的吸收主要通过根系的高亲和硫酸根转运体（HASTs）来调节，该过程为一个耗能的主动运输过程[15]。在许多硒指示植物和非聚硒植物中，硫酸根转运体的表达通常受环境硫酸根含量的调控。当环境硫素营养供应不足时，编码SULTR1；1和SULTR1；2蛋白的基因表达量会显著上调，且有利于植物根系对硒的吸收和组织硒含量的提高[16-17]，而在一些聚硒植物中，这类基因则通常表现为组成型高表达，保证其具有较强根系硒吸收能力[18-20]。在相同生长条件下，聚硒植物地上部组织中硒与硫含量的比值明显高于其他植物[20-22]，这很可能是由聚硒植物与其他植物根系细胞质膜上的HASTs对硒酸根和硫酸根选择性存在差异所导致的。2011年，Cabannes等在对聚硒植物黄芪的研究中证实，黄芪硫酸根转运蛋白较其他非聚硒植物对硒酸根有更高的选择性，而这种差异主要是由于黄芪硫酸根转运蛋白保守序列上的1个甘氨酸氨残基转变为丙氨酸所致[19]。

对于植物亚硒酸根的吸收机制，早期的报道普遍认为，植物根系对亚硒酸根的吸收不受细胞膜转运体的调节，属于不需要能量的被动运输过程。例如，亚硒酸可以以中性分子H2SeO3的形式通过根系质膜上的水孔蛋白NIP2；1，以易化扩散的方式被植物根系所吸收[23]。然而，最近在水稻中的研究显示，亚硒酸盐可以在根系磷酸转运体OsPT2的协助下进行主动运输，且过表达OsPT2的转基因水稻对亚硒酸盐的吸收显著增强，稻米中的硒含量显著增加[24]。但在其他作物中是否存在相同机制还有待进一步研究。而目前关于有机硒化物吸收的研究和报道并不多见，推测与植物半胱氨酸（Cys）和蛋氨酸（Met）相关的转运体很可能参与了部分有机硒化物的吸收过程[25]。

2.2硒的转运

植物根系吸收的硒酸盐通常会进一步通过木质部长距离运输至地上部，该过程主要由几个低亲和硫酸根转运体负责[15，26]。在拟南芥中，AtSULTR2；1和AtSULTR2；2主要负责驱动硒酸盐进入中柱细胞，而AtSULTR3；5能够对AtSULTR2；1的活性进行调控，自身并不直接参与硒酸盐的转运[27]。AtSULTR2；1和AtSULTR2；2以及这2个基因在其他植物中同源基因的表达都受到硫饥饿胁迫的诱导，进而可以增加硒在植物体内的转运效率[26，28]。在几个黄芪属的聚硒植物种中，[WTBX][STBX]SULTR2和SULTR3[WTBZ][STBZ]基因均表现为组成型高表达，其表达量明显高于在硫充足或饥饿状态下同为黄芪属的非聚硒植物[19-20]，这也就解释了聚硒植物通常都具有强大的从根系到地上部的硒转运能力。通过后续序列分析发现，黄芪属中的聚硒植物种和非聚硒植物种在氨基酸序列上存在明显差异[19]。endprint

与硒酸盐被植物根系吸收后立即通过木质部转运到地上部不同，亚硒酸盐被吸收后会在根系被迅速转化为有机硒化物，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，这些物质主要累积在根部，极小部分也可通过木质部长距离运输到地上部[29]。

2.3硒的代谢

硒酸盐被植物吸收转运至地上部后，首先会在叶绿体中被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′-磷硫酸腺苷还原酶（APR）的作用下进一步还原生成亚硒酸盐，这是硒酸盐同化为有机硒化物过程中最关键的限速反应[30]。目前，在拟南芥基因组中已经鉴定出4个编码ATPS的基因和3个编码APR的基因，在其他植物中也有相当数量的ATPS和APR基因被分离和鉴定[20]。过表达ATPS或APR的转基因植株也被发现能够显著增强地上部叶片对有机硒的累积能力[30-32]。ATPS基因在非聚硒植物和硒指示植物中的表达可受硫素供应量的调节，当环境硫的供应减少时基因的表达量显著降低，反之上调；而在聚硒植物中ATPS基因则通常表现为组成型高表达，因此其硒酸盐转化为亚硒酸盐的速率明显高于非聚硒和硒指示植物[18，20，33]。被还原的亚硒酸盐会在亚硫酸还原酶或谷胱甘肽的作用下被进一步还原为硒化物，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]。有研究显示，在该过程中编码亚硫酸还原酶和半胱氨酸合成酶的基因表达也会受到硒供应状态的调节，当环境硒供应量增加时，植物可通过上调基因的表达量来增加硒的同化速率，而在几个聚硒植物中这2个基因均表现为组成型高表达，可以进一步保证其高强度硒同化速率[18，35]。

随着SeCys生物合成的结束，部分合成的SeCys会进一步经过胱硫醚-γ-合成酶（CγS）的作用转化为硒代胱硫醚（SeCysta），然后经过胱硫醚-β-裂解酶（CBL）的作用分解为硒代高半胱氨酸（SeHCys），最后在蛋氨酸合成酶（MTR）的作用下转化为硒代蛋氨酸（SeMet）[34]。然而，合成的SeCys和SeMet可分别通过置换Cys和Met的方式进入植物蛋白质的肽链中，从而对蛋白质的结构和功能产生影响[10，36]。尤其是当植物组织中硒和硫含量的比值较高时，这种置换发生的程度和对蛋白功能的影响较大，最终会对植物产生硒毒害作用[37]。因此，SeCys和SeMet转化为无毒的或挥发性的硒代谢物是植物忍耐组织高硒含量的主要方式。

其中，SeCys和SeMet的甲基化是植物忍耐组织高硒含量的关键途径之一。SeCys和SeMet可分别在硒代半胱氨酸甲基转移酶（SMT）和蛋氨酸转移酶（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），从而阻止SeCys和SeMet被整合到蛋白质中，避免毒害作用的产生[31，36]。双槽紫云英（Astragalus bisulcatus）和沙漠王羽（Stanleya pinnata）是目前报道的含有SeMSeCys最高的（80%以上）聚硒作物[38]，且与其他植物相比，其SMT蛋白具有更高的活性[18，33]。此外，在一些聚硒的葱属[39]、芸苔属[40]和部分豆科植物中[41]也发现了含有较高含量的SeMSeCys；同时在芸苔属的西兰花中还发现，SMT基因的表达量与SeMSeCys的累积量呈现显著正相关[42]。在一些对组织硒含量忍耐度较低的植物，例如在拟南芥中，目前并没有发现具备相似功能SMT基因的存在[36，43]，而将双槽紫云英的SMT基因转入拟南芥中，可显著增加拟南芥的SeMSeCys含量并显著增强拟南芥植株对硒的耐受力[44]。在甲基化途径中生成的SeMSeCys和SeMSeMet可通过进一步转化为可挥发的二甲基硒化物（DMSe，在非聚硒植物）和二甲基二硒化物（DMDSe，在聚硒植物）而排出体外，从而增加植物的耐硒能力[31]。除此之外，部分SeCys還可以在叶绿体硒代半胱氨酸裂解酶（SL）的作用下，分解为丙氨酸和元素硒，进而减轻硒代半胱氨酸进入蛋白对植物产生的毒害作用[31，35]。

3聚硒植物的遗传变异

目前发现的聚硒植物主要集中分布在菊科（Asteraceae）、十字花科（Brassicaceae）、豆科（Fabaceae）、苋科（Amaranthaceae）、列当科（Orobanchaceae）、茜草科（Rubiaceae）等中，而这些科类在进化关系上并无明显关联[45]。因此，可以认为这些植物所具有的聚硒和耐硒特性并不是不同纲目植物间系统进化的结果，更可能是几个特定被子植物分支对环境的适应性改变，进而发展出的多个趋同生理适应机制[45-46]。例如前述的组成型表达硫酸根转运体可增强硒酸盐的吸收和转运；硫酸根转运体对硒酸盐有着更高的选择性，保证植物拥有较高的Se/S比值；组成型表达硒酸盐同化途径相关酶的表达，增强硒酸盐同化速率；提高硒代谢相关基因表达或者蛋白活性，限制硒代氨基酸进入蛋白，增强植物耐硒能力。这些特点可以作为今后聚硒植物鉴别（除组织硒含量外）的重要附加特征。

除了不同种植物间硒含量存在丰富的变异外，同种植物内不同生态型或基因型间也发现存在显著的变异。在模式植物拟南芥中，不同生态型在同一环境条件下根际对于硒的忍耐以及地上部的硒含量均存在明显变异。通过遗传分析发现，存在1个主效基因控制拟南芥对亚硒酸盐的忍耐性状，另外至少有3个数量性状位点（QTLs）控制着其对硒酸盐的忍耐性状[47]。在2008年，Tamaoki等通过比较亚硒酸盐忍耐型（Col-0）和敏感型（Ws-0）拟南芥中参与硫酸盐运输和同化的相关基因表达量发现，这些基因在前者中的表达量高于后者，且前者具有更高的地上部硒含量，这也表明可以通过增加硫酸盐运输和同化相关基因表达的途径来增强植株对硒的忍耐能力[48]。最近，Chao等在对一个拟南芥群体中具有极端地上部硒含量表型的株系进行关联分析时发现，[WTBX][STBX]AtAPR2[WTBZ][STBZ]很可能与地上部硒含量的表型相关联，后续的突变体互补试验也进一步证实[WTBX][STBX]AtAPR2[WTBZ][STBZ]是控制拟南芥地上部硒含量的关键基因，且在不同基因型的拟南芥中叶片硒含量的差异主要是由[WTBX][STBX]AtAPR2[WTBZ][STBZ]中一个位点的突变引起的，该位点的突变可导致[WTBX][STBX]AtAPR2[WTBZ][STBZ]功能的缺失[49]。endprint

在一些农作物中，特别是在一些谷类作物（小麦、大麦、芒麦草、燕麦和水稻等）中，谷粒硒含量的遗传变异已被大量报道，且控制谷粒硒含量的多个QTLs已被鉴定[50-52]。其中，Pu等利用一个人工合成小麦SHW-L1和Chuanmei 32杂交构建的遗传群体鉴定了4个位于不同染色体上对谷粒硒含量有贡献的QTLs，同时还利用Chuanmai 42和Chuannong 16构建的遗传群体检测到一个位于4D染色体上的QTL[50]。杨荣志等利用野生二粒小麦和一个四倍体硬粒小麦构建的遗传群体，检测到了4个能够影响谷粒硒含量的位点[51]。在水稻中也有相关报道，Norton等利用1个籼稻（Bala）和1个粳稻（Azucena）品种构建的遗传群体检测到了8个对谷粒硒含量有影响的QTLs，另有2个影响叶片硒含量的QTLs，且其中大多数QTLs与环境因子存在明显的互作效应[52]。

豆科是目前发现聚硒植物种类最多的科，其中菜豆、鹰嘴豆、小扁豆、绿豆、大豆等豆科作物的籽粒硒含量遗传变异也已被大量报道[53-57]。与谷类作物类似，环境因子对籽粒的硒含量同样有着较大的影响，在部分豆科作物中该影响效应甚至大于遗传变异[53，56]。Ramamurthy等利用一个来自Williams82和DSR-173的大豆重组自交系群体检测到了2个分别位于第8、18条染色体上控制籽粒硒含量的QTLs，2个位点共解释21%的表型方差，且GmSULTR2；1位于第8条染色体的QTL置信区间内，是潜在的控制籽粒硒含量的候选基因[57]。

蔬菜作为人们日常饮食中必不可少的食物之一，其聚硒机制也是目前的研究热点。在洋葱、甘蓝、西兰花、花椰菜、中国大白菜、印度芥菜、菊苣、莴苣、马铃薯等众多蔬菜的不同生态型间硒含量或硒累积能力的遗传变异也已被检测到[58-63]。其中，在莴苣各基因型中，硒累积能力与[WTBX][STBX]LsSULTR1；1、LsAPS1和LsAPR1[WTBZ][STBZ]的表达量呈显著的正相关关系[62]。各类作物聚硒能力的遗传分析和检测到的大量相关QTLs可为后续富硒作物的育种工作及聚硒关键基因的分子克隆打下了堅实的基础。

4植物聚硒能力的分子改良

目前，在几个植物中通过转基因的途径强化植物对硒累积和忍耐能力的研究中已取得较大进展。早在1999年，Pilon-Smits等就将拟南芥的AtATPS基因转入到了硒指示植物印度芥菜中，不仅提高了转化植株硒酸盐的还原和同化速率，还显著增加了植株的有机硒和总硒含量[30]。然而，在非聚硒的拟南芥中，尽管AtATPS和PaAPR基因的过表达转化植株的地上部有机硒含量均显著上升，但总硒含量却都出现了下降趋势，其中过表达AtATPS植株的根系生长还受到硒酸盐的影响[32]。这表明在对硒忍耐能力有限的非聚硒植物中，仅仅增强硒酸盐的同化效率，并不能有效地促进植株对硒的吸收，提升总硒含量，甚至可能对植株生长产生不利影响；而通过甲基化途径将硒酸盐同化产生的初级产物SeCys转化为无毒的硒代谢物，则是增加植物耐硒能力的主要方式。LeDuc等从聚硒植物双槽紫云英中克隆到一个SMT基因，并将其转入印度芥菜中，后续试验表明，SMT的过表达转化植株对硒的忍耐能力和总硒的累积量与野生型相比都得到了提升，但这种影响仅在以亚硒酸盐作为硒源的培养介质中更为持久和稳定，而在硒酸盐中的表现并不显著[64]。这可能是由于受硒酸盐转化为亚硒酸盐这个限速反应的影响，限制了SeCys的大量合成，使得过表达的SMT基因在转化植株中的潜在效用不能完全发挥。为解决这个困扰，LeDuc等随后同时将ATPS、SMT基因转入到了印度芥菜中，结果证实，硒酸盐作为培养介质的双转化植株的耐硒能力得到明显提升，总硒含量较野生型提高9倍，SeMSeCys含量则提升了8倍，且转化植株的生长及生物量并未受到影响[65]。同样ATPS和SMT基因的双转化烟草植株的有机硒和总硒含量也均得到显著提升[66]。表明同时提高植物ATPS、SMT基因的表达量，既可以提高硒酸盐的利用效率，还可以增强植株对硒的忍耐能力，进而从整体上增强植株体内总硒和对人体有益的有机硒化物含量，用于作物硒的生物强化。此外，过表达的CγS和SL基因可以将转化植株体内的硒转化为挥发性代谢物排出体外或者转化为毒性较低的元素硒，从而显著促进植物硒的吸收和代谢效率，在高硒土壤的植物修复应用中具有较大潜力[67-68]。

5总结和展望

近年来，与植物对硒吸收、转运和代谢相关的分子机制方面的研究已取得了较大的进展，对硒主要通过与其理化性质相似的硫的转运体和相关代谢途径在植物体内运转有了较为深入的认知。此外，通过比较聚硒植物和非聚硒植物间一些关键基因表达或蛋白活性上的差异，有助于对植物聚硒和耐硒能力分子机制理解的深入。在拟南芥、烟草等模式植物中的遗传转化研究也进一步证实，这些基因在植物硒的生物强化方面具有应用潜力。然而，这些研究大多集中在少数几种聚硒植物和模式植物上，并且很多是在特定硒源供应的试验条件下完成的，要应用于生长在复杂田间环境下各种农作物中，还有待于进一步的深入研究与实践。

在农作物（谷类、豆科和蔬菜等）聚硒机制的研究方面，大多是针对生理和遗传机制的研究，检测到了大量与硒含量和累积量相关的QTLs，且这些QTLs与环境因子多存在复杂的互作效应。随着后基因组时代的到来，大量基因组序列信息的释放必将加速这些QTLs向新聚硒相关功能基因的转化。对这些新基因的进一步解析，将帮助我们更为深入系统地理解作物对硒的吸收、转运、累积和代谢的分子机制，以及与各种环境因子互作的分子调控网络，最终为农作物聚硒基因工程的改造提供重要理论基础和技术支持。

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