转基因植物在植物修复中的应用及安全性

1、转基因植物在植物修复中的应用及安全性李坤陶(河南省郑州师范高等专科学校生命科学系450044摘要植物修复技术的核心是对植物能忍耐和超量积累化学元素的生物学特性的利用,基因工程技术应用于植物修复,为污染土壤植物修复的普遍推广提供了更大的可能。本文综述了转基因植物在植物修复中的作用及研究进展情况,指出了存在的问题和今后的发展方向。关键词土壤转基因植物植物修复植物修复是以植物忍耐和超量积累某种或某些化学元素的理论为基础,利用植物吸收、降解、挥发、过滤、固定等作用,净化土壤和水体中金属元素、有机污染物、放射性元素的环境修复技术。植物修复技术的关键是选择超富集植物,由于自然界中超富集植物种属稀少,分布受

2、地域局限,而且这类植物往往生长缓慢,生物量小,导致修复治理效率低、周期长而难于满足商业要求。转基因植物是利用重组DNA技术将克隆的优良目的基因导入植物细胞或组织,并在其中进行表达,从而使植物获得新的性状。通过转基因植物进行污染环境的修复技术,可以将自然界中超富集植物的耐重金属、超富集基因,克隆并转化到生物量大、生长速率快的植物中去,通过改良遗传特性来提高植物对污染物的耐性、富集能力和超富集植物的生长速度或生物量,以克服天然超富集植物的缺点,提高植物修复效率。因此,转基因植物修复污染环境已成为目前植物修复研究和开发的热点。1转基因植物修复1.1砷污染修复砷是一种对人体剧毒的金属类似物,能引发多种

3、癌症。由于自然的或人为的因素(如采矿,使用含砷的杀虫剂及其他工业活动造成砷普遍存在于自然界中。在自然界砷多以氧化态(A s O3-4形态存在。砷的另一种存在形态还原态(A s O3-3虽然对植物的毒害作用比氧化态大,但能和植物体内多肽物质中的硫醇基(-SH结合,通过转运蛋白运输到胞外或者储存在液泡等部位而使其毒性降低。砷污染的植物修复原理是在将砷由氧化态转化为还原态的同时,又能够有足够的多肽化合物与之结合,在降低对植物毒害的同时累积更多的砷污染物。某些植物可耐受和高积累砷,其原理是植物体首先将吸收的砷酸盐还原为亚砷酸盐,后者与含硫的有机物(如谷胱二肽、谷胱甘肽或植物络合素PC结合,形成低毒或无

4、毒的复合物隔离于液胞中1。Dhankher等2 (2002将细菌的编码砷酸盐还原酶(Ars C和谷胱二肽合成合成酶(g-ECS基因转入同一拟南芥植株中,得体现在实验的安全化和绿色化两个方面。课标教材和大纲教材都有“绿叶中色素的提取和分离”这个实验,绿叶中的色素必须要用有机溶剂提取,在大纲教材中,该实验用的是丙酮。而在课标教材中,则改用乙醇代替,尽量避免有毒物品。通过前面的比较和分析,我们可以看出,课标教材实验部分的编写更关注学生在科学过程与方法方面的发展,更加强调思维方式的培养,能够较好的综合考虑知识、能力、情感态度与价值观、STS四个方面的教育目标,关注学生的全面发展。另外要说明的是,以当前

5、普通高中生物实验教学的实际情况,并不能完全按照教材设计的初衷去执行,课时不够、实验条件有限、班容量过大等问题普遍存在,更突出的一个问题就是高考制度对课程改革的制约。这就需要生物学教师在实验教学中灵活的处理教材中的实验,有的可以变为演示实验,有的可以因地制宜,用其他实验代替。当然,万变不离其中,这个“中”就是课程目标。到了砷高耐受和高积累转基因植株。在含高浓度砷酸盐(0.2mol/L的培养基上生长3周,转基因植株的生物量较野生型植株的高6倍,在含0.125mol/L的砷酸盐培养基上生长3周,转双基因植株茎中砷的浓度较野生型的高3倍。这些结果预示着转基因植物将是砷污染土壤修复的有效途径。1.2汞污

6、染修复汞具有明显的神经毒性,对内分泌系统、免疫系统等有不良影响。汞引发的常见病症是小儿麻痹症和软骨症。如果在土壤中含有汞,它们就会慢慢被一些农作物吸收,然后被摄入体内。自然界中汞以三种形态存在,即有机汞、离子汞和原子汞,其中有机汞对环境的危害最大。有机态的汞容易通过食物链危害人的中枢神经系统,具有重金属和有机污染物的双重危害作用。一些基因在植物体的表达可促进金属转化为可挥发的形态,汞可以转化为原子态挥发释放到空气中,降低对人体和植物的毒害。已从细菌中分离到两种基因: mer B和mer A。其中mer B基因编码的有机汞裂解酶(organo mercurial lyase将有机汞还原为Hg2+

7、,mer A基因编码汞离子还原酶(mercuric reductase,可以将Hg2+进一步还原为汞原子3。单独表达mer B基因的拟南芥,耐受有机汞的能力和体内Hg2+的累积量增加;单独表达mer A基因的拟南芥,对Hg2+的耐受性增强,但mer A或mer B基因在植物体内的单独表达不能达到将汞转化为挥发态而排放到空气中的预期目的,只有当这两种基因同时表达时,有机汞才被还原为原子汞挥发到空气中。B izily等4(1999将mer B和mer A分别转入拟南芥,得到了单独表达这两个基因的植物,自交或杂交后得到纯合的T2代进行汞耐受性和累积量的检验。与对照相比,单独表达mer B基因的拟南芥

8、耐受有机汞的能力提高了10倍,而同时表达这两个基因的耐受性则提高了50倍。他们还发现mer B基因的表达量和汞原子的挥发速率呈正相关,而随着mer A基因表达量的增加,原子汞的挥发速率基本没有变化。因此mer B基因编码的有机汞裂解酶是此反应的限速酶。提高mer B基因的表达,在一定程度上能够提高汞的挥发速率。Rugh等5(1998将经过修饰的mer A基因转入黄杨,转化植物能在汞含量高达500g/kg的土壤正常生长,与普通黄杨相比,汞的挥发能力提高了10倍。转基因植物如果在含10mol/L Hg C12培养基上生长,汞的挥发速率大约为1g/g组织天,尽管污染物的毒性降低了,但污染物只是从一种

9、污染形态转化为另一种污染形态,或者从一个地方转移到另一个地方,因此通过植物挥发原理进行污染修复目前还有不同的看法。1.3硝基苯环类化合物的污染修复硝基苯环类化合物具有强毒性和致癌作用且不易被矿化。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被用于军事工业,它们污染了生产地、储藏地和堆放场所附近的大片土地和河流。T NT作为爆炸残留物在土壤内残留时期相当长,对土壤、水源和大气环境的潜在威胁很大。对于植物和动物来说,T NT都是一种高毒性的污染物,如果人类长期食用含有T NT的蔬菜、农作物或是肉类,可能引发贫血、肝硬化和癌症。Hannink等

10、6将微生物硝基还原酶(nitr o-reduc2 tase基因转入烟草促进了它对T NT的吸收。他们将野生型烟草植株和转基因烟草植株同时置于T NT0. 1mmol/L的培养基上生长,经检测后发现,7d后野生型烟草吸收了培养基中约80%的T NT;而转基因烟草6h 后吸收了71%的T NT,20h后培养基中T NT被完全吸收。当野生型和转基因烟草植株同时置于T NT0. 25mmol/L的培养基上生长时,野生型烟草基本不吸收培养基中的T NT,而转基因植株6h后吸收了50%的T NT,72h后培养基中T NT被完全吸收。若是在被T NT 污染的地区大面积种植这种转基因烟草,几年过后就可以让土壤

11、变得干净起来。2转基因植物对生物多样性的影响2.1转基因植物通过本身影响生物多样性转基因植物在直接作用靶标生物的同时,通过食物链等对非靶标生物产生影响,影响物种种类和丰富度。另外,转基因植物通过基因工程手段可潜在提高其生存能力从而可能成为入侵性杂草,入侵其他植物的栖息地,导致种群爆发,破坏自然种群平衡,影响生物多样性,产生严重的经济和生态后果7。转基因植物可以通过影响生物物种多样性进而影响遗传多样性。因为少数的转基因植物品种在短期内由于具有比常规品种更高的产量、更优良的产品品质以及更高的抗性而被普遍采用。常规品种和土著品种则因无人或很少人种植而逐渐灭绝,这就导致了大量遗传资源的丧失,进一步降低

12、了植物遗传多样性。2.2通过转基因的逃逸影响生物多样性随着转基因植物的大量环境释放,不断有研究证实这些不同来源的转基因通过花粉向相关近缘物种转移的事实。一些导入的外源基因,一旦逃逸到野生近缘种和杂草类型并按一定频率被固定下来,很可能使这些野生种的适合度和竞争力大大增强。随着转基因植物的不断释放,大量转基因漂移进入野生植物基因库,并扩散开来,可能会影响基因库的遗传结构,造成基因污染,从而影响遗传多样性。转基因向同一物种的非转基因品种逃逸也会影响非转基因品种的纯度,对遗传多样性造成危害。随着转基因植物的大面积推广,对自然生态系统特别是自然界的生物多样性可能产生有害作用。因为转基因植物比自然植物更强

13、调单一种植,这在客观上淘汰了大量具有一定优良遗传性状的自然品种及其它遗传资源,造成不可挽回的遗传多样性的损失8。事实已经证明单一性种植可能引起毁灭性的病虫害发生,导致植物生态群落结构简单、生物群落贫乏、自然基因库缩小、遗传多样性消失的严重后果。3转基因植物用于环境修复的安全评价转基因植物给我们带来巨大利益的同时,它也存在一些安全隐患。现阶段人们对转基因植物争议最多的是关于转基因作物的大面积栽种以及大量的转基因食品流入市场所带来的问题。用于修复环境的转基因植物不同于用作食品的转基因作物,它可以不作为食物直接进入食物链(但是也有可能通过进入食物链而间接被人们食用,因此对人体健康不会构成直接威胁。对

14、于这类转基因植物的安全性评价重点应当关注它对自然生态环境的影响。一般情况下,用于修复目的的转基因植物在特定污染环境下生存能力较强,并表现出很强的生物修复能力,在无污染或低污染的环境下则没有特别的生长优势。当土壤和水体污染水平降低时,这些转基因植物的生长发育速度将接近野生型植物。因此,与同类野生型植物相比,它不会有更大的成为生物入侵种的趋势9。不过,转入外源基因的植物一旦散布到自然界便无法控制,所造成的损失也无法挽回。因此,在使用特定转基因植物净化环境时,必须仔细评估它的生态效应。在利用转基因植物修复被污染的环境时,污染物可能会通过食用被污染的植物的动物进入食物链。如果能使植物吸收的污染物不在果

15、实和种子中富集,就可以在很大程度上减少这类问题出现的可能性。用植物组织或器官特异性表达启动子能够使外源基因只在特定组织或器官表达,可以通过选择特定的启动子,使所转化的目标基因在植物特定的组织或器官中特异表达。已有研究者将组织或器官特异性表达技术用于研究有机污染物降解基因。4展望通过转基因植物进行污染环境的生物修复虽然取得了一定进展,但要进行大规模转基因植物修复,还有许多问题有待解决。首先是转基因植物的环境安全性问题,在转基因植物用于修复之前,需要进行生物安全性评价。同时应禁止将粮食作物作为超富集植物,以避免进入毒物食物链的风险。转基因植物富集污染物后如何进行有效的后处理,不造成二次污染也是目前

16、急需解决的问题之一。污染环境大部分都是两种或两种以上的复合污染。因此在修复机理研究工作的基础上,克隆相关治理复合污染的基因,为转基因植物提供丰富的基因资源,并且在同一植物体内有效表达多个基因而互不影响,都是今后要考虑和解决的问题。今后应加强以下几方面的工作:继续加强对中国特有超富集植物的寻找,并对其超富集机制进行深入研究。以期产生更多的具有独立知识产权的可用于污染土壤修复的转基因植物品种;加强对国外相关转基因超富集植物和相关修复技术的引进工作;加强污染土壤转基因植物修复技术与传统的化学、物理方法相结合的综合技术的研究;加强提高转基因植物生物修复效率的综合技术研究10。随着植物功能基因组的深入研

17、究以及更多与修复相关的功能基因的克隆与高效表达,转基因植物应用于污染环境的修复将会有广阔的发展前景。本文属河南省高等教育教学改革研究项目(2006 -555主要参考文献土壤.植物学通报,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复原理与应用.中国生物工程杂志,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