植物对重金属砷和镉胁迫适应的分子机理初探

随着现代工业的发展，重金属污染日趋严重。重金属污染引发的环境和健康问题在许多国家都有报道，我国的重金属污染状况也不容乐观。土壤和水体中的重金属污染可以通过食物链进入人体，对人类健康造成很大的危害，如诱发癌症 和畸胎等。 植物修复是一种利用植物对重金属或有机污染物的超富集能力清除或减低污染的环境生物技术。植物修复的生物学机制的研究为这项技术走向实用化奠定了基础。植物修复近期的进展可能来自于可更有效地富集重金属的植物品种的选择、土壤条件的改善等;但长远看来，植物修复技术的巨大进步将取决于新的可更好地抵抗重金属或降解有机毒物的基因的鉴定和克隆，并通过转基因技术创造一批新的植物品种，如可迅速大量富集重金属的高生物量的用作环境净化的植物，以及可排拒重金属吸收的粮食、蔬菜和水果等作物。 本研究针对砷污染的植物修复机制，以超富集砷的凤尾蕨属植物——蜈蚣草为试材取得了如下进展： 1． 以从砷污染地区采集的蜈蚣草（Pteris vittataL．）为植物材料，利用抑制消减杂交(SSH)分离了经砷诱导处理与其对照间表达有差异的cDNA片段，以期得到与砷富集密切相关的基因。其中筛选到的一个cDNA片段与ABC transporter (ATP-binding cassette transporter)有较高的同源性。通过RACE方法对该基因进行了克隆，并进行了初步的结构和功能分析。结果表明所获得的PvABCTl (Accession No. AY496966)为一全长cDNA，长度为2165 bp，其中开读框架为1791 bp，编码597个氨基酸。该基因所编码的蛋白中含有2个ABC transporter特性结构域，1个ATP-binding cassette和2个ATP/GTP结合位点(P-loop)，没有明显的跨膜区。 2． 对蜈蚣草在砷胁迫下PvABCT1基因的表达模式进行了研究。转录水平分析表明PvABCT1的表达受砷的诱导。进一步通过PvABCTl-GFP融合基因在洋葱细胞中的表达进行亚细胞定位，结果显示该基因可能定位于细胞质中。 3． 为了研究所克隆的PvABCT1基因的功能，本研究构建了PvABCT1的酵母表达载体，把该基因转入因ACR3基因缺失而对砷敏感的酵母突变株。酵母功能互补实验表明PvABCT1不仅不能与ACR3基因功能互补，反而使酵母对砷的敏感性增加，同时酵母细胞中的砷含量较未转化的酵母细胞增加。即在转入PvABCT1后，酵母细胞吸收了更多的砷。这暗示该基因与蜈蚣草中砷的高吸收有关。 针对食品重金属污染问题，本研究探讨了减低蔬菜对重金属吸收的方法及其 作用机理，取得了如下进展： 1．研究了钙离子和镧离子对镉离子胁迫下生菜种子萌发和植株生长的影响，结果表明在种子萌发时外施4 mM CaCI2或0.04 mg/L La(N03)3均可提高生菜对重金属镉的抗性。 2．通过检测0.5 mM CdCl2胁迫下生菜植株中的镉含量以及外施钙离子或镧离子后相应的镉含量，发现4 mM CaCl2可以增加镉胁迫下生菜植株中镉的积累;而0.04 mg/L La(N03)3可以降低镉胁迫下生菜植株中镉的积累。 3．对生菜中植物络合素合酶基因进行了克隆，通过RT-PCR分析以及植物络合素( phytochelatins，PCs)的检测，探讨了外施钙离子或镧离子对镉胁迫下生菜植株中植物络合素合酶基因在转录水平的表达量、植物络合素含量以及镉的积累三者之间的关系。结果表明：4 mM CaCl2可以提高镉胁迫下生菜植株中植物络合素合酶基因在转录水平的表达以及植物络合素的含量，增加镉的积累;而0.04 mg/L La(N03)3虽然同样可以提高植物络合素合酶基因在转录水平的表达以及植物络合素的含量，却能降低镉胁迫下生菜植株中镉的积累。这暗示外施钙离子可以促进用于重金属污染环境修复的植物对重金属的吸收，而外施镧离子可以用于降低叶菜类蔬菜中重金属镉的积累。

砷超富集植物蜈蚣草(Pteris vittata L.)中砷解毒机制的研究

砷是一种具有致癌、致畸、致突变的有毒元素，在地表的含量本来很低。然而，随着现代社会的发展和工业活动的增加导致砷污染日趋严重。土壤和水体中的砷污染可以通过食物链进入人体，对人类的健康造成极大的危害。植物修复是一种利用植物对污染物的超富集能力来清除或减低污染的新型环境生物技术。植物修复的实际应用依赖于超富集植物的发现和超富集机制的阐明，特别是砷解毒过程(砷的吸收、还原和区域化)的研究及相关基因的克隆。砷超富集植物蜈蚣草(Pteris vittata L.)中砷解毒机制的阐明将为砷污染的植物修复及新型工程植物的研发提供理论基础。 本论文以蜈蚣草为试材，针对蜈蚣草的砷解毒机制取得了如下研究进展： 1.以砷超富集植物蜈蚣草为材料，建立了一个适于研究蜈蚣草砷吸收和解毒机制的新系统—愈伤组织悬浮培养体系。首次证明蜈蚣草愈伤组织与其孢子体及配子体一样具有对砷的抗性和砷超富集的能力。 2.以蜈蚣草愈伤组织为材料，通过比较亚砷酸盐、砷酸盐和二甲基胂酸盐对蜈蚣草和拟南芥植物毒性的差异，表明砷的还原可能是蜈蚣草对砷解毒的重要机制之一而砷的甲基化对蜈蚣草的砷解毒作用甚微。 3.以蜈蚣草愈伤组织为材料，通过对砷在蜈蚣草愈伤组织细胞中的亚细胞定位，首次直接证明植物液泡对砷具有非常明显的区隔化作用。暗示区隔化作用在蜈蚣草对砷的解毒过程中发挥着重要的作用。 4.通过测定蜈蚣草愈伤组织对不同化学态的砷处理下抗氧化物质的变化发现酸溶性巯基在蜈蚣草砷解毒中也发挥着重要作用。 5.以蜈蚣草愈伤组织为材料，发现磷和砷的吸收在高浓度范围下（﹥0.2 mM）存在明显的协同效应。对蜈蚣草高亲和磷酸盐转运蛋白基因－PvPHT基因功能的初步分析则表明PvPHT参与了蜈蚣草对磷和砷的吸收过程。

蕨类植物铁芒萁（Dicranopteris dichotoma）体内稀土元素的分布及其光合特性的研究

为了阐明蕨类植物铁芒萁(Dicranopteris dichotoma Bernh.)体内稀土元素的分布及其光合特性，采用电感耦合等离子质谱分析了中国江西省龙南县轻、重稀土矿区和非矿区铁芒萁植物体内的稀土元素含量，并采用透射电子显微镜对其叶片细胞内的稀土元素进行精确定位。还比较系统的研究了自然条件下的铁芒萁与高浓度稀土元素处理条件下的非稀土元素富集植物黄瓜(Cucumis sativus Linn)的光合特性。结果表明： 1、0.5 mmol•L-1 LaCl3处理黄瓜后，可以诱导激发能向PS II分配。1和2 mmol•L-1 LaCl3处理黄瓜后，对黄瓜幼苗抑制作用表现在对其生长率，光合放氧活性和叶绿体完整率的抑制。这是由于LaCl3对黄瓜细胞结构和叶绿体膜结构的破坏所致。其表现为对类囊体膜结构的破坏，而导致PS II光合活性下降，并最终抑制黄瓜生长。 2、铁芒萁可以富集稀土元素，轻、重稀土矿区铁芒萁植物稀土元素的分布规律为叶片>根>土壤>茎>叶柄，非矿区铁芒萁植物稀土元素的分布规律为叶片>根>茎>叶柄。稀土元素在铁芒萁体内的运输和迁移过程中，发生了明显的分异作用，茎、叶柄、叶片中的重稀土相对贫乏，叶片中可以富集高浓度的轻稀土元素。 3、稀土元素可以进入完整的铁芒萁表皮细胞和叶肉细胞中，但多以沉淀的形式聚集在一起。非矿区铁芒萁叶绿体中的稀土元素含量约占其叶片中含量的5％。轻稀土矿区铁芒萁叶绿体中的稀土元素含量约占其叶片中含量的10％。部分稀土元素定位于富含PS II的基粒片层上。 4、铁芒萁富集稀土元素受环境和遗传特性的双重影响，但主要由其自身的生理、生化特性决定。其富集稀土元素的机制是隔离稀土元素在细胞壁、液泡中和分泌结合物质使稀土元素成为沉淀沉积下来，从而避免对光合活性的破坏。 5、与非矿区铁芒萁相比，轻稀土矿区植物叶绿体膜的全链电子传递速率增加了34.9％，PS II的电子传递活性增高了252.9％，PS I的电子传递活性增加了16.8％。轻稀土矿区铁芒萁全链电子传递活性的增加主要来自PS II电子传递活性的大幅提高，这可能与其调节激发能更多向PS II分配，提高PS II反应中心色素蛋白复合体（67.0％）和捕光色素蛋白复合体的含量相关。 6、与非矿区铁芒萁相比，重稀土矿区植物叶绿体膜的全链电子传递速率增加了46.3％，PS II的电子传递活性增高了23.8％，PS I的电子传递活性增加了60.4％。重稀土矿区铁芒萁电子传递活性的提高主要来自PS I电子传递活性的大量增加，这可能与其PS I反应中心蛋白复合体含量的提高（60.0％）有关。 铁芒萁富集并吸收稀土元素主要是由自身的理化特性决定的。它能够将稀土元素以沉淀的形式固定在细胞内部，并通过改变生理代谢来避免高浓度稀土元素对其光合作用的影响。可以在治理稀土元素污染的环保工程中用作植物修复材料。

Heavy metals in plants and phytoremediation - A state-of-the-art report with special reference to literature published in Chinese journals

Goal, Scope and Background. In some cases, soil, water and food are heavily polluted by heavy metals in China. To use plants to remediate heavy metal pollution would be an effective technique in pollution control. The accumulation of heavy metals in plants and the role of plants in removing pollutants should be understood in order to implement phytoremediation, which makes use of plants to extract, transfer and stabilize heavy metals from soil and water. Methods. The information has been compiled from Chinese publications stemming mostly from the last decade, to show the research results on heavy metals in plants and the role of plants in controlling heavy metal pollution, and to provide a general outlook of phytoremediation in China. Related references from scientific journals and university journals are searched and summarized in sections concerning the accumulation of heavy metals in plants, plants for heavy metal purification and phytoremediation techniques. Results and Discussion. Plants can take up heavy metals by their roots, or even via their stems and leaves, and accumulate them in their organs. Plants take up elements selectively. Accumulation and distribution of heavy metals in the plant depends on the plant species, element species, chemical and bioavailiability, redox, pH, cation exchange capacity, dissolved oxygen, temperature and secretion of roots. Plants are employed in the decontamination of heavy metals from polluted water and have demonstrated high performances in treating mineral tailing water and industrial effluents. The purification capacity of heavy metals by plants are affected by several factors, such as the concentration of the heavy metals, species of elements, plant species, exposure duration, temperature and pH. Conclusions. Phytoremediation, which makes use of vegetation to remove, detoxify, or stabilize persistent pollutants, is a green and environmentally-friendly tool for cleaning polluted soil and water. The advantage of high biomass productive and easy disposal makes plants most useful to remediate heavy metals on site. Recommendations and Outlook. Based on knowledge of the heavy metal accumulation in plants, it is possible to select those species of crops and pasturage herbs, which accumulate fewer heavy metals, for food cultivation and fodder for animals; and to select those hyperaccumulation species for extracting heavy metals from soil and water. Studies on the mechanisms and application of hyperaccumulation are necessary in China for developing phytoremediation.