硒是人和动物必需的微量营养元素之一，是构成含硒蛋白与含硒酶的重要组分，具有抗氧化、抗癌、提高机体免疫力等多种生物学功能^[1,2]。研究已证实人体的40多种疾病与缺硒有关，如克山病、癌症、脑血管疾病、肌营养不良、白内障等^[3,4]。在世界范围内，人体缺硒现象非常普遍，可能有5~10亿人缺硒^[5]。中国是世界上缺硒最严重的国家之一，从地图上看，存在一条从东北到西南走向的低硒带，约有1亿多人口因膳食结构中硒含量不足，造成人体低硒状态^[6,7]。饮食是人体摄入硒的主要途径，其中植物硒是饮食中主要硒源，通过生物强化生产富硒农产品是增加人类饮食中硒摄入量的一个重要途径^[8,9]。

植物主要从土壤中吸收硒，土壤中的硒一般以硒酸盐和亚硒酸盐的形态存在。植物根系对硒酸盐和亚硒酸盐的吸收机制不同。硒酸盐同硫酸盐一样，通过植物根部相同的吸收位置被根系吸收，并且这两种离子在吸附和吸收过程中发生激烈竞争^[10]。与硒酸盐的吸收机制不同，研究表明在长期的水培试验中，亚硒酸盐的吸收受到磷酸盐的抑制^[11,12,13]，且Zhang等^[14]研究证实亚硒酸盐可以通过磷酸盐转运子被植物根系吸收。

目前在富硒农产品的开发中，主要是研究植物对单一形态硒的吸收，而关于不同形态硒共存时植物对硒的吸收方面的研究较少^[13,15]。Li等^[13] 研究发现硒酸盐和亚硒酸盐共存时，硒酸盐的存在抑制小麦根系对亚硒酸盐的吸收，且亚硒酸盐存在抑制根系吸收的硒酸盐向地上部迁移。但Li等的研究是在供给等浓度不同形态硒的混合溶液中进行的。水稻是我国的主要粮食作物，是居民营养和能量的主要来源，其硒含量高低与人体硒营养密切相关，而对供给不同形态硒对水稻硒的吸收和转运方面认识还十分缺乏。本研究采用分根装置培养方式，避免硒酸盐、亚硒酸盐混合后产生交互影响，分析硒酸盐、亚硒酸盐共存时对水稻吸收硒及其在水稻体内迁移的影响，为富硒农产品的安全生产和调控提供科学认识。 1 材料与方法 1.1 植物培养

水稻（Oryza stativa L. 品种为越富），北方粳稻品种，由中国农业大学植物营养学重点实验室提供。种子发芽前用自来水浮选去掉瘪粒，然后用30% H₂O₂消毒15 min，洗净后在饱和CaSO₄中浸泡过夜。待种子吸涨后，置于0.5 mmol·L^-1 CaCl₂溶液漂浮的网格上，使种子半浸入溶液，当叶子展开时，挑选大小一致的幼苗洗净，移至pH5.5的1/2 Kimura营养液中培养。营养液组成（mmol·L^-1）：KNO₃ 0.091、Ca（NO₃）₂·4H₂O 0.183、MgSO₄·7H₂O 0.274、KH₂PO₄ 0.1、（NH₄）₂SO₄ 0.183、MnSO₄·H₂O 1×10^-3、H₃BO₃ 3×10^-3、（NH₄）₆Mo₇O₂4 1×10^-3、ZnSO₄·7H₂O 1×10^-3、CuSO₄·5H₂O 2×10^-4、Fe（Ⅲ）-EDDHA 6×10^-2。用MES（2-morpholinoethanesulphonic acid）缓冲溶液保持营养液pH值在5.5左右。植物生长在25 ℃/14 h光照和20 ℃/10 h黑暗条件下、相对湿度为60%~70%、光照强度为240 μmol·m^-2·s^-1的人工生长室中。 1.2 试验处理 1.2.1 亚硒酸盐和硒酸盐共存时水稻对硒的吸收及转运的影响

水稻幼苗在营养液中培养三周后，挑选大小一致的幼苗转移到特制的分根装置中（图 1）。分根装置由PVC材质制成，分为左右两室，中间用挡板隔开，两侧小室互不相通，每侧小室的容积为550 mL。另外，在每侧小室的底部有一个直径为1 cm的小孔，在水稻培养过程中小孔用胶塞堵住，在更换营养液或收苗时，打开胶塞，两侧营养液分别从两个小孔中流出，避免两侧溶液混合污染。在分根处理过程中，每个分根装置中培养两株幼苗，将植株根系平均分成两部分，一部分置于左侧小室，另一部分置于右侧小室。在分根处理过程中，往两侧小室中分别添加浓度为10 μmol·L^-1的Na₂SeO₄（Se⁶⁺）或Na₂SeO₃（Se⁴⁺）营养液，每个处理设置3个重复，试验处理方案详见表 1。处理24 h 后，将植株地上部与根部分离，同时将分根装置中左右两室的根系分开收获。将水稻幼苗根系和地上部用去离子水洗净，吸水纸吸干。在105 ℃烘箱中杀青30 min，然后在65 ℃烘干48 h，称干重。植物根系样品采用全量消解，地上部样品用粉碎机粉碎，自封袋中密封待用。

图 1 分根装置示意图 Figure 1 Root splitting system

图选项

表 1 分根试验方案设计 Table 1 Experimental design

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水稻在正常营养液中生长3周，挑选大小一致的幼苗转移到一系列不同硒浓度的吸收液中。水稻对硒的吸收动力学试验在容积为300 mL的烧杯中进行，每个烧杯中放置2株幼苗，设置3个重复。吸收液为7个浓度水平的Na₂SeO₄或Na₂SeO₃基础营养液（μmol·L^-1），浓度梯度为0、0.1、0.5、1.0、5.0、10、20，溶液pH均为5.5，处理60 min后收获植株地下部。收样时先将植物根系在0.5 mmol·L^-1 CaSO₄溶液中浸泡15 min，然后将植株地上部与根部分离，将水稻幼苗根系用去离子水洗净，吸水纸吸干。消解过程中直接取鲜样进行全量消解。 1.3 样品的分析测定

植物样品采用HNO₃-HClO₄方法消解，在消解过程中温度控制在160 ℃以内，用2.5 mL 6 mol·L^-1 HCl还原，冷却定容。消解液用原子荧光光度计（北京吉天仪器有限公司AFS-920双道原子荧光光度计）测定溶液中硒含量。整个测定过程中采用西红柿叶子（GSBZ51001-94 ESP-1）和空白样品进行全程质量控制。 1.4 数据的处理

试验数据为3次重复的平均值和标准误差，采用SAS软件进行方差分析（多重比较采用Duncan法），使用SigmaPlot软件进行绘图。转移系数（S/R）=地上部硒含量/根系硒含量；硒吸收效率=总吸硒量/根干重。吸收动力学数据使用SigmaPlot软件拟合米氏方程曲线[Michaelis-Menten equation：V=V_max·C/（K_m+C）]，其中V表示根系吸收离子的速率，nmol·g^-1·h^-1；K_m表示根系对所吸收离子的亲和力，μmol·L^-1，K_m愈小表示亲和力愈大；V_max表示吸收所能达到的最大速率，nmol·g^-1·h^-1，V_max愈大表示吸收的内在潜力愈大；C表示溶液的离子浓度，μmol·L^-1。 2 结果与分析 2.1 不同供硒条件对水稻各部分硒含量的影响

分根和加硒处理对水稻根系和地上部的生物量没有显著的影响（P>0.05，数据未给出）。

加硒处理24 h后，测定水稻根系和地上部硒含量。不同价态的硒对水稻根系和地上部硒含量有显著的影响（P<0.05），并且在分根装置左右侧供给不同价态硒时对水稻根系硒含量也有显著的影响（P<0.05）。对于整株水稻来说，处理1的体内硒含量最高，其次是处理2，最后是处理3（图 2a）。对于水稻地上部硒含量来说，处理3的地上部硒含量显著高于处理1，前者是后者的4.4倍。此外，在处理2中，测得其地上部硒含量（6.25 mg·kg^-1）略高于处理3（6.14 mg·kg^-1），但是远高于处理1（1.39 mg·kg^-1，图 2b）。对于水稻根系硒含量来说，处理1和处理3中分根装置，左右两侧的水稻根系硒含量均没有显著的差异；但处理2中左右两侧的水稻根系硒含量有显著的差异（图 2c）。另外，处理1的水稻根系硒含量要显著高于处理3；在处理2中，右侧水稻根系硒含量（101.3 mg·kg^-1）显著高于左侧（18.9 mg·kg^-1）。此外，在处理2中，左侧供给Se⁶⁺的水稻根系硒含量高于处理3，而右侧供给Se⁴⁺的水稻根系硒含量低于处理1。

图 2 分根加硒处理24 h后硒在整株水稻（a），地上部（b）和 左、右侧根（c）的浓度 Figure 2 Selenium concentrations in whole rice plants（a）,shoots （b）,left roots and right roots（c）after 24 h of different treatments

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由表 2可知，加硒处理24 h后，处理2的水稻幼苗吸硒量最高，为3.29 μg·pot^-1，分别为处理1和处理3的1.27倍和3.83倍。对于地上部而言，处理2的水稻幼苗地上部硒含量为1.39 μg·pot^-1，为处理1的5.56倍；对于根系而言，处理2的水稻幼苗地上部硒含量为1.90 μg·pot^-1，为处理3的14.6倍（表 3）。此外，分根和加硒处理对硒在水稻根系和地上部所占百分比有显著的影响（P<0.05）。在处理1中，水稻根系所吸收的硒主要是在根系累积，水稻根系硒所占百分比达到91.3%；而在处理3中，水稻根系所吸收的硒主要是在地上部累积，水稻地上部硒所占百分比为84.1%；在处理2中，水稻根系硒所占百分比为58.0%，低于处理1，但是显著高于处理3（15.9%），而地上部则是相反的情况，处理2中水稻地上部硒所占百分比为42.0%，高于处理1（8.7%），而低于处理3。

表 2 分根加硒处理24 h 后水稻各部分硒吸收量以及硒的分布（μg·pot^-1） Table 2 Selenium accumulation and distribution in different parts of rice seedlings in root-splitting system（μg·pot^-1）

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从表 3可以看出，硒向植株地上部的转移系数在三个处理间存在显著差异（P<0.05）。其中，处理3的S/R值最高，为0.69，其次是处理2，处理1的S/R值最低，只有0.01。另外，比较水稻对不同价态硒的吸收效率可知，处理1的硒吸收效率约为处理3的2倍，而与处理2无显著差异。另外，处理2的硒吸收效率为处理1和处理3这两者硒吸收效率之和的58%。

表 3 分根加硒处理24 h 后水稻对硒的转移系数和吸收效率 Table 3 Transfer factor and uptake efficiency of Se by rice

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水稻对亚硒酸盐和硒酸盐的吸收速率均随溶液中硒浓度的增加而增大，且吸收曲线符合Michaelis-Menten方程（图 3和表 4）。供给等浓度硒时，水稻对亚硒酸盐的吸收速率明显高于硒酸盐。在供给硒酸盐浓度为10 μmol·L^-1时，水稻对硒酸盐的吸收曲线已趋于平缓，而供给亚硒酸盐浓度为20 μmol·L^-1，水稻对亚硒酸盐的吸收曲线仍有增长的趋势。此外，水稻根系对亚硒酸盐和硒酸盐的吸收动力学参数存在差异：水稻对亚硒酸盐的吸收动力学中，最大吸收速率V_max和米氏常数K_m分别为31.4 nmol·g^-1·h^-1和22.8 μmol·L^-1；水稻对硒酸盐的吸收动力学中，最大吸收速率V_max和米氏常数K_m分别为2.41 nmol·g^-1·h^-1和1.15 μmol·L^-1。水稻根系对硒酸盐的亲和力远大于亚硒酸盐，但是水稻根系对亚硒酸盐的吸收速率大于对于硒酸盐的吸收速率。两者对比综合考虑，水稻根系对亚硒酸盐的吸收潜力更大。

曲线表示与米氏动力学的拟合程度图 3 苗期水稻根系对亚硒酸盐（a）和硒酸盐（b）的吸收动力学 Figure 3 Kinetics of selenite（a）and selenate（b）influx to roots of rice seedlings within 60 min

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表 4 苗期水稻根系对亚硒酸盐和硒酸盐的吸收动力学的参数 Table 4 Kinetic parameters for Na₂SeO₃ and Na₂SeO₄ uptake by roots of rice seedlings

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硒酸盐和亚硒酸盐是可以被植物根系吸收的两种主要形态的硒。水稻根系对硒酸盐和亚硒酸盐的吸收动力学试验结果显示，水稻根系对硒酸盐和亚硒酸盐的亲和力和吸收速率不同，对此可能的解释是与植物根系对硒酸盐和亚硒酸盐的吸收过程有关。目前多数研究表明硒酸盐同硫酸盐一样，是在植物根部相同的吸收位置通过高亲和力的硫酸盐转运子被根系吸收^{[16,17,18,19]}。与硒酸盐的吸收机制不同，研究表明在长期的水培试验中，亚硒酸盐的吸收受到磷酸盐的抑制^[11,12]，Zhang等^[14] 研究证实亚硒酸盐可以通过磷酸盐转运子被植物根系吸收。硒酸盐是通过高亲和力的硫酸盐转运子被植物吸收，硫酸盐转运子对硒酸盐的亲和力可能要高于磷酸盐转运子对亚硒酸盐的亲和力，但是磷酸盐转运子对亚硒酸盐的吸收速率可能要高于硫酸盐转运子对硒酸盐的吸收速率，使水稻根系对亚硒酸盐的吸收潜力要大。此外，分根装置左右侧都供给亚硒酸盐时水稻苗期根系所吸收的硒主要是在根系累积，而左右侧都供给硒酸盐时根系所吸收的硒主要迁移到地上部并累积。植物吸收的硒从根向地上部的转移与运输取决于硒的形态，硒酸盐和亚硒酸盐在植物体内的移动性不相同。植物吸收的硒酸盐很容易从根转移到地上部，然而亚硒酸盐或是其代谢产物主要累积在根部，很难向地上部转移^[22,23]。

分根装置左右侧分别供给不同价态硒时，亚硒酸盐的供给促进了水稻幼苗对硒酸盐的吸收以及其向地上部迁移（图 2a，图 3），水稻幼苗地上部硒含量分别为亚硒酸盐和硒酸盐单独供给时的4.50和1.02倍，硒的转移系数为0.10，是亚硒酸盐单独供给时的10倍左右（图 2b，表 3）；而硒酸盐的供给抑制了水稻根系对亚硒酸盐的吸收，但抑制效果不显著（图 2a，图 2c）。硒酸盐和亚硒酸盐是通过根表不同的转运子被植物吸收^[14,19]，植物吸收的硒然后经过硫的代谢途径在植物体进行代谢。Li等^[13,15]的试验结果发现，营养液中硒酸盐和亚硒酸盐共存对植物吸收硒的影响不大。因此，在分根装置中亚硒酸盐和硒酸盐共存时可以排除阴离子间竞争作用对水稻吸收硒的影响，但其具体的影响机制有待进一步的试验。加硒处理24 h后，在亚硒酸盐和硒酸盐单独供给，以及硒酸盐和亚硒酸酸盐共存时，水稻幼苗根系硒吸收总量分别为2.33、0.13、1.90 μg·pot^-1，水稻地上部硒吸收量分别为0.25、0.73、1.39 μg·pot^-1（表 2）。另外，在亚硒酸盐和硒酸盐共存时水稻根系的吸收速率为亚硒酸盐和硒酸盐单独供给时两者之和的58%（表 2）。这说明水稻主要吸收亚硒酸盐，对亚硒酸盐的吸收潜力要大于硒酸盐，与亚硒酸盐和硒酸盐的吸收动力学研究得出的结果一致。 4 结论

（1）分根试验和吸收动力学试验结果表明水稻幼苗根系对亚硒酸盐的吸收潜力要大于硒酸盐。

（2）在环境中硒酸盐和亚硒酸盐共存时，亚硒酸盐的存在促进了水稻根系对硒酸盐的吸收，硒酸盐则抑制了水稻根系对亚硒酸盐的吸收，但抑制效果不显著。