植物修復(fù)研究的新方向：環(huán)保育種

吳大付,朱統(tǒng)泉,郝仰坤

（1.河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003；2.駐馬店市農(nóng)業(yè)科學(xué)院,河南駐馬店463000；3.河南豫研種子科技有限公司,河南鄭州450002）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,工業(yè)化進(jìn)程的加快,農(nóng)業(yè)集約化特別是化學(xué)化水平的提高,化肥農(nóng)藥的大量乃至超量使用,加上我國(guó)為了緩解淡水資源的短缺,利用污水灌溉,帶來(lái)了嚴(yán)重的土壤污染.據(jù)報(bào)道,目前我國(guó)重金屬污染的耕地面積近1 000萬(wàn)hm2.因重金屬污染,全國(guó)糧食每年減產(chǎn)1 000多萬(wàn)t,嚴(yán)重時(shí)高達(dá)1 200萬(wàn)t,經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)200億元[1].農(nóng)業(yè)部環(huán)保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)曾對(duì)全國(guó)24?。ㄖ陛犑小⒆灾螀^(qū)）320個(gè)嚴(yán)重污染區(qū)550萬(wàn)hm2的土壤調(diào)查發(fā)現(xiàn),主要作物農(nóng)產(chǎn)品超標(biāo)面積占污染區(qū)農(nóng)田面積的20%,其中重金屬超標(biāo)占污染土壤和農(nóng)作物的80%.而工業(yè)“三廢”和城鎮(zhèn)生活污水處理率偏低,有時(shí)未經(jīng)處理就直接排放到水體中,導(dǎo)致水污染,近年來(lái),水污染事件頻發(fā),引起人們的關(guān)注.如何治理和修復(fù)被污染的水環(huán)境和土壤生態(tài)系統(tǒng),保障人民生活用水和生產(chǎn)出安全的農(nóng)產(chǎn)品是我國(guó)目前亟待解決的頭等大事.

1 植物修復(fù)研究概述

目前有關(guān)環(huán)境污染的修復(fù)方法主要有物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù).物理修復(fù)是指通過(guò)各種物理過(guò)程將污染物從土壤中去除或分離的技術(shù).化學(xué)修復(fù)是利用加入到土壤中的化學(xué)試劑與土壤中污染物發(fā)生一定的反應(yīng),使污染物被降解和毒性被去除或降低的修復(fù)技術(shù).生物修復(fù)是利用生物的轉(zhuǎn)化或降解的方法,將存在于土壤、水體等環(huán)境中有毒有害的污染物去除的技術(shù)體系.植物修復(fù)屬于生物修復(fù)的范疇,它是利用植物及其根系微生物的共存體系來(lái)吸收、容納、轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移污染物的特性,通過(guò)在污染地上種植植物,實(shí)現(xiàn)部分或全部修復(fù)土壤、水體的環(huán)境污染原位治理與修復(fù)技術(shù).它是近年新發(fā)展的一種綠色技術(shù),也將是21世紀(jì)土壤環(huán)境修復(fù)科學(xué)技術(shù)研發(fā)的主要方向.植物修復(fù)技術(shù)利用綠色植物來(lái)轉(zhuǎn)移、容納或轉(zhuǎn)化污染物使其對(duì)環(huán)境無(wú)害.從常規(guī)作物中篩選合適的修復(fù)品種,發(fā)展適用于不同土壤類型和條件的根際生態(tài)修復(fù)技術(shù)已成為一種趨勢(shì).

1.1 超富集植物的篩選標(biāo)準(zhǔn)

超富集植物的篩選標(biāo)準(zhǔn)要考慮以下因素：能忍耐較高濃度重金屬污染的毒害；植物地上部分積累的重金屬應(yīng)達(dá)到一定的量；植物地上部分的重金屬含量要高于根部.對(duì)于不同的重金屬,其超富集植物濃度限值不同.目前采用較多的是Baker于1983年提出的參考值,即把植物葉片或地上部（干重）含Cd達(dá)到 100 mg/kg,含 Co、Cu、Ni、Pb達(dá)到 1 000 mg/kg,Mn、Zn達(dá)到 10 000 mg/kg以上的植物稱為超富集植物,它們同時(shí)還要滿足條件地上部重金屬濃度/地下部重金屬濃度＞1.我國(guó)學(xué)者聶發(fā)輝2005年提出了生物富集量系數(shù),即給定生長(zhǎng)期內(nèi)單位面積地上部分植物吸收的重金屬總量與土壤含量之比[2].此系數(shù)的提出擴(kuò)大了傳統(tǒng)超富集植物的定義,使得富集質(zhì)量分?jǐn)?shù)未達(dá)某一水平,但生物量很大的植物也能作為超富集植物.

1.2 超富集植物修復(fù)污染環(huán)境的機(jī)制

超富集植物主要通過(guò)抗性、耐性和避性等機(jī)制來(lái)適應(yīng)環(huán)境.超富集植物通過(guò)結(jié)合固定、代謝解毒、分室作用等過(guò)程將重金屬在體內(nèi)富集、解毒,其綜合作用結(jié)果形成抗性.超富集植物將吸收的重金屬離子富集在液胞、細(xì)胞壁及葉片表皮細(xì)胞等部位.植物對(duì)重金屬的耐性機(jī)制主要是通過(guò)植物的結(jié)合鈍化作用和代謝轉(zhuǎn)化作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的.細(xì)胞壁是結(jié)合固定污染物的重要部位.細(xì)胞壁的果膠質(zhì)中的多聚糖和纖維素分子中的羧基、醛基等基團(tuán)都能夠與重金屬結(jié)合.超富集植物對(duì)重金屬的避性機(jī)制是通過(guò)氣孔的阻礙作用減少大氣中重金屬污染物進(jìn)入體內(nèi),此外還可以通過(guò)葉片的角質(zhì)層、表皮層和葉表附屬物來(lái)防御污染物進(jìn)入體內(nèi).生活在重金屬污染的環(huán)境中的植物,通過(guò)根系分泌物不吸收或少吸收重金屬,形成避性機(jī)制.植物在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中,通過(guò)外部排斥和內(nèi)部忍耐的原理,進(jìn)化出超富集植物和避性植物[3].

1.3 存在的問(wèn)題

植物修復(fù)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中主要存在以下3個(gè)方面的問(wèn)題：首先是超富集植物資源的有限性.不同重金屬的超富集植物都有一定的分布區(qū)域,如Zn和Pb的超富集植物主要分布在西歐和北歐,Co和Cu的超富集植物主要分布在中南部非洲[4].目前在我國(guó)境內(nèi)發(fā)現(xiàn)的超富集植物,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)主要有：砷超富集植物有蜈蚣草[5]和大葉井口邊草[6],鋅超富集植物有東景南天[7]、寶山堇菜[8]、雙穗雀稗[9]、土荊芥[10],鋅富集植物有高羊茅、黑麥草和蜈蚣草[11],鉻超富集植物有李氏禾[12].東景南天可以富集植物Zn和Cd[13],鳳眼蓮可富集Pb和Cd,圓錐南芥為Pb、Zn、Cd多超富集植物[14]；其次是超富集植物自身存在缺陷.因超富集植物是自然選擇的結(jié)果,已發(fā)現(xiàn)的超富集植物多是野生種,生物量小、生長(zhǎng)緩慢、難以機(jī)械收割,許多超富集植物有較強(qiáng)的地域分布,修復(fù)效率低、耗時(shí)長(zhǎng)、不利于大面積栽培和廣泛應(yīng)用.目前利用基因工程培育理想的超富集植物進(jìn)展十分緩慢,因此尋找生物量大、生長(zhǎng)迅速、適應(yīng)性廣、修復(fù)效率高的超積累植物及其資源,是保證植物修復(fù)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的前提條件；第三是超富集植物對(duì)重金屬富集效應(yīng)的局限性.理想的超富集植物應(yīng)具有生長(zhǎng)速率快、生長(zhǎng)周期短、地上部生物量大、能同時(shí)富集兩種或兩種以上重金屬的特點(diǎn),但現(xiàn)實(shí)中其應(yīng)用具有一定的局限性.采取適宜的栽培調(diào)控措施以促進(jìn)超富集植物對(duì)土壤中重金屬的吸收是值得研究的重要問(wèn)題.

2 植物修復(fù)研究的新方向：環(huán)保育種

針對(duì)植物修復(fù)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在的主要問(wèn)題,我們提出以重要的糧食作物作為污染修復(fù)的供選植物,首次提出環(huán)保育種的概念.環(huán)保育種利用傳統(tǒng)育種技術(shù)及生物技術(shù)等手段,選育富集或超富集作物新品種,或者選育出對(duì)重金屬具有避性的作物品種,然后將這些新品種種植在被重金屬污染的土壤中,達(dá)到修復(fù)或利用這些土壤的目的.小麥?zhǔn)俏覈?guó)的重要糧食作物之一,播種面積大,研究基礎(chǔ)雄厚,我們以小麥為例來(lái)探討環(huán)保育種在植物修復(fù)中的應(yīng)用.

2.1 小麥環(huán)保育種的基礎(chǔ)

小麥?zhǔn)俏覈?guó)第三大糧食作物,常年播種面積在2.2×106hm2以上,分布面積比較廣.開(kāi)展小麥育種的單位和研究人員多,培育出的品種也比較多.以河南為例,河南是我國(guó)的小麥主產(chǎn)區(qū),常年播種面積超過(guò)5.2×105hm2,總產(chǎn)量在3×103萬(wàn)t以上.建國(guó)以來(lái),河南小麥品種更新?lián)Q代達(dá)9次,選育出很多新品種,能夠滿足不同生態(tài)類型區(qū)的需求[15].

目前有關(guān)小麥品種間對(duì)重金屬吸收的差異已有少量報(bào)道.季書勤等[16]研究了河南省20個(gè)主推小麥品種對(duì)重金屬吸收的差異,結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同的小麥品種對(duì)重金屬的吸收存在一定的差異：在被Cd污染的土地上種植的20個(gè)小麥品種中,開(kāi)麥18為低吸收型,鄭麥005等9個(gè)品種為中吸收型,而高優(yōu)503等10個(gè)品種為高吸收型.婁運(yùn)生等[17]采用水培法研究了6個(gè)小麥品種在2.5 μmol/L Cu和5 μmol/L Cd處理?xiàng)l件下的生物量變化,結(jié)果表明臨麥2號(hào)、寧麥8號(hào)生物量明顯高于其他4種小麥,綜合Cu和Cd在不同部位的累積情況可以得出,臨麥2號(hào)為低積累品種,寧麥8號(hào)為高積累品種.

2.2 小麥環(huán)保育種的途徑

小麥環(huán)保育種的途徑主要有2個(gè)：①針對(duì)現(xiàn)有小麥品種的優(yōu)良性狀進(jìn)行改良,強(qiáng)化其在植物修復(fù)方面的功能；②利用生物技術(shù)將已有的超富集植物資源與小麥進(jìn)行遠(yuǎn)緣雜交、側(cè)交及回交,培育出新的小麥品種.

利用我國(guó)小麥品種資源優(yōu)勢(shì),加上我國(guó)小麥種植區(qū)域廣,生態(tài)條件和栽培條件的差異性,廣泛收集不同單位培育的新品種、小麥種質(zhì)資源以及目前推廣的品種,多方位取樣,測(cè)試分析小麥品種在重金屬富集方面的差異性,從中篩選需要的小麥品種及其所需基因.在初步分析的基礎(chǔ)上,把初選出來(lái)的小麥品種種植在被重金屬污染的土壤上,或人為加入重金屬的試驗(yàn)田中,進(jìn)行實(shí)地馴化,對(duì)小麥品種進(jìn)行二次篩選,結(jié)合小麥長(zhǎng)勢(shì)、生物學(xué)產(chǎn)量和對(duì)重金屬富集效應(yīng)監(jiān)測(cè),最后選出富集能力強(qiáng)或弱吸收的小麥品種.可利用現(xiàn)有的植物避性基因,選育出不吸收富集的小麥品種,然后播種在重金屬污染的耕地上,生產(chǎn)出重金屬不超標(biāo)的小麥子粒,為重金屬污染土地的利用拓寬渠道.

借助于傳統(tǒng)的小麥育種手段,采用與小麥進(jìn)行遠(yuǎn)緣雜交、側(cè)交及回交的方法對(duì)已有的超富集植物資源進(jìn)行改良；利用現(xiàn)代生物技術(shù)進(jìn)行DNA片段的導(dǎo)入和轉(zhuǎn)基因的方式把有益的基因進(jìn)行組合與疊加,培育出對(duì)重金屬具有耐性的小麥品種或超富集小麥品種,進(jìn)一步把這些超富集小麥品種改良為廣適性栽培品種,逐步適應(yīng)高水、高肥、高密等栽培條件,選擇適合于不同環(huán)境條件的超富集或富集小麥品種.隨著分子育種技術(shù)的日益成熟和推廣利用,在遠(yuǎn)緣雜交育種方面道路更加寬廣,這為利用已有的超富集植物的超富集基因?qū)胄←溨仓曛?選育出能夠進(jìn)入商業(yè)化的超富集小麥品種提供了基因基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ).在日本和新西蘭,有研究人員把一些受鋁誘發(fā)的基因送進(jìn)植物體內(nèi)表現(xiàn),結(jié)果證實(shí)可使轉(zhuǎn)殖植物生存在含高濃度鋁的土壤中.2003年,美國(guó)研究人員把細(xì)菌中抗鎘的基因轉(zhuǎn)殖入植物體內(nèi)來(lái)加以表現(xiàn),結(jié)果同樣可以產(chǎn)生抵抗并累積高濃度鎘的植株.因此,除了利用天然的重金屬高聚積植物進(jìn)行植物修復(fù)外,基因轉(zhuǎn)殖植物將會(huì)在未來(lái)的植物修復(fù)工作中發(fā)揮更大的作用.

3 展望

環(huán)保育種是環(huán)境污染修復(fù)催生出的新的研究領(lǐng)域,利用重要的糧食作物小麥進(jìn)行植物修復(fù)前景光明,但道路曲折.需要加強(qiáng)國(guó)內(nèi)外各育種單位之間的聯(lián)系,聯(lián)合攻關(guān)與穿梭育種,要從種質(zhì)資源的收集、整理和改良做起,充分利用現(xiàn)有的小麥品種資源,對(duì)不同品種間重金屬含量進(jìn)行分析,查找有關(guān)基因,建立基因庫(kù).運(yùn)用傳統(tǒng)與現(xiàn)代生物技術(shù)手段進(jìn)行物種改良,培育與馴化出具有修復(fù)能力的小麥新資源與新品種,才能縮短環(huán)保育種從理論邁向?qū)嶋H應(yīng)用的路程.

[1]章柯.土壤污染告警：耕地面積10%以上已受重金屬污染[N/OL].第一財(cái)經(jīng)日?qǐng)?bào)（2011-02-17）[2012-08-15].http：//opinion.news.cntv.cn/20110217/109802.shtm l.

[2]聶發(fā)輝.關(guān)于超富集植物的新理解[J].生態(tài)環(huán)境,2005,14（1）：136-138.

[3]王煥校,吳玉樹(shù).污染生態(tài)學(xué)研究[M].北京：科學(xué)出版社,2006.

[4]吳大付,張莉,任秀娟,等.超富集植物研究新進(jìn)展[J].河南科技學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2011,39（3）：55-59.

[5]陳同斌,韋朝陽(yáng),黃澤春.砷超富集植物蜈蚣草及其對(duì)砷的富集特征[J].科學(xué)通報(bào),2002,47（3）：207-210.

[6]韋朝陽(yáng),陳同斌,黃澤春,等.大葉井口邊：一種新發(fā)現(xiàn)的富集砷的植物[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2002,22（5）：777-778.

[7]楊肖娥,龍新憲,倪吾鐘,等.東南景天：一種新的鋅超積累植物[J].科學(xué)通報(bào),2002,47（13）：1003-1006.

[8]劉威,束文圣,藍(lán)崇鈺.寶山堇菜：一種新的鎘超富集植物[J].科學(xué)通報(bào),2003,48（19）：2046-2049.

[9]張志權(quán),束文圣,藍(lán)崇鈺,等.土壤種子庫(kù)與礦業(yè)廢棄地植被恢復(fù)研究：定居植物對(duì)重金屬的吸收和再分配[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2001,25（3）：306-311.

[10]吳雙桃,吳曉芙,胡曰利,等.鉛鋅冶煉廠土壤污染及重金屬富集植物的研究[J].生態(tài)環(huán)境,2004,13（2）：156-160.

[11]楊卓,王偉,李博文,等.高羊茅和黑麥草對(duì)污染土壤Cd,Pb,Zn的富集特征[J].水土保持學(xué)報(bào),2008,22（2）：83-87.

[12]王英輝,陳學(xué)軍,趙艷林,等.鉛鋅礦區(qū)土壤重金屬污染與優(yōu)勢(shì)植物累積特征[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,36（4）：487-493.

[13]張學(xué)洪,羅亞平,黃海濤,等.一種新發(fā)現(xiàn)的濕生鉻超富集植物：李氏禾[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2006,26（3）：950-953.

[14]湯葉濤,仇榮亮,曾曉雯,等.一種新的多金屬超富集植物：圓錐南芥[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2005,44（4）：135-136.

[15]周新保.河南小麥品種更新及發(fā)展[J].種子世界,2005（5）：12-14.

[16]季書勤,郭瑞,王漢芳,等.河南省主要小麥品種重金屬污染評(píng)價(jià)及鎘吸收規(guī)律研究[J].麥類作物學(xué)報(bào),2006,26（6）：154-157.

[17]婁運(yùn)生,王琦,賈可,等.6個(gè)小麥品種對(duì)銅鎘吸收積累差異的比較[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào),2007,13（12）：102-104.