轉(zhuǎn)基因技術(shù)在植物環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用綜述

摘 要：植物修復(fù)技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是也存在很大的局限性。近年來轉(zhuǎn)基因植物修復(fù)環(huán)境發(fā)展很快，獲得的植物在吸收、積累和降解方面有了很大的改進(jìn)，轉(zhuǎn)基因技術(shù)在植物修復(fù)環(huán)境的方面前景廣闊。該文就以上問題一一作了闡述。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)基因技術(shù)；植物修復(fù)；應(yīng)用

中圖分類號(hào) X171.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2013）16-14-03

1 轉(zhuǎn)基因修復(fù)技術(shù)的發(fā)展

隨著城市工業(yè)迅速發(fā)展，城市污染問題日益突出，嚴(yán)重的水土和空氣污染已經(jīng)影響了人們的生活。自20世紀(jì)80年代以來，超積累植物的研究引起重視，美國科學(xué)家Chaney首次提出了植物修復(fù)技術(shù)的概念，利用超富集植物清除重金屬污染，將植物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境污染治理當(dāng)中。植物修復(fù)技術(shù)具有投資少，成本低，不造成二次污染以及美化環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，在治理環(huán)境方面具有優(yōu)勢，很快成為國際學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)，近年來美國、法國、丹麥、瑞典等國家在植物修復(fù)方面均加大了資金投入。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，植物修復(fù)的應(yīng)用前景將會(huì)更加廣泛。

目前已發(fā)現(xiàn)有500多種超積累植物，世界上研究最多的超積累植物主要集中在十字花科上，主要有蕓苔屬及遏藍(lán)菜屬植物。超富集植物具有的高效輸導(dǎo)系統(tǒng)使其具有高于普通植物的脫毒能力，富集能力是普通植物的50～500倍。但是超積累植物生物量小，生長速率慢，只對某種污染物具備積累效果，實(shí)際上環(huán)境污染的場地多為復(fù)合污染，有很多超積累植物僅在實(shí)驗(yàn)室效果明顯，還是達(dá)不到應(yīng)用的水平 （Hannink等，2001）。這使得植物修復(fù)技術(shù)一度陷入困境，發(fā)展緩慢。

近年來，轉(zhuǎn)基因技術(shù)的發(fā)展為植物修復(fù)技術(shù)提供了新的契機(jī)。目前國內(nèi)外運(yùn)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)獲得了轉(zhuǎn)基因植物（Kondo et al.，2002；Erkin et al.，2003； Wangelineet al.，2004），研究者將轉(zhuǎn)基因技術(shù)用于改良超積累植物，識(shí)別出富集量高的生物，通過分子生物學(xué)方法分離出相關(guān)基因，將基因與表達(dá)載體連接，通過農(nóng)桿菌浸染法、基因槍轉(zhuǎn)化法等方法轉(zhuǎn)移到生物量高和生長快的植物細(xì)胞中，使受體獲得新的遺傳特性，改善植物的修復(fù)潛能，獲得具備修復(fù)能力強(qiáng)、生長量大的轉(zhuǎn)基因植物，以開發(fā)出高效的轉(zhuǎn)基因修復(fù)植物，凈化環(huán)境。

一般情況下，轉(zhuǎn)基因植物在污染物的吸收、累積、降解等方面均能夠表現(xiàn)出較強(qiáng)的生物修復(fù)能力。植物能夠通過轉(zhuǎn)化作用將所吸收的有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化成無毒的物質(zhì)，也能將其分解為無毒的小分子化合物。通過轉(zhuǎn)入外源基因可以使植物對于有毒物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和分解能力增強(qiáng)。Wang等（2004）將棉花分泌型漆酶基因轉(zhuǎn)入擬南芥之后，擬南芥的根在含有酚酸類物質(zhì)培養(yǎng)基上伸長快。Tian等（2002）將細(xì)菌中的merB基因轉(zhuǎn)入植物，轉(zhuǎn)基因植株對有機(jī)汞的抗性增強(qiáng)。Hannink等（2001）將微生物硝基還原酶基因轉(zhuǎn)入煙草，結(jié)果轉(zhuǎn)化煙草對有機(jī)污染物TNT的吸收持久性增加。Doty等（2000）研究轉(zhuǎn)基因煙草對TCE的吸收和轉(zhuǎn)化作用，結(jié)果表明轉(zhuǎn)基因煙草根中相比于對照植株，明顯含有TCE轉(zhuǎn)化產(chǎn)物三氯乙醛和三氯乙醇。Rasmussen（2004）的研究結(jié)果表明鴨茅能加速除去二甲（苯）酚和三甲（苯）酚等。大米草能夠?qū)⒂袡C(jī)汞轉(zhuǎn)化為無機(jī)汞（田吉林等，2004）。降解有機(jī)污染物的酶類也能夠應(yīng)用于轉(zhuǎn)基因的研究中，如細(xì)胞色素P450單加氧酶、過氧化物酶等。把人體細(xì)胞色素P450的轉(zhuǎn)錄基因轉(zhuǎn)移到煙草中可以提高煙草對鹵素有機(jī)物的氧化能力。

Yamada等（2002b）將老鼠的CYP1A1基因轉(zhuǎn)入馬鈴薯，結(jié)果轉(zhuǎn)化植株對除草劑的降解能力相對于野生型增強(qiáng)。Kawahigashi等（2002）將人CYP2B6基因轉(zhuǎn)入水稻后，對除草劑呋草黃的降解作用增強(qiáng)。

植物體內(nèi)污染物濃度累積到一定程度時(shí)，植物的正常生理活動(dòng)就會(huì)受到影響，形態(tài)上表現(xiàn)為受傷害的癥狀。植物對于污染物的耐受能力是判斷其修復(fù)價(jià)值的關(guān)鍵因素。通過轉(zhuǎn)基因方法能提高植物對有機(jī)污染物的耐受能力，能提高植物的環(huán)境修復(fù)價(jià)值。農(nóng)業(yè)活動(dòng)使得除草劑殘留在土壤中，是修復(fù)土壤污染的難題。研究者用轉(zhuǎn)基因技術(shù)提高植物對污染物的耐受能力，使土壤中除草劑的抗性增強(qiáng)。

基因工程研究近年來在植物重金屬的富集方面也取得了進(jìn)展，識(shí)別和克隆了大量相關(guān)基因，并轉(zhuǎn)入植物中，用于重金屬污染的土壤修復(fù)研究。許多實(shí)驗(yàn)表明，將動(dòng)植物本身與重金屬脫毒相關(guān)的基因轉(zhuǎn)入植物，轉(zhuǎn)基因植物耐受和高積累重金屬的能力有很大提高。

觀賞性植物相比其他植物，在環(huán)境修復(fù)方面處于一個(gè)特殊的位置，利用花卉植物修復(fù)環(huán)境，不僅能改善環(huán)境，而且還能夠美化環(huán)境。但是由于植物修復(fù)的研究起步比較晚，在花卉植物的環(huán)境方面基本上沒有報(bào)道，目前僅僅是通過盆栽、水培、沙培等試驗(yàn)來驗(yàn)證和篩選花卉植物。因此在這方面還有很大空白，有待于進(jìn)一步的研究。

在植物的轉(zhuǎn)化技術(shù)中，選擇合適的載體和啟動(dòng)子可以使基因在特定部位表達(dá)量最高（Dinant等，2004）。通過不同特性啟動(dòng)子的特異性表達(dá)，可以促使污染物被吸收并且運(yùn)輸?shù)街参锏厣喜糠?。污染地區(qū)一般都是多種污染物引起的復(fù)合污染。因此修復(fù)植物需要能夠修復(fù)多種污染物。多基因轉(zhuǎn)化技術(shù)將多個(gè)基因逐個(gè)轉(zhuǎn)移到受體植物中，用以去除復(fù)合污染物。目前在這方面已經(jīng)有了一些進(jìn)展，獲取方法是通過構(gòu)建多基因表達(dá)載體，將外源基因通過多次轉(zhuǎn)化獲得修復(fù)植物。使多個(gè)基因同時(shí)表達(dá)而互不影響（Wu等，2002；Campbell等，2000）。Siminszky等（2003）將大豆CYP71A10和P450還原酶基因轉(zhuǎn)入煙草中，提高了煙草的降解能力。由此可見，通過多基因轉(zhuǎn)化方式能夠獲得降解多種有機(jī)污染物的轉(zhuǎn)基因植物。

2 轉(zhuǎn)基因技術(shù)存在的問題

在轉(zhuǎn)基因植物的實(shí)際應(yīng)用中還存在很多問題：首先是轉(zhuǎn)基因植物的環(huán)境安全性問題。在轉(zhuǎn)基因植物應(yīng)用于環(huán)境凈化時(shí)，為了防止變成生物入侵種，必須評估生態(tài)效應(yīng)。其次，轉(zhuǎn)基因植物體內(nèi)在富積了污染物之后，如何避免二次污染也是需要考慮的問題。最后，植物修復(fù)研究都是在實(shí)驗(yàn)室里針對某一特定污染物進(jìn)行研究的。實(shí)驗(yàn)室條件與污染場地的環(huán)境存在差距，可能會(huì)影響修復(fù)效果。

3 轉(zhuǎn)基因植物在污染環(huán)境修復(fù)上的應(yīng)用前景

轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用為植物修復(fù)提供了廣闊的前景，應(yīng)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)在提高植物修復(fù)能力方面取得了進(jìn)展。但是目前還處于起步階段，應(yīng)加強(qiáng)以下幾方面的工作：（1）克隆功能基因，研究其表達(dá)和功能，采用超強(qiáng)啟動(dòng)子，提高轉(zhuǎn)基因植物對重金屬污染物的富集程度，以定向培育轉(zhuǎn)基因植物。（2）引進(jìn)轉(zhuǎn)基因超積累植物和修復(fù)技術(shù)，儲(chǔ)備超積累植物，進(jìn)行組織培養(yǎng)，建立高效再生和遺傳轉(zhuǎn)化體系。（3）加強(qiáng)轉(zhuǎn)基因植物修復(fù)技術(shù)與轉(zhuǎn)基因生物修復(fù)效率的綜合技術(shù)研究。

隨著轉(zhuǎn)基因技術(shù)的發(fā)展和修復(fù)植物機(jī)理的深入研究，能夠高效修復(fù)環(huán)境的轉(zhuǎn)基因植物將會(huì)出現(xiàn)。美國Viridian環(huán)境公司用植物修復(fù)技術(shù)每年從金屬鎳的回收中獲利甚豐，我國植物資源豐富，篩選和培育重金屬超積累植物品種條件極為有利。分子生物學(xué)的發(fā)展、基因工程技術(shù)的應(yīng)用為植物修復(fù)技術(shù)的發(fā)展提供了有力的技術(shù)保障。轉(zhuǎn)基因植物將在生物修復(fù)中展示巨大作用，市場潛力巨大。

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（責(zé)編：張宏民）