植物中微量元素硒的研究进展

植物中微量元素硒的研究进展朱金霞1,周文生2,郭生虎1*(1.宁夏农林科学院农业生物技术研究中心,宁夏银川750002;2.宁夏地质调查院,宁夏银川750021)摘要 微量元素硒不仅是人和动物必需的营养元素,也是植物生长发育不可缺乏的元素。

植物体内的硒主要以硒蛋白、硒多糖、硒核酸等多种有机硒形态存在。

对植物中硒的分布规律、赋存形式及主要生物态有机硒的分离纯化方法方面的研究工作进行综述,为植物中有机硒的深入研究提供参考依据。

关键词 有机硒;硒蛋白;硒多糖;硒核酸;分离纯化中图分类号 S 311 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2009)13-05844-02Adv ances o f Studies on Microelem ent Selenium in Plants ZHU Jin xia et a l (Agricul tu ral Biotechn ology C enter,Ningxia Acad emy of Agricultu re an d Forestry Sciences,Yinch uan,Ningxia 750002)Abstract Seleni um is not on ly a kind of essential nutrient elemen t for h uman being and animals,b ut it is also in dispensable in plant growth.In pl an ts,the forms of seleniu m are m an y kinds of organic seleniu m,i nclu ding selenium protein,seleniu m amylose and seleniu m nucleic acid and s o on.The dis tri b ution la ws,occurrence forms an d the separation and purification of main organic seleni um in plan tswere revie wed,which provided reference basis for the further research on organic seleniu m in plan ts.Key w ords Organic seleniu m;Selenium protei n;Seleni um amyl ose;Selenium nucleic acid ;Separation and pu rification基金项目 宁夏回族自治区自然科学基金项目(NZ0859,NZ0763)。

作者简介 朱金霞(1977-),女,宁夏中宁人,硕士,助理研究员,从事植物中活性成分分离纯化及检测方面的研究。

*通讯作者。

收稿日期 2009 02 16微量元素硒具有防癌、抗癌、抗氧化、拮抗重金属、抗逆境等多种生物学活性,缺硒会引起克山病、大骨病等40多种疾病,补充硒则可以防治缺硒病。

大量科学实践已经证明,有机硒,特别是生物态有机硒,毒性小,有利于人体吸收[1-7]。

我国有72%的地区处于低硒区[8],在这些地区人们利用土壤施硒或叶面喷施硒酸盐也生产出了富硒茶、富硒大蒜、富硒枸杞等产品,为缺硒地区人民补硒作出了重要贡献。

植物体内硒与有机硒的生物活性的研究于20世纪70年代发展起来,并且得到广泛的研究,现在已取得了一定的研究成果。

笔者对植物体内硒的分布规律、硒的赋存形态及分离纯化方法进行综述,以期为植物中含硒活性物质的深入研究和深加工开发提供参考依据。

1 植物硒的分布规律硒为植物所必需的营养元素。

由于土壤和水中的硒在地域上分布不均衡,使得植物中硒的含量存在着地区性差异。

湖北恩施州是我国最大也是世界罕见的高硒区,区内含硒量比一般地区高出数十倍乃至数百倍,该地区一些常见的植物大蒜、魔芋、板党、南瓜等的硒含量明显高于其他地区的同种植物。

处于同一自然环境条件下的各种植物硒的含量也存在明显的差异,十字花科、禾本科植物富集硒的能力比蔬菜水果要强[9-10]。

同一植物不同器官及不同生长发育期,其含硒量也有所不同,但趋向于分布在植株生长旺盛的器官[11-12]。

落花生成熟收获后,硒含量分布为果仁>果壳>茎>叶[11];香蒲中硒元素分布规律为须根>根茎>叶[12]。

2 植物体内硒的赋存形式高等植物体内硒以无机硒和有机硒两种形态存在[13-14]。

一般来说,植物体内无机硒含量较少,占总硒的8%左右(茶叶),主要以Se( )形态出现;生物态有机硒以硒蛋白质、硒多糖、硒核酸、硒代氨基酸、含硒多肽、含硒R NA 、各种甲基硒化物、硒果胶、硒多酚、硒黄酮及含硒类胡萝卜素等形式存在,占总硒的80%以上,其中又以硒蛋白为主。

2.1 硒蛋白 普遍认为硒蛋白复合物是硒在有机体内的主要存在形式。

硒蛋白是硒以硒半胱氨酸(Sec)形式参入形成的蛋白质。

Se c 作为参入蛋白质的第21种氨基酸,由硒蛋白mRN A 上的UG A 编码。

在原核生物中,Sec 参入硒蛋白的相关因子及其参入机制已基本阐明,Sec 在SEL A 、SELB 、SELC 、SELD 及Se c 插入序列(SECIS)等的共同作用下参入到蛋白质中。

在真核生物中,Sec 参入硒蛋白的可能途径是:Ser tRN A[Ser]Sec 通过磷酸丝氨酰 t R NA[Se r]Sec 最终转变为Sec t R NA[Ser]Sec,并在延伸因子及相关蛋白质因子的作用下参入到硒蛋白中。

硒蛋白的合成在翻译前水平、mRN A 水平、供硒水平等都受到相应的调控[15]。

郭静成等也已证实,植物体中含有谷胱甘肽过氧化物酶(GSH P x)[16]。

硒蛋白是植物体内含量最高的一类大分子化合物,在富硒茶叶中,硒蛋白占有机硒的80.0%左右[8];在富硒枸杞中,硒蛋白占有机硒的79.4%[17];在番茄中,硒蛋白占有机硒的90.9%[18];在富硒大蒜中,硒蛋白占有机硒的18.2%[19];在玄参中,硒蛋白占总硒的58.7%[20];在富硒大豆中,硒蛋白占总硒的62.9%[21]。

2.2 硒多糖 根据单糖的成分不同,天然硒多糖可分为单一聚糖和杂聚糖。

尚德静等从灵芝加硒培养的菌丝得到了2种灵芝硒多糖,经红外光谱、核磁共振光谱和激光拉曼光谱分析表明,硒取代了灵芝多糖中 OCH 3上的 OC H 3与O 以双键的形式结合,形成了O Se O 结构[22]。

天然硒多糖一般存在于植物或微生物中,但含量较低,即使在高硒地区的富硒植物或微生物中,硒多糖中的硒含量也相对较低。

硒多糖的普遍制备方法是在适宜的培养条件下将无机硒添加到真菌、藻类等的培养基中,通过真菌、藻类等的生长代谢,对硒进行富集和生物转化来获得硒多糖。

其中,成功获得的人工富集的硒多糖和天然硒多糖有灵芝硒多糖[23]、大蒜硒多糖[19]和螺旋藻硒多糖[24]等。

通过高效液相色谱和纸上层析分析硒多糖的水解产物得知,大蒜硒多糖是一种甘露聚糖,可能是以硒酸酯存在。

从富硒螺旋藻中分离到的胞内多糖和胞外多糖都结合有硒,推测可能硒与藻体表面多糖分子形成硒酸酯,胞外多糖含硒量大多是因为胞外的氧化环境可安徽农业科学,Journal of Anhu i Agri.Sci.2009,37(13):5844-5845 责任编辑 孙红忠 责任校对 张士敏能使多糖-金属离子-亚硒酸根离子易于形成配合物[25];而胞内的还原环境不利于多糖与硒结合,故胞内多糖结合硒的能力很弱。

2.3 硒核酸 在对植物无机硒的生物有机化研究中发现,核酸中有硒存在。

左银虎研究表明,宁夏富硒枸杞中含有很小比例的Se R NA[17]。

研究表明,硒和硫、氧同属于元素周期表中第六主族元素,在一定条件下硒可取代硫形成硒代化合物。

植物中发现的Se RN A确切形式都是t R NA,结构为5 甲胺基 2 硒代尿嘧啶[26]。

但还未发现D NA或R NA直接键合的硒,含硒核酸中还有许多要探索的问题,例如硒的结合形式、硒的含量及生物学意义等。

3 植物中有机硒的分离纯化方法3.1 硒蛋白 通常采用有机或无机溶剂混合物为提取液,超声波或机械振摇提取生物样品中硒化物。

不同硒蛋白,分离手段不同。

依据离子特性不同,可用离子交换色谱、离子对色谱及电泳等方法进行分离;依据蛋白吸附性能不同可用薄层色谱、纸色谱及亲和色谱等方法进行分离;依据粒子大小,可用凝胶过滤色谱进行分离。

杜明等通过硫酸铵沉淀、离子交换层析和分子排阻层析等方法,从富硒灵芝中获得了一种新的含硒蛋白,命名为Se GL P,并研究了此蛋白的性质、抗氧化活性与其硒含量间的关系[27]。

结果表明,此蛋白的分子量为36600,分子中约含19.8%的糖链,N端的氨基酸残基序列为DI NG GG A TL PQK L YL TP DV L,属于D IN G蛋白家族;硒含量为4.87mg/g,具有较高的羟自由基和超氧自由基清除活性。

研究发现,Se G L P 的抗氧化活性的提高与其中硒含量的提高相关。

3.2 硒多糖 硒多糖的分离纯化方法主要是参照多糖的分离纯化方法进行的,利用多糖易溶于热水而不溶于有机溶剂的性质进行提取的,目前主要有热水提法、碱溶法、超声波法和酶法等。

水提法时间长且效率低,碱溶法易破坏多糖的立体结构及活性,现在大多采用2种或3种以上方法相结合提取。

硒多糖的纯度分析可采用凝胶柱层析、高压电泳、高压液相色谱、超速离心和旋光度等方法。

为保证测定结果的可靠性,需要综合2种以上方法的测定结果确定其纯度。

尚德静等还对纯化的灵芝硒多糖和灵芝多糖进行结构分析,薄层层析和气相色谱分析表明,灵芝硒多糖和灵芝多糖的单糖组成是相同的[22,28]。

这说明灵芝加硒培养未改变灵芝多糖的组成,只是改变了其中单糖的数量。

红外光谱分析表明,灵芝硒多糖与灵芝多糖一样均是由糖苷键连接的吡喃多糖。

红外光谱、核磁共振光谱和激光拉曼光谱分析证明,硒在多糖内是以O Se O的形式结合,是硒取代了灵芝多糖中甲氧基上的CH3,与O以双键的形式结合,从而形成硒氧双键O Se O结构,首次提出了硒进入灵芝多糖的分子机理。

3.3 硒核酸 含硒核酸的分离纯化方法与普通核酸相同,但是含硒核糖核酸在生物体内通常含量很低又不稳定,因此分离纯化难度很大。

通常提取硒核酸的方法是从生物体中提取粗核糖核酸,并用荧光法等检验此核糖核酸是否含硒,以确定硒核酸是否存在,继而用反相柱色谱、离子交换色谱、凝胶色谱、亲和色谱和电泳法作进一步的分离纯化。

4 小结硒是人体所必需的微量元素之一,食物中的有机硒容易被人体吸收,并能降低癌的发病率,改善心脏病人状况,有益于整个身体机能的改进[29]。