土壤重金属污染的植物修复中转基因技术的应用.docx

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1、土壤重金属污染的植物修复中转基因技术的应用宗良纲，李义纯，张丽娜南京农业大学资源环境学院，江苏 南京 摘要：重金属污染的植物修复技术以其费用低廉、不污染环境等优点一度成为环境科学界研究的热点。为了克服植物修复技术中超积累植物生长缓慢和地上部生物量小等带来的限制，近年来研究者通过大量试验研究发现，外源基因在植物体内的高效表达可以提高植物吸收、运输、降解污染物的能力和修复的效率。本文首先对目前国内外重金属污染土壤植物修复的研究动态进行综述，重点论述了、等转基因在土壤重金属污染植物修复中的应用，最后指出在充分考虑到转基因植物给生态环境带来潜在威胁的前提下，转基因技术的研究与开发不仅可以促进多学科的交

2、叉研究和丰富环境科学的研究领域，更重要的是在很大程度上有效地克服了目前土壤重金属污染植物修复中存在并急需解决的棘手问题，为土壤重金属污染的植物修复提供了更加广阔的应用和发展前景。 关键词：重金属；植物修复；转基因技术；土壤中图分类号： 文献标识码： 文章编号：（）在一些发展中国家（主要是印度和中国），土壤污染变得日趋严重。土壤是绿色植物生长的基础，土壤污染物会通过食物链直接或间接影响人类的健康。重金属作为一类危害很大的环境污染物，具有移动性小、污染影响周期长等特点。因此，土壤一旦遭受重金属污染，在短时间内很难去除。自年提出超富集植物的概念以与年提出利用超富集植物清除土壤重金属污染的思想以来，植

3、物修复一直以其成本低、不造成二次污染等优点而备受关注。本文综述了近年来国内外重金属污染土壤植物修复研究中的方法和技术，对转基因技术在土壤重金属污染植物修复中的应用进行了重点论述，最后预测了转基因技术应用于土壤重金属污染植物修复将是今后该研究领域的一个重要的方向,试图为未来进一步开发、应用和发展重金属污染土壤植物修复技术提供依据。 土壤重金属污染植物修复研究动态植物修复是一种利用植物自身的生理特性从环境中吸收或富集一种或多种元素与其化合物，并在其体内进行正常代谢，而自身未表现出中毒症状，从而达到去除环境中污染物目的的技术。目前，植物修复已衍生出多个分支研究领域：植物提取（）、植物挥发（ ）、根际

4、过滤（）和植物固定（ ）。一般将前三者统称为去除过程（ ），而将后者称为稳定过程（ ）。超积累植物是应用于植物修复（ ）的理想植物。通常所说的植物提取、植物挥发、根际过滤与植物固定在很大程度上都是依赖超积累植物来实现的。国内外有关新发现的超积累植物的报道很多-。除此之外，为了更有效地提高超积累植物对重金属的提取效率，近年来科学家们正在寻找新的突破口，如通过改进农业措施（包括施用肥料、添加有机配体等），寻找和筛选生物量大的超积累植物等。最近陈同斌等报道，适量的磷肥明显促进蜈蚣草 的生长，提高体内的含量，增大的累积量，明显促进污染土壤的植物修复；但过量施磷不会进一步提高蜈蚣草的产量，反而有降低含量

5、和累积量的趋势，且修复效率有所下降。聂俊华等也有类似的研究发现，少量的氮和钾会促进超积累植物羽叶鬼针草 叶片叶绿素值和干质量的增加，促进对的吸收；随着氮和钾水平的增加，虽然叶绿素值和干质量一直在增加，但植物对的吸收能力降低。在有机配位体研究方面，等研究过五种螯合剂（、和）对重金属的活化能力的影响，最后得出不同鏊合剂对的活化能力强弱顺序： 。. 等最近也报道，、和均能促进印度菝葜 地上部对的积累。 等报道，向土壤中施加 的柠檬酸（）时，在向日葵 茎部累积的金属总量（、）最高可达 ；而增加柠檬酸的施用量，反而会降低向日葵茎部对土壤中、的提取率。更有趣的是，最近一些研究表明，具有高生物量和发达根系的

6、树木也可从土壤中提取重金属。例如有报道，柳树()和白杨()可作为一种非常好的廉价的重金属污染土壤植物修复的材料。目前，对土壤重金属复合污染的植物修复研究也取得了一定的进展，主要是筛选能够具有更好生物修复效果的植物品种方面。等报道，土壤中的存在可大大地促进超积累植物 ( )地上部对的吸收和积累。骆永明等的研究也发现，在含 ， 和 的污染土壤上，印度芥菜 对重金属能够表现出明显的耐性，正常生长，适合、中等污染土壤的修复。但在含 土壤上发生中毒而出现失绿黄化症状，与中等浓度的、共存时毒害更严重。通过对以上这些近年来植物修复领域最新研究动态分析，我们不难发现，无论是寻找和筛选生物量大、对某种或某几种重

7、金属有明显修复能力的超积累植物，还是施用肥料、有机化合物等提高超积累植物对重金属的吸收能力，其目的只有一个，即提高超积累植物对重金属污染土壤的修复效率。但在一定程度上，超积累植物以其明显的缺陷（如生物量小、生长缓慢、被动物食取则危与食物链等）限制了植物修复技术的发展。并且，螯合剂诱导修复技术的应用还可能带来潜在的环境风险。现代遗传技术和分子生物学的发展为上述问题的解决提供了希望，近几年来发展迅速的通过转基因植物进行污染环境的修复技术将显现出广阔的应用情景。 转基因技术在土壤重金属污染植物修复中的应用 基本流程基因工程设计超积累植物的基本程序早在年由 等提出，目前的应用基本上都是按照这一程序进行

8、的，主要包括个基本步骤：通过生物化学、分子生物学等方法识别超积累植物体内控制耐性和累积机制的基因；提取或克隆这些基因，并在特定的受体细胞中与载体一起复制和表达，使受体细胞获得新的遗传特性；将转基因进行田间试验，确定是否能达到对重金属超积累的目的。 基本原理异源基因能在目标植物体内进行有效表达是转基因技术应用于植物修复的关键。理论上讲，凡是参与重金属吸收、转运、转化、隔离、络合与挥发等过程的基因均可作为目的基因在超积累植物或具有高生物量的植物体中进行表达，并介导对重金属污染土壤的修复。目前报道的应用于植物修复的转基因技术，其机理主要有以下几个方面。2.2.1 植物络合素()和金属球蛋白()研究表

9、明，和中具有的硫醇基（）能与金属离子结合形成硫态复合物（ ），在一些转运蛋白的作用下，这些复合物被运输到细胞外或者被储存在液泡等细胞器内，降低对植物的毒害，使植物能够吸收和累积更多的污染物，提高修复的效率。植物络合素()是广泛存在于植物体和某些微生物中，其主要功能是参与重金属的脱毒。现已有研究证明，是一种由非核糖体合成的多肽，结构通式为：()式中为谷氨酸，为半胱氨酸，通常取，一般为甘氨酸。从以上结构通式不难看出，当、为时，即为，其生物学名称为谷胱甘肽，它是最简单的植物络合素()。金属硫蛋白()广泛存在于动物、植物和原核生物中。它除了具有多种生物功能外，还能降低重金属对植物的伤害和促进植物对重金

10、属的吸收。是由核基因编码、相对分子质量低、富含半胱氨酸（）、能与金属结合的一类多肽物质的总称。植物体内含有复杂的基因家族，编码的通常由个氨基酸组成，其中含有个半胱氨酸（）。近些年来，许多动物和植物中的植物络合素合成酶基因已被识别，引入这些基因的转基因植物能被诱导合成含量较高的植物络合素()，提高植物对的耐性和累积。等将小麦的植物络合素合成酶基因转入粉蓝烟草 中，使该转基因烟草在含浓度为 土壤中生长，最后发现转基因烟草体内累积的的量是野生型的倍。等将动物体内的转入超积累植物拟南芥 中，发现拟南芥对的吸收能力提高了倍。2.2.2 汞代谢基因和植物挥发（）是一种不同于植物提取（）的植物修复技术。它是

11、通过植物吸收环境污染物，经过植物的代谢作用将污染物转化为可挥发形态，进而通过叶片蒸腾作用将污染物挥发到大气中的过程。对汞污染的土壤g进行植物修复就是基于这一原理来实现的。和都是近些年来发现的细菌体内操纵汞代谢的两种酶，其化学名称分别为汞离子还原酶和有机汞裂解酶。植物体内，在以作电子给体的条件下能将()催化还原为()，释放到大气中；能将有机汞化合物催化转化为()。上述两个过程可分别有以下两个式子进行明确表示：早在年，等就报道，将基因转入黄杨()中，发现转基因黄杨能在含量高达 mg土壤中正常生长，与非转基因黄杨相比，的挥发能力提高了倍。等将和同时转入拟南芥，后来发现，与非转基因型拟南芥相比，转基因

12、型拟南芥耐受有机汞的能力提高了倍。2.2.3 砷酸盐还原酶基因和谷胱甘肽合成酶基因砷是一种对人体健康具有严重危害的环境污染物。自然界中的砷主要以氧化态（）和还原态（）的形态存在。对植物的毒害作用比大，但通过一系列的转化机制，植物体内含硫醇基或巯基的多肽物质（）与结合，通过转运蛋白运输到细胞外或储存在液泡等部位而使其毒性降低。已有研究表明，表达基因的拟南芥体内和的含量明显增加。等将转入拟南芥，在光诱导的特异性启动因子大豆核酮糖二磷酸羧化酶（）小亚基启动子作用下，只在拟南芥的地上部表达。其原理可能是与硫醇基（）有很强的亲和力，通过转运蛋白将运输到地上部。并且，的选用，使基因只在植株的地上部表达，相

13、对减少了对根部的毒害，促进了向上运输，使其在地上部被还原为，并能累积更多的。他们还将谷胱甘肽合成酶基因转入拟南芥，并与已表达基因的拟南芥进行杂交，获得的杂交后代共同表达和基因，发现该杂交后代能够耐受 m的砷酸盐；并且在含 m土壤中生长周，地上部生物量较野生型的高倍。其在茎部解毒机制可表示如下：其中表示谷胱甘肽，()由与结合而成。2.2.4 其它基因的表达与作用酿酒酵母存在的转运蛋白可以把谷胱甘肽与结合形成的硫肽复合物运输到液泡中。由于、等重金属能与多肽物质形成硫肽复合物，因此，转运蛋白对这些污染物的运输有一定的作用。等将基因转入到两种不同的植物表达载体和上，其中载体上带有个拷贝的烟草花叶病毒启

14、动子，该基因在拟南芥的高效表达证明植物体内可以累积更多的重金属。研究发现，与非转基因型对照植物拟南芥相比，转基因植物拟南芥体内累积和的量分别提高了倍和倍。 等从超积累植物拟南芥中提取了一种耐性基因，将其转入印度芥菜的秧苗中发现转基因型植物地上部积累的量高出野生型的倍。等将表达基因的印度芥菜种植在、复合污染的土壤上，结果发现转基因型印度芥菜地上部和的含量都明显高于非转基因型印度芥菜，说明转基因型植物用于复合污染修复也具有较好的应用情景。等在拟南芥中识别出一种富含半胱氨酸（）的蛋白，并且研究发现少量蛋白的存在能增强拟南芥对的耐性。等最近也发现和基因在向茎部的运输中起着关键性的作用。 展望植物重金属

15、耐性基因的识别是转基因技术广泛应用于植物修复的前提和关键，而识别和筛选能够提高植物修复效率的基因，在很大程度上取决于对超积累植物重金属耐性机制的深入了解。此外，将转基因技术应用于植物修复中必将生产许多转基因植物。在利用转基因植物提高植物修复效率的同时，我们还必须考虑到转基因植物给生态环境带来的潜在威胁。为此，要使转基因植物修复在我国进行大规模实施，还必须解决好以下两方面主要问题：加快对超积累植物的筛选和植物体对重金属耐性机制的研究；尽快开发和完善转基因植物对环境安全性评价的技术体系。无论从实际应用角度还是科学研究角度，转基因技术的研究与开发都很有价值。因此，在对植物修复机理进行深入研究的基础上

16、，为了更好地将转基因技术应用于土壤重金属污染植物修复，大力开展土壤学、植物生理学、遗传学、微生物学和环境科学等多学科的交叉研究将是该领域今后的发展方向之一。这不仅可以丰富环境科学的研究领域，而且多学科交叉研究还为本学科疑难问题的解决提供有效手段。除此之外，土壤重金属污染修复技术的综合应用也将是植物修复研究领域今后的一个发展方向。综合技术的应用可以弥补单一技术的缺陷，修复技术的综合运用很可能为土壤重金属复合污染的有效治理找到很好的突破口。例如，传统的土壤重金属污染修复方法（如客土法、石灰改良法和化学淋洗法等）在实际操作中存在某些缺陷，但如果将转基因技术与传统的修复技术相结合，或许在一定程度上能有

17、效地解决土壤重金属复合污染等问题。参考文献： . China: , . , , : . . . : , . Land . , : , : . , , , . , , , . , , : . 骆永明. 强化植物修复的鏊合诱导技术与其环境风险. 土壤, , : . , , . , .() Slovenia. , , : . 韦朝阳, 陈同斌. 重金属超富集植物与植物修复技术研究进展. 生态学报, , (): . , . : China . , (): . 韦朝阳, 陈同斌, 黄泽春，等. 大叶井口边草: 一种新发现的富集的植物. 生态学报, , (): . 吴双桃, 吴晓芙, 胡曰利, 等. 铅锌

18、冶炼厂土壤污染与重金属富集植物的研究. 生态环境, , (): . 魏树和, 周启星, 王新. 种杂草对重金属的超积累特性研究. 应用基础与工程科学学报, , (): . 廖晓勇, 陈同斌, 谢华, 等. 磷肥对污染土壤的植物修复效率的影响: 田间实例研究. 环境科学学报, , (): . 聂俊华, 刘秀梅, 王庆仁. 超富集植物对营养元素、的响应. 生态环境, , (): . , , . ( ) 和 . , , : . 蒋先军, 骆永明, 赵其国, 等. 重金属污染土壤的植物修复研究:. 金属富集植物 对、污染的响应. 土壤, , : . 赵丽红, 扬宝玉, 吴礼树, 等. 重金属污染的转基因修复原理与应用. 中国生物工程杂志, , (): . , , , . . , , : . . : . , , : . , , , . . , , : . , , , . India . , , : . : China , Nanjing , Nanjing , China: . , , , , . , . . . , , . , , , , , , , . , . .