硒介导的根际氧化重塑与根系内部防御协同调控水稻砷积累的机制研究

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Selenium-mediated rhizosphere oxidative remodelling and root internal defence synergistically mitigate arsenic accumulation in rice

本刊推荐：为应对砷(As)污染农田威胁水稻生产与人类健康的问题，研究人员围绕硒(Se)如何调控水稻根际活性氧(ROS)和铁(Fe)-(氢)氧化物-砷动力学这一主题开展了研究。结果表明，适量施硒(200 μg Na2SeO3kg?1)能显著降低糙米砷含量，并揭示了硒通过促进根际氧化、形成铁斑及富集砷氧化菌等多重机制协同降低砷的生物有效性，为硒基修复砷污染稻田提供了新策略。

　　

砷，一个隐匿在土壤和水中的“幽灵”，长期以来是全球粮食安全和公共健康的重大威胁。尤其是在以水稻为主食的地区，由于淹水条件下砷更容易从土壤中释放并被水稻吸收，导致砷在稻米中富集，最终通过食物链进入人体。更棘手的是，砷在自然界中以不同形态存在，其中亚砷酸盐(As(III))比砷酸盐(As(V))溶解性更高、移动性更强、对植物的毒性也更大，这使得治理砷污染变得尤为复杂。尽管科学界已知微量元素硒(Se)能够在一定程度上减轻砷对水稻的毒害，但其背后的深层机制，特别是硒如何“指挥”水稻根际的化学反应，重塑微生物“朋友圈”，从而将砷“拒之门外”，仍然像一团迷雾。解开这个谜团，对于开发安全、高效的农田修复技术，保障我们的“饭碗”安全，具有至关重要的意义。为此，一项发表于《Ecotoxicology and Environmental Safety》的研究为我们揭开了硒如何协同调动“根内防御”与“根外拦截”两套系统，有效遏制水稻砷积累的奥秘。

为了探究硒降低水稻砷积累的机理，研究人员设计了一套严谨的盆栽实验体系。他们从中国湖北阳新的砷污染稻田采集土壤，设置了四种不同浓度（0、50、200和400 μg Se kg?¹）的硒处理（以Na₂SeO₃形式添加），并采用了根际袋系统来精确区分根际与非根际效应。研究中运用了多种关键技术方法：1. 化学形态分析：采用高效液相色谱-原子荧光光谱联用技术分析土壤溶液和水稻组织中的砷形态（As(III), As(V)等）。2. 活性氧(ROS)检测：利用电子顺磁共振技术结合自旋捕捉剂，直接定量检测根际土壤中的超氧阴离子(•O₂?)和羟基自由基(•OH)。3. 铁氧化物与砷的结合分析：通过连续提取法分析根表铁斑和根际土壤中铁-(氢)氧化物的含量及其结合的砷。4. 生理生化指标测定：测定水稻根系中超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)等抗氧化酶活性，以及谷胱甘肽(GSH)、植物螯合肽(PCs)等非酶抗氧化剂含量。5. 微生物群落与功能基因分析：利用定量PCR技术测定砷氧化基因(aioA)和砷还原基因(arsC)的丰度，并通过高通量测序分析携带这些基因的微生物群落组成。

3.1. 水稻组织中砷含量及形态

研究发现，硒处理显著抑制了砷在水稻组织中的积累。与不施硒的对照相比，Se-200（200 μg Se kg?¹）处理使糙米总砷含量降低了52.4%。更重要的是，硒改变了砷的形态分布，降低了无机砷（As(III)和As(V)）在总砷中的比例，表明适量施硒不仅减少了砷的吸收，还优化了砷的形态，积累了毒性更低的物种。

3.2. 土壤溶液中溶解态砷的动态变化

在土壤溶液（即植物可直接吸收的部分）中，硒处理显著改变了砷的溶解动态。Se-200处理在整个水稻生长中后期（第60至105天）保持了最低的移动态总砷和As(III)浓度，同时促进了As(V)的比例上升。这表明硒减少了土壤中高毒、易移动的As(III)，增加了更易被固定的As(V)。

3.3. 土壤中的活性氧含量

研究揭示了一个关键现象：硒处理将水稻根际从一个还原环境转变为一个独特的微氧化区。电子顺磁共振分析检测到根际土壤中存在特征性的DMPO-OH加合物信号，证实了羟基自由基(•OH)的存在。定量分析进一步表明，Se-200和Se-400处理显著提高了根际土壤中•O₂?、•OH和H₂O₂的浓度，最高增幅可达73.3%。这为后续的砷转化和固定创造了氧化条件。2? (A) and •OH (B) in rhizosphere and non- rhizosphere soil... The content of •O₂O₂? (C), •OH (D) and H₂O₂(E)..." />

3.4. 铁-(氢)氧化物中的铁和砷含量

硒诱导的根际氧化环境深刻影响了铁的地球化学循环。Se-200处理使水稻根表铁斑中铁含量增加了28.5%，同时被铁斑截留的砷总量增加了40.9%。在根际土壤中，非晶形铁氧化物含量也显著增加，与之结合的砷，尤其是As(V)，大幅提升。这说明硒通过促进铁氧化物的形成，为砷（特别是氧化后的As(V)）提供了一个强大的“化学吸附屏障”。

3.4. 根系中的抗氧化防御与氧化应激缓解

在植物内部，硒强化了水稻根系的抗氧化防御系统。Se-200处理使根系中超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性分别提高了26.9%和37.1%。同时，非酶抗氧化剂如植物螯合肽(PCs)的含量也显著增加。这些增强的防御能力有效减轻了砷诱导的氧化损伤，表现为脂质过氧化产物丙二醛(MDA)含量下降了20.7%。这保护了细胞膜完整性，从源头限制了砷的被动吸收。

3.5. 根际微生物群落及功能基因的变化

硒处理还重塑了根际微生物群落，使其向促进砷氧化的方向转变。高通量测序分析显示，主要的砷氧化菌属，如芽孢杆菌属(Bacillus)和假单胞菌属(Pseudomonas)，在硒处理下相对丰度显著增加。功能基因分析发现，Se-200处理使编码砷(III)氧化酶的aioA基因丰度增加了91.4%。这表明硒“招募”并富集了具有砷氧化能力的微生物，通过生物转化将As(III)氧化为As(V)。aioA (C), and arsC(D) genes..." />

归纳研究结论与讨论部分，本研究的重要意义在于构建了一个清晰的“根际-根系”双线防御模型，系统阐释了硒降低水稻砷积累的协同机制。

在根系内部，硒通过双重防线抵御砷毒：一是上调抗氧化酶（如SOD、CAT）活性和非酶抗氧化剂（如PCs）含量，清除过量活性氧，维护细胞膜功能，从而减少砷的跨膜吸收；二是通过PCs络合并区隔化储存As(III)，阻止其向地上部转运。这两个过程的协同作用，从“减少进入”和“内部锁闭”两个层面降低了砷向籽粒的迁移。

更引人注目的是在根际外部，硒驱动了一场深刻的“氧化重塑”。硒增强的根系抗氧化过程，其副产物氧气扩散到根际，与活性氧共同创造了一个微氧化的“热点”。这个氧化环境触发了两个连锁反应：首先，它直接通过自由基反应（如•OH氧化）和间接通过富集的砷氧化微生物（以Bacillus和Pseudomonas为主），将高移动性的As(III)大规模转化为As(V)。其次，氧化条件促进了可溶性Fe(II)迅速转化为不溶性的铁-(氢)氧化物，这些新形成的氧化物具有巨大的比表面积，对As(V)表现出极强的亲和力，能通过形成内层络合物将其牢牢固定。于是，硒巧妙地“导演”了一场化学与生物的协同剧：一边“生产”出更易被吸附的As(V)，一边“建造”强大的吸附剂铁氧化物，从而在根系外围构筑起一道坚实的物理化学屏障。

综上所述，本研究揭示硒不仅是一种营养元素，更是一个系统性的“生态工程师”。它通过整合根系生理（增强内部防御）与根际地球化学过程（驱动氧化重塑、促进铁氧化物形成、调控微生物功能），在砷进入植物体之前就实现了多层次的拦截。这项研究突破了以往对硒-砷互作机制的认识，将关注点从单一的植物生理响应拓展到根际微域的多界面耦合过程，为开发基于硒的、精准调控根际环境的农田砷污染修复策略提供了全新的理论依据和实践视角，对保障水稻安全生产和人类健康具有深远意义。