《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Selenium alleviates cadmium toxicity by restricting its transfer and regulating starch anabolism genes expression
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本研究针对镉污染对小麦光合系统及碳代谢的抑制问题，通过外源硒干预探讨其缓解机制。结果表明，硒可降低小麦地上部Cd含量6–19%，提升光合参数26–55%、叶绿素含量17–29%，并通过上调TaAGPS1、TaSUT2、TaSWEET15等基因表达，逆转Cd胁迫引起的可溶性糖升高（16–21%）及淀粉合成障碍（淀粉含量提升15–59%）。研究为重金属污染农田的生态修复及作物安全生产提供了新策略。
随着工业化和农业现代化进程的加速，土壤重金属污染已成为威胁全球粮食安全和人体健康的严峻问题。其中，镉（Cd）作为一种具有高迁移性和生物毒性的非必需重金属，易通过作物吸收并富集至可食部位，进而通过食物链进入人体，引发肾功能损伤、骨质疏松甚至癌症。小麦作为全球第二大粮食作物，其籽粒对镉具有较强的富集能力，尤其在污染区域，小麦贡献了居民膳食镉摄入量的11%以上。尽管已有研究证实硒（Se）可缓解镉对植物的毒害，但其对叶片光合系统及碳代谢通路的具体调控机制尚不明确。
为深入探究硒如何通过调控碳代谢关键基因表达以增强小麦对镉胁迫的抵抗能力，研究人员在《Ecotoxicology and Environmental Safety》上发表了题为“Selenium alleviates cadmium toxicity by restricting its transfer and regulating starch anabolism genes expression”的研究论文。该研究通过水培实验，以小麦品种“豫农905”为材料，设置不同浓度的镉（5 μM、10 μM）和硒（2 μM、5 μM）处理，系统分析了硒对镉胁迫下小麦生长、光合特性、叶片超微结构、碳代谢关键酶活性及相关基因表达的影响。
本研究主要采用以下关键技术方法：通过水培实验控制镉与硒的暴露浓度；利用便携式CO2交换系统（LI-6400）测定光合参数（Pn、Gs、Tr）；通过紫外分光光度法测定叶绿素含量及可溶性糖、淀粉含量；借助透射电子显微镜（TEM）观察叶片细胞超微结构；使用试剂盒检测ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）活性；通过实时荧光定量PCR（qPCR）分析TaAGPS1、TaSUT2、TaSWEET15、TaBAM4等基因表达水平；利用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定植株中镉、硒及铁（Fe）、锰（Mn）、锌（Zn）等微量元素含量。
3.1. 硒对镉胁迫下小麦幼苗生长的影响
研究发现，镉胁迫显著抑制小麦幼苗的根长、株高及生物量，而外源硒的添加使小麦地上部生物量提升20–50%，根生物量提升30–51%，有效缓解了镉引起的生长抑制。
3.2. 硒对小麦光合参数及叶绿素含量的影响
镉胁迫导致小麦叶片光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）和蒸腾速率（Tr）分别下降26–55%，叶绿素a、b及总叶绿素含量降低17–29%。硒处理后，光合参数提升26–55%，叶绿素含量恢复至接近正常水平，表明硒能保护光合机构免受镉损伤。
3.3. 硒对小麦叶片超微结构的影响
透射电镜观察显示，镉胁迫导致叶绿体形态扭曲、类囊体排列紊乱及淀粉粒数量减少。添加硒后，叶绿体结构恢复为长椭圆形，淀粉粒重新积累，说明硒有助于维持细胞器完整性。
3.4. 硒对小麦淀粉合成代谢的调控
镉胁迫下，小麦叶片可溶性糖含量升高36–58%，而淀粉含量下降34–49%。硒处理通过激活AGPase酶活性（提升29–37%），显著提高淀粉含量（15–59%），并降低可溶性糖水平（16–21%），逆转了碳代谢失衡。
3.5. 硒对糖转运与淀粉合成基因表达的调控
qPCR分析表明，镉胁迫下调淀粉合成关键基因TaAGPS1（编码AGPase）及糖转运基因TaSUT2、TaSWEET15的表达，而硒处理显著上调这些基因的表达水平，同时抑制淀粉降解基因TaBAM4的转录，从而促进蔗糖向淀粉的转化。
3.6. 硒对镉及微量元素吸收的影响
硒处理使小麦地上部镉含量降低6–19%，并显著提升地上部铁（5–28%）、锰（23–58%）、锌（8–32%）等必需元素的积累，同时促进镉在根部的固存，降低其向地上部的转运效率。
研究结论表明，硒通过双重机制缓解镉毒性：一方面通过抑制镉向地上部的转运，减少其对光合机构的直接损害；另一方面通过调控TaAGPS1、TaSUT2、TaSWEET15等关键基因表达，恢复碳代谢平衡，增强淀粉合成能力。此外，硒促进铁、锰、锌等微量元素的吸收，进一步支持叶绿素合成和抗氧化防御系统。该研究不仅揭示了硒在植物重金属解毒中的新功能，为农田镉污染治理提供了理论依据，也为通过农艺措施改善作物营养品质提供了可行路径。未来需进一步通过田间试验验证硒在实际生产环境中的调控效果，并深入解析硒与镉互作的分子信号通路。
