植物修复研究的新方向：环保育种

2012-04-07吴大付朱统泉郝仰坤

河南科技学院学报(自然科学版) 2012年6期

吴大付,朱统泉,郝仰坤

（1.河南科技学院,河南新乡453003；2.驻马店市农业科学院,河南驻马店463000；3.河南豫研种子科技有限公司,河南郑州450002）

随着我国经济的快速发展,工业化进程的加快,农业集约化特别是化学化水平的提高,化肥农药的大量乃至超量使用,加上我国为了缓解淡水资源的短缺,利用污水灌溉,带来了严重的土壤污染.据报道,目前我国重金属污染的耕地面积近1 000万hm2.因重金属污染,全国粮食每年减产1 000多万t,严重时高达1 200万t,经济损失超过200亿元[1].农业部环保监测系统曾对全国24省（直辖市、自治区）320个严重污染区550万hm2的土壤调查发现,主要作物农产品超标面积占污染区农田面积的20%,其中重金属超标占污染土壤和农作物的80%.而工业“三废”和城镇生活污水处理率偏低,有时未经处理就直接排放到水体中,导致水污染,近年来,水污染事件频发,引起人们的关注.如何治理和修复被污染的水环境和土壤生态系统,保障人民生活用水和生产出安全的农产品是我国目前亟待解决的头等大事.

1 植物修复研究概述

目前有关环境污染的修复方法主要有物理修复、化学修复和生物修复.物理修复是指通过各种物理过程将污染物从土壤中去除或分离的技术.化学修复是利用加入到土壤中的化学试剂与土壤中污染物发生一定的反应,使污染物被降解和毒性被去除或降低的修复技术.生物修复是利用生物的转化或降解的方法,将存在于土壤、水体等环境中有毒有害的污染物去除的技术体系.植物修复属于生物修复的范畴,它是利用植物及其根系微生物的共存体系来吸收、容纳、转化或转移污染物的特性,通过在污染地上种植植物,实现部分或全部修复土壤、水体的环境污染原位治理与修复技术.它是近年新发展的一种绿色技术,也将是21世纪土壤环境修复科学技术研发的主要方向.植物修复技术利用绿色植物来转移、容纳或转化污染物使其对环境无害.从常规作物中筛选合适的修复品种,发展适用于不同土壤类型和条件的根际生态修复技术已成为一种趋势.

1.1 超富集植物的筛选标准

超富集植物的筛选标准要考虑以下因素：能忍耐较高浓度重金属污染的毒害；植物地上部分积累的重金属应达到一定的量；植物地上部分的重金属含量要高于根部.对于不同的重金属,其超富集植物浓度限值不同.目前采用较多的是Baker于1983年提出的参考值,即把植物叶片或地上部（干重）含Cd达到 100 mg/kg,含 Co、Cu、Ni、Pb达到 1 000 mg/kg,Mn、Zn达到 10 000 mg/kg以上的植物称为超富集植物,它们同时还要满足条件地上部重金属浓度/地下部重金属浓度＞1.我国学者聂发辉2005年提出了生物富集量系数,即给定生长期内单位面积地上部分植物吸收的重金属总量与土壤含量之比[2].此系数的提出扩大了传统超富集植物的定义,使得富集质量分数未达某一水平,但生物量很大的植物也能作为超富集植物.

1.2 超富集植物修复污染环境的机制

超富集植物主要通过抗性、耐性和避性等机制来适应环境.超富集植物通过结合固定、代谢解毒、分室作用等过程将重金属在体内富集、解毒,其综合作用结果形成抗性.超富集植物将吸收的重金属离子富集在液胞、细胞壁及叶片表皮细胞等部位.植物对重金属的耐性机制主要是通过植物的结合钝化作用和代谢转化作用来实现的.细胞壁是结合固定污染物的重要部位.细胞壁的果胶质中的多聚糖和纤维素分子中的羧基、醛基等基团都能够与重金属结合.超富集植物对重金属的避性机制是通过气孔的阻碍作用减少大气中重金属污染物进入体内,此外还可以通过叶片的角质层、表皮层和叶表附属物来防御污染物进入体内.生活在重金属污染的环境中的植物,通过根系分泌物不吸收或少吸收重金属,形成避性机制.植物在长期的进化过程中,通过外部排斥和内部忍耐的原理,进化出超富集植物和避性植物[3].

1.3 存在的问题

植物修复技术在实际应用中主要存在以下3个方面的问题：首先是超富集植物资源的有限性.不同重金属的超富集植物都有一定的分布区域,如Zn和Pb的超富集植物主要分布在西欧和北欧,Co和Cu的超富集植物主要分布在中南部非洲[4].目前在我国境内发现的超富集植物,据不完全统计主要有：砷超富集植物有蜈蚣草[5]和大叶井口边草[6],锌超富集植物有东景南天[7]、宝山堇菜[8]、双穗雀稗[9]、土荆芥[10],锌富集植物有高羊茅、黑麦草和蜈蚣草[11],铬超富集植物有李氏禾[12].东景南天可以富集植物Zn和Cd[13],凤眼莲可富集Pb和Cd,圆锥南芥为Pb、Zn、Cd多超富集植物[14]；其次是超富集植物自身存在缺陷.因超富集植物是自然选择的结果,已发现的超富集植物多是野生种,生物量小、生长缓慢、难以机械收割,许多超富集植物有较强的地域分布,修复效率低、耗时长、不利于大面积栽培和广泛应用.目前利用基因工程培育理想的超富集植物进展十分缓慢,因此寻找生物量大、生长迅速、适应性广、修复效率高的超积累植物及其资源,是保证植物修复技术产业化的前提条件；第三是超富集植物对重金属富集效应的局限性.理想的超富集植物应具有生长速率快、生长周期短、地上部生物量大、能同时富集两种或两种以上重金属的特点,但现实中其应用具有一定的局限性.采取适宜的栽培调控措施以促进超富集植物对土壤中重金属的吸收是值得研究的重要问题.

2 植物修复研究的新方向：环保育种

针对植物修复技术在实际应用中存在的主要问题,我们提出以重要的粮食作物作为污染修复的供选植物,首次提出环保育种的概念.环保育种利用传统育种技术及生物技术等手段,选育富集或超富集作物新品种,或者选育出对重金属具有避性的作物品种,然后将这些新品种种植在被重金属污染的土壤中,达到修复或利用这些土壤的目的.小麦是我国的重要粮食作物之一,播种面积大,研究基础雄厚,我们以小麦为例来探讨环保育种在植物修复中的应用.

2.1 小麦环保育种的基础

小麦是我国第三大粮食作物,常年播种面积在2.2×106hm2以上,分布面积比较广.开展小麦育种的单位和研究人员多,培育出的品种也比较多.以河南为例,河南是我国的小麦主产区,常年播种面积超过5.2×105hm2,总产量在3×103万t以上.建国以来,河南小麦品种更新换代达9次,选育出很多新品种,能够满足不同生态类型区的需求[15].

目前有关小麦品种间对重金属吸收的差异已有少量报道.季书勤等[16]研究了河南省20个主推小麦品种对重金属吸收的差异,结果发现不同的小麦品种对重金属的吸收存在一定的差异：在被Cd污染的土地上种植的20个小麦品种中,开麦18为低吸收型,郑麦005等9个品种为中吸收型,而高优503等10个品种为高吸收型.娄运生等[17]采用水培法研究了6个小麦品种在2.5 μmol/L Cu和5 μmol/L Cd处理条件下的生物量变化,结果表明临麦2号、宁麦8号生物量明显高于其他4种小麦,综合Cu和Cd在不同部位的累积情况可以得出,临麦2号为低积累品种,宁麦8号为高积累品种.

2.2 小麦环保育种的途径

小麦环保育种的途径主要有2个：①针对现有小麦品种的优良性状进行改良,强化其在植物修复方面的功能；②利用生物技术将已有的超富集植物资源与小麦进行远缘杂交、侧交及回交,培育出新的小麦品种.

利用我国小麦品种资源优势,加上我国小麦种植区域广,生态条件和栽培条件的差异性,广泛收集不同单位培育的新品种、小麦种质资源以及目前推广的品种,多方位取样,测试分析小麦品种在重金属富集方面的差异性,从中筛选需要的小麦品种及其所需基因.在初步分析的基础上,把初选出来的小麦品种种植在被重金属污染的土壤上,或人为加入重金属的试验田中,进行实地驯化,对小麦品种进行二次筛选,结合小麦长势、生物学产量和对重金属富集效应监测,最后选出富集能力强或弱吸收的小麦品种.可利用现有的植物避性基因,选育出不吸收富集的小麦品种,然后播种在重金属污染的耕地上,生产出重金属不超标的小麦子粒,为重金属污染土地的利用拓宽渠道.

借助于传统的小麦育种手段,采用与小麦进行远缘杂交、侧交及回交的方法对已有的超富集植物资源进行改良；利用现代生物技术进行DNA片段的导入和转基因的方式把有益的基因进行组合与叠加,培育出对重金属具有耐性的小麦品种或超富集小麦品种,进一步把这些超富集小麦品种改良为广适性栽培品种,逐步适应高水、高肥、高密等栽培条件,选择适合于不同环境条件的超富集或富集小麦品种.随着分子育种技术的日益成熟和推广利用,在远缘杂交育种方面道路更加宽广,这为利用已有的超富集植物的超富集基因导入小麦植株中,选育出能够进入商业化的超富集小麦品种提供了基因基础和技术基础.在日本和新西兰,有研究人员把一些受铝诱发的基因送进植物体内表现,结果证实可使转殖植物生存在含高浓度铝的土壤中.2003年,美国研究人员把细菌中抗镉的基因转殖入植物体内来加以表现,结果同样可以产生抵抗并累积高浓度镉的植株.因此,除了利用天然的重金属高聚积植物进行植物修复外,基因转殖植物将会在未来的植物修复工作中发挥更大的作用.

3 展望

环保育种是环境污染修复催生出的新的研究领域,利用重要的粮食作物小麦进行植物修复前景光明,但道路曲折.需要加强国内外各育种单位之间的联系,联合攻关与穿梭育种,要从种质资源的收集、整理和改良做起,充分利用现有的小麦品种资源,对不同品种间重金属含量进行分析,查找有关基因,建立基因库.运用传统与现代生物技术手段进行物种改良,培育与驯化出具有修复能力的小麦新资源与新品种,才能缩短环保育种从理论迈向实际应用的路程.

[1]章柯.土壤污染告警：耕地面积10%以上已受重金属污染[N/OL].第一财经日报（2011-02-17）[2012-08-15].http：//opinion.news.cntv.cn/20110217/109802.shtm l.

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