轉(zhuǎn)基因植物在植物修復(fù)中的應(yīng)用及安全性

1、轉(zhuǎn)基因植物在植物修復(fù)中的應(yīng)用及安全性李坤陶(河南省鄭州師范高等?？茖W校生命科學系450044摘要植物修復(fù)技術(shù)的核心是對植物能忍耐和超量積累化學元素的生物學特性的利用,基因工程技術(shù)應(yīng)用于植物修復(fù),為污染土壤植物修復(fù)的普遍推廣提供了更大的可能。本文綜述了轉(zhuǎn)基因植物在植物修復(fù)中的作用及研究進展情況,指出了存在的問題和今后的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞土壤轉(zhuǎn)基因植物植物修復(fù)植物修復(fù)是以植物忍耐和超量積累某種或某些化學元素的理論為基礎(chǔ),利用植物吸收、降解、揮發(fā)、過濾、固定等作用,凈化土壤和水體中金屬元素、有機污染物、放射性元素的環(huán)境修復(fù)技術(shù)。植物修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵是選擇超富集植物,由于自然界中超富集植物種屬稀少,分布受

2、地域局限,而且這類植物往往生長緩慢,生物量小,導(dǎo)致修復(fù)治理效率低、周期長而難于滿足商業(yè)要求。轉(zhuǎn)基因植物是利用重組DNA技術(shù)將克隆的優(yōu)良目的基因?qū)胫参锛毎蚪M織,并在其中進行表達,從而使植物獲得新的性狀。通過轉(zhuǎn)基因植物進行污染環(huán)境的修復(fù)技術(shù),可以將自然界中超富集植物的耐重金屬、超富集基因,克隆并轉(zhuǎn)化到生物量大、生長速率快的植物中去,通過改良遺傳特性來提高植物對污染物的耐性、富集能力和超富集植物的生長速度或生物量,以克服天然超富集植物的缺點,提高植物修復(fù)效率。因此,轉(zhuǎn)基因植物修復(fù)污染環(huán)境已成為目前植物修復(fù)研究和開發(fā)的熱點。1轉(zhuǎn)基因植物修復(fù)1.1砷污染修復(fù)砷是一種對人體劇毒的金屬類似物,能引發(fā)多種

3、癌癥。由于自然的或人為的因素(如采礦,使用含砷的殺蟲劑及其他工業(yè)活動造成砷普遍存在于自然界中。在自然界砷多以氧化態(tài)(A s O3-4形態(tài)存在。砷的另一種存在形態(tài)還原態(tài)(A s O3-3雖然對植物的毒害作用比氧化態(tài)大,但能和植物體內(nèi)多肽物質(zhì)中的硫醇基(-SH結(jié)合,通過轉(zhuǎn)運蛋白運輸?shù)桨饣蛘邇Υ嬖谝号莸炔课欢蛊涠拘越档汀Ｉ槲廴镜闹参镄迯?fù)原理是在將砷由氧化態(tài)轉(zhuǎn)化為還原態(tài)的同時,又能夠有足夠的多肽化合物與之結(jié)合,在降低對植物毒害的同時累積更多的砷污染物。某些植物可耐受和高積累砷,其原理是植物體首先將吸收的砷酸鹽還原為亞砷酸鹽,后者與含硫的有機物(如谷胱二肽、谷胱甘肽或植物絡(luò)合素PC結(jié)合,形成低毒或無

4、毒的復(fù)合物隔離于液胞中1。Dhankher等2 (2002將細菌的編碼砷酸鹽還原酶(Ars C和谷胱二肽合成合成酶(g-ECS基因轉(zhuǎn)入同一擬南芥植株中,得體現(xiàn)在實驗的安全化和綠色化兩個方面。課標教材和大綱教材都有“綠葉中色素的提取和分離”這個實驗,綠葉中的色素必須要用有機溶劑提取,在大綱教材中,該實驗用的是丙酮。而在課標教材中,則改用乙醇代替,盡量避免有毒物品。通過前面的比較和分析,我們可以看出,課標教材實驗部分的編寫更關(guān)注學生在科學過程與方法方面的發(fā)展,更加強調(diào)思維方式的培養(yǎng),能夠較好的綜合考慮知識、能力、情感態(tài)度與價值觀、STS四個方面的教育目標,關(guān)注學生的全面發(fā)展。另外要說明的是,以當前

5、普通高中生物實驗教學的實際情況,并不能完全按照教材設(shè)計的初衷去執(zhí)行,課時不夠、實驗條件有限、班容量過大等問題普遍存在,更突出的一個問題就是高考制度對課程改革的制約。這就需要生物學教師在實驗教學中靈活的處理教材中的實驗,有的可以變?yōu)檠菔緦嶒?有的可以因地制宜,用其他實驗代替。當然,萬變不離其中,這個“中”就是課程目標。到了砷高耐受和高積累轉(zhuǎn)基因植株。在含高濃度砷酸鹽(0.2mol/L的培養(yǎng)基上生長3周,轉(zhuǎn)基因植株的生物量較野生型植株的高6倍,在含0.125mol/L的砷酸鹽培養(yǎng)基上生長3周,轉(zhuǎn)雙基因植株莖中砷的濃度較野生型的高3倍。這些結(jié)果預(yù)示著轉(zhuǎn)基因植物將是砷污染土壤修復(fù)的有效途徑。1.2汞污

6、染修復(fù)汞具有明顯的神經(jīng)毒性,對內(nèi)分泌系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)等有不良影響。汞引發(fā)的常見病癥是小兒麻痹癥和軟骨癥。如果在土壤中含有汞,它們就會慢慢被一些農(nóng)作物吸收,然后被攝入體內(nèi)。自然界中汞以三種形態(tài)存在,即有機汞、離子汞和原子汞,其中有機汞對環(huán)境的危害最大。有機態(tài)的汞容易通過食物鏈危害人的中樞神經(jīng)系統(tǒng),具有重金屬和有機污染物的雙重危害作用。一些基因在植物體的表達可促進金屬轉(zhuǎn)化為可揮發(fā)的形態(tài),汞可以轉(zhuǎn)化為原子態(tài)揮發(fā)釋放到空氣中,降低對人體和植物的毒害。已從細菌中分離到兩種基因: mer B和mer A。其中mer B基因編碼的有機汞裂解酶(organo mercurial lyase將有機汞還原為Hg2+

7、,mer A基因編碼汞離子還原酶(mercuric reductase,可以將Hg2+進一步還原為汞原子3。單獨表達mer B基因的擬南芥,耐受有機汞的能力和體內(nèi)Hg2+的累積量增加;單獨表達mer A基因的擬南芥,對Hg2+的耐受性增強,但mer A或mer B基因在植物體內(nèi)的單獨表達不能達到將汞轉(zhuǎn)化為揮發(fā)態(tài)而排放到空氣中的預(yù)期目的,只有當這兩種基因同時表達時,有機汞才被還原為原子汞揮發(fā)到空氣中。B izily等4(1999將mer B和mer A分別轉(zhuǎn)入擬南芥,得到了單獨表達這兩個基因的植物,自交或雜交后得到純合的T2代進行汞耐受性和累積量的檢驗。與對照相比,單獨表達mer B基因的擬南芥

8、耐受有機汞的能力提高了10倍,而同時表達這兩個基因的耐受性則提高了50倍。他們還發(fā)現(xiàn)mer B基因的表達量和汞原子的揮發(fā)速率呈正相關(guān),而隨著mer A基因表達量的增加,原子汞的揮發(fā)速率基本沒有變化。因此mer B基因編碼的有機汞裂解酶是此反應(yīng)的限速酶。提高mer B基因的表達,在一定程度上能夠提高汞的揮發(fā)速率。Rugh等5(1998將經(jīng)過修飾的mer A基因轉(zhuǎn)入黃楊,轉(zhuǎn)化植物能在汞含量高達500g/kg的土壤正常生長,與普通黃楊相比,汞的揮發(fā)能力提高了10倍。轉(zhuǎn)基因植物如果在含10mol/L Hg C12培養(yǎng)基上生長,汞的揮發(fā)速率大約為1g/g組織天,盡管污染物的毒性降低了,但污染物只是從一種

9、污染形態(tài)轉(zhuǎn)化為另一種污染形態(tài),或者從一個地方轉(zhuǎn)移到另一個地方,因此通過植物揮發(fā)原理進行污染修復(fù)目前還有不同的看法。1.3硝基苯環(huán)類化合物的污染修復(fù)硝基苯環(huán)類化合物具有強毒性和致癌作用且不易被礦化。2,4,6-三硝基甲苯(T NT以及一系列的硝基取代物如三次甲基三硝基胺(RDX及硝酸甘油(GT N被用于軍事工業(yè),它們污染了生產(chǎn)地、儲藏地和堆放場所附近的大片土地和河流。T NT作為爆炸殘留物在土壤內(nèi)殘留時期相當長,對土壤、水源和大氣環(huán)境的潛在威脅很大。對于植物和動物來說,T NT都是一種高毒性的污染物,如果人類長期食用含有T NT的蔬菜、農(nóng)作物或是肉類,可能引發(fā)貧血、肝硬化和癌癥。Hannink等

10、6將微生物硝基還原酶(nitr o-reduc2 tase基因轉(zhuǎn)入煙草促進了它對T NT的吸收。他們將野生型煙草植株和轉(zhuǎn)基因煙草植株同時置于T NT0. 1mmol/L的培養(yǎng)基上生長,經(jīng)檢測后發(fā)現(xiàn),7d后野生型煙草吸收了培養(yǎng)基中約80%的T NT;而轉(zhuǎn)基因煙草6h 后吸收了71%的T NT,20h后培養(yǎng)基中T NT被完全吸收。當野生型和轉(zhuǎn)基因煙草植株同時置于T NT0. 25mmol/L的培養(yǎng)基上生長時,野生型煙草基本不吸收培養(yǎng)基中的T NT,而轉(zhuǎn)基因植株6h后吸收了50%的T NT,72h后培養(yǎng)基中T NT被完全吸收。若是在被T NT 污染的地區(qū)大面積種植這種轉(zhuǎn)基因煙草,幾年過后就可以讓土壤

11、變得干凈起來。2轉(zhuǎn)基因植物對生物多樣性的影響2.1轉(zhuǎn)基因植物通過本身影響生物多樣性轉(zhuǎn)基因植物在直接作用靶標生物的同時,通過食物鏈等對非靶標生物產(chǎn)生影響,影響物種種類和豐富度。另外,轉(zhuǎn)基因植物通過基因工程手段可潛在提高其生存能力從而可能成為入侵性雜草,入侵其他植物的棲息地,導(dǎo)致種群爆發(fā),破壞自然種群平衡,影響生物多樣性,產(chǎn)生嚴重的經(jīng)濟和生態(tài)后果7。轉(zhuǎn)基因植物可以通過影響生物物種多樣性進而影響遺傳多樣性。因為少數(shù)的轉(zhuǎn)基因植物品種在短期內(nèi)由于具有比常規(guī)品種更高的產(chǎn)量、更優(yōu)良的產(chǎn)品品質(zhì)以及更高的抗性而被普遍采用。常規(guī)品種和土著品種則因無人或很少人種植而逐漸滅絕,這就導(dǎo)致了大量遺傳資源的喪失,進一步降低

12、了植物遺傳多樣性。2.2通過轉(zhuǎn)基因的逃逸影響生物多樣性隨著轉(zhuǎn)基因植物的大量環(huán)境釋放,不斷有研究證實這些不同來源的轉(zhuǎn)基因通過花粉向相關(guān)近緣物種轉(zhuǎn)移的事實。一些導(dǎo)入的外源基因,一旦逃逸到野生近緣種和雜草類型并按一定頻率被固定下來,很可能使這些野生種的適合度和競爭力大大增強。隨著轉(zhuǎn)基因植物的不斷釋放,大量轉(zhuǎn)基因漂移進入野生植物基因庫,并擴散開來,可能會影響基因庫的遺傳結(jié)構(gòu),造成基因污染,從而影響遺傳多樣性。轉(zhuǎn)基因向同一物種的非轉(zhuǎn)基因品種逃逸也會影響非轉(zhuǎn)基因品種的純度,對遺傳多樣性造成危害。隨著轉(zhuǎn)基因植物的大面積推廣,對自然生態(tài)系統(tǒng)特別是自然界的生物多樣性可能產(chǎn)生有害作用。因為轉(zhuǎn)基因植物比自然植物更強

13、調(diào)單一種植,這在客觀上淘汰了大量具有一定優(yōu)良遺傳性狀的自然品種及其它遺傳資源,造成不可挽回的遺傳多樣性的損失8。事實已經(jīng)證明單一性種植可能引起毀滅性的病蟲害發(fā)生,導(dǎo)致植物生態(tài)群落結(jié)構(gòu)簡單、生物群落貧乏、自然基因庫縮小、遺傳多樣性消失的嚴重后果。3轉(zhuǎn)基因植物用于環(huán)境修復(fù)的安全評價轉(zhuǎn)基因植物給我們帶來巨大利益的同時,它也存在一些安全隱患。現(xiàn)階段人們對轉(zhuǎn)基因植物爭議最多的是關(guān)于轉(zhuǎn)基因作物的大面積栽種以及大量的轉(zhuǎn)基因食品流入市場所帶來的問題。用于修復(fù)環(huán)境的轉(zhuǎn)基因植物不同于用作食品的轉(zhuǎn)基因作物,它可以不作為食物直接進入食物鏈(但是也有可能通過進入食物鏈而間接被人們食用,因此對人體健康不會構(gòu)成直接威脅。對

14、于這類轉(zhuǎn)基因植物的安全性評價重點應(yīng)當關(guān)注它對自然生態(tài)環(huán)境的影響。一般情況下,用于修復(fù)目的的轉(zhuǎn)基因植物在特定污染環(huán)境下生存能力較強,并表現(xiàn)出很強的生物修復(fù)能力,在無污染或低污染的環(huán)境下則沒有特別的生長優(yōu)勢。當土壤和水體污染水平降低時,這些轉(zhuǎn)基因植物的生長發(fā)育速度將接近野生型植物。因此,與同類野生型植物相比,它不會有更大的成為生物入侵種的趨勢9。不過,轉(zhuǎn)入外源基因的植物一旦散布到自然界便無法控制,所造成的損失也無法挽回。因此,在使用特定轉(zhuǎn)基因植物凈化環(huán)境時,必須仔細評估它的生態(tài)效應(yīng)。在利用轉(zhuǎn)基因植物修復(fù)被污染的環(huán)境時,污染物可能會通過食用被污染的植物的動物進入食物鏈。如果能使植物吸收的污染物不在果

15、實和種子中富集,就可以在很大程度上減少這類問題出現(xiàn)的可能性。用植物組織或器官特異性表達啟動子能夠使外源基因只在特定組織或器官表達,可以通過選擇特定的啟動子,使所轉(zhuǎn)化的目標基因在植物特定的組織或器官中特異表達。已有研究者將組織或器官特異性表達技術(shù)用于研究有機污染物降解基因。4展望通過轉(zhuǎn)基因植物進行污染環(huán)境的生物修復(fù)雖然取得了一定進展,但要進行大規(guī)模轉(zhuǎn)基因植物修復(fù),還有許多問題有待解決。首先是轉(zhuǎn)基因植物的環(huán)境安全性問題,在轉(zhuǎn)基因植物用于修復(fù)之前,需要進行生物安全性評價。同時應(yīng)禁止將糧食作物作為超富集植物,以避免進入毒物食物鏈的風險。轉(zhuǎn)基因植物富集污染物后如何進行有效的后處理,不造成二次污染也是目前

16、急需解決的問題之一。污染環(huán)境大部分都是兩種或兩種以上的復(fù)合污染。因此在修復(fù)機理研究工作的基礎(chǔ)上,克隆相關(guān)治理復(fù)合污染的基因,為轉(zhuǎn)基因植物提供豐富的基因資源,并且在同一植物體內(nèi)有效表達多個基因而互不影響,都是今后要考慮和解決的問題。今后應(yīng)加強以下幾方面的工作:繼續(xù)加強對中國特有超富集植物的尋找,并對其超富集機制進行深入研究。以期產(chǎn)生更多的具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的可用于污染土壤修復(fù)的轉(zhuǎn)基因植物品種;加強對國外相關(guān)轉(zhuǎn)基因超富集植物和相關(guān)修復(fù)技術(shù)的引進工作;加強污染土壤轉(zhuǎn)基因植物修復(fù)技術(shù)與傳統(tǒng)的化學、物理方法相結(jié)合的綜合技術(shù)的研究;加強提高轉(zhuǎn)基因植物生物修復(fù)效率的綜合技術(shù)研究10。隨著植物功能基因組的深入研

17、究以及更多與修復(fù)相關(guān)的功能基因的克隆與高效表達,轉(zhuǎn)基因植物應(yīng)用于污染環(huán)境的修復(fù)將會有廣闊的發(fā)展前景。本文屬河南省高等教育教學改革研究項目(2006 -555主要參考文獻土壤.植物學通報,21(5:595607peraccu mulati on of arsenic in plants by co mbining arsenate reductase and-gluta mylcysteine synthetase ex p ressi on.Nature B i otechnol ogy, 20(11:11401145復(fù)原理與應(yīng)用.中國生物工程雜志,24(6:6873methyl m ercury polluti on:mer B ex p ressi on in A rabidopsis thaliana con2 fers resistance t o organo mercurials.Pr oceding of Nati onal Acade my of Science of the United State