富硒功能水稻的研究现状及展望

富硒功能水稻的研究现状及展望

钙是人体生长发育必要的养分。它对预防疾病、促进健康和防止衰老感具有重要意义。被称为“生命奇迹”。人体对硒的需要量尚无统一的标准,1976年国际硒学会推荐的标准是每日60μg,中国营养学会1988年的推荐标准是每日50μg。世界上有三分之二的地区、中国有72%的县市不同程度缺硒,对13个省市的营养调查表明,成人每日的摄硒量仅为26.63μg,缺硒现象普遍存在。但矿质元素硒在体内无法自己合成,必须从食物中摄取。虽然可以借助食品添加剂、保健品或药物来快速补充人体缺乏的硒,但依然存在投资大、费用高、覆盖面小,不能根治矿质元素营养不良的问题。水稻是世界上最重要的粮食作物之一,长期以来稻米一直是南亚、东南亚和中国人民营养和能量的主要来源之一,其含硒量高低与人体硒营养状况密切相关,硒摄入量的不足,对人体健康将造成潜在威胁。而广大的水稻产区多属于缺硒或低硒地区,开展富硒水稻的应用研究对人体健康具有重要现实意义。1对富氟水稻的研究1.1有机碳的组成成分硒是环境中一种重要的生命元素,早在1957年就被证明为人体所必需。1973年世界卫生组织宣布:硒是人类必须的微量元素;1988年中国营养学会把硒列为人类必须的营养元素。硒是人体内各种活性酶的重要组成成分,参与机体正常的免疫功能。硒是谷光甘肽过氧化物酶(GSH-Px)的组成部分,GSH-Px能特异性地催化还原型谷光甘肽转化为氧化型谷光甘肽,促进有毒的过氧化物还原为无毒的羟基化物,从而保护细胞膜及组织免受过氧化物损伤。调查发现缺硒可引起以心肌损害为特征的克山病,而高硒地区人群的心血管病发病较低。此外,硒与重金属具有较强的亲和力,能与体内的重金属结合形成金属—硒—蛋白质复合物而起解毒作用。硒还参与辅酶A、辅酶Q的合成等,硒被科学家称为人体微量元素中的“抗癌之王”。适量的硒摄入还可以促进生长、保护视觉、延缓衰老,并有抵抗AIDS、高血压、酒精性肝硬化、癌症、糖尿病、视网膜病、白内障、大骨节病等病的作用。1.2水稻喷施富硒肥在水稻生产上施硒肥,不但可以提高稻米中的硒含量,还能在一定程度上提高产量,改善稻米品质,增强水稻抗逆性及减轻重金属铬、镉、铅等对水稻的毒害作用。谭周磁等的试验结果表明,在贫硒地区施以一定浓度的硒肥可提高水稻产量,结实率提高3.172~12.107个百分点,水稻产量提高2.105%~9.167%。水稻喷施富硒肥具有抗病、抗旱、抗寒、解霜冻、解药害等功能。吴永尧等研究表明,适量硒能增强水稻的抗逆性及抗氧化性,清除过量自由基,防止过氧化,在一定硒浓度范围内,丙二醛含量、氧自由基的产生速率及其它自由基的生成量均随硒浓度增加而降低,可提高机体抵御逆境伤害的能力。硒有减轻铬、镉、铅等重金属毒害的作用,抑制水稻对重金属的吸收,且随着补硒质量浓度的增大,植物茎叶及根系吸收重金属的能力下降。*通讯作者。电话E-mail:zhen6102@126.com。1.3丰富的碳水稻特色1.3.1有机碳对稻米品质的影响富硒水稻的硒含量显著高于常规水稻。据陈加友报道,山东胜华集团农业公司等培育的富硒水稻硒含量高达210μg/kg,是当地普通大米的8倍以上。吴忠坤通过喷施富硒营养液生产的富硒水稻的精米硒含量在0.13~0.27mg/kg之间,是对照处理的5~10倍。硒在一定程度上能影响植物体内某些有机化合物的水平,从而影响农作物的品质,在贫硒地区施以一定浓度的硒肥,可有效改善稻米品质。周鑫斌等研究发现,叶面喷硒可以显著提高籽粒蛋白结合态硒含量。周遗品的实验显示,土壤施适量的硒会使水稻中的蛋白质和大多数氨基酸含量增加。唐国江等研究认为,富硒稻谷的糙米率在85%以上,精米率大于75%,整精米率大于70%,碎米率在5%以下,垩白米率明显减少,米粒半透明,有光泽,煮熟后粘润可口,食味好。1.3.2富硒稻米的开发成功解决了人体硒含量的改善硒被重新认识以来,其保健价值受到人们越来越多的关注。稻米作为世界人口的主食,是人体硒的主要来源,稻米硒含量的高低直接影响到人体硒的营养状况。富硒稻米的开发成功,解决了低硒地区人体硒摄入量不足的问题。富硒米具有较高的硒含量,并且主要以有机硒的形态存在,对人体无毒性且其生理活性高,易为人体吸收。富硒稻米具有营养、保健、防病功能,能够预防和治疗与硒相关的一些人类疾病。1.3.3硒营养的补硒途径近年来,随着环境污染的加剧、人们生活方式和膳食方式的显著改变,矿质元素营养失衡已成为影响人类健康的重要因素。据报道,世界上有40多个国家缺硒,中国2/3的人口存在不同程度的硒缺乏,表现在硒摄入量严重不足。人体补硒有3条途径:药物补硒、口服液补硒、食物链补硒。药物补硒毒副作用大,口服液补硒价格昂贵,都难以有效地补充人体的硒营养。利用天然富硒食品是公认的一种最安全有效的补硒途径,通过食用富硒稻米可达到补充人体有机硒的目的。2建立富硒水稻品种在富硒水稻的研究方向上,目前主要集中在3个方面:一是从生理栽培的角度,通过施外源硒来提高稻米中的硒含量;二是从遗传育种角度,根据品种间的基因差异性,筛选富硒亲本,选育富硒水稻品种;三是对水稻硒的遗传性分析。2.1硒含量的测定目前在富硒水稻的开发应用上,研究最多的是增施外源硒来提高稻米中硒的含量。根据水稻对硒元素的生理吸收、代谢特点,开发出易被植物吸收利用的富硒肥料,通过土壤施硒或叶面喷施,提高硒在水稻籽粒中的营养积累,进而生产出硒含量明显高于对照的富硒功能水稻。2.1.1土壤含硒量对稻米中硒含量的影响国际水稻研究所报道,土壤特性对水稻籽粒微量元素含量具有显著影响。吴永尧等研究认为,在缺硒和低硒地区施用硒肥,能显著提高水稻含硒量,且土壤含硒量越高,水稻积累硒的量越大。稻田土壤中硒含量的高低与稻米(糙米)中含硒量在一定程度上呈正相关,土壤含硒量高低对稻米中硒含量具有较大影响。周鑫斌等研究发现,土壤不施硒时植株各器官硒含量顺序依次为:根>叶≈茎>籽粒,硒易于向营养体富集;土壤施亚硒酸盐后植株各器官硒含量则为:根>籽粒>叶>茎,表现出Se向籽粒富集的特征,说明施外源硒可有效促进硒在稻米中的富集。魏丹等、唐国江等、纪国成等也认为水稻施硒可有效增加稻米中硒的含量,并且在一定范围内稻米中硒含量表现出随硒浓度的增大逐渐增加的趋势。水稻对硒具有一定的生物富集作用,施外源硒可以显著提高稻米中的硒的积累,因此可以通过追施富硒肥料来增加硒含量,生产富硒水稻。2.1.2喷施有机硫酸钠的方法对稻米增硒效率的影响生产上水稻施硒主要有3种方式,即土壤施硒、拌种、叶面喷施。拌种所需的剂量及浓度不易掌握,因而此法在生产上应用较少;土壤施硒存在施硒量大、投资高、易污染环境等问题,在生产上的应用受到限制;而叶面喷施具有便于操作、高效快捷等优点,因而在生产上得到了广泛的应用。在喷施硒肥的时期上,周鑫斌等认为,以抽穗期喷施籽粒含硒量最高,其次是孕穗期,拔节期最低。张雪林等认为以齐穗期喷施效果最佳。纪国成等认为水稻在破口期喷硒效果最佳,齐穗期、灌浆期次之,这与陈益新等的试验结果一致。从水稻不同生育时期施硒效果来看,破口期、齐穗期、灌浆期喷施富硒肥料都可明显提高稻米中的硒含量,因此,采用硒肥分次喷施方法较为经济有效。在喷施剂量上,王金英等认为在硒肥浓度0~44.4mg/kg范围内,糙米硒含量随硒肥浓度增加而显著增高。周鑫斌等研究发现:叶面喷施亚硒酸钠10g/hm2可使水稻籽粒硒含量达到不喷硒处理的7.9~11.0倍。魏丹等认为叶面喷施硒肥(Na2SeO3)的最佳用量为11.25g/hm2。因此在喷施剂量上,可以参考硒肥(Na2SeO3)用量为11.25g/hm2的标准。2.1.3富硒水稻产品在富硒水稻的开发生产上,辽宁、江苏、湖北等地相继启动了富硒水稻生产示范项目,并取得一定的成果。辽宁省盘山县2000年开始试种富硒水稻,第2年推广近1.3万hm2,生产的富硒米打入北京等市场,深受消费者欢迎。江苏南京六合区2001年启动富硒水稻0.3万hm2,现在已扩大到1.2万hm2,六合富硒大米远销上海、深圳、福州和香港等地。2006年湖北恩施也启动富硒水稻示范项目,规划示范面积333.3hm2,2007年在全市范围内大面积推广。2.2水稻新品种的筛选水稻对矿质元素硒具有生物富集效应,可根据品种间的基因差异,从现有的水稻品种中筛选出稻米硒含量高的种质资源作为亲缘,培育高产、优质、抗病和富硒的水稻新品种。2.2.1水稻基因型水稻中硒含量水稻精米中硒含量存在显著的基因型差异。蒋彬对239份水稻精米中的硒含量进行了测定分析,结果表明,稻米中硒含量在1.15~43.84μg/kg之间,不同的水稻基因型稻米中硒含量差异极显著。江川等对早晚季水稻精米和米皮硒含量的基因型差异研究表明,不同基因型水稻品种精米和米皮中硒含量差异很大,不同品种具有不同的富硒能力。李正文等研究了江苏省57个水稻品种籽粒的硒含量,结果也表明不同水稻品种对硒的积累存在明显差异。因此,可以从不同的基因型材料中筛选出硒含量高的富硒亲本材料,作为富硒水稻育种的种质资源。2.2.2选育优良品种通过筛选高硒含量的水稻材料为富硒水稻育种亲本,运用传统育种方法与现代生物技术(包括分子标记技术和细胞工程等)相结合,可选育出富硒、高产、优质、抗病虫的优良水稻品种。韩龙植等将系谱选择与花药培养相结合,创造出一系列富硒水稻新种质,其中香软米1578的硒含量为59.7μg/kg,明显高于普通水稻硒含量;红米1201的硒含量高达85.4μg/kg;红糯米1572和小粒米1251的硒含量均为84.6μg/kg。这些材料均具有较高的硒含量,可作为富硒水稻育种的优良种质资源。2.3ssr标记的表型变异解释蒋彬、江川等研究表明,不同基因型水稻品种精米和米皮中硒含量差异很大,不同品种精米和米皮中硒含量分布遵循正态分布规律,表明水稻精米和米皮中硒含量属多基因控制的数量性状。孙明茂以龙锦1号×香软米1578的F2代分离群体为材料,构建了一张包含95个SSR标记、覆盖水稻基因组约1637.3cM、标记间平均距离为17.23cM的遗传图谱,检测到与籽粒硒含量相关的QTLs7个,分布于第1,2,7,10染色体上,对表型变异的解释率分别为3.96%,8.41%,10.59%,4.69%,5.39%,5.64%,4.60%,7个QTLs共同解释的表型变异为43.27%,具有基因累加效应,表现为部分显性或显性,这有利于深入理解水稻硒含量的遗传基础,为硒含量的QTL精细定位和分子标记辅助选择奠定基础。3技术上的应用3.1目前对水稻硒的研究主要集中在硒对水稻的营养,如喷施硒肥对水稻生长发育、产量和品质等的影响,土壤含硒量与水稻含硒量的关系以及硒在水稻各个部位的分布等方面,而在富硒水稻的育种及遗传分析方面的研究很少。在提高水稻硒含量的途径上,目前主要通过增施外源硒和选育富硒品种来提高稻米中的硒含量,前者采取栽培施肥的技术,后者应用遗传育种的手段,把这两种手段结合起来提高水稻籽粒的硒含量,是富硒水稻研究的一个方向。3.2水稻施硒肥的技术应用上,目前研究较多的是叶面喷硒,对土壤施硒、拌种研究相对较少。土壤是硒营养的主要来源,但土壤硒的有效性受多种因素的影响和制约,如土壤的硒含量、硒形态、酸碱性、金属离子的互作等,都可能影响水稻对土壤硒的吸收。吴永尧等研究发现,土壤中的硒含量高,而吸收利用的有效性低,增加土壤中硒的有效性是今后要继续研究的问题。能否开发出一种硒肥,既可以增加土壤硒含量,又可以转化土壤中的硒元素,把无效态的硒缓慢分解释放,转化为易被水稻吸收利用的可溶性硒,还有待进一步研究。拌种施硒使用方便,施用量少,但剂量难以掌握,有待进一步研究解决。3.3硒在水稻体内各器官的分布存在显著差异,稻米籽粒中的硒含量较低。王金英等研究发现,水稻糠、秸秆的含硒量高于糙米,依次表现为糠>秸秆>糙米。而糙米中的硒含量比精米中的硒含量要高,稻壳、糙