基因工程改良植物对重金属污染土壤的修复

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1、万方数据生态环境2004，l3(3)：403-405EcologyandEnvironmenthttp：／／www．jeesci．comE—mail：editor@jeesci．com基因工程改良植物对重金属污染土壤的修复邓文靖1，郑海龙2，陈新庚11．中山大学环境科学与工程学院，广东广州510275；2．中国科学院南京土壤研究所，江苏南京210008摘要：利用基因工程改良植物，调整植物吸收、运输和富集重金属的能力以及它们对重金属的耐受性，开拓了植物修复的新领域。到目前为止，已有成功改变这些特性的少数例子。例如，汞离

2、子还原酶可以改善植物抵抗力和提取能力，金属巯基蛋白可增强植物对镉的耐受力，铁还原酶和铁蛋白可增加植物对铁的吸收量。文章综述和讨论了这方面的研究进展及方向。关键词：植物修复；重金属；基因工程中图分类号：X173文献标识码：A文章编号：1672．2175(2004)03．0403．03微生物和植物都拥有多种抑制重金属毒性的机制。例如，金属活性消失(尤其在真菌中)，类似金属巯基蛋白(MTS)的金属键联缩氨酸的合成(在蓝绿藻、真菌、植株中)，植物螯合(在植株和一些真菌中)，液泡中的多价螯合作用(在真菌和植物中)，细胞外沉淀和

3、自由金属离子的螯合作用【1’2]o在强重金属富集环境中生活的菌株或生态型物种能异常地进化为对重金属有较高耐受性的物种131。在所有被检测的生物中，主要在细菌中探测到适应耐受性。适应耐受性通常依靠质粒编码流出系统的存在【1，21，或依靠金属还原酶活性的存在[41。目前还不清楚大部分植物和真菌耐受机制，但有直接证据表明，在zn和Cd存在下，液泡间传送物质的速度增加[5】。已有很多技术用于修复污染土壤，但目前用于修复重金属污染土壤的方法费用昂贵、对环境有潜在危害以及耗费劳力。发展低成本的且保护人类健康和环境的修复技术是非常

4、必要的。植物修复技术，引起了人们越来越广泛的重视【6】。基因工程改良植物为植物修复重金属污染土壤开拓了新的前景。然而，只有弄清了植物的重金属耐受、积累和迁移机制后，才能全面地开发这一技术。1植物修复所需的理想植物耐金属的种群和超积累植物通常出现在富含重金属的地区[31。然而，这些植物不一定是植物修复所需的理想植物，因为通常它们个体小且只有很少的生物量。相反，长势很好的植物通常只有很低的重金属富集能力和很弱的重金属耐受眭。适合植物修复的植物应具有以下的特征：(I)能够超量积累重金属，最好是地上部分积累；(2)对重金属积

5、累浓度有较高的耐受力；(3)生长快，有高生物量；(4)易收割。Chaney等【6】认为重金属耐受性和植物的超积累比高生物产量更为重要。2通过基因工程。植物改变它对金属的耐受性与吸收量2．1汞离子还原和抗性细菌能够还原大量的重金属，来降低其生物毒性。革兰氏f染色)阴性菌中的汞的抗性是通过包括5到6个其中含有一个汞离子还原酶基因(merA)的操纵子编码的。MerA是可溶的，依赖于还原型辅酶II(NADPHoNADPH是包含二硫化物氧化还原酶的FAD。这种酶可以促进有毒的H92+转化成毒性较小的金属Hgo。大肠杆菌细胞显示

6、merA基因特征，它除了还原H92+夕F，还有微弱的还原Au”和A矿的活性【7J。MerA基因也可以增加酵母cerevisiae的H92+耐受性。这些研究显示，当merA基因在植物中表达时，可能影响植物的重金属耐受性。尽管我们使用了很有效的植物表达系统，但是没有从植株的Tn21中找出显示细菌merA的特征，即没有发现其对H92+有抗性，没有探测到全长merARNA或merA解码蛋白。原始的细菌merA序列中含有丰富的使用了较多错误密码子的CpG二核苷酸，两者尤其不能顺利在植物体中有效表达，因为他们受到甲基化和随后的基

7、因抑制f3】。因此，Rugll等[8】构造了一个诱变merA序列(merApe9)，更改9％的译码区并把它转入Arabidopsisthaliana。尽管转基因植物只在低水平的merAmRNA中表达，但种子可以发芽并且树苗能在含100gmol／LHg”的培养基中生长。转基因树苗转换H92+为Hgo的总量是对照植物的2、3倍。植物也对有毒的Au3+产生抗性。Rugh等H给出了一个很好的例子：成功更改细菌的金属耐受性基因并在植物体中的表达。近来，Rugh等【8’9】报道发展转基因的北美鹅掌楸进行汞污染土壤的植物修复，更改

8、merA基因甚至更进一步优化密码子在植物体中的使用，结果表明转基因植物转换H92+为Hgo的总量是对照植物的10倍。到目前为止，野外实验还没有证实这一系统。然而，这却是基因工程可以提高植物修复重金属污染土壤能力的最初的报道。2．2MTs和Cd耐受性植物中的类似金属巯基蛋白(MTS)和植物螯合肽(PCs)含有很多的半胱氨酸巯基团，它们可以绑联或螯