植物修復(fù)治理鎘污染及其鎘富集分子機(jī)制研究

曾鍵堯 李 娜 王 妍 楊 琳

（天津師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院天津市動植物抗性重點實驗室 天津 300387）

引言

鎘污染目前已經(jīng)成為全球問題[1]，全世界每年向環(huán)境中釋放的鎘達(dá)30000 噸左右[2]，主要通過土壤/水體-植物/動物-人類營養(yǎng)鏈在人體內(nèi)的積累[3]，造成肺、肝、骨、腎、前列腺、睪丸和免疫系統(tǒng)等一系列損傷[4]，鎘污染治理問題受到廣泛關(guān)注。

鎘污染的治理主要通過物理、化學(xué)或生物的方法。化學(xué)方法采用化學(xué)試劑灌溉土壤或噴灑葉面，雖取得一定成效，但可能造成二次污染[5]；物理方法對土壤進(jìn)行排土置換或淋浴、降低pH 值[6]等，不易引入新污染，但耗時長、清除效果有限、勞動量大、成本高。故近年來植物修復(fù)鎘污染越來越受重視。由于植物修復(fù)的創(chuàng)新性和環(huán)境友好性，且低成本展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。

植物體內(nèi)鎘積累會造成植物生長緩慢、葉片發(fā)黃甚至死亡等現(xiàn)象[1]，一些超富集鎘的植物能很強(qiáng)吸收，自身的正常生理功能只受較小影響[7]。科學(xué)工作者通過對植物體內(nèi)鎘富集的機(jī)制的研究，對其分子機(jī)制有一定了解并得到了與鎘富集相關(guān)的基因。研究植物體內(nèi)鎘富集的分子機(jī)制對植物修復(fù)法治理鎘污染有重要應(yīng)用價值。

1 植物修復(fù)技術(shù)治理鎘污染研究進(jìn)展

植物修復(fù)技術(shù)是指利用某些植物對鎘的高富集率和強(qiáng)耐受力達(dá)到降低或去除降低環(huán)境中鎘污染危害的技術(shù)，有植物提取、植物降解、植物揮發(fā)、根際過濾和植物固定五種類型[8]。目前鎘污染主要有土壤鎘污染和水體鎘污染兩種類型。

1.1 土壤植物修復(fù)技術(shù)

鎘在土壤中存在水溶交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)物結(jié)合態(tài)和殘留態(tài)5 種形態(tài)，其中，處于水溶交換態(tài)的鎘最易被生物吸收[9]。

目前已有多種土壤修復(fù)植物被發(fā)現(xiàn)，如法國南部的遏藍(lán)菜屬，植物葉片鎘富集量能高達(dá)葉片干重的0.3%[10]，同時發(fā)現(xiàn)，土壤pH 值在鎘吸收中發(fā)揮重要作用。但目前在國內(nèi)發(fā)現(xiàn)的超富集鎘的植物并不多。

1.2 水體植物修復(fù)技術(shù)

鎘污染源頭主要是水體污染，通過廢水到土壤進(jìn)而污染農(nóng)作物或家禽最后對人體造成危害[11]。水體植物修復(fù)技術(shù)相較于土壤起步較晚，僅有鳳眼蓮、蘆葦?shù)缺粦?yīng)用于污染水體的治理。

浮萍是一種能富集鎘的植物，有繁殖速度快、耐受能力強(qiáng)和易打撈等優(yōu)勢，在污水治理上有廣闊應(yīng)用前景，但對其富集鎘分子方面的研究尚未有報道。

2 植物鎘吸收、區(qū)域化及轉(zhuǎn)運(yùn)過程相關(guān)蛋白

已有多種蛋白被報道參與植物鎘吸收區(qū)域化和轉(zhuǎn)運(yùn)過程，包括陽離子擴(kuò)散促進(jìn)蛋白（Cation Diffuse Facilitor Proteins,CDF）家族、鋅鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（Zine-Iron Reglated Transporter Proteins,ZIP）家族、Nramp（Natural resistance-associated macrophage proteins,Nramp）家族、重金屬ATP 酶（Heavy Metal ATPase,HMA）、離子交換蛋白（cation exchangers，CAX）以及ABC（ATP-Binding Cassette）類型的液泡轉(zhuǎn)運(yùn)體[12]。其中，HMA、CAX 和ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是負(fù)責(zé)鎘離子向液泡區(qū)域化的離子通道蛋白。

2.1 CDF家族

CDF 家族在1995 年被Siliver 和Nies 首次鑒定，目前研究結(jié)果表明CDF 蛋白是質(zhì)子逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[13]。CDF 蛋白家族識別底物具有專一性，Cd2+離子半徑為97pm[14]，能被其結(jié)合位點識別。轉(zhuǎn)基因酵母中過表達(dá)該家族的TgMTIP1 基因能增加其對Cd2+、Co2+和Ni2+的耐受能力。

2.2 ZIP家族

ZIP 家族蛋白在各類生物中廣泛存在，參與介導(dǎo)鋅、鐵、錳、銅、鎘、砷等多種二價陽離子的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)。Pence 等發(fā)現(xiàn)ZIP 家族的ZNT1 基因可以同時促進(jìn)酵母對鎘、鋅的吸收[15]，但Milner等通過進(jìn)一步實驗發(fā)現(xiàn)，NcZNT1 基因參與細(xì)胞對鋅的吸收而不參與鎘、銅、鐵、錳的跨膜運(yùn)輸[16]。

2.3 Nramp家族

Nramp 家族首先在動物中被發(fā)現(xiàn)，隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)在植物中，該家族成員對金屬離子的轉(zhuǎn)運(yùn)也起重要作用，At-NRAMP1、AtNRAMP 與AtNRAMP4 等 都 參 與 了Cd 的 轉(zhuǎn) 運(yùn)[1]。Thomine 等人發(fā)現(xiàn)，植物表達(dá)系統(tǒng)過量表達(dá)Nramp 家族成員At-Nramp3 時，Cd2+的存在能增加鐵富集量[17]。

2.4 HMA家族

HMA 屬P 型ATP 酶亞族，參與多種重金屬離子的轉(zhuǎn)運(yùn)，在鎘運(yùn)輸中發(fā)揮了不同作用。目前HMA3、HMA4 與HMA9 已被證實參與鎘吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)[18]。在擬南芥中AtHMA2 和AtHMA4 參與了鎘向木質(zhì)部運(yùn)輸?shù)倪^程，HMA3 負(fù)責(zé)鎘離子向液泡的區(qū)域化。擬南芥中發(fā)現(xiàn)的AtHMA3 和水稻中發(fā)現(xiàn)的OsHMA3 均被證實是液泡膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)子，負(fù)責(zé)鎘的區(qū)域化[19]。

2.5 CAX家族

CAX 家族是定位于液泡膜上的反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，能轉(zhuǎn)運(yùn)Ca2+、Cd2+、Mn2+等離子，是陽離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。Shigaki 等人（2006）發(fā)現(xiàn)，在煙草中過表達(dá)擬南芥AtCAX2 能增加煙草對Cd2+的抗性；Korenkov 等人進(jìn)一步研究表明，煙草中過表達(dá)AtCAX2 和AtCAX4增強(qiáng)了Cd2+向液泡轉(zhuǎn)運(yùn)過程，進(jìn)而實現(xiàn)Cd2+積累[20]。

2.6 ABC家族

ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白種類龐大多樣，通過將重金屬離子向液泡運(yùn)輸，緩解重金屬離子的危害。AtATM3 是擬南芥ABC 家族成員之一，Kim（2006）等人發(fā)現(xiàn)，AtATM3 基因表達(dá)量在鎘處理后的植物根系中上調(diào)，通過對AtATM3 突變株和野生型的研究發(fā)現(xiàn)突變株對鎘的敏感性高于野生型，過表達(dá)AtATM3 的植株對鎘的抗性更強(qiáng)，表明AtATM3 對鎘脅迫有一定的耐受作用[21]。

結(jié)語

植物修復(fù)技術(shù)在治理環(huán)境中重金屬污染問題的應(yīng)用雖已受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注，但對植物吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)鎘的分子機(jī)制仍不明確。分子機(jī)制的確立對環(huán)境修復(fù)植物品種的選擇有重要影響，同時也能通過對相關(guān)基因的克隆解決現(xiàn)植物修復(fù)技術(shù)存在的鎘富集量低、效果不顯著、生長緩慢等缺點。

總之，植物修復(fù)技術(shù)需要一套完整的應(yīng)用體系，通過分子生物學(xué)的研究，了解影響鎘富集的相關(guān)因素，為植物富集鎘創(chuàng)造適宜的條件對環(huán)境鎘污染的治理至關(guān)重要。