轉基因技術在植物環境修復中的應用綜述

摘 要：植物修復技術具有很多優點，但是也存在很大的局限性。近年來轉基因植物修復環境發展很快，獲得的植物在吸收、積累和降解方面有了很大的改進，轉基因技術在植物修復環境的方面前景廣闊。該文就以上問題一一作了闡述。

關鍵詞：轉基因技術；植物修復；應用

中圖分類號 X171.4 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2013）16-14-03

1 轉基因修復技術的發展

隨著城市工業迅速發展，城市污染問題日益突出，嚴重的水土和空氣污染已經影響了人們的生活。自20世紀80年代以來，超積累植物的研究引起重視，美國科學家Chaney首次提出了植物修復技術的概念，利用超富集植物清除重金屬污染，將植物修復技術應用于環境污染治理當中。植物修復技術具有投資少，成本低，不造成二次污染以及美化環境等優點，在治理環境方面具有優勢，很快成為國際學術界研究的熱點，近年來美國、法國、丹麥、瑞典等國家在植物修復方面均加大了資金投入。隨著經濟的快速發展，植物修復的應用前景將會更加廣泛。

目前已發現有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菜屬植物。超富集植物具有的高效輸導系統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，實際上環境污染的場地多為復合污染，有很多超積累植物僅在實驗室效果明顯，還是達不到應用的水平 （Hannink等，2001）。這使得植物修復技術一度陷入困境，發展緩慢。

近年來，轉基因技術的發展為植物修復技術提供了新的契機。目前國內外運用轉基因技術獲得了轉基因植物（Kondo et al.，2002；Erkin et al.，2003； Wangelineet al.，2004），研究者將轉基因技術用于改良超積累植物，識別出富集量高的生物，通過分子生物學方法分離出相關基因，將基因與表達載體連接，通過農桿菌浸染法、基因槍轉化法等方法轉移到生物量高和生長快的植物細胞中，使受體獲得新的遺傳特性，改善植物的修復潛能，獲得具備修復能力強、生長量大的轉基因植物，以開發出高效的轉基因修復植物，凈化環境。

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

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

植物體內污染物濃度累積到一定程度時，植物的正常生理活動就會受到影響，形態上表現為受傷害的癥狀。植物對于污染物的耐受能力是判斷其修復價值的關鍵因素。通過轉基因方法能提高植物對有機污染物的耐受能力，能提高植物的環境修復價值。農業活動使得除草劑殘留在土壤中，是修復土壤污染的難題。研究者用轉基因技術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。

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展，識別和克隆了大量相關基因，并轉入植物中，用于重金屬污染的土壤修復研究。許多實驗表明，將動植物本身與重金屬脫毒相關的基因轉入植物，轉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，在環境修復方面處于一個特殊的位置，利用花卉植物修復環境，不僅能改善環境，而且還能夠美化環境。但是由于植物修復的研究起步比較晚，在花卉植物的環境方面基本上沒有報道，目前僅僅是通過盆栽、水培、沙培等試驗來驗證和篩選花卉植物。因此在這方面還有很大空白，有待于進一步的研究。

在植物的轉化技術中，選擇合適的載體和啟動子可以使基因在特定部位表達量最高（Dinant等，2004）。通過不同特性啟動子的特異性表達，可以促使污染物被吸收并且運輸到植物地上部分。污染地區一般都是多種污染物引起的復合污染。因此修復植物需要能夠修復多種污染物。多基因轉化技術將多個基因逐個轉移到受體植物中，用以去除復合污染物。目前在這方面已經有了一些進展，獲取方法是通過構建多基因表達載體，將外源基因通過多次轉化獲得修復植物。使多個基因同時表達而互不影響（Wu等，2002；Campbell等，2000）。Siminszky等（2003）將大豆CYP71A10和P450還原酶基因轉入煙草中，提高了煙草的降解能力。由此可見，通過多基因轉化方式能夠獲得降解多種有機污染物的轉基因植物。

2 轉基因技術存在的問題

在轉基因植物的實際應用中還存在很多問題：首先是轉基因植物的環境安全性問題。在轉基因植物應用于環境凈化時，為了防止變成生物入侵種，必須評估生態效應。其次，轉基因植物體內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，植物修復研究都是在實驗室里針對某一特定污染物進行研究的。實驗室條件與污染場地的環境存在差距，可能會影響修復效果。

3 轉基因植物在污染環境修復上的應用前景

轉基因技術的應用為植物修復提供了廣闊的前景，應用轉基因技術在提高植物修復能力方面取得了進展。但是目前還處于起步階段，應加強以下幾方面的工作：（1）克隆功能基因，研究其表達和功能，采用超強啟動子，提高轉基因植物對重金屬污染物的富集程度，以定向培育轉基因植物。（2）引進轉基因超積累植物和修復技術，儲備超積累植物，進行組織培養，建立高效再生和遺傳轉化體系。（3）加強轉基因植物修復技術與轉基因生物修復效率的綜合技術研究。

隨著轉基因技術的發展和修復植物機理的深入研究，能夠高效修復環境的轉基因植物將會出現。美國Viridian環境公司用植物修復技術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。分子生物學的發展、基因工程技術的應用為植物修復技術的發展提供了有力的技術保障。轉基因植物將在生物修復中展示巨大作用，市場潛力巨大。

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（責編：張宏民）