西北农林陈坤明教授团队育成可用于修复重金属土壤污染的专用型转基因油菜

近日，西北农林科技大学生命科学学院/旱区作物逆境生物学国家重点实验室陈坤明教授团队、广东开源环境科技责任有限公司罗颜荣高工团队和陕西省杂交油菜研究中心油菜分子设计育种团队合作，在环境科学一区TOP期刊Journal of Hazardous Materials（IF=14.224）上在线发表了题为 “Overexpression of Sedum SpHMA2, SpHMA3 and SpNramp6 in Brassica napus increases multiple heavy metals accumulation for phytoextraction”的研究型论文，转基因创制出可有效进行土壤重金属污染植物修复的专用型油菜并对其各生长阶段重金属吸附效果进行了测定和评价。

工业的快速发展带来了工业废水的肆意排放和废渣的大规模掩埋，造成了世界范围内的土壤重金属污染。其中一些被污染的土地是农田，仍用于生产日常消费的食物，最终对人类健康构成威胁。植物提取（Phytoextraction）是从污染土壤中提取重金属并减少其总量的重要方法。寻找新的超积累植物和培育转基因积累植物是构建植物提取生物材料的主要途径。伴矿景天（Sedum Pumbizincicola）是一种常见的 Cd/Zn 超富集植物，可在地上部分积累 >0.01% Cd 和 1% Zn 干生物量，而不会产生植物毒性。随着生物技术的发展，通过转基因或基因编辑技术创制易于栽培且生物量大的重金属富集工程植物，是当前最具发展前景的土壤重金属污染修复方向。HMA 和 Nramp 是两个非常重要的重金属转运蛋白家族，已被证明可以转运金属/类金属-配体复合物并且调节金属植物内的解毒和积累，本研究选择来自伴矿景天的重金属转运蛋白 SpHMA2、SpHMA3 和 SpNramp6 基因作为研究对象，并将其转化至具有大生物量和强适应性的油菜（Brassica napus）中，通过一系列转基因油菜积累重金属的能力分析，研究了其重金属转运机制，并且详细评估了单转SpHMA2、SpHMA3 和 SpNramp6和双转SpHMA2&SpHMA3和 SpHMA2&SpNramp6基因油菜对Cd、Zn、Cu、Pb以及Mn等重金属污染土壤的修复效果，认为这些转油菜是具有良好植物提取潜力和应用价值的植物修复生物材料。

该研究首先通过系统发育树分析（超过300种蛋白质）、序列比对和蛋白质结构预测，明确了SpHMA2、SpHMA3和SpNramp6的结构和进化关系；然后后通过亚细胞定位实验证实了SpHMA2和SpNramp6定位于细胞质膜而 SpHMA3 定位于液泡膜上，随后利用酵母异源表达实验证明SpHMA2、SPHMA3和SpNramp6具有Cd转运活性（图1）；最后成功地将伴矿景天SpHMA2、SpHMA3、SpNramp6、SpHMA2&SpHMA3和SpHMA2&SpNramp6基

因过表达到油菜中并对转基因油菜的重金属吸附能力进行了细致研究。利用单一CdCl2 （200 μM）处理的培养基和土培实验发现，与野生型油菜相比，苗期和四叶期的SPHMA2、SpNramp6 和 SpHMA2&SpNramp6过表达转基因油菜在茎和叶中能够积累更多的Cd（图2）。随后选择 SpHMA2-OE3、 SpHMA3-OE3、SpNramp6-OE3、SpHMA2&SpHMA3-OE4和SpHMA2&SpNramp6-OE4株系进行了混合重金属（包括 Cd、Zn、Mn、Cu 和 Pb）处理土培实验，发现这些转基因油菜都具有较高的多金属吸附能力，能够通过多种重金属的协同作用激活多种金属转运途径，导致这些重金属在转基因油菜的叶和茎中非偏好积累（图3），表现出在多金属污染土壤修复中具有巨大应用潜力。

图2.单Cd处理下，转SpHMA2、SpHMA3和SpNramp6基因油菜在培养基和土培条件下地上部分Cd含量的测定结果

西北农林科技大学生命科学学院生物工程专业学位已毕业硕士生杨子为论文第一作者，陈坤明教授、罗颜荣高工和张彦锋副研究员为论文的共同通讯作者。本工作得到了陕西省重点研发计划项目和广东省研究生联合东莞培训工作站项目的资助。

此外，该课题组2022年在环境科学TOP期刊Science of the Total Environment（IF=10.753）期刊上发表了题为“Heavy metal transporters: functional mechanism, regulation, and application in phytoremediation”的综述型文章（https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.151099），全面阐述了植物重金属转运蛋白家族对重金属离子的转运与调控机制，并对其在土壤重金属污染修复中的应用潜力及策略进行总结与评述。该论文硕士生杨子为第一作者，陈坤明教授和罗颜荣高工为共同通讯作者。

论文原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.130970

图文来源：植物生物学 公众号

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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