超富集植物遏蓝菜对重金属吸收运输和累积的机制 刘戈宇

生物工程学报 Chin J Biotech 2010, May 25; 26(5): 561–568 http://www.77cn.com.cn Chinese Journal of Biotechnology ISSN 1000-3061 cjb@http://www.77cn.com.cn ©2010 CJB, All rights reserved.

超富集植物遏蓝菜对重金属吸收、运输和累积的机制

刘戈宇，柴团耀，孙涛

中国科学院研究生院生命科学学院，北京 100049

摘 要: 遏蓝菜Thlaspi caerulescens可以在其地上部累积大量重金属如锌、镉等，是公认的超富集植物。由于该植物生物量小，不宜直接用于重金属污染的土壤植物修复，而被广泛作为一种模式植物来进行重金属富集机制研究。遏蓝菜对重金属离子的累积大致经过螯合剂解毒、地上部长距离运输以及在液泡中的储存等生理过程。已经发现的植物体内的金属螯合剂——有机酸、氨基酸、植物络合素(PCs)、金属硫蛋白(MT) 和尼克烟酰胺NA等，区室化以及长距离运输相关的转运蛋白——ZIP (ZRT/IRT like protein)、CDF (Cation diffusion facilitator)、Nramp (Natural resistance and macrophage protein) 和HMA (Heavy metal ATPase) 等家族，以上各种基因、多肽与蛋白等共同参与了植物对金属累积与耐受过程并发挥各自重要的作用。以下主要介绍了遏蓝菜重金属超富集相关的基因、多肽和蛋白，以及它们在重金属螯合作用和运输过程中的功能。

关键词: 遏蓝菜，重金属，富集，螯合，转运

Heavy metal absorption, transportation and accumulation mechanisms in hyperaccumulator Thlaspi caerulescens

Geyu Liu, Tuanyao Chai, and Tao Sun

College of Life Science, Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Abstract: Thlaspi caerulescens, the famous model plant of heavy-metal hyperaccumulator, can uptake and accumulate large

amount of heavy metals in its above-ground part of the plants. However, the very low biomass in Thlaspi caerulescens makes this plant unfit for direct application in phytoremediation. In recent years, there are many reports about the physiological and molecular characterization of Thlaspi caerulescens under heavy metals stresses, including absorption, transport and intracellular detoxification processes (e.g., chelation and compartmentation). Research teams have conducted many studies of chelators in plants, such as organ acid, amino acid, phytochelatins, metallothioneins and nicotianamine, and so on. Several transport protein families, such as Zinc Regulated Protein, Cation Diffusion Facilitator, Natural Resistance and Macrophage Protein and Heavy Metal ATPase, play important role in short/long distance transport in the plant. In this review, we summarize the current knowledge of the physiological and molecular mechanisms of heavy metals accumulation in Thlaspi caerulescens, with particular emphasis on the roles of transporters and chelatins in modulating plant heave-metal-stress responses.

Keywords: Thlaspi caerulescens, heavy metal, accumulation, chelation, transportation

Received: November 17, 2009; Accepted: March 8, 2010

Supported by: National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (No. 2006AA10Z407), Genetically Modified Organisms Breeding Major Projects (No. 2009ZX08009-130B).

Corresponding author: Tuanyao Chai. Tel/Fax: +86-10-88256343; E-mail: tychai@http://www.77cn.com.cn

国家高技术研究发展计划 (863计划) (No. 2006AA10Z407)，转基因生物新品种培育科技重大专项 (No. 2009ZX08009-130B) 资助。

562 ISSN1000-3061 CN11-1998/Q Chin J Biotech

May 25, 2010 Vol.26 No.5

近年来，随着工业化进程的不断加剧，日益严重的重金属污染已经成为全球性的环境问题[1-2]。重金属能够通过食物、水以及空气等途径进入人体并在体内累积，对人类健康造成巨大的威胁。虽然一些重金属如Cu、Zn、Fe等是维持动、植物正常生理机能的重要元素，但是这些金属元素的过量存在也会对组织器官造成毒害。在矿区附近，有些如菥蓂属、鼠耳芥属以及芸薹属等植物可以在含有高浓度Cd、Hg、Pb等重金属的土壤中正常生长[3]。经过分析研究，发现这些植物与同种其他非重金属污染土壤中生长的植物相比，具有很强的重金属耐性和超富集能力[4]。

遏蓝菜Thlaspi caerulescens为菥蓂属，是公认的一种重金属超富集植物。近年来基于它所具有的特殊重金属耐性以及超富集机制，对其重金属吸收累积机制方面进行广泛研究。关于遏蓝菜的重金属富集相关的最早报道源于1865年，Sachs等发现遏蓝菜T. caerulescens能够在富含Zn的土壤中生长，而且体内的Zn元素含量占植株总干重的17％[5]。而重金属“超富集植物”(Hyperaccumulator) 定义则是最早由Brooks等于1977年提出，以Ni超富集植物为例，植物体内Ni累积量大于1 000 mg/kg DW(Dry weight) 就称为超富集植物[6]。人们通过对此类植物进一步的研究和分析，逐渐完善了这一定义——植物叶片或地上部分 (干重) 中所含重金属含量高于根部或地下部分，且分别含Cd达到100 mg/kg DW，Co、Cu、Ni、Pb达到1 000 mg/kg DW，Mn、Zn达到10 000 mg/kg DW以上的植物称为超富集植物。遏蓝菜是一种可富集多种重金属的超富集植物，分别可累积30 000 mg/kg DW Zn[7]，14 000 mg/kg DW Cd[8]，4 700 mg/kg DW Ni[9]，因此被人们应用于重金属污染土壤的植物修复中；但因其生物量小，在土壤重金属植物修复产业化应用中具有一定缺陷，人们逐渐将它更多地作为一种模式植物，针对其特殊的重金属耐性、超富集机理进行广泛深入地 …… 此处隐藏：17743字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……