[发明专利]一种利用转基因植物修复重金属和有机物复合污染土壤的方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及生物技术及环境保护领域，特别是将外源基因引入抗复合污染植物及应用于重金属和有机物复合污染土壤修复的方法。

二、背景技术

随着城镇化、工业化、汽车尾气排放以及农业的集约化发展，环境问题越来越受到人们关注，重金属、有机物引起的土壤污染也日益成为环境、土壤科学家们研究的热点问题。土壤被重金属及有机物污染后，不仅直接影响作物产量和品质，还会通过食物链影响人体健康和安全。利用绿色植物清除污染物的策略，即植物修复技术具有成本低，环境友好和可再利用等特点，是一种非常有前途的环境污染原位治理途径。转基因植物由于具有更好的耐受力和积累量，可以得到更好的土壤修复效果。用转基因植物修复污染土壤，已经成为各国科学家研究的重点之一。

转基因植物修复重金属污染

在转基因植物修复中，植物鳌合肽技术得到较多应用。美国科学家Bennett等分别比较了表达γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶(ECS)或谷胱苷肽合成酶(GS)或ATP硫酸化酶(APS)基因的印度芥菜对土壤的修复效果，结果表明，表达γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶(ECS)或谷胱苷肽合成酶(GS)的植株，植物鳌合肽和谷胱苷肽的水平增加，对镉的耐受力和积累量也提高。表达ATP硫酸化酶的植株，其谷胱苷肽和硫醇的含量均有所提高。ECS和GS植株茎叶的重金属累积量显著高于野生株，其中镉为1.5倍，锌为1.5-2倍，对于铬、铜、铅，ECS植株的累积量为野生株的2.4-3倍。所有的转基因植株从土壤中清除的重金属量均显著高于野生株，土壤中镉、锌的减少量分别为25％和6％。上述几种转基因植株中，ECS植株的表现最佳。

2006年，美国科学家Li等将γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶(ECS)基因在拟南芥中表达，使谷胱甘肽在茎叶和根中的含量较野生株增加了2-5倍，有效提高了植物对砷、汞的耐受力。Pomponi教授等将拟南芥的植物鳌合肽基因在烟草中表达，提高了植株对Cd的耐受性和积累量。2007年，美国学者Banuelos等将半胱氨酸裂合酶(cpSL)和半胱氨酸转甲基酶(SMT)基因分别转入印度芥菜中表达，用转基因植株修复硒污染的土壤。结果，春季种植的转cpSL基因的植株对硒的累积量增加到原来的2倍，与野生型植株相比，叶子中硒浓度提高了1.8倍。转SMT基因的植株叶子中硒浓度比野生型植株提高了1.7倍。秋季种植的转SMT基因的植株对硒的累积量是野生植株的1.6倍，且茎、叶中硒的浓度都较高。这些结果表明，cpSL、SMT的转基因印度芥菜对硒的累积能力显著提高。LeDuc等研究者分别在拟南芥和印度芥末中同时表达ATP硫酸化酶和半胱氨酸甲基转移酶，使植株对硒的积累量提高了4-9倍。2007年，美国的Banuelos等研究者进行了转基因印度芥菜的大田试验，在转基因植株中表达了半胱氨酸裂合酶或半胱氨酸甲基转移酶，结果表明，硒的积累量提高了1.6-2倍。Gasic等将拟南芥的植物鳌合肽基因在印度芥菜中表达，提高了植株对镉的耐受性。

除了鳌合肽技术外，其它的转基因植物也用于重金属污染修复。

日本科学家Yazaki K等异源表达哺乳动物的ABC转运器基因于烟草中，可以同时提高对有机和无机污染物的耐受性，因而，可望用于复合污染的植物修复。但是，ABC表达的不够稳定。Sasaki等在拟南芥中表达细菌汞转运蛋白基因，构建了超级汞积累植株。Kim等在拟南芥中表达ABC转运器AtPDR8，提高了对镉的耐受力。2006年，美国学者Lindblom等将高亲和的硫酸盐传输子基因在印度芥末中表达，明显提高了植株对f Cr，Cd，V和W的耐受力。日本科学家Sasaki等将硫杆菌的汞膜转运蛋白在拟南芥中表达，构建了超级耐汞植物，其汞积累量为野生植物的2倍。2006年，Nagata等将细菌磷酸激酶基因在烟草中表达，提高了植株的汞耐受性和积累量。

转基因植物修复有机物污染

三氯乙烯(TCE)等是污染量较大的有机污染物，特别是对地下水的污染较多。P450 2E1酶可以氧化多种污染物，包括三氯乙烯、溴乙烯、氯仿、四氯化碳及氯乙烯等，对多种主要的土壤污染物有效，因此P450 2E1(CYB 2E1)被认为是增强植物有机污染修复效率的候选基因。