富硒功能水稻的研究現狀及展望

富硒功能水稻的研究現狀及展望

鈣是人體生長發(fā)育必要的養(yǎng)分。它對預防疾病、促進健康和防止衰老感具有重要意義。被稱為“生命奇跡”。人體對硒的需要量尚無統(tǒng)一的標準,1976年國際硒學會推薦的標準是每日60μg,中國營養(yǎng)學會1988年的推薦標準是每日50μg。世界上有三分之二的地區(qū)、中國有72%的縣市不同程度缺硒,對13個省市的營養(yǎng)調查表明,成人每日的攝硒量僅為26.63μg,缺硒現象普遍存在。但礦質元素硒在體內無法自己合成,必須從食物中攝取。雖然可以借助食品添加劑、保健品或藥物來快速補充人體缺乏的硒,但依然存在投資大、費用高、覆蓋面小,不能根治礦質元素營養(yǎng)不良的問題。水稻是世界上最重要的糧食作物之一,長期以來稻米一直是南亞、東南亞和中國人民營養(yǎng)和能量的主要來源之一,其含硒量高低與人體硒營養(yǎng)狀況密切相關,硒攝入量的不足,對人體健康將造成潛在威脅。而廣大的水稻產區(qū)多屬于缺硒或低硒地區(qū),開展富硒水稻的應用研究對人體健康具有重要現實意義。1對富氟水稻的研究1.1有機碳的組成成分硒是環(huán)境中一種重要的生命元素,早在1957年就被證明為人體所必需。1973年世界衛(wèi)生組織宣布:硒是人類必須的微量元素;1988年中國營養(yǎng)學會把硒列為人類必須的營養(yǎng)元素。硒是人體內各種活性酶的重要組成成分,參與機體正常的免疫功能。硒是谷光甘肽過氧化物酶(GSH-Px)的組成部分,GSH-Px能特異性地催化還原型谷光甘肽轉化為氧化型谷光甘肽,促進有毒的過氧化物還原為無毒的羥基化物,從而保護細胞膜及組織免受過氧化物損傷。調查發(fā)現缺硒可引起以心肌損害為特征的克山病,而高硒地區(qū)人群的心血管病發(fā)病較低。此外,硒與重金屬具有較強的親和力,能與體內的重金屬結合形成金屬—硒—蛋白質復合物而起解毒作用。硒還參與輔酶A、輔酶Q的合成等,硒被科學家稱為人體微量元素中的“抗癌之王”。適量的硒攝入還可以促進生長、保護視覺、延緩衰老,并有抵抗AIDS、高血壓、酒精性肝硬化、癌癥、糖尿病、視網膜病、白內障、大骨節(jié)病等病的作用。1.2水稻噴施富硒肥在水稻生產上施硒肥,不但可以提高稻米中的硒含量,還能在一定程度上提高產量,改善稻米品質,增強水稻抗逆性及減輕重金屬鉻、鎘、鉛等對水稻的毒害作用。譚周磁等的試驗結果表明,在貧硒地區(qū)施以一定濃度的硒肥可提高水稻產量,結實率提高3.172~12.107個百分點,水稻產量提高2.105%~9.167%。水稻噴施富硒肥具有抗病、抗旱、抗寒、解霜凍、解藥害等功能。吳永堯等研究表明,適量硒能增強水稻的抗逆性及抗氧化性,清除過量自由基,防止過氧化,在一定硒濃度范圍內,丙二醛含量、氧自由基的產生速率及其它自由基的生成量均隨硒濃度增加而降低,可提高機體抵御逆境傷害的能力。硒有減輕鉻、鎘、鉛等重金屬毒害的作用,抑制水稻對重金屬的吸收,且隨著補硒質量濃度的增大,植物莖葉及根系吸收重金屬的能力下降。*通訊作者。電話E-mail:zhen6102@126.com。1.3豐富的碳水稻特色1.3.1有機碳對稻米品質的影響富硒水稻的硒含量顯著高于常規(guī)水稻。據陳加友報道,山東勝華集團農業(yè)公司等培育的富硒水稻硒含量高達210μg/kg,是當地普通大米的8倍以上。吳忠坤通過噴施富硒營養(yǎng)液生產的富硒水稻的精米硒含量在0.13~0.27mg/kg之間,是對照處理的5~10倍。硒在一定程度上能影響植物體內某些有機化合物的水平,從而影響農作物的品質,在貧硒地區(qū)施以一定濃度的硒肥,可有效改善稻米品質。周鑫斌等研究發(fā)現,葉面噴硒可以顯著提高籽粒蛋白結合態(tài)硒含量。周遺品的實驗顯示,土壤施適量的硒會使水稻中的蛋白質和大多數氨基酸含量增加。唐國江等研究認為,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,堊白米率明顯減少,米粒半透明,有光澤,煮熟后粘潤可口,食味好。1.3.2富硒稻米的開發(fā)成功解決了人體硒含量的改善硒被重新認識以來,其保健價值受到人們越來越多的關注。稻米作為世界人口的主食,是人體硒的主要來源,稻米硒含量的高低直接影響到人體硒的營養(yǎng)狀況。富硒稻米的開發(fā)成功,解決了低硒地區(qū)人體硒攝入量不足的問題。富硒米具有較高的硒含量,并且主要以有機硒的形態(tài)存在,對人體無毒性且其生理活性高,易為人體吸收。富硒稻米具有營養(yǎng)、保健、防病功能,能夠預防和治療與硒相關的一些人類疾病。1.3.3硒營養(yǎng)的補硒途徑近年來,隨著環(huán)境污染的加劇、人們生活方式和膳食方式的顯著改變,礦質元素營養(yǎng)失衡已成為影響人類健康的重要因素。據報道,世界上有40多個國家缺硒,中國2/3的人口存在不同程度的硒缺乏,表現在硒攝入量嚴重不足。人體補硒有3條途徑:藥物補硒、口服液補硒、食物鏈補硒。藥物補硒毒副作用大,口服液補硒價格昂貴,都難以有效地補充人體的硒營養(yǎng)。利用天然富硒食品是公認的一種最安全有效的補硒途徑,通過食用富硒稻米可達到補充人體有機硒的目的。2建立富硒水稻品種在富硒水稻的研究方向上,目前主要集中在3個方面:一是從生理栽培的角度,通過施外源硒來提高稻米中的硒含量;二是從遺傳育種角度,根據品種間的基因差異性,篩選富硒親本,選育富硒水稻品種;三是對水稻硒的遺傳性分析。2.1硒含量的測定目前在富硒水稻的開發(fā)應用上,研究最多的是增施外源硒來提高稻米中硒的含量。根據水稻對硒元素的生理吸收、代謝特點,開發(fā)出易被植物吸收利用的富硒肥料,通過土壤施硒或葉面噴施,提高硒在水稻籽粒中的營養(yǎng)積累,進而生產出硒含量明顯高于對照的富硒功能水稻。2.1.1土壤含硒量對稻米中硒含量的影響國際水稻研究所報道,土壤特性對水稻籽粒微量元素含量具有顯著影響。吳永堯等研究認為,在缺硒和低硒地區(qū)施用硒肥,能顯著提高水稻含硒量,且土壤含硒量越高,水稻積累硒的量越大。稻田土壤中硒含量的高低與稻米(糙米)中含硒量在一定程度上呈正相關,土壤含硒量高低對稻米中硒含量具有較大影響。周鑫斌等研究發(fā)現,土壤不施硒時植株各器官硒含量順序依次為:根>葉≈莖>籽粒,硒易于向營養(yǎng)體富集;土壤施亞硒酸鹽后植株各器官硒含量則為:根>籽粒>葉>莖,表現出Se向籽粒富集的特征,說明施外源硒可有效促進硒在稻米中的富集。魏丹等、唐國江等、紀國成等也認為水稻施硒可有效增加稻米中硒的含量,并且在一定范圍內稻米中硒含量表現出隨硒濃度的增大逐漸增加的趨勢。水稻對硒具有一定的生物富集作用,施外源硒可以顯著提高稻米中的硒的積累,因此可以通過追施富硒肥料來增加硒含量,生產富硒水稻。2.1.2噴施有機硫酸鈉的方法對稻米增硒效率的影響生產上水稻施硒主要有3種方式,即土壤施硒、拌種、葉面噴施。拌種所需的劑量及濃度不易掌握,因而此法在生產上應用較少;土壤施硒存在施硒量大、投資高、易污染環(huán)境等問題,在生產上的應用受到限制;而葉面噴施具有便于操作、高效快捷等優(yōu)點,因而在生產上得到了廣泛的應用。在噴施硒肥的時期上,周鑫斌等認為,以抽穗期噴施籽粒含硒量最高,其次是孕穗期,拔節(jié)期最低。張雪林等認為以齊穗期噴施效果最佳。紀國成等認為水稻在破口期噴硒效果最佳,齊穗期、灌漿期次之,這與陳益新等的試驗結果一致。從水稻不同生育時期施硒效果來看,破口期、齊穗期、灌漿期噴施富硒肥料都可明顯提高稻米中的硒含量,因此,采用硒肥分次噴施方法較為經濟有效。在噴施劑量上,王金英等認為在硒肥濃度0~44.4mg/kg范圍內,糙米硒含量隨硒肥濃度增加而顯著增高。周鑫斌等研究發(fā)現:葉面噴施亞硒酸鈉10g/hm2可使水稻籽粒硒含量達到不噴硒處理的7.9~11.0倍。魏丹等認為葉面噴施硒肥(Na2SeO3)的最佳用量為11.25g/hm2。因此在噴施劑量上,可以參考硒肥(Na2SeO3)用量為11.25g/hm2的標準。2.1.3富硒水稻產品在富硒水稻的開發(fā)生產上,遼寧、江蘇、湖北等地相繼啟動了富硒水稻生產示范項目,并取得一定的成果。遼寧省盤山縣2000年開始試種富硒水稻,第2年推廣近1.3萬hm2,生產的富硒米打入北京等市場,深受消費者歡迎。江蘇南京六合區(qū)2001年啟動富硒水稻0.3萬hm2,現在已擴大到1.2萬hm2,六合富硒大米遠銷上海、深圳、福州和香港等地。2006年湖北恩施也啟動富硒水稻示范項目,規(guī)劃示范面積333.3hm2,2007年在全市范圍內大面積推廣。2.2水稻新品種的篩選水稻對礦質元素硒具有生物富集效應,可根據品種間的基因差異,從現有的水稻品種中篩選出稻米硒含量高的種質資源作為親緣,培育高產、優(yōu)質、抗病和富硒的水稻新品種。2.2.1水稻基因型水稻中硒含量水稻精米中硒含量存在顯著的基因型差異。蔣彬對239份水稻精米中的硒含量進行了測定分析,結果表明,稻米中硒含量在1.15~43.84μg/kg之間,不同的水稻基因型稻米中硒含量差異極顯著。江川等對早晚季水稻精米和米皮硒含量的基因型差異研究表明,不同基因型水稻品種精米和米皮中硒含量差異很大,不同品種具有不同的富硒能力。李正文等研究了江蘇省57個水稻品種籽粒的硒含量,結果也表明不同水稻品種對硒的積累存在明顯差異。因此,可以從不同的基因型材料中篩選出硒含量高的富硒親本材料,作為富硒水稻育種的種質資源。2.2.2選育優(yōu)良品種通過篩選高硒含量的水稻材料為富硒水稻育種親本,運用傳統(tǒng)育種方法與現代生物技術(包括分子標記技術和細胞工程等)相結合,可選育出富硒、高產、優(yōu)質、抗病蟲的優(yōu)良水稻品種。韓龍植等將系譜選擇與花藥培養(yǎng)相結合,創(chuàng)造出一系列富硒水稻新種質,其中香軟米1578的硒含量為59.7μg/kg,明顯高于普通水稻硒含量;紅米1201的硒含量高達85.4μg/kg;紅糯米1572和小粒米1251的硒含量均為84.6μg/kg。這些材料均具有較高的硒含量,可作為富硒水稻育種的優(yōu)良種質資源。2.3ssr標記的表型變異解釋蔣彬、江川等研究表明,不同基因型水稻品種精米和米皮中硒含量差異很大,不同品種精米和米皮中硒含量分布遵循正態(tài)分布規(guī)律,表明水稻精米和米皮中硒含量屬多基因控制的數量性狀。孫明茂以龍錦1號×香軟米1578的F2代分離群體為材料,構建了一張包含95個SSR標記、覆蓋水稻基因組約1637.3cM、標記間平均距離為17.23cM的遺傳圖譜,檢測到與籽粒硒含量相關的QTLs7個,分布于第1,2,7,10染色體上,對表型變異的解釋率分別為3.96%,8.41%,10.59%,4.69%,5.39%,5.64%,4.60%,7個QTLs共同解釋的表型變異為43.27%,具有基因累加效應,表現為部分顯性或顯性,這有利于深入理解水稻硒含量的遺傳基礎,為硒含量的QTL精細定位和分子標記輔助選擇奠定基礎。3技術上的應用3.1目前對水稻硒的研究主要集中在硒對水稻的營養(yǎng),如噴施硒肥對水稻生長發(fā)育、產量和品質等的影響,土壤含硒量與水稻含硒量的關系以及硒在水稻各個部位的分布等方面,而在富硒水稻的育種及遺傳分析方面的研究很少。在提高水稻硒含量的途徑上,目前主要通過增施外源硒和選育富硒品種來提高稻米中的硒含量,前者采取栽培施肥的技術,后者應用遺傳育種的手段,把這兩種手段結合起來提高水稻籽粒的硒含量,是富硒水稻研究的一個方向。3.2水稻施硒肥的技術應用上,目前研究較多的是葉面噴硒,對土壤施硒、拌種研究相對較少。土壤是硒營養(yǎng)的主要來源,但土壤硒的有效性受多種因素的影響和制約,如土壤的硒含量、硒形態(tài)、酸堿性、金屬離子的互作等,都可能影響水稻對土壤硒的吸收。吳永堯等研究發(fā)現,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繼續(xù)研究的問題。能否開發(fā)出一種硒肥,既可以增加土壤硒含量,又可以轉化土壤中的硒元素,把無效態(tài)的硒緩慢分解釋放,轉化為易被水稻吸收利用的可溶性硒,還有待進一步研究。拌種施硒使用方便,施用量少,但劑量難以掌握,有待進一步研究解決。3.3硒在水稻體內各器官的分布存在顯著差異,稻米籽粒中的硒含量較低。王金英等研究發(fā)現,水稻糠、秸稈的含硒量高于糙米,依次表現為糠>秸稈>糙米。而糙米中的硒含量比精米中的硒含量要高,稻殼、糙