植物基因工程修复土壤重金属污染研究进展.pdf

第３２卷第８期２０１９年８月环境科学研究ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅｓＶｏｌ . ３２ ꎬ Ｎｏ . ８Ａｕｇ . ꎬ ２０１９收稿日期２０１８￣１２￣０６修订日期２０１９￣０３￣０８作者简介杨茹月１９９４￣ ꎬ 女 ꎬ 河北秦皇岛人 ꎬ １５７３１３６２８４７ｍ＠ｓｉｎａ . ｃｎ . ∗ 责任作者 ① 王雷１９８６￣ ꎬ 男 ꎬ 黑龙江大庆人 ꎬ 工程师 ꎬ 博士 ꎬ 主要从事环境污染控制研究 ꎬ ｗａｎｇｌｅｉ０１＠ｃｒａｅｓ . ｏｒｇ . ｃｎ ꎻ ② 吕宁磬１９８６￣ ꎬ 男 ꎬ 山西忻州人 ꎬ 助理研究员 ꎬ 硕士 ꎬ 主要从事环境污染控制研究 ꎬ ｌｖｎｑ＠ｃｒａｅｓ . ｏｒｇ . ｃｎ基金项目国家科技重大专项项目Ｎｏ . ２０１６ＺＸ０５０４０００１￣００３ ꎻ 中央级公益性科研院所基本科研业务专项Ｎｏ . ２０１４０９０３０ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＮａｔｉｏｎａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭａｊｏｒＰｒｏｊｅｃｔｏｆＣｈｉｎａＮｏ . ２０１６ＺＸ０５０４０００１￣００３ ꎻ ＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌＲｅｓｅａｒｃｈＦｕｎｄｓｆｏｒＣｅｎｔｒａｌＰｕｂｌｉｃＷｅｌｆａｒｅＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｓｏｆＣｈｉｎａＮｏ . ２０１４０９０３０植物基因工程修复土壤重金属污染研究进展杨茹月１ ꎬ ２ ꎬ 李彤彤２ ꎬ 杨天华１ ꎬ 李艳平２ ꎬ 刘慧２ ꎬ 王雷１ ∗ ꎬ 吕宁磬２ ∗ １ . 沈阳航空航天大学能源与环境学院 ꎬ 辽宁省清洁能源重点实验室 ꎬ 辽宁沈阳１１０１３６２ . 中国环境科学研究院 ꎬ 北京１０００１２摘要土壤重金属污染植物修复技术应用广泛 ꎬ 但超富集植物的寻找耗时费力 ꎬ 现存超富集植物通常生长缓慢、生物量低、地域限制较大 ꎬ 导致植物修复效果不能达到预期 . 基因工程在植物修复中的应用 ꎬ 为提高植物修复土壤重金属污染的效率提供了新的思路 . 通过综述基因工程强化植物修复土壤重金属污染的研究进展 ꎬ 着重关注植物修复关于重金属转运、储存、解毒过程的调控过程 ꎬ 主要包括 ① 控制植物体内重金属由胞外运移至胞内的关键基因 ꎬ 主要有锌铁调控蛋白、黄色条纹样蛋白、天然抗性相关巨噬细胞蛋白 ꎬ 作为载体参与重金属在植物体内的不同组织的转运 . ② 改变重金属在细胞内储存位置、提高植物耐受能力的关键基因 ꎬ 主要调控ＡＴＰ结合盒转运器、阳离子扩散促进器和Ｐ１Ｂ型ＡＴＰａｓｅｓ ꎬ 通过增强植物对重金属的区隔化能力来实现储存功能 . ③ 降低重金属对植物毒害作用的关键基因 ꎬ 主要调控植物体内植物络合素、金属硫蛋白的大量合成 ꎬ 并络合重金属形成螯合物 . 根据植物基因对重金属超耐性和超富集的作用机制 ꎬ 建议后续研究可利用基因工程向目标植物导入相关功能基因 ꎬ 使其在目标植物中高效表达 ꎬ 并在实际环境中进行植物生长测试应答机制 ꎬ 最终更好地调控植物体内重金属含量平衡关系 ꎬ 以克服超富集植物与环境适配性差的缺陷 . 关键词土壤 ꎻ 重金属 ꎻ 植物修复 ꎻ 超富集植物 ꎻ 基因工程中图分类号Ｘ５３文章编号１００１￣６９２９２０１９０８￣１２９４￣１０文献标志码ＡＤＯＩ１０ 􀆰 １３１９８ ∕ ｊ 􀆰 ｉｓｓｎ 􀆰 １００１￣６９２９ 􀆰 ２０１９ 􀆰 ０３ 􀆰 １９ＡｄｖａｎｃｅｓｉｎＥｎｈａｎｃｅｄＰｈｙｔｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎｂｙＧｅｎｅｔｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＨｅａｖｙＭｅｔａｌＰｏｌｌｕｔｉｏｎｉｎＳｏｉｌＹＡＮＧＲｕｙｕｅ１ ꎬ ２ ꎬ ＬＩＴｏｎｇｔｏｎｇ２ ꎬ ＹＡＮＧＴｉａｎｈｕａ１ ꎬ ＬＩＹａｎｐｉｎｇ２ ꎬ ＬＩＵＨｕｉ２ ꎬ ＷＡＮＧＬｅｉ１ ∗ ꎬ Ｌ Ü Ｎｉｎｇｑｉｎｇ２ ∗ １ . ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＣｌｅａｎＥｎｅｒｇｙｏｆＬｉａｏｎｉｎｇ ꎬ ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ꎬ ＳｈｅｎｙａｎｇＡｅｒｏｓｐａｃｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ꎬ Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１０１３６ ꎬ Ｃｈｉｎａ２ . ＣｈｉｎｅｓｅＲｅｓｅａｒｃｈＡｃａｄｅｍｙｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ ꎬ Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００１２ ꎬ ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔＰｈｙｔｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｆｏｒｈｅａｖｙｍｅｔａｌｐｏｌｌｕｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｉｎｓｏｉｌ . Ｈｏｗｅｖｅｒ ꎬ ｓｌｏｗｇｒｏｗｔｈｒａｔｅ ꎬ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｌｏｗｂｉｏｍａｓｓａｎｄｒｅｇｉｏｎａｌｔｙｐｅｏｆｐｌａｎｔｓｏｆｔｅｎｌｉｍｉｔｔｈｅｅｘｔｅｎｓｉｖｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｅｅｘｉｓｔｉｎｇｈｙｐｅｒａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒｓ ꎬ ｓｅａｒｃｈｉｎｇｂｅｔｔｅｒｈｙｐｅｒａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒｓｔｏｃｏｍｐｌｅｔｅｔｈｅｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎｉｓｔｉｍｅ￣ｃｏｎｓｕｍｉｎｇａｎｄｌａｂｏｒｉｏｕｓ . Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｇｅｎｅｔｉｃｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｉｎｐｈｙｔｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎｐｒｏｖｉｄｅｓｎｅｗｉｄｅａｆｏｒｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｐｈｙｔｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ . Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ ꎬ ｔｈｅｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｏｆｐｈｙｔｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎｆｏｒｈｅａｖｙｍｅｔａｌｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎｉｎｓｏｉｌｂｙｇｅｎｅｔｉｃｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄ . Ｍｏｒｅｏｖｅｒ ꎬ ｔｈｅｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｇｅｎｅｓｆｏｒｐｈｙｔｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓａｒｅｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ꎬ ｗｈｉｃｈｉｎｃｌｕｄｅｓ１Ｔｈｅｋｅｙｇｅｎｅｓ ꎬ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｈｅｍｉｇｒａｔｉｏｎｏｆｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓｆｒｏｍｔｈｅｅｘｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒｔｏｔｈｅｉｎｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒ ꎬ ａｒｅｏｆｔｅｎｒｅｌａｔｅｄｔｏｚｉｎｃ￣ｉｒｏｎｒｅｇｕｌａｔｏｒｙｐｒｏｔｅｉｎｓ ꎬ ｙｅｌｌｏｗｓｔｒｉｐｅ￣ｌｉｋｅｐｒｏｔｅｉｎｓ ꎬ ａｎｄｎａｔｕｒａｌ￣ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ￣ａｓｓｏｃｉａｔｅｄｍａｒｏｐｈａｇｅｐｒｏｔｅｉｎ . Ｔｈｅｙｐａｒｔｉｃｉｐａｔｅａｓｃａｒｒｉｅｒｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｔｒａｎｓｌｏｃａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｕｐｔａｋｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｉｓｓｕｅｓｏｆｐｌａｎｔｓ . ２Ｔｈｅｋｅｙｇｅｎｅｓ ꎬ ｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓｉｎｃｅｌｌｓ ꎬ ｏｆｔｅｎｒｅｇｕｌａｔｅＡＴＰ￣ｂｉｎｄｉｎｇｃａｓｓｅｔｔｅｔｒａｎｓｐｏｒｔｅｒ ꎬ ｃａｔｉｏｎｄｉｆｆｕｓｉｏｎｆａｃｉｌｉｔａｔｏｒｆａｍｉｌｙａｎｄＰ１ＢｔｙｐｅＡＴＰａｓｅ . Ｔｈｅｙｃｏｕｌｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎａｂｉｌｉｔｙｏｆｐｌａｎｔｓｔｏｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓｂｙｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｈｅｉｎｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒｔｒａｎｓｐｏｒｔｏｆｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓ . ３Ｔｈｅｋｅｙｇｅｎｅｓｒｅｌａｔｅｄｔｏｐｈｙｔｏｃｈｅｌａｔｉｎｓａｎｄｍｅｔａｌｌｏｔｈｉｏｎｅｉｎ ꎬ ｗｈｉｃｈｒｅｄｕｃｅｔｈｅｔｏｘｉｃｉｔｙｔｏｐｌａｎｔｓｂｙｆｏｒｍｉｎｇｓｔａｂｌｅｃｈｅｌａｔｅｓｗｉｔｈｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓ . Ａｌｌｔｈｅｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｇｅｎｅｍｅｎｔｉｏｎｅｄａｂｏｖｅｒｅｖｅａｌｔｈｅｅｎｔｉｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｈｅａｖｙｍｅｔａｌｈｙｐｅｒｔｏｌｅｒａｎｃｅａｎｄｈｙｐｅｒａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ . Ｈｅｎｃｅｉｔｉｓｓｕｇｇｅｓｔｅｄｔｈａｔｒｅｖｅｒｓｅｔｒａｎｓｃｒｉｐｔｉｏｎｕｓｅｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｇｅｎｅｓｉｎｔｈｅｔａｒｇｅｔｐｌａｎｔｓｍｉｇｈｔｂｅ第８期杨茹月等植物基因工程修复土壤重金属污染研究进展ｂｅｔｔｅｒｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ ꎬ ｗｈｉｃｈｉｓｅｎａｂｌｅｐｌａｎｔｓｔｏｇｒｏｗｉｎｔｈｅｎａｔｕｒａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ . Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｗｏｕｌｄｒｅｇｕｌａｔｅｔｈｅｂａｌａｎｃｅｏｆｈｅａｖｙｍｅｔａｌｃｏｎｔｅｎｔｉｎｐｌａｎｔｓ ꎬ ｓｏａｓｔｏｏｖｅｒｃｏｍｅｔｈｅｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓｏｆｐｏｏｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｈｙｐｅｒａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒｓ . Ｋｅｙｗｏｒｄｓｓｏｉｌ ꎻ ｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓ ꎻ ｐｈｙｔｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ ꎻ ｈｙｐｅｒａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ꎻ ｇｅｎｅｔｉｃｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ随着我国工业化、城市化进程的不断推进 ꎬ 在矿产开发、电镀冶炼、污水灌溉、农业施肥等过程中存在管理制度不完善的问题 ꎬ 导致土壤重金属污染严重 [ １ ] . 据统计 ꎬ 目前我国耕地面积约１１０８ｈｍ２ ꎬ 重金属污染的耕地面积约２１０７ｈｍ２ ꎬ 受重金属污染的粮食达１􀆰 ２１０７ｔ ꎬ 经济损失高达２１０１０元 [ ２ ] . 儿童 “ 血铅 ” 超标 ꎬ “ 镉米 ” 事件无时无刻不在向人类敲响警钟 ꎬ 重金属污染对人类的生产生活产生了巨大影响 ꎬ 关于土壤重金属污染修复的研究成为当今重点 . “ 十三五 ” 规划以来 ꎬ 我国加大了对土壤修复的力度 ꎬ 原环境保护部组织编制了 « 重金属及有毒有害化学物质污染防治 “ 十三五 ” 规划纲要征求意见稿 » ꎬ 为保障人类的身体健康 ꎬ 急需研发经济、高效、实用的土壤重金属修复技术 [ ３ ] . 目前常见的土壤重金属污染修复技术主要包括物理修复、化学修复、生物修复 ꎬ 生物修复中的植物修复因技术成本低、操作简便、应用范围广、无二次污染以及可以回收植物体中重金属等优点 [ ４ ] ꎬ 被学术界以及各国和地区的环境保护部门广泛接受 . 近年来 ꎬ 美国、法国等均在植物修复方面的研究投入了大量资金 ꎬ 随着经济的快速发展 ꎬ 植物修复的应用前景将会越来越广泛 [ ５ ] . 植物修复技术的关键是超富集植物的筛选 ꎬ 但因其过程耗时费力、获得的植株矮小、环境适配性差等缺点 ꎬ 严重阻碍了植物修复在土壤重金属污染修复中的应用 [ ６ ] . 有研究 [ ７￣８ ] 指出 ꎬ 在烟草中加入ＭＴｓ基因ＣＵＰ１ ꎬ 可以有效促进烟草对Ｃｕ的吸收和富集 ꎬ 提高植物对土壤重金属污染的修复效率 ꎻ 引入对Ｈｇ富集有益的基因 ꎬ 不仅可以有效提高植物对Ｈｇ的富集量和富集速度 ꎬ 而且还可以提高植物对Ｈｇ的耐性 ꎬ 进而提高植物对重金属土壤的修复能力 . 转录组测序可以克服传统分析检测方法中的缺点 ꎬ 提高分析检测的速度和结果的准确度、完整性 ꎬ 目前已广泛应用于生物基因结构的分析工作中 ꎬ 利用转录组测序寻找控制植物超富集和超耐性的关键基因 . Ｇｒｉｃｈｋｏ等 [ ９ ] 将细菌中的１￣氨基环丙烷￣１￣羧酸脱氨基酶基因导入番茄中 ꎬ 发现转基因番茄对Ｃｄ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｚｎ的耐性都有不同程度的提高 ꎬ 同时在各组织中的富集量也得到了提高 . Ｐｉｌｏｎ等 [ １０ ] 将老鼠的ｓｅ￣ｃｙｓ裂解酶基因导入拟南芥中 ꎬ 转基因拟南芥地上部的硒含量是野生型的１􀆰 ５倍 . 以上试验说明 ꎬ 在植物修复过程中利用基因工程技术突破了物种之间的界限 ꎬ 将某些异源来源于植物、细菌或动物等目的基因转移到目标植物体内并充分表达 [ １１ ] ꎬ 可有效提高植物对重金属的耐性和富集能力 ꎬ 针对土壤重金属污染获得更高效的修复植物 . 因此 ꎬ 利用基因工程强化植物修复土壤重金属污染成为广大学者当今研究的重点和热点 ꎬ 具有广阔的发展潜力 . 该文针对土壤重金属污染问题 ꎬ 主要介绍植物修复技术关于重金属转运、储存、解毒过程主要调控基因的研究进展 ꎬ 同时对未来的研究方向进行展望 ꎬ 以期为基因工程培育高效修复植物以及提高植物修复土壤重金属污染效率提供参考 . １调控重金属向细胞内转运能力的主要基因植物体内重金属的转运行为主要与重金属吸收蛋白相关 ꎬ 该蛋白主要位于细胞质膜上 ꎬ 主要作用是将细胞质以外的重金属运输到细胞质 . 近年来 ꎬ 随着转录组测序技术的发展 ꎬ 许多金属转运蛋白基因被鉴定 ꎬ 主要有锌铁调控蛋白ｚｉｎｃ￣ｉｒｏｎｒｅｇｕｌａｔｏｒｙｐｒｏｔｅｉｎｓ ꎬ ＺＩＰ家族蛋白、黄色条纹样蛋白ｙｅｌｌｏｗｓｔｒｉｐｅ￣ｌｉｋｅ ꎬ ＹＳＬ家族蛋白、天然抗性相关巨噬细胞蛋白ｎａｔｕｒａｌ￣ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ￣ａｓｓｏｃｉａｔｅｄｍａｒｏｐｈａｇｅｐｒｏｔｅｉｎ ꎬ Ｎｒａｍｐ家族蛋白等 . １ 􀆰 １锌铁调控蛋白ＺＩＰ家族ＺＩＰ家族是Ｚｎ转运蛋白家族ＺＲＴ和Ｆｅ转运蛋白家族ＩＲＴ的合称见表１ ꎬ 主要用于重金属从胞外到胞内的运输 [ ２７ ] . 其中 ꎬ ＨｖＺＩＰ５蛋白ＺＲＴ家族一员是Ｚｎ的转运体 ꎬ 在大麦缺乏Ｚｎ元素时参与大麦根部Ｚｎ的平衡 ꎻ 而ＩＲＴ是Ｆｅ２＋的转运蛋白 ꎬ 作用原理是诱导根际释放Ｈ＋酸化土壤从而增强Ｆｅ３＋的可溶性 ꎬ 而后通过铁氧化还原酶ＦＲＯ将Ｆｅ３＋还原成Ｆｅ２＋ ꎬ 在植物缺Ｆｅ情况下ＩＲＴ１将Ｆｅ２＋转运至细胞内 ꎬ ＩＲＴ的转运功能仅针对双子叶植物和非禾本科单子叶植物 . 目前在拟南芥、水稻、苜蓿、番茄和大豆等植物中发现了１００多个ＺＩＰ家族基因 ꎬ 现已克隆了６个植物ＺＩＰ家族基因铁载体基因 ꎬ 其中有２个来源于拟南芥基因ＩＲＴ１、ＩＲＴ２ ꎬ ２个来源于番茄铁载体基因ＬｅＩＲＴ１和ＬｅＩＲＴ２ [ ２８ ] ꎬ １个来源于水稻铁载体基因ＯｓＩＲＴ１ [ ２９ ] ꎬ １个来源于豌豆铁载体基因ＰｓＲＩＴ１ [ ３０ ] ꎬ 有关玉米、大豆、大麦等农作物中Ｚｎ转运蛋白基因的鉴定与克隆还处于起步阶段 . ５９２１环境科学研究第３２卷表１ＺＩＰ家族基因在不同植物中的表达情况Ｔａｂｌｅ１ＥｘｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆＺＩＰｆａｍｉｌｙｇｅｎｅｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｌａｎｔｓ植物种类ＺＩＰ家族基因胁迫条件部位功能数据来源水稻拟南芥ＯｓＺＩＰ１缺Ｚｎ根转运Ｚｎ文献 [ １２￣１３ ] ＯｓＺＩＰ４缺Ｚｎ根 ∕ 地上部转运Ｚｎ文献 [ １４￣１６ ] ＯｓＺＩＰ６缺Ｚｎ、Ｆｅ、Ｍｎ根 ∕ 地上部Ｚｎ向地上部转运文献 [ １６ ] ＯｓＩＲＴ１缺Ｆｅ根 ∕ 茎吸收和转运Ｆｅ、Ｚｎ、Ｃｄ文献 [ １７￣１８ ] ＯｓＩＲＴ２缺Ｆｅ根吸收Ｆｅ ꎬ Ｃｄ转运Ｃｄ文献 [ １９ ] ＡｔＺＩＰ１缺Ｚｎ根 ∕ 茎Ｚｎ地上部运输文献 [ ２０ ] ＡｔＺＩＰ２缺Ｚｎ根Ｚｎ地上部运输文献 [ ２０ ] 缺Ｃｕ根转运Ｃｕ文献 [ ２１ ] ＡｔＺＩＰ３缺Ｚｎ根 ∕ 茎转运Ｚｎ文献 [ ２２￣２３ ] ＡｔＺＩＰ４缺Ｚｎ根 ∕ 地上部转运Ｚｎ文献 [ ２４ ] ＡｔＺＩＰ５缺Ｃｕ根转运Ｃｕ文献 [ ２５ ] 缺Ｚｎ根 ∕ 地上部转运Ｚｎ文献 [ ２０ ] ＡｔＺＩＰ９缺Ｚｎ根 ∕ 地上部转运Ｚｎ文献 [ ２２ ] ＡｔＩＲＴ１缺Ｆｅ根转运Ｆｅ文献 [ ２５ ] ＡｔＩＲＴ２缺Ｆｅ根转运Ｆｅ文献 [ ２６ ]通常地 ꎬ ＺＩＰ家族蛋白转运对象具有专一性 ꎬ 主要针对Ｚｎ、Ｆｅ两种元素 . 但近期研究表明 ꎬ ＺＩＰ家族蛋白对Ｃｄ２＋、Ｃｕ２＋、Ｍｎ２＋也具备较好的转运效果 ꎬ 如位于大麦根部细胞膜上的ＨｖＩＲＴ１蛋白有利于Ｍｎ２＋的吸收和转运 [ ３１ ] ꎻ ＯｓＩＲＴ１、ＯｓＩＲＴ２蛋白不仅能转运Ｚｎ２＋还能转运Ｃｄ２＋ ꎬ 且ＯｓＩＲＴ１转运能力远高于ＯｓＩＲＴ２ [ ３２ ] . 研究发现 ꎬ 当植物缺失不同元素时 ꎬ 表达基因的种类和部位都有所不同 ꎬ 处于缺Ｃｕ２＋情况下 ꎬ ＡｔＺＩＰ２和ＡｔＺＩＰ５基因在根部过量表达 ꎻ 缺Ｚｎ２＋时 ꎬ ＯｓＺＩＰ５基因在根部和地上部表达量升高 ꎬ 缺Ｆｅ２＋和Ｍｎ２＋时该基因只在根中过量表达 [ ３３ ] ꎬ 说明ＺＩＰ蛋白家族参与了多种重金属在植物不同组织的转运 . 此外 ꎬ该家族基因参与重金属在植物体内的再分配 [ ３４ ] ꎬ 因此重金属含量过高或过低时 ꎬ 基因的表达情况又有所不同 . 通过对拟南芥的研究发现 ꎬ 当Ｚｎ２＋含量较少或者缺乏时 ꎬ ＡｔＺＩＰ１ＡｔＺＩＰ４和ＡｔＩＲＴ１ＡｔＩＲＴ３基因会过量表达 [ ３５ ] ꎬ Ｚｎ２＋充足或者过量时 ꎬ ＡｔＺＩＰ１ＡｔＺＩＰ５、ＡｔＺＩＰ９ＡｔＺＩＰ１２和ＡｔＩＲＴ３基因表达量会增加 [ ３６ ] . ＺＩＰ家族蛋白的独特性质影响着Ｚｎ２＋、Ｃｄ２＋等重金属离子在植物体内的运移与分布 ꎬ 尤其对于水稻这种重要的农作物 ꎬ 是否会增加有毒重金属在籽粒中累积的研究还需要进一步明确 . 为了更好地研究ＺＩＰ家族基因 ꎬ 还需要进一步了解各成员的特异性以及它们之间的关联性 ꎬ 寻找ＺＩＰ家族基因在不同重金属浓度处理下各组织中的表达和分配规律 ꎬ 筛选出有利于提高作物中Ｚｎ含量、降低有毒重金属含量平衡关系的控制基因 ꎬ 以提升植物修复重金属累积能力、降低农作物重金属毒性 . １ 􀆰 ２黄色条纹蛋白ＹＳＬ家族ＹＳＬ家族蛋白属于重金属的吸收蛋白 ꎬ 主要位于质膜上 ꎬ 少数位于细胞器膜上 . 该基因最早在玉米根部发现 ꎬ 作为载体参与Ｆｅ￣ＰＣ螯合物的运输 ꎬ 为作物提供生长必需的Ｆｅ元素 . ＹＳＬ家族蛋白的作用原理是 ꎬ 在缺Ｆｅ环境中 ꎬ 植物体内合成大量麦根酸ＭＡｓ类物质并分泌至根部 ꎬ 麦根酸类物质与Ｆｅ３＋螯合形成络合物 ꎬ 最终ＹＳＬ家族蛋白将络合物转运至细胞内 ꎬ 该功能只能在禾本科植物中实现 . 研究发现 ꎬ 在缺Ｆｅ条件下 ꎬ 水稻ＯｓＹＳＬ２、ＯｓＹＳＬ６、ＯｓＹＳＬ８、ＯｓＹＳＬ９、ＯｓＹＳＬ１３、ＯｓＹＳＬ１５、ＯｓＹＳＬ１６、ＯｓＹＳＬ１８等基因表达水平上调 ꎬ 增强了植物对Ｆｅ２＋或Ｆｅ３＋的吸收和转运能力 [ ３７￣３９ ] . 目前 ꎬ 已经发现了许多ＹＳＬ家族蛋白成员在不同植物体内、不同组织间转运重金属的情况见表２ . 如今随着ＹＳＬ家族基因成员相继被发现 ꎬ 研究者逐渐意识到ＹＳＬ家族基因不仅参与Ｆｅ￣ＰＣ的转运 ꎬ 还可以转移其他重金属螯合物Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｎ等 . 有研究者对ｙｓｌ１、ｙｓｌ３突变体以及ｙｓｌ１和ｙｓｌ３双突变体突变植物研究发现 ꎬ ｙｓｌ１或ｙｓｌ３突变体植株表型没有显著改变 ꎬ 但是ｙｓｌ１和ｙｓｌ３双突变体的叶片中Ｆｅ６９２１第８期杨茹月等植物基因工程修复土壤重金属污染研究进展表２ＹＳＬ家族基因在不同植物中的表达情况Ｔａｂｌｅ２ＥｘｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆＹＳＬｆａｍｉｌｙｇｅｎｅｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｌａｎｔｓ植物种类ＹＳＬ家族基因胁迫条件部位功能数据来源拟南芥水稻玉米缺Ｆｅ地上部转运Ｆｅ文献 [ ４０ ] ＡｔＹＳＬ２缺Ｆｅ高Ｃｕ根 ∕ 地上部转运Ｆｅ、Ｃｕ文献 [ ４１ ] 缺Ｆｅ缺Ｚｎ根 ∕ 地上部转运Ｆｅ、Ｚｎ文献 [ ４２ ] ＯｓＹＳＬ６缺Ｆｅ叶转运Ｆｅ、Ｍｎ文献 [ ４３ ] ＯｓＹＳＬ１２缺Ｚｎ根 ∕ 茎转运Ｚｎ文献 [ ４１￣４２ ] ＯｓＹＳＬ２缺Ｆｅ叶转运Ｆｅ、Ｍｎ文献 [ ４３ ] ＯｓＹＳＬ６正常根 ∕ 地上部转运Ｍｎ文献 [ ４４ ] ＯｓＹＳＬ１５缺Ｆｅ根 ∕ 地上部转运Ｆｅ文献 [ ４５￣４６ ] ＯｓＹＳＬ１６缺Ｆｅ根转运Ｆｅ文献 [ ４７ ] 缺Ｆｅ缺Ｚｎ根转运Ｃｕ文献 [ ４８ ] ＯｓＹＳＬ１８正常条件花转运Ｆｅ文献 [ ４９ ] 缺Ｆｅ根转运Ｆｅ文献 [ ５０ ] ＺｍＹＳＬ缺Ｆｅ根 ∕