牛珊珊|穆罕默德·拉扎·法鲁克|李梦琪|宋家平|王志敏|奥弗里·普林斯·丹索|尹学斌|刘晓东|加里·S·巴努埃洛斯|张泽洲
中国科学技术大学地球与空间科学学院，安徽合肥230026
**摘要**
土壤-水稻系统中硒（Se）物种与镉（Cd）之间的相互作用仍不甚明了。本研究调查了硒半胱氨酸（SeCys）和硒代蛋氨酸（SeMet）在中国浙江省高硒（RHSe）和低硒（RLSe）地区土壤及水稻籽粒中镉动态的作用。结构方程模型显示，土壤中存在显著的硒-镉相互作用。在高硒地区，SeCys和SeMet与镉形成了复合物，显著降低了镉在水稻中的生物富集因子（p < 0.05）。低硒地区的水稻籽粒中仅含有SeCys-Cd复合物，而高硒地区则同时存在SeCys-Cd和SeMet-Cd复合物。这些差异与硒物种组成及其与镉的结合亲和力有关。由于结构及生理特性，SeCys的镉结合能力更强。本研究强调了硒物种在调节镉积累方面的独特作用，并表明SeCys在增强硒生物强化作用的同时，有可能减轻水稻对镉的吸收。
**1. 引言**
硒（Se）是一种兼具金属和非金属特性的元素。在环境中，它主要以硒酸盐（SeO₄²⁻）、硒亚酸盐（SeO₃²⁻）、硒化物以及有机形式（如硒代蛋氨酸（SeMet）和硒半胱氨酸（SeCys）存在于岩石、土壤、水体和大气中（Kieliszek和Sandoval，2023）。硒是许多生物（包括人类）必需的微量元素，它是抗氧化酶（如谷胱甘肽过氧化物酶）的关键组成部分，在清除自由基、维持氧化还原平衡、甲状腺激素代谢和免疫调节中起着重要作用（Kieliszek和Błażejak，2016）。植物主要通过根部吸收硒，利用硫酸盐和磷酸盐转运蛋白等阴离子转运蛋白。硒与重金属之间的相互作用复杂且重要：一方面，硒可以与汞（Hg）、镉（Cd）和铅（Pb）等重金属形成低溶解度、低毒性的硒化物，从而降低其生物可利用性和毒性（Huang等，2024）；另一方面，硒也可能在植物吸收和代谢途径中与某些重金属竞争或拮抗（Camara等，2018）。因此，硒在环境健康和重金属污染治理中具有重要的生物学意义。
工业化的快速发展导致土壤污染逐渐成为严重的全球环境问题，尤其是重金属污染（Yu等，2025；Zwolak，2025）。镉在土壤中的高转移率、高毒性和在人体内的长半衰期（10−30年）使其被国际癌症研究机构（IARC，1993）列为I类致癌物。随着“镉米”的频繁出现，人们对食品中镉污染的担忧日益增加。在减少作物中镉含量的各种措施中，硒具有巨大的潜力来限制镉的积累（Arinzechi等，2024；Barman等，2025；Huang等，2018；Jahantigh等，2024）。许多研究探讨了硒与镉的相互作用，证实硒可以减少作物中镉的积累（Di等，2024；Gao等，2018；Guo等，2021；Lin等，2012；Wan等，2016；Xu等，2020；Zhu等，2024）。在金属胁迫条件下，硒通过多种机制增强植物的生理耐受性：硒可增强抗氧化酶（如谷胱甘肽过氧化物酶）的活性（Kieliszek和Sandoval，2023），减轻重金属引起的氧化损伤；促进非酶类抗氧化剂（如谷胱甘肽、植物螯合素）的生物合成，从而提高螯合能力（Singh等，2025）；并调节特定转运蛋白的表达，减少有毒金属离子（如镉）向地上组织的转移，从而降低水稻籽粒中的镉积累，最终改善植物生长（Jiao等，2022）。
土壤中的硒以多种形式存在，包括无机形式（SeO₄²⁻、SeO₃²⁻）和有机形式（SeCys、SeMet和SeMeCys）。土壤中的有机硒物种主要来源于微生物过程，其中微生物吸收无机硒形式（主要是SeO₄²⁻和SeO₃²⁻）。细菌中的硒吸收通过特异性和非特异性途径进行。在特异性途径中，合成硒半胱氨酸（SeCys，第21种氨基酸），随后将其整合到硒蛋白中；在非特异性途径中，硒通过硫酸盐同化途径被吸收，同时生成硒半胱氨酸（SeCys）和硒代蛋氨酸（SeMet，第22种氨基酸）（Wang等，2022）。以往关于硒与镉相互作用的研究主要集中在土壤中存在的无机硒物种上。例如，崔等（2018）证明硒亚酸盐可以减少水稻对镉的吸收，杨等（2022）发现硒亚酸盐通过改变细胞壁结构减少了芥菜中的镉积累。尽管多项研究表明无机硒可以减少作物中镉的吸收和积累（de Lima等，2023；Ismail等，2024；Delaqua等，2021），但无机硒的低生物可利用性和高毒性也引发了关注。因此，有机硒在安全、环保地减轻镉积累方面的潜力也得到了认可。例如，王等（2019）发现玉米幼苗对有机硒物种（如硒半胱氨酸和硒代蛋氨酸）的吸收能力高于无机硒物种（SeO₄²⁻、SeO₃²⁻）。徐等（2020）证明有机硒物种在减少水稻幼苗中镉积累方面比无机硒物种更有效。不同硒物种在作物中的吸收机制主要与作物中的不同硒代谢途径有关（Nie等，2024）。作物需要将高价态硒物种（SeO₄²⁻、SeO₃²⁻）转化为低价态硒物种，以降低硒的毒性或产生额外的硒代谢物。相比之下，有机硒无需还原过程，因此更容易被作物吸收和利用（White，2018）。然而，不同的有机硒物种在作物中发挥不同的作用（Pilon-Smits和Quinn，2010）；硒代丝氨酸特异性结合蛋白质形成具有特定生物活性的硒蛋白，并可通过一系列复杂反应甲基化生成硒代蛋氨酸（Gupta和Gupta，2017）。蛋氨酸（Met）是一种必需氨基酸，使硒代蛋氨酸易于被植物吸收，成为重要的硒来源。法鲁克等（2024）发现硒代蛋氨酸是水稻中主要的硒物种。硒半胱氨酸参与抗氧化系统（如谷胱甘肽过氧化物酶），减轻镉引起的氧化损伤或直接螯合镉离子，这是减轻镉毒性的关键过程（Rayman，2012；Zhang等，2024）。张等（2024）研究了不同有机硒物种对镉引起的肝损伤的保护作用，发现植物来源的硒半胱氨酸比硒代蛋氨酸或硒代丝氨酸更有效。这表明硒半胱氨酸在减轻镉毒性中起关键作用，可能是由于其参与抗氧化防御机制，或与镉直接反应形成不溶性复合物（Zhang等，2024）。然而，目前尚不清楚天然存在的硒半胱氨酸和硒代蛋氨酸在土壤和水稻可食用部分对镉的结合亲和力是否存在差异。因此，了解天然存在的硒半胱氨酸和硒代蛋氨酸与镉的相互作用对于使用特定硒肥料进行作物硒生物强化至关重要。
我们提出，天然存在的有机硒物种（硒半胱氨酸和硒代蛋氨酸）可以抑制水稻籽粒中镉的积累。这种抑制作用直接源于硒半胱氨酸和硒代蛋氨酸在土壤基质和水稻籽粒中对镉的不同结合亲和力。本研究调查了浙江省稻田系统中不同硒和镉的含量，分析了土壤的物理化学性质、硒和镉的浓度，并使用高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱（HPLC-ICP-MS）分析了硒-镉的形态。本研究的主要目标是：（1）研究不同硒含量地区土壤和水稻中硒和镉浓度的差异，以确定土壤硒减少水稻中镉积累的能力；（2）研究天然存在的硒半胱氨酸和硒代蛋氨酸对水稻中镉积累的结合亲和力和影响因素。研究结果将有助于我们理解硒半胱氨酸和硒代蛋氨酸在土壤和水稻籽粒中与镉的关系，并为后续研究水稻田系统中硒与镉的相互作用机制提供理论基础。
**2. 材料与方法**
**2.1. 研究区域**
瑞安（RA）区（27°40′−28°0′N，120°10′−121°15′E）和诸暨（ZJ）区（29°21′−29°59′N，119°53′−120°32′E）位于中国浙江省东南部和北部中心地带。RA地区的耕作层主要由火成岩风化物组成（Wang等，2022），受岩性组成、地形特征、地貌特征和沉积古环境的影响。中国南部的黑色页岩从云南延伸至贵州、湖南和江西，直至浙江，总面积约1600平方公里，是世界上最大的黑色页岩带之一（Han等，2017；Pagès等，2018）。浙江省的黑色页岩带主要基于发育良好的寒武纪地层，ZJ地区主要由下寒武统赫塘组黑色页岩组成（Chen等，2025）。从赫塘组分析出的天然硒和镉浓度高于中国东部地壳中的浓度（Chen等，2025）。
**2.2. 土壤和水稻样品的采集与制备**
采用五点采样法（Wu等，2024）在两个地区的水稻试验田中采集样品。从相同的采样点采集土壤和水稻穗样品，形成一对土壤-水稻样品。选择生长条件一致且品种相同的样本，排除受虫害、疾病或自然灾害严重影响的区域。在水稻成熟期，使用土锄采集土壤样品。采样时将土锄垂直插入水稻植株基部20厘米深处，小心提取带有土壤芯的整个植株。为防止金属污染，用木铲切除与金属工具接触的土壤部分。用木剪刀将附有大量土壤的根部分离出来，得到土壤样品。根据之前采集的整株土壤和水稻样品，用木剪刀将所有穗状结构剪下作为穗样品，以防止重金属污染。所有采集的样品立即放入预标记的密封袋中并运送到实验室进行处理。为避免交叉污染，每次采样前对土锄和木制工具进行彻底的乙醇清洗。此外，每个采样点采集五个子样本，按照相同程序处理后合并成一个均匀的代表性样本。根据Beckers等（2017）和Edwards等（2015）的方法，使用根摇动技术在实验室采集根际土壤。将部分土壤样品在室温（约25°C）下风干，用研磨机粉碎，然后在粉碎机（FW100，天津泰赛特仪器有限公司）中研磨，并通过100目筛网筛选，以便后续分析元素组成和物理化学性质。谷粒样品用去离子水清洗后，用牛皮纸袋包装并在60°C下烘干3天直至完全干燥。用水稻脱粒机（LTJM-2099，上海精米仪器有限公司）脱粒，再用研磨机研磨并通过100目筛网筛选。部分采集的样品放入标记的聚乙烯塑料袋中，存放在25°C下；这些处理后的样品用于元素分析。剩余的土壤和谷粒样品在液氮条件下冷冻干燥，然后粉碎成粉末，通过100目筛网筛选。准备好的样品被装入标有日期、样品信息、粒径（细度）的袋子中，并存放在干燥器中以备将来使用。采用冻干技术来最大限度地保持样品中目标物质的完整性，不发生改变。在ZJ地区收集了50组相应的土壤-稻穗样品，从RA地区收集了38组样品。2.3 土壤的物理化学分析土壤的化学性质按照Bao（2000）的方法进行测定。土壤的pH值和电导率（EC）是在土壤与超纯水的比例为1:2.5的悬浮液中，分别使用pH计（PHS-3C，上海乐仪）和电导率计（DDS-307A，上海乐仪）测量的。土壤的阳离子交换容量（CEC）通过火焰原子吸收光谱法（FAAS）测定，首先用醋酸钠溶液（pH 8.2）饱和，然后用醋酸铵溶液（pH 7.0）置换被吸收的钠离子。CEC是在土壤测试实验室中通过计算土壤中的钙、镁和钾浓度，并结合从缓冲液pH值得到的可交换氢浓度来估算的。土壤有机质通过重铬酸钾氧化法进行测定。所有实验都在浙江省地质科学研究院的实验室中进行。2.4 硒（Se）和镉（Cd）浓度土壤中的有效硒（ASe）和镉（ACd）指的是植物可利用的硒和镉的量。土壤中的ASe和ACd浓度取决于多种因素，包括土壤pH值、土壤有机质、微生物活性、水分、质地和温度（Farooq等人，2023年；Stroud等人，2010年）。土壤样品中的ASe和ACd组分使用碳酸氢铵-二乙烯三胺-五乙酸（AB-DTPA）提取（Shaheen等人，2017年）。精确称取5克处理过的土壤，在25℃下与20毫升0.5 M NH4HCO3和0.005 M 二乙烯三胺五乙酸（DTPA）混合液振荡2小时。以3000转/分钟离心20分钟后，收集上清液作为ASe和ACd成分。土壤和稻谷中的总硒（TSe）和总镉（TCd）浓度测定方法如下：称取0.2克土壤和稻谷样品，在50毫升锥形瓶中加入10毫升HNO3-HClO4（4:1，v/v）在室温下消化12小时。样品在加热板上分别于100℃消化1小时、120℃消化2小时、180℃消化1小时，然后继续在210℃加热直至产生白色烟雾。锥形瓶中剩余约2毫升消化液，冷却至室温后转移到25毫升容量瓶中，并用去离子水定容。TCd浓度通过AAS（ICE 3000，Thermo Fisher Scientific，美国马萨诸塞州沃尔瑟姆）测定。TSe浓度通过氢化物生成原子荧光光谱法（HG-AFS：9230，北京Titan Instrument Co.，北京）测定，所有样品在冷却后用5毫升12 mol/kg HCl还原为亚硒酸盐。2.5 硒和镉的形态化学分析硒和镉的形态分析按照Zhang（2019）的方法进行。硒形态的具体检测方法见补充材料，主要步骤如下：将1克冻干并研磨成粉末的土壤和稻谷样品称入40毫升玻璃瓶中，加入0.05克纤维素酶，然后在37℃下孵育3小时以酶解细胞壁成分。随后加入0.05克蛋白酶XIV，继续在37℃下孵育12小时以确保蛋白质完全降解。重要的是，在加入蛋白酶XIV之前必须先加入纤维素酶，以防止在此过程中发生蛋白质降解。混合物中加入15毫升甲醇过夜，然后用10毫升二氯甲烷（DCM）提取，然后放入真空冷冻浓缩器中，冷阱温度设置为-106℃直至样品完全干燥。干燥后，用2毫升去离子水重新悬浮样品，再用Sep-Pak Classic C18柱（360毫克55-105微米）过滤到样品瓶中，使用强阴离子交换柱（PRP-X100，Hamilton，内华达州里诺：4.1毫米×250毫米×10微米）-高效液相色谱（LC-20AT，岛津，东京，日本）-电感耦合等离子体质谱（SAX-HPLC-ICP-MS；Series X2，Thermo Fisher Scientific）检测硒的形态。标准硒化合物溶液：硒半胱氨酸（SeCys2）、硒代蛋氨酸（SeMet）、硒甲基硒半胱氨酸（SeMeCys）、亚硒酸盐（SeO₃²⁻）和硒酸盐（SeO₄²⁻）（国家参考物质中心，中国）用于通过匹配保留时间来识别样品溶液中的硒形态。通过ICP-MS监测78Se和114Cd同位素的保留时间，并直接比较测试样品与标准样品的保留时间。硒和镉形态的比例通过面积归一化方法计算。此外，这项HPLC-ICP-MS分析的主要目的是研究硒和镉之间的特定相互作用。通过同时监测78Se和114Cd，该方法可以选择性地识别在色谱分离过程中与含硒化合物结合的镉部分。因此，本研究中讨论的“镉形态”特指“与硒物种共洗脱的镉”。它不代表样品中所有镉物种的完整谱系，如游离的Cd²⁺、Cd无机复合物或与其它有机配体结合的Cd。2.6 质量控制和质量保证每个样品制备批次都包括过程空白重复样品，以及三次分析重复样品，以监测方法的可重复性和潜在污染。在仪器分析之前，分析预定浓度的参考样品以验证仪器稳定性，保持平行样品中总硒的相对标准偏差（RSD）低于5%。对于总硒/镉的定量，同时分析认证参考物质（CRMs）：Bush Branch（GBW 07603-GSV-2，Se = 120 ± 20 μg/kg，Cd = 380 ± 40 μg/kg）和Peanut Soil（GBW 07402-GSS-2，Se = 160 ± 40 μg/kg，Cd = 710 ± 220 μg/kg），总硒的CRM范围为84.46–109.13%，总镉的CRM范围为83.74–108.67%。对于硒形态分析，使用SELM-1富硒酵母CRM（加拿大国家研究委员会；SeMet含量为Se 1285±105 mg/kg）进行与测试样品相同的预处理和分析程序。测得的SeMet含量显示CRM回收率为84.13-118.08%，评估了预处理效率和物种稳定性。所有CRM分析的RSD < 3%，总硒和镉的回收率分别为82-114%和84-107%，确认了方法的稳健性和可靠性。五种硒物种的检测限（LODs）如下：Se4+为0.52 ng/mL，Se6+为1.51 ng/mL，SeCys2为1.12 ng/mL，SeMet为1.81 ng/mL，SeMeCys为1.20 ng/mL。2.7 生物浓缩因子与之前的研究一样，计算生物浓缩因子（BCF）以指示植物中元素的生物浓缩程度（Ma等人，2023年）。在本研究中，引入了硒和镉的BCF来定量评估土壤到稻谷中硒和镉的生物利用度。公式如下：BCF = Crice/Csoil，其中Crice是稻谷中的总浓度，Csoil是土壤中的总浓度。2.8 统计分析数据使用IBM SPSS Statistics 26（SPSS Inc.，美国伊利诺伊州芝加哥）进行方差分析（ANOVA）。测量值表示为平均值±标准偏差（SD）。数据可视化使用Origin 2019（Origin Lab Corporation，美国马萨诸塞州北安普顿）完成。3. 结果3.1 土壤的物理和化学性质RA和ZJ地区的土壤pH平均值分别为5.46 ± 0.29和6.55 ± 0.83，ZJ地区的土壤pH显著高于RA地区（p < 0.05）（图1A）。RA和ZJ地区的平均土壤有机质含量分别为41.89 ± 9.32和49.00 ± 10.61 g/kg，两个地区之间没有显著差异（p > 0.05）（图1B）。RA和ZJ地区的平均电导率（EC）值分别为6.66 ± 1.75和19.61 ± 9.65 mS/m，ZJ地区的EC显著高于RA地区（p < 0.05）（图1C）。RA和ZJ地区的平均阳离子交换容量（CEC）值分别为12.47 ± 2.01和17.12 ± 2.60 cmol(+)/kg，ZJ地区的CEC显著高于RA地区（p < 0.05）（图1D，表S1）。总体而言，两个地区的土壤物理化学性质存在显著差异。下载：下载高分辨率图像（173KB）下载：下载全尺寸图像图1. RA和ZJ地区的土壤pH（A）、有机质（OM）（B）、电导率（EC）（C）和阳离子交换容量（CEC）（D）。（ns表示RA和ZJ地区之间没有显著差异（p > 0.05），*表示RA和ZJ地区之间有显著差异（p < 0.05））。3.2 土壤中的硒和镉浓度RA和ZJ地区0–20厘米土壤样品的平均TSe浓度分别为0.48 ± 0.12和0.95 ± 0.43 mg/kg；平均ASe浓度分别为0.03 ± 0.01和0.09 ± 0.06 mg/kg。ZJ地区的TSe和ASe浓度显著高于RA地区（p < 0.05），ZJ地区的TSe浓度是RA地区的1.98倍，ASe浓度是RA地区的2.67倍（图2A）。由于两个地区土壤硒浓度存在显著差异，为了便于描述，RA地区被定义为相对低硒（RLSe）区域，ZJ地区被定义为相对高硒（RHSe）区域。RA和ZJ地区的平均TCd浓度分别为0.25 ± 0.06和0.90 ± 0.62 mg/kg，平均ACd浓度分别为0.13 ± 0.05和0.53 ± 0.40 mg/kg（图2A）。ZJ地区的TCd浓度是RA地区的3.60倍，而ACd浓度是RA地区的4.08倍（p < 0.05）。两个地区的土壤硒和镉浓度存在显著差异，RLSe地区的土壤镉浓度较低，而RHSe地区的土壤镉浓度较高。土壤元素的有效含量和总含量之间通常存在显著相关性（图S2）。进一步的相关性分析显示，土壤TSe和TCd浓度（图2B）以及土壤ASe和ACd浓度（图2C）之间存在显著正相关（p < 0.05），这表明土壤硒和镉浓度之间存在特定相互作用。下载：下载高分辨率图像（272KB）下载：下载全尺寸图像图2. RA和ZJ地区的土壤硒和镉浓度（不同字母表示RA和ZJ地区之间有显著差异（p < 0.05））。3.3 稻米中的硒和镉浓度以及BCF两个地区的稻米硒和镉浓度如图3A所示。RLSe和RHSe地区的稻米TSe浓度范围分别为0.0−0.14和0.01−0.74 mg/kg，平均值分别为0.06 ± 0.03和0.11 ± 0.11 mg/kg。RHSe地区的稻米硒浓度显著高于RLSe地区（p < 0.01），RHSe地区的稻米硒浓度是RLSe地区的1.68倍。RLSe和RHSe地区的稻米镉浓度范围分别为0.01−0.71和0.01−1.19 mg/kg，平均值分别为0.17 ± 0.18和0.19 ± 0.23 mg/kg。两个地区的稻米镉浓度没有显著差异（p > 0.05）。结果表明，RHSe地区的稻米镉浓度没有高于RLSe地区。这可能是由于硒的存在限制了稻米中镉的积累。下载：下载高分辨率图像（97KB）下载：下载全尺寸图像图3. RA和ZJ地区的稻米硒和镉浓度（A）以及硒和镉的BCF（B）（ns表示两个地区之间没有显著差异（p > 0.05），*表示两个地区之间有显著差异（p < 0.05），**表示RA和ZJ地区之间有非常显著的差异（p < 0.01））。BCF反映了元素在土壤和稻米之间的转移和富集。我们的研究表明，RLSe和RHSe地区稻米中硒的BCF范围分别为0.04−0.56和0.01−0.27，平均值分别为0.14 ± 0.09和0.10 ± 0.05。水稻中镉的生物累积因子（BCF）在RLSe区域和RHSe区域的范围分别为0.05−2.54和0.01−2.38，平均值分别为0.69 ± 0.65和0.25 ± 0.38（图3B）。RHSe区域的镉BCF显著低于RLSe区域（p < 0.01）。这一观察结果表明，研究区域土壤中高浓度的硒可以降低镉的BCF，从而减少水稻中镉的积累。3.4 硒形态的组成特征硒在水稻中主要以Se6+、Se4+、SeCys、SeMet、MeSeCys以及一些中间代谢物的形式存在。Se6+和Se4+是硒的无机形式，对人体比其他形式的硒更具毒性（Hatfield等人，2014年；Yin等人，2019年）。相比之下，SeCys和SeMet是硒的有机形式，人体更容易吸收和利用（Yuan等人，2023年）。对两个区域水稻中硒种类的检测和分析显示，RLSe区域只有五个样本含有无机硒，且所占比例相对较小，而其余样本主要含有SeCys和SeMet，其中SeCys的比例最高。这两种形式的硒分别占总量的30−78%和22−70%，平均值为52%和41%，其中SeCys在样本中占最大比例。RHSe区域只有两个水稻颗粒样本不含无机硒，其余样本含有无机硒，主要以Se6+为主。无机硒的比例在2%到42%之间，平均值为12.7%。然而，水稻中主要的硒形式仍然是SeCys和SeMet，分别占总量的16−75%和11−78%，平均值为40%和48.8%；因此，SeMet在水稻样本中占最大比例（图4）。这表明，不同土壤硒水平下，水稻颗粒中硒形态的组成特征存在显著差异。下载：下载高分辨率图像（170KB）下载：下载全尺寸图像图4. RA和ZJ区域水稻颗粒中硒形态的组成特征。4. 讨论4.1 硒可以减轻镉的吸收及其在水稻中的富集在这项研究中，浙江省的两个区域都被归类为高硒环境（0.4−3.0 mg/kg）（Tan，1989年）。RHSe区域的土壤总硒（TSe）和活性硒（ASe）浓度显著高于RLSe区域（图2）。植物从土壤中吸收可利用的元素，包括硒，这些元素通过植物传输并最终在可食用部分积累。当被摄入时，硒可能对健康有益（Dinh等人，2018年）。作物可食用部分中元素的BCF用于评估其对硒等元素的富集能力（Lin等人，2012年）。本研究表明，RHSe区域水稻颗粒中的镉BCF显著低于RLSe区域，从而减少了水稻中镉的吸收和富集。许多先前的研究也证实了这种相互作用，即随着实验处理中硒浓度的增加，小麦和水稻颗粒中的镉BCF显著降低（Li等人，2022年；Wu等人，2020年；Wu等人，2024年）。因此，高土壤硒环境可能会影响水稻作物中镉的吸收和富集，导致水稻中镉的积累减少（Guo等人，2021年；Jiang等人，2023年；Zhou等人，2024年；Zwolak，2020年）。众所周知，土壤中的硒可以与重金属形成不溶性复合物，从而减少作物（如水稻）中重金属（例如镉）的吸收和积累（Dobritzsch等人，2015年；Guo等人，2021年；Huang等人，2017年；Qi等人，2021年）。例如，土壤中硒-汞复合物的形成可以减少水稻中汞的吸收和积累（Chang等人，2020年），而硒-镉复合物的形成可以减少作物中镉的吸收和积累（Guo等人，2021年；Nguyen等人，2015年）。这表明土壤中硒与重金属之间存在多种相互作用，这可能是高硒土壤能够减少谷物中镉积累的原因之一。在这项研究中，我们使用结构方程建模分析了土壤物理化学性质和其他元素浓度对土壤硒水平的影响及其作用强度（图5，卡方检验χ2 = 33，自由度df = 17，比较拟合指数GFI = 0.778，估计均方根误差RMSEA = 0.242）。土壤的物理和化学性质对土壤硒浓度没有显著影响。这可能是因为每个独立影响因素对土壤硒浓度都有正面或负面的影响，但在整个系统中，这些正面或负面影响相互抵消了。最终，这表明总体物理和化学性质对研究区域的土壤硒浓度没有显著影响（Nakamaru等人，2005年；Tolu等人，2014年）。土壤中的镉水平是影响土壤硒水平的最大因素，表明土壤中硒和镉之间存在复杂的相互作用。因此，推测在本研究调查的土壤中也可能存在相同的机制。然而，大多数先前的研究将土壤中不溶性硒-镉复合物的存在视为无机硒和镉之间的化学反应，而忽略了有机硒种类与土壤镉之间的相互作用。下载：下载高分辨率图像（115KB）下载：下载全尺寸图像图5. 影响土壤硒水平的环境系统的结构方程建模分析。红色箭头表示P < 0.05时的显著差异，黑色箭头表示无显著差异。箭头上的数字是标准化路径系数。4.2 土壤中SeCys和SeMet与镉的络合进一步分析了土壤中硒和镉的复合物，以探讨土壤中不溶性硒-镉复合物的存在是否限制了镉的移动性。在同时监测硒和镉的色谱图中，观察到与镉信号完全共洗脱的峰出现在对应于SeCys或SeMet的保留时间。这表明在这些组分中，SeCys或SeMet可能与镉结合或共存于某些复合物中。为了简化后续讨论，我们将这些共洗脱峰称为“SeCys-Cd”和“SeMet-Cd”。需要明确的是，这些名称并不指特定的、化学计量的化合物，而是代表可能含有SeCys或SeMet、镉以及潜在其他配体（如植物螯合素、谷胱甘肽）的混合复合物或配位物种。结果表明，RHSe区域的土壤中含有与镉结合的SeCys和SeMet，而在RLSe区域的土壤中未发现这些复合物（图6）。这一观察结果可能与土壤中硒的存在形式有关。通常，土壤中只存在Se4+和Se6+，而在高硒土壤中可能存在有机硒种类（如SeCys和SeMet）（Pyrzyńska，1996年；Thiry等人，2012年；Ullah等人，2019年）。有机硒化合物通常通过生物活动产生（Bañuelos和Lin，2007年；Winkel等人，2015年）。Rosenfeld等人表明，高硒环境形成了有利于耐硒微生物的群落（Rosenfeld等人，2018年）。硒还原细菌可以通过同化还原过程将Se4+和Se6+转化为含硒的氨基酸和硒蛋白（Jiang等人，2024年；Liao等人，2024年）。因此，在高硒环境中，土壤中有机硒种类的比例会更高，正如Qin等人（2017年）所报告的那样，他们发现有机硒在富硒农业土壤中占主导地位（总硒的56−81%）（Qin等人，2017年），这与我们的结果一致。此外，硒的化学性质与硫相似（Shanker等人，1996年），由此产生的硒醇也与硫醇类似，两者都能结合重金属（Oliveira等人，2017年；Rocha等人，2017年）。由于硒的离子半径较大且电负性较低，其结合重金属的能力更强（Falnoga和Tušek-Žnidarič，2007年；Farina等人，2011年；Sugiura等人，1976年）。SeCys和SeMet天然具有结合重金属的能力（Zhang等人，2019年）。因此，高硒区域土壤中的SeCys和SeMet可以与镉形成移动性较低的复合物（图S3）。然而，确定这些复合物是否存在于硒富集程度较高的水稻颗粒中是必要的。下载：下载高分辨率图像（199KB）下载：下载全尺寸图像图6. 两个区域土壤中SeCys和SeMet与镉的形态峰。4.3 水稻中SeCys和SeMet与镉的络合作物是将硒等元素从土壤转移到人体中的重要纽带。因此，研究人员越来越关注作物可食用部分中硒的含量和形式（Schiavon和Pilon-Smits，2017b）。作物可以通过生理和生化过程将无机硒转化为有机硒并储存在可食用部分（Zhang和Chu，2022年）。因此，作物的可食用部分含有比植物其他部分更多的有机硒种类，尤其是在水稻作物中（Farooq等人，2024年）。水稻的所有作物中有机硒浓度最高（Farooq等人，2024年）。目前尚不清楚SeCys和SeMet在水稻颗粒中与镉的结合方式是否与在土壤中的相同，需要进一步分析水稻中硒和镉的形态。结果表明，SeCys和SeMet在水稻植物中与镉结合形成一系列复合物（图6），这可能减轻镉的毒性并同时限制镉在液泡外的转移。镉通过多种机制引起氧化应激，包括活性氧（ROS）的生成和抗氧化酶活性的抑制（Luo等人，2019年）。植物中的SeCys和SeMet等化合物可以缓解镉引起的氧化应激（Gladyshev，2017年；Li等人，2008年）。SeCys作为硒蛋白的活性中心（Zhao等人，2022年），通过参与多种抗氧化过程（如谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）和硫氧还蛋白还原酶（TrxR）的形成）来调节细胞内的氧化还原平衡，有效清除ROS并减轻氧化应激（Zhao等人，2022年；Li等人，2008年）。硒代蛋氨酸是硒的储存形式，在特定条件下可以转化为参与氧化还原调节的其他硒化合物，从而缓解氧化应激引起的细胞损伤（Li等人，2008年）。此外，硒促进植物中谷胱甘肽（GSH）和植物螯合素（PCs）等化合物的合成，促进它们与镉形成复合物（如GSH-Cd和PCs-Cd）（Yang等人，2009年；Srivashtav等人，2019年）。这些复合物进一步被隔离在液泡中，从而降低镉的生物利用度。植物通过质外途径和质内途径吸收和转移硒和镉离子（Liu等人，2024年）。镉离子通过转运蛋白（如锌-铁通透性（ZIP）家族、黄条状（YSL）家族和天然抗性相关巨噬细胞蛋白（NRAMP）家族）进入质内（Tao和Lu，2022年；Liu等人，2024年；Ma等人，2024年），而硒离子随后在质内代谢为硒胺酸（Cheng等人，2024年）。这些硒胺酸随后参与形成硒配体（如植物螯合素（PCs）、谷胱甘肽（GSH）和金属硫蛋白（MTs），从而在质内实现SeCys/SeMet与镉之间的复杂相互作用（Cheng等人，2024年；Xia等人，2024年）。这一过程可能受到特定转运基因（如OsHMA3）和转运蛋白（包括金属硫蛋白、植物螯合素以及ATP结合盒（ABC）转运蛋白）的调节（Cui等人，2018年）。此外，该研究表明SeCys和SeMet可以在水稻中与Cd结合，进一步证明了SeCys和SeMet具有与Cd结合的能力（图6）。在水稻中，SeCys和SeMet与Cd形成的结合复合物在两个区域存在差异：RLSe区域仅存在SeCys-Cd复合物，而RHSe区域同时存在SeCys-Cd和SeMet-Cd复合物。需要明确的是，SeCys-Cd和SeMet-Cd的命名并不简单地表示硒氨基酸与Cd直接反应形成的化学加合物。实际上，这些术语涵盖了多种分子种类，其中SeCys或SeMet残基与Cd同时配位，例如谷胱甘肽-镉（GSH-Cd）或植物螯合素-镉（PCs-Cd）复合物（Yang等人，2009年；Srivastav等人，2019年）。我们推测这可能与水稻籽粒中硒氨基酸的组成特性有关。RLSe区域主要以SeCys为主，而RHSe区域主要以SeMet为主。随着籽粒中Se浓度的增加，SeCys的比例逐渐减少，而SeMet的比例逐渐增加，这与以往的研究结果一致（Sun等人，2010年；Yuan等人，2023年）。Yuan等人（2023年）发现，随着糙米中Se浓度的增加，SeCys的比例逐渐减少，而SeMet的比例逐渐增加。这一观察结果与Sun等人（2010年）的报告相符，他们指出在高Se含量的水稻品种中SeMet的含量显著较高，而低Se含量的品种中SeCys的含量较低。这种差异是由于SeCys和SeMet对Se供应的反应机制不同所致。当Se供应增加时，植物会以SeMet的形式将多余的Se储存在蛋白质中（尤其是种子储存蛋白中），以降低Se的毒性（Carey等人，2012年）。因此，水稻籽粒中的SeMet浓度随着Se浓度的增加而呈线性增长。硒半胱氨酸是硒蛋白（如谷胱甘肽过氧化物酶）的关键组成部分，其合成需要特定的调控机制（Schiavon和Pilon-Smits，2017a）。SeMet的非毒性储存补充了SeCys的功能利用。植物通过优先将Se转化为SeMet来适应高Se环境，而SeCys的合成受到严格调控，以维持必需硒蛋白的功能（Fournier等人，2010年；Sors等人，2009年）。因此，水稻中SeCys和SeMet的组成特性差异可能导致SeCys-Cd和SeMet-Cd的差异。SeCys和SeMet都具有与Cd结合的能力（Badiello等人，1996年；Nguyen等人，2015年）；然而，它们之间的结合亲和力差异可能会影响水稻中的SeCys-Cd和SeMet-Cd（图7）。下载：下载高分辨率图像（249KB）下载：下载全尺寸图像图7. 两个区域水稻籽粒中SeCys和SeMet与Cd的形态学峰。4.4. SeCys和SeMet与Cd结合亲和力的差异进一步分析了水稻籽粒中SeCys和SeMet与Cd的结合亲和力差异。在RLSe区域，检测到了SeCys和SeMet；然而，只有SeCys被观察到与Cd结合，这表明在该区域SeCys与Cd的结合能力更强。相比之下，RHSe区域同时存在SeCys和SeMet与Cd的结合物。通过比较镉与硒峰的信号强度比来表征它们的结合亲和力：比值越大，相应的硒氨基酸与Cd的结合能力越强；比值越小，结合能力越弱。具体来说，较高的比值表示每单位硒氨基酸结合的Cd量更多，表明结合亲和力更强。分析显示，Cd与SeCys的比值大于Cd与SeMet的比值，表明SeCys与Cd的结合亲和力更强。这可能归因于SeCys和SeMet不同的分子结构（图S4）和生理作用。首先，SeMet通过其硒醚结构形成结合位点的能力相对较低，因为硒醚位于稳定的氨基酸侧链上，因此其与Cd的结合能力有限（Badiello等人，1996年）。相比之下，SeCys中的硒醇（-SeH）部分提供了更稳定的结合位点，使其能够更有效地与Cd形成强配位复合物（Jiang等人，2021年）。其次，在Se解毒过程中，SeMet在植物中起着更重要的作用，尤其是在Se含量较高时（Pilon-Smits，2019年；White，2018年）。Lewis等人（1974年）报告称，SeMet可以部分甲基化并转化为二甲基硒化物（DMSe），这是一种挥发性化合物，会降低SeMet活性形式与Cd结合的能力。相比之下，SeCys基本保持其原始形式，并保留了与Cd相互作用的能力。因此，由于分子结构和生理作用的差异，SeCys与Cd的结合亲和力更强。本研究主要探讨了SeCys和SeMet对水稻籽粒中Cd积累的影响和机制。确定的共洗脱模式强烈表明，在我们的研究系统中，SeCys和SeMet是参与Cd结合的主要硒物种。这些发现为未来使用电喷雾离子化串联质谱（ESI-MS/MS）等技术进行分子水平表征提供了坚实的基础。基于这些发现，未来的研究应进行更精确控制的变量实验以提供更有力的证据。此外，还需要结合小鼠模型和人类健康评估技术，来评估含有SeCys-Cd和SeMet-Cd的水稻对人体健康的影响和潜在风险。此外，应通过整合多组学方法（包括土壤微生物组、转录组、代谢组和蛋白质组的分析）来深入研究Se-Cd相互作用机制（图8）。下载：下载高分辨率图像（216KB）下载：下载全尺寸图像图8. 水稻籽粒中Se浓度与SeCys和SeMet比例的关系（A）以及RHSe区域20个水稻籽粒中Cd峰与SeCys和SeMet峰的比值（B）。5. 结论确定SeCys和SeMet与土壤和水稻籽粒中Cd的相互作用将有助于更全面地理解土壤-水稻系统中Se和Cd的相互作用。我们的研究发现，通过结构方程建模分析，土壤中的Se与Cd之间存在强烈的相互作用。RHSe区域中SeCys和SeMet与Cd形成的结合复合物增强了土壤对Cd的固定作用，并降低了水稻中的Cd生物累积因子（BCF）。此外，水稻籽粒中的SeCys和SeMet也可能与Cd相互作用。由于水稻籽粒中SeCys和SeMet的组成特性不同，以及它们与Cd的结合能力不同，两个区域中的SeCys-Cd和SeMet-Cd水平也存在差异。然而，需要使用先进的设备和精确控制变量的实验室实验来进一步阐明不同形式Se与Cd之间的相互作用。未引用的参考文献（Di等人，2024年；IARC，1993年；Ma等人，2025年；Schiavon和Pilon-Smits，2017a；Wang等人，2020年）CRedI作者贡献声明：Mengqi Li：撰写——审阅与编辑、资源、方法学、研究、资金获取；Jiaping Song：撰写——审阅与编辑、可视化、方法学、形式分析、概念化；Zhangmin Wang：撰写——审阅与编辑、监督、资源、项目管理；Ofori Prince Danso：撰写——审阅与编辑、可视化、形式分析、数据管理；Xuebin Yin：撰写——审阅与编辑、监督、资源、项目管理、方法学、概念化；Xiaodong Liu：撰写——审阅与编辑、监督、方法学、概念化；Gary S. Bañuelos：撰写——审阅与编辑、验证、方法学、形式分析；Zezhou Zhang：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源、项目管理、研究、概念化；Shanshan Niu：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件、方法学、研究、形式分析、数据管理、概念化；Muhammad Raza Farooq：撰写——审阅与编辑、可视化、软件、方法学、形式分析。
