張靖偉，李鑫鑫

（青島科技大學環(huán)境與安全工程學院，山東青島 266061）

0 前言

近年來，由于時代發(fā)展所遺留的大量重金屬污染問題，農(nóng)業(yè)、工礦業(yè)和廢棄資源地的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量問題日益凸顯，土壤質(zhì)量持續(xù)下降。中國的土壤重金屬污染的面積目前已累計超過了千百萬公頃，且正逐步地呈現(xiàn)轉化為具有多重土壤污染源、污染物濃度差異大、污染區(qū)域面積分布廣、污染時間持續(xù)穩(wěn)定時間長、危害性極強等環(huán)境特點。植物可以通過植物提取來去除土壤中的污染物，然后收獲進行加工。研究結果表明，這些技術可能成為替代機械和化學方法在金屬污染土壤修復中的可行方法。

用基因工程改良植物為金屬污染土壤的植物修復開辟了新的可能。然而，只有更好地理解金屬耐受、積累和轉運的機制，才能充分使用這種方法[1]。

1 重金屬的植物吸收

1.1 超積累植物

耐金屬和超積累的植物種群可以在自然存在的富含金屬的地點發(fā)現(xiàn)。但由于這些植物通常體積小，生物量產(chǎn)量低，故不適于植物修復。相比之下，生長良好的植物通常表現(xiàn)出較低的金屬積累能力和較低的重金屬耐受性。

適合用于植物修復的植物應具有以下特征：①可積聚擬提取的金屬；②金屬累積的高耐受性；③生物量大；④易于收獲。

根據(jù)Chaney 等人(1997)，對于有效的植物修復研究進展，由于其土壤和植物的獨特化學性質(zhì)，每個元素都必須單獨考慮。另一方面，金屬很少單獨存在，可能需要同時對幾種金屬進行適應性耐受性的研究[2]。

1.2 改變金屬耐受性或吸收能力的基因工程植物

1.2.1 能夠進行汞離子植物修復的植物

細菌可將一些重金屬毒性降低。革蘭氏陰性菌的汞抗性由一個操縱子編碼，該操縱子包括5 ～6個基因，其中一個汞離子還原酶基因（merA）將有毒的Hg2+轉化為毒性較小的金屬汞（Hg0）。表達merA 基因的大腸桿菌細胞除還原Hg2+外，還具有弱的還原Au3+和Ag+活性。merA 基因也微弱地增加了釀酒酵母對Hg2+的耐受性。這些研究表明，merA 可能是一個在植物中表達金屬耐受性的基因。（1996）構建了誘變的merA 序列（merApe9），修改了9%的編碼區(qū)，并將其轉化為擬南芥。盡管轉基因植株只表達了低水平的merA mRNA，但種子在含100 mm Hg 的培養(yǎng)基上發(fā)芽和幼苗生長。與對照植物相比，轉基因幼苗進化出的Hg0含量是后者的2 ～3倍。植物對有毒水平的Au3+也有抗性[3]。

1.2.2 對金屬硫蛋白和鎘具有耐受性的植物

植物中的金屬硫蛋白和植物螯合素含有高比例的半胱氨酸巰基，它們以非常穩(wěn)定的配合物結合和隔離重金屬離子。植物螯合素具有高親和力結合銅和Cd，可被各種金屬誘導。

植物螯合素可能對植物耐鎘性起作用。Howden和Cobbett（1992）分離出了對Cd 敏感性增加的擬南芥突變體，但對銅的耐受性幾乎沒有變化。

金屬硫蛋白與Cu、Cd 和Zn 結合可調(diào)節(jié)細胞內(nèi)鋅濃度，并調(diào)控高濃度的Cd 和Cu 。擬南芥中MT的表達與Cu 的耐受性相關，而與Cd 的耐受性無關。各種MT 基因——小鼠MTI、人類MTIA（α域）、人類MTII、中國倉鼠MTII、酵母CUP1、豌豆PsMTA——已轉移到nictiana sp.Brassica sp.或a.t aliana。它們在不同程度上增強了對Cd 的耐受性，與對照相比最大提高了20倍。金屬攝取沒有明顯改變；在某些情況下，在其他品種中，莖或葉吸收Cd 最多減少70%或增加60%。只有一項研究報道了用植物源MT 產(chǎn)生的轉基因植物。

當豌豆（Pisum sativum） MT-like 基因PsMTA 在A.thaliana 中表達時，與對照植物相比，轉化植株根部積累的Cu 更多（部分植株數(shù)倍）（Evans et al. 1992）[4]。

1.2.3 鐵蛋白和增加鐵濃度的植物

鐵蛋白是一種儲存鐵的蛋白質(zhì)，存在于動物、植物和細菌中。它由24個亞基組成，可在膠束中包圍多達4 500個鐵原子。可以防止鐵/二氧相互作用產(chǎn)生的自由基造成的損害。鐵蛋白已被發(fā)現(xiàn)為治療大鼠貧血提供鐵源。由此提出，通過轉基因提高谷物鐵蛋白含量可能有助于解決膳食缺鐵問題。

1.2.4 與植物修復相關的微生物作用

與植物地下生物量相關的微生物群在有機異種生物的解毒中起著關鍵作用。微生物在降解異種生物中很重要，因為它們的作用嚴格地與植物修復相關，而不是與無機物質(zhì)相關。內(nèi)生細菌是根系微生物群的重要組成部分，有助于植物對有機污染物的修復，在這方面，4種內(nèi)生微生物能夠?qū)⑿迯筒裼臀廴就寥乐械氖吞細浠衔锏亩拘杂绊懡抵磷畹?。然而，在這些內(nèi)生微生物中，假單胞菌被觀察到在微生物輔助植物修復土壤中的石油碳氫化合物方面最為成功。在碳氫化合物修復的背景下，一對基因（例如CYP153和alkB）已被鑒定為具有抗應力性。在假單胞菌sp 中，除了這些基因外，nah、pah 和phn 還能夠增強微生物輔助植物修復。

就成本效益和生態(tài)友好性而言，用微生物(例如植物內(nèi)生細菌和根際細菌)進行的植物修復是有機物的最佳酶生物降解方法。有趣的是，假單胞菌菌株中涉及修復的基因編碼酶存在于質(zhì)粒上，即染色體外DNA?；蚬こ叹?即洋蔥伯克霍爾德菌)可以降解對健康有害的除草劑(例如橙劑)。來自根瘤菌的幾種革蘭氏陰性固氮共生細菌(22株根瘤菌，如菜豆根瘤菌)已被初步鑒定為能有效修復兒茶酚和水楊酸等酚類物質(zhì)。結果表明，該方法能有效地利用黑根菌修復多氯聯(lián)苯（＞70%）。

多芳烴因其致癌、致突變和致畸作用而對環(huán)境/人類健康有害。細菌和根際內(nèi)生菌可以很容易地用于植物修復多環(huán)芳烴，而基因工程可以提高其效率。通過根際/微生物工程優(yōu)化植物-微生物相互作用，存在植物修復協(xié)同效應。在芳香族有機物的植物修復中，根瘤菌共生菌群利用有機分解中間體作為C/N 資源。有趣的是，某些微生物毒素也可以作為協(xié)助根瘤菌修復的資源，因為它們可以作為C/N 資源，正如在超蓄積物菌株中觀察到的那樣。在轉基因植物中，編碼ACC 脫氨酶（acdS）的細菌基因的表達可以降低乙烯施加的脅迫濃度，從而促進植物生長。因此，所選轉基因植物豐富的生物量可以顯著提高植物修復潛力。此外，這種轉基因植物也有助于內(nèi)生菌的定植[5]。

1.3 提高金屬耐受性或積累能力的潛在基因

一些技術因素限制了植物基因工程在植物修復中的應用。其中一個主要因素是，只有少數(shù)植物系統(tǒng)具有足夠的抗金屬和/或金屬隔離特性可用于修復。從細菌中提取基因并將其轉移到植物中是很復雜的，例如，抗性通常是由一個含有許多參與抗性機制的基因的操縱子的大質(zhì)粒編碼的。到目前為止，只有來自這種操縱子的單個基因被轉移。

超積累植物是適合植物修復的基因的良好來源。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)百種這樣的植物，其中一些超蓄能型植物已被用于非基因工程的植物修復。然而，對芥菜的研究表明，金屬生物利用度是鉛提取的主要問題。因此，在土壤中添加EDTA 以提高鉛的有效性；然而，這可能會對環(huán)境造成威脅。如果可以通過增加還原酶活性或螯合劑的用量來局部提高金屬利用率，這些超蓄能植物就可以安全地用于植物修復[6]。

1.3.1 研究高或低金屬濃度接觸下的生物體

現(xiàn)代蛋白質(zhì)組學和DNA 陣列技術可用于植物修復候選基因/蛋白質(zhì)。金屬脅迫誘導的一些蛋白質(zhì)可能在金屬耐受或金屬積累中起作用。谷胱甘肽在保護植物免受Cu 和Cd 侵害方面起著關鍵作用。Ernst（1976）觀察到在耐鋅和耐銅植物中蘋果酸含量較高，枸櫞酸含量增加，超積累植物大量裝載這些酸，酸陰離子可能在金屬儲存或植物內(nèi)部金屬運輸中起一定作用。在積累鎳的植物木質(zhì)部分泌物中，已發(fā)現(xiàn)游離組氨酸是一種金屬螯合物，在接觸鎳時，游離組氨酸的數(shù)量增加。通過改變組氨酸代謝，有可能提高植物積累鎳的能力。在過去的幾年里，已經(jīng)從擬南芥中分離出了幾種金屬轉運蛋白，鋅轉運蛋白ZIP1, 3,4，鐵轉運蛋白IRT1和銅轉運蛋白COPT1。一些轉運蛋白如ZIP1、ZIP3和IRT1在金屬缺乏反應中表達。IRT1也可能在其他金屬的吸收中發(fā)揮作用，因為Cd、Zn、Co 和Mn 抑制了IRT1 對Fe 的吸收。改變這些轉運蛋白的表達調(diào)節(jié)可能會以一種有用的方式改變細胞或細胞器對金屬的吸收

1.3.2 金屬抗性和敏感植物突變體候選基因

最近，從擬南芥中分離到幾個對重金屬反應改變的突變體。Howden 等人已分離出植物螯合酶缺陷、g-谷氨酰半胱氨酸合成酶和谷胱甘肽合成酶缺陷的鎘超敏突變體。Chen 和Goldsbrough（1994）發(fā)現(xiàn)，在選擇耐鎘的番茄細胞中，g-谷氨酰半胱氨酸合成酶的活性增加。這些基因中的一些可能被證明在修飾合適的目標植物以進行植物修復方面有用，盡管對參與植物螯合蛋白合成的基因的有用性存在懷疑。

2 轉基因植物修復土壤重金屬

眾所周知，植物生長需要許多金屬作為必需的微量營養(yǎng)素，但過量的這些金屬會導致植物生長抑制、土壤質(zhì)量退化、作物產(chǎn)量減少、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量差，并對人類、動物和生態(tài)系統(tǒng)造成重大危險影響。重金屬在環(huán)境中的長期存在加劇了其對人類和動物健康的威脅。例如，作為持久性較強的金屬之一，Pb 在土壤中的滯留時間估計為150 ～5 000 a，據(jù)報道，在污泥施用于土壤后，Pb 的高濃度可維持長達150 a。據(jù)估計，鉛在人體內(nèi)的平均生物半衰期為18 a，一次為10 a。金屬還可通過食物鏈轉移和積累在動物和人體內(nèi)，通過其誘變能力造成DNA 損傷和致癌作用。

遺傳和生物化學基礎是基因工程的一個有趣的目標，因為對分子遺傳學模式生物的了解可以增強對植物金屬代謝基本成分的認識。對正常植物和金屬超蓄能體的吸收和轉運過程、這些活動的調(diào)控以及組織特異性啟動子的使用的基本了解，為科學家利用分子生物學工具開發(fā)有效和經(jīng)濟的土壤金屬植物修復植物提供了巨大的希望（Chaney 等人，1997）。一些植物，如楊樹、煙草或絲蓮（cucubalis），經(jīng)過基因工程，可以過度表達谷氨酰半胱氨酸合成酶，從而與相應的野生型植物相比，可以增強重金屬的積累。

迄今為止大多數(shù)轉基因植物過于依賴參與金屬結合蛋白和多肽生物合成表達的基因，基因可以將有毒離子轉化為毒性較小或更容易處理的形式，或兩者的組合，至少可以設想3種不同的增強金屬吸收的工程方法，包括增加吸收位點的數(shù)量，改變吸收系統(tǒng)的特異性以減少不需要的陽離子的競爭，以及增加細胞內(nèi)結合位點。

3 轉基因植物的應用前景

植物的分子組成，主要與它們的酶和蛋白質(zhì)有關，是植物修復的重要內(nèi)容，因為該技術可以利用基因工程工具，利用植物的分子和細胞機制來解毒。植物的性質(zhì)仍然是一個優(yōu)勢，因為隨著時間的推移，它們能夠發(fā)展出吸收養(yǎng)分、排毒污染物和控制當?shù)氐厍蚧瘜W條件的復雜機制。植物在調(diào)節(jié)土壤含水量方面起著重要的作用，避免了液體的滲透，這是污染物進入土壤的主要機制。植物根系補充微生物養(yǎng)分，為土壤提供通風，使土壤微生物數(shù)量較無植被區(qū)增加。最重要的是，植物修復比其他物理修復手段具有更好的美學吸引力。另一方面，植物修復有一些局限性，需要進一步深入研究植物和土壤條件。一個主要的缺點是這種解毒方法太慢或只在季節(jié)性有效。監(jiān)管機構通常要求在短短幾年內(nèi)在修復方面取得重大進展，這使得大多數(shù)植物修復不適合。在許多情況下，如三氯乙烯和四氯化碳，污染物的濃度降低不令人滿意。此外，在一些污染場地，污染物可以達到植物毒性濃度，使植物無效。因此，最近開展了一些旨在利用基因工程提高植物修復潛力的研究。

4 結論

有機或無機污染物因其對環(huán)境和生物的影響而具有重要意義。因此，如何控制污染是極具意義的。人們在確定植物種類及其在這些地方更有效的解毒機制方面作出了巨大的努力。利用基因工程工具，通過在可用物種中鑒定特定基因，并將基因傳遞給其他植物，顯著提高。這可以通過提高成本效益更有效地提高污染修復成本。生物和植物，有特定的方式來清除、滯留或轉化特定的污染物。研究土壤與微生物、植物和污染物之間的相互作用及其后續(xù)評價是非常必要和具有指導意義的。綜合考慮，在這方面還需要開展更多的研究，以更好地了解生物的植物修復能力，以及通過植物轉化技術在防治污染方面的應用。