鋅是一種藍(lán)白色金屬，密度為7.14 ｇ／ｃｍ^３，熔點(diǎn)為419.5 ℃，極化力和變形性都較大，有明顯的路易酸特征，常能與Ｎ、Ｏ 等配體生成配位數(shù)為６ 的配離子，形成催化、結(jié)構(gòu)、抑制和蛋白界面結(jié)合位點(diǎn) 。

鋅是植物、動(dòng)物和人體所必需的微量營養(yǎng)元素。1926年，植物缺鋅癥狀在大麥和矮桿向日葵上試驗(yàn)得到驗(yàn)證。20世紀(jì)60年代后，一系列含鋅酶的發(fā)現(xiàn)推動(dòng)了植物中鋅生理作用的研究，進(jìn)而分子生物學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了植物體內(nèi)與鋅吸收運(yùn)輸有關(guān)的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族（如ZIP家族等）的發(fā)現(xiàn) 。

土壤缺鋅是造成植物鋅營養(yǎng)缺乏的主要原因，根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織的報(bào)告，全世界大約有30％的耕地土壤缺鋅，甚至可能高達(dá)50％，石灰質(zhì)土壤、半干旱土壤缺鋅現(xiàn)象更為普遍 。人體缺乏維持健康的必需維生素和礦物質(zhì)，被稱為“隱性饑餓”。人體對(duì)隱性饑餓一時(shí)難以察覺，若忽視則將影響人體的健康，全球有超過20億的人受到隱性饑餓的影響。人體微量元素鋅（Zn）、鐵（Fe）攝入量少，將導(dǎo)致諸如失明、發(fā)育遲緩、智力低下、學(xué)習(xí)障礙、工作能力低下甚至早逝等無法彌補(bǔ)的損害 。實(shí)施生物強(qiáng)化工程，通過生物育種和農(nóng)藝措施改善以提高作物籽粒中微量元素（包括鋅）的含量，從而增加人體微量元素的攝入量、促進(jìn)人體健康，已經(jīng)成為國際關(guān)注的熱點(diǎn)之一 。筆者就作物鋅肥施用與人體鋅素?cái)z入、人體健康等方面的研究作一綜述。

１　鋅與人體健康

鋅存在于人體的各個(gè)器官中，其中在骨骼、肌肉、視網(wǎng)膜和肝臟中含量較多。鋅是人體中代謝最為廣泛的元素，是體內(nèi)200多種酶及脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）的組成成分。

人體中鋅的生理作用主要體現(xiàn)在：保障大腦和神經(jīng)系統(tǒng)的健康，尤其是處于發(fā)育期的胎兒；調(diào)節(jié)來源于生殖系統(tǒng)器官的激素的分泌。此外，鋅對(duì)骨骼和牙齒的形成、外傷傷口的愈合、壓力的緩解、頭發(fā)的生長(zhǎng)等皆有幫助 。由于鋅在人體生長(zhǎng)發(fā)育、生殖遺傳、免疫、內(nèi)分泌等生理過程中具有重要的作用，因此被人們冠以“生命之花”、“智力之源”的美稱。人體鋅的缺乏會(huì)導(dǎo)致身體機(jī)能下降，甚至引發(fā)多種疾病，如導(dǎo)致味覺和嗅覺不靈敏、手指甲上出現(xiàn)白斑點(diǎn)、易感染、膚色蒼白、生育能力低等，青少年和兒童易出現(xiàn)抑郁傾向、缺乏食欲等癥狀 ，而大腦發(fā)育遲緩、糖尿病、神經(jīng)系統(tǒng)紊亂也與缺鋅有關(guān) 。1961年在伊朗發(fā)現(xiàn)首例人體缺鋅病例，此后世界各地相繼報(bào)道了人體缺鋅的病例。世界衛(wèi)生組織（WHO）的資料顯示，鋅缺乏在發(fā)展中國家尤為普遍，影響著約數(shù)十億人口（占全球總?cè)丝诘?7％以上） 。在發(fā)展中國家，約有60％的人口面臨鋅攝入量不足的問題 ，因鋅攝入量不足而導(dǎo)致的患病率在非洲估計(jì)高達(dá)25％，在南亞則高達(dá)29％。在發(fā)展中國家， 鋅的缺乏排在引發(fā)人群疾病病因的第5位 。我國約有１ 億人口受缺鋅的影響，其中30％～60％為學(xué)齡兒童，且主要分布在廣大的農(nóng)村地區(qū) 。1982年在我國新疆伽師等地發(fā)現(xiàn)人體缺鋅綜合癥。

２　人體鋅的攝入

鋅在人體中的功能無法替代，且人體內(nèi)無法合成，必須從食物中攝取，WHO 建議成人每天食物鋅的攝入量為12～16 ｍｇ。美國食品營養(yǎng)委員會(huì)推薦成人每天鋅的攝入量為15 ｍｇ，妊娠期為20 ｍｇ，哺乳期為25 ｍｇ；6個(gè)月以下、體重輕于6kｇ的嬰兒每天攝入鋅３ｍｇ，１ 歲以下、體重輕于10kｇ 的為５ｍｇ，１～６ 歲為10ｍｇ，７ 歲以上的攝入量就應(yīng)該與成人相同。2017年，中華人民共和國國家衛(wèi)生和計(jì)劃生育委員會(huì)發(fā)布了衛(wèi)生行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《中國居民膳食營養(yǎng)素參考攝入量　第３ 部分：微量元素》（ＷＳ／ Ｔ 578.3—2017），其中中國居民膳食微量元素鋅參考攝入量如表１ 所示。

不同食物含鋅量不盡相同，食物中鋅含量的排列次序?yàn)閯?dòng)物性食物＞豆類＞谷類＞水果＞蔬菜，因而以谷類食品為主而不吃肉、豆類，尤其是長(zhǎng)期食用精制米面制品者容易缺鋅。第１次農(nóng)業(yè)綠色革命增加了谷類作物產(chǎn)量，提高了全球糧食供給量，但忽視了糧食品質(zhì)對(duì)環(huán)境和人體健康的影響，以至帶來了“隱性饑餓” 問題，即微量元素的缺乏。尤其是在發(fā)展中國家，居民的飲食習(xí)慣多以禾谷類籽粒為主食，而谷類作物的微量元素含量較低，且在糧食加工過程中有許多損失 。此外，籽粒種子中的植酸容易與Fe^３＋、Zn^２＋等結(jié)合形成不溶配合物，而人體消化系統(tǒng)中缺少水解植酸的酶，直接影響微量元素鋅的吸收，因此，在以植物性食品為主食的發(fā)展中國家人群中，鋅等微量元素缺乏較為普遍 。

為了改善人體的鋅營養(yǎng)健康，人們一直在積極尋找各種可行的措施，目前采取的主要策略：

①藥物防治，直接服用補(bǔ)鋅藥物，如硫酸鋅、乳清酸－精氨酸鋅、甘草酸鋅、葡萄糖酸鋅等；②飲食多樣化，多食富鋅食物以增加人體對(duì)鋅的攝入量，其中肉類、蛋類、牡蠣、蟹、花生、杏仁、土豆等鋅含量高；③食品防御工程，即在食品中添加鋅；④生物強(qiáng)化工程，即通過育種和栽培途徑，提高糧食作物籽粒中微量元素的含量和生物有效性，提高作物可食用部分鋅含量，通過主食提供人體所需的鋅 ，這被認(rèn)為是一種安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、有效的策略 。

藥物防治、食品防御工程及飲食多樣化等措施已在發(fā)達(dá)國家廣泛推廣應(yīng)用并取得了良好的效果，但由于發(fā)展中國家經(jīng)濟(jì)技術(shù)相對(duì)落后，政策扶持有限，食品防御工程和藥品防治措施所發(fā)揮的作用有限，且發(fā)展中國家人群的飲食習(xí)慣多以含鋅量較低的谷物類為主，導(dǎo)致在發(fā)達(dá)國家行之有效的措施在發(fā)展中國家無法得到很好的實(shí)施。

考慮到人體對(duì)食物營養(yǎng)的消化吸收，要保證人體獲得充足的鋅營養(yǎng)，谷物類鋅含量應(yīng)在40～60ｍｇ／ ｋｇ， 而目前谷物類鋅含量?jī)H為10 ～30 ｍｇ／ ｋｇ。以小麥為例，其籽粒鋅含量普遍在20～35ｍｇ／ ｋｇ ，在供鋅不足的石灰性土壤中，小麥籽粒鋅含量?jī)H為10～15mg／ kg，遠(yuǎn)低于滿足人體鋅供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。鋅主要集中在谷物糊粉層及胚芽部位， 胚乳中鋅含量較少。

Ozturk 等 研究表明， 小麥胚乳含鋅量為10mg／ kg， 胚芽及糊粉層中鋅含量達(dá)到100mg／kg。在常規(guī)碾磨谷物籽粒獲取面粉的過程中，胚芽及糊粉層被帶走浪費(fèi)，而低鋅部位（如胚乳等）得以保留。典型的白色小麥面粉中鋅含量?jī)H為５～10mg/kg ，遠(yuǎn)不能滿足人體對(duì)鋅的攝食需求。假設(shè)小麥消費(fèi)國的國民每天攝食面粉400ｇ，面粉中平均鋅含量為8 mg/ kg，鋅的日平均攝入量?jī)H為 3.2 ｍｇ，人體鋅攝入量明顯不足。

2004年1月，國際農(nóng)業(yè)研究磋商委員會(huì)組織啟動(dòng)了“Harvest Plus” 項(xiàng)目，其屬于“全球挑戰(zhàn)計(jì)劃”中的一個(gè)項(xiàng)目。該項(xiàng)目針對(duì)發(fā)展中國家人群鐵、鋅、維生素Ａ等營養(yǎng)普遍貧乏的狀況，旨在培育和推廣富含微量營養(yǎng)元素的作物新品種，克服植物性食物中微量營養(yǎng)元素不足的缺陷，提高膳食營養(yǎng)水平。美國比爾和梅林達(dá)·蓋茨基金會(huì)、美國國際開發(fā)署、世界銀行和丹麥外交部國際發(fā)展署資助該項(xiàng)目，國際熱帶農(nóng)業(yè)中心和國際農(nóng)業(yè)政策研究所負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)，在全球特別是在發(fā)展中國家建立了研究聯(lián)盟進(jìn)行具體實(shí)施。第１ 批啟動(dòng)的研究以玉米、水稻、小麥、大豆、木薯、甘薯６ 種作物為對(duì)象，以鐵、鋅、維生素Ａ 等人體必需的微量元素為研究目標(biāo)，通過傳統(tǒng)育種與分子育種２ 種途徑培育富含微量營養(yǎng)元素的新品種。中國生物強(qiáng)化育種項(xiàng)目是“Harvest  Plus” 項(xiàng)目的一部分，范云六院士為中國生物強(qiáng)化育種項(xiàng)目的召集人，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)，于2005年啟動(dòng)。

３　鋅肥施用與鋅生物強(qiáng)化

鋅在谷物籽粒中的積累取決于土壤因素、作物籽粒灌漿過程中的微量營養(yǎng)元素和水分供應(yīng)、衰老的時(shí)間、灌漿期的長(zhǎng)短以及谷物中氮（Ｎ）的營養(yǎng)狀況等 。谷物籽粒中的鋅主要有2種來源：①開花后根系吸收鋅轉(zhuǎn)運(yùn)至谷物地上部；②開花前鋅直接沉積在營養(yǎng)組織如葉片或莖稈處，在生殖生長(zhǎng)階段再轉(zhuǎn)移至籽粒中。開花前谷物中的鋅在向籽粒的再轉(zhuǎn)移過程中，鋅在植物體內(nèi)的再利用程度與葉片鋅含量、葉片衰老程度及環(huán)境條件關(guān)系密切。土壤是作物生產(chǎn)的基礎(chǔ)，提高土壤質(zhì)量是谷類作物實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的主要途徑之一。土壤中有效鋅含量偏低主要與多種環(huán)境因素有關(guān)，如pＨ中性至堿性、CaCO_３含量高、有機(jī)質(zhì)含量高、鐵和鋁的氧化物含量高、磷含量高、長(zhǎng)期淹水等。據(jù)1997年公布的全國第２ 次土壤普查數(shù)據(jù)，我國缺鋅土壤面積有9.50億畝，占當(dāng)時(shí)全國總耕地面積的45.7％，北方石灰性土壤上種植的作物缺鋅尤為普遍 。世界上缺鋅土壤面積約為30％，甚至可能高達(dá)50％ ，不少土壤缺鋅地區(qū)與人體缺鋅地區(qū)是重疊的（圖１）。

圖1.全球土壤缺鋅與人體缺鋅地區(qū)分布

土壤直接施用鋅肥是鋅生物強(qiáng)化的主要方式之一，最常見的鋅肥是ZnSo４·７H₂O。為確定田間土壤鋅肥的施用量，常以植株鋅含量和土壤有效鋅含量作為參考指標(biāo)。臨界缺鋅土壤的有效鋅（DTPA?Zn）含量為0.5～1.5 ｍｇ／ kg，植株Zn 含量為15 ～25ｍｇ／ kg。由于種植系統(tǒng)和土壤條件不同，各地區(qū)推薦的土壤鋅肥施用量也不同，中東地區(qū)鋅肥推薦量為２～５ kg／ｈｍ^２；印度依據(jù)不同作物推薦的鋅肥用量介于2.5～ 11.0 kg／ｈｍ^２之間 ；Cakmak 等 認(rèn)為種植土耳其小麥的鋅肥推薦施用量以23 kg／ｈｍ^２為宜；Alloway 等在南澳大利亞石灰性土壤上的研究表明，施用９ ～22 kg／ｈｍ^２鋅肥后，肥效至少可保持10 年；Ｌｉｕ等對(duì)我國北方石灰性土壤條件下冬小麥鋅肥施用開展了研究，綜合考慮施用效果、經(jīng)濟(jì)水平及農(nóng)田環(huán)境安全等因素，推薦我國北方冬小麥適宜的鋅肥施用量為11kg／ｈｍ^２，夏玉米為50kg／ｈｍ^２.

在不同地區(qū)和土壤條件下，施用鋅肥后作物產(chǎn)量及籽粒鋅含量的變化響應(yīng)是不同的。土耳其土壤中DTPA?Zn 含量為0.1ｍｇ／ kg，施用鋅肥23 kg／ hm２可使小麥增產(chǎn)３ ～ ５ 倍，籽粒鋅含量提高8.0 mg／ kg 。韓金玲等研究發(fā)現(xiàn)， 在DTPA?Zn含量為0.84mg／ kg 的土壤上，冬小麥ZnSO_４·７Ｈ_２施用量在20ｋｇ／ ｈｍ^２時(shí)產(chǎn)量較高。田娣等的研究表明，鋅肥施用量在15ｋｇ／hm２時(shí)，我國冬小麥增產(chǎn)率達(dá)到18.8％。Ｊｉａｏ 等的研究表明，土壤中施加ZnSO_４可顯著提高亞麻籽和硬質(zhì)小麥籽粒的鋅含量。Soleimani等的研究表明，在DTPA?Zn含量為0.38 ｍｇ／ kg 的土壤上，玉米產(chǎn)量隨鋅肥施用量的增加而顯著提高。

Wang 等的研究表明，施用鋅肥對(duì)春玉米、冬小麥產(chǎn)量及生物量并未產(chǎn)生顯著影響。Zhang 等在盆栽條件下施用鋅肥也未增加玉米產(chǎn)量和生物量，可能是由于供試土壤有效鋅含量較高所致。在河南新鄉(xiāng)缺鋅褐土上進(jìn)行的微區(qū)定位試驗(yàn)研究表明，施鋅肥可顯著提高土壤有效鋅的含量，經(jīng)４ 茬之后，土壤有效鋅含量仍維持在臨界值之上，對(duì)作物產(chǎn)量沒有多大的影響，施鋅可顯著提高前２ 茬小麥和前３ 茬玉米籽粒中鋅的含量 。葉片噴施鋅肥對(duì)于改善谷物籽粒鋅含量的效果更加明顯 。葉面噴施鋅肥可避免鋅在土壤中的固定或轉(zhuǎn)化，無需經(jīng)過根系吸收、莖稈運(yùn)輸?shù)冗^程，可直接通過篩管、導(dǎo)管或者胞間連絲進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。在12個(gè)國家連續(xù)８ 年進(jìn)行不同作物鋅肥土施和葉片噴施的研究表明，土施鋅肥對(duì)提高籽粒鋅含量的效果不明顯，但葉面噴施鋅肥對(duì)提高籽粒鋅含量的效果明顯 。

對(duì)水稻、小麥、玉米的研究表明，與不施鋅肥相比，在土施配合葉面噴施鋅肥的條件下，小麥籽粒鋅含量對(duì)葉面噴施鋅肥響應(yīng)最為顯著，其籽粒鋅含量增加83％；水稻表現(xiàn)為中等響應(yīng)，籽粒鋅含量增加27％；玉米響應(yīng)較弱，籽粒鋅含量增加９％ 。葉面噴施鋅肥可選用ZnSO_４ 和EDTA螯合鋅（如Zn?EDTA），在改善植株缺鋅癥狀和增加組織鋅含量方面表現(xiàn)出一致的效果。對(duì)于鋅的生物強(qiáng)化，葉面噴施鋅肥的時(shí)間至關(guān)重要，大量研究表明在作物發(fā)育較晚階段（最好于灌漿期）而非較早階段噴施鋅肥，作物籽粒對(duì)鋅的富集效果更加顯著。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，２ 次葉面噴施濃度為0.5 ％ 的ZnSO_４可使小麥籽粒中鋅含量增加50％，而對(duì)產(chǎn)量無顯著影響。利用放射性同位素65 Zn 的研究表明，氮供應(yīng)不足限制了谷物根系對(duì)鋅的吸收和鋅由根系向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)， 減少了鋅在籽粒中的積累 ，適量氮肥配施鋅肥可顯著增加小麥籽粒鋅含量 。氮肥和鋅肥配合葉面噴施可顯著提高小麥籽粒鋅含量，鉬鋅肥配合噴施在提高小麥和玉米籽粒鋅積累上具有協(xié)同作用.

合理施用鋅肥是增強(qiáng)鋅生物強(qiáng)化的重要農(nóng)藝措施，對(duì)于常規(guī)育種和現(xiàn)代生物技術(shù)分子育種生物強(qiáng)化具有重要的協(xié)同作用。土施鋅肥可確保土壤中有充足的有效鋅供作物根系吸收，進(jìn)而轉(zhuǎn)運(yùn)至地上部；葉面噴施鋅肥可提高作物營養(yǎng)組織中鋅的含量，促進(jìn)鋅向籽粒的遷移，從而提高作物籽粒中鋅的含量，進(jìn)而提高人體膳食鋅的攝入量，改善人體缺鋅狀況（圖２）。

圖2. 鋅肥施用與人體健康的關(guān)系