彼昂院士团队探明植物响应重金属27个关键蛋白

科普小知识2022-07-26 15:22:05

...

拉斯·奥尔夫·皮恩院士

彼昂院士团队探明植物响应重金属27个关键蛋白

从左到右依次为正常洋葱根、轻度重金属中毒洋葱根和重度重金属中毒洋葱根。受访者提供了照片。

彼昂院士团队探明植物响应重金属27个关键蛋白

实验室温室水稻幼苗。

彼昂院士团队探明植物响应重金属27个关键蛋白

检测镉污染的洋葱根尖。

彼昂院士团队探明植物响应重金属27个关键蛋白

外来入侵物种五爪金龙几乎完全覆盖了华师校区的一个实验室，只留下大门暴露在外。

说到重金属污染，公众首先想到的是镉米及其危害，这只是科学家研究的起点。他们想知道植物发生了什么变化，植物的什么反应机制与重金属污染有关。更现实地说，是否有可能将重金属污染集中在蔬菜或大米的非食用部分，以减少其对人体的影响？

这正是广东省第一批领军人才，华南师范大学的毕昂院士所做的。他们在餐桌上用普通洋葱做实验，鉴定了重金属铜污染诱导的27种差异表达蛋白，有望应用于未来抗重金属作物的分子育种，以提高作物对重金属污染的拮抗作用或减少农产品中有害重金属的积累。他们还发现了水稻受污染后的关键运输节点，这对减少重金属在水稻籽粒中的积累具有重要的现实意义。

重金属污染有多有害？经过12个小时的严重污染后，洋葱停止生长。

重金属污染有多有害？7月22日，在孙志强华南师范大学生命科学学院生态与环境科学重点实验室，一位植物生理学和生态学硕士研究生用9个洋葱鳞茎和3盆水进行了一项实验。

第一盆是500毫升超纯水和三个小洋葱。

在第二个盆中，将2微摩尔的铜加入到500毫升水中，铜的量小于针尖的大小。三个小洋葱生长在被轻微重金属污染的水中。

在第三个盆中，将8微摩尔的铜加入到500毫升水中，铜的量只有2滴。然而，对植物来说，这已经是一个严重的重金属有毒环境，还被用来种植3个小洋葱。

12小时后，洋葱根在三盆水中发生了明显的变化:

第一盆水中的小洋葱有白色的根，健康而直。第二盆受铜轻度污染的洋葱根尖膨大。第三罐洋葱，被铜严重污染，有一个透明的根系，被软化了。

一直关注洋葱根尖实验的博士后宁禅娟(音译)解释说，洋葱根尖在受到轻度污染后会膨胀，这表明尽管洋葱能够维持最基本的生存，但其生长发育却受到严重抑制。甚至被严重污染的洋葱根的颜色也发生了变化，表明根细胞崩溃并停止生长，死亡就在眼前。

不仅从外观上可以观察到洋葱根的死亡，而且洋葱根的细胞也用荧光素A染色。受铜轻微污染的洋葱根中的活细胞比健康洋葱中的少得多。然而，被铜严重污染的洋葱根几乎没有活细胞。

利用单细胞凝胶电泳技术，在荧光显微镜下，可以观察到被严重铜污染的洋葱根核内的脱氧核糖核酸完整性在12小时内被破坏，这就是通常所说的脱氧核糖核酸破坏。

对于重金属污染，普通人最熟悉镉米，但研究人员更关心铜。宁单鹃注意到近年来铜污染越来越严重。电镀和印刷污水含有大量的铜。农业中常用的杀虫剂含有硫酸铜。喷洒的农药越多，农田中的铜就越多。然而，铜比镉和铅更有毒。

一点铜足以杀死一个洋葱。对人们来说，重金属污染也是一大威胁。“重金属进入体内，很难排出，会在体内积累越来越多。此外，重金属将沿着食物链富集。例如，土壤中的镉含量是种植在污染土壤中的水稻的两倍，如果人类长时间食用，镉含量可能达到10倍，100倍。”

植物如何“响应”重金属？发现洋葱中有27种蛋白质与重金属污染有关。

为了更清楚地看到毒性结果，实验室中的剂量一般大于普通农田中的实际污染量。然而，去年环境保护部和国土资源部联合发布的《全国土壤污染调查公报》显示，全国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染严重，耕地土壤环境质量令人担忧。土壤总超标率为16.1%。长江三角洲、珠江三角洲、东北老工业基地等地区的土壤污染问题更加突出。工业、矿业、农业等人类活动和土壤环境的高背景值是土壤污染或超标的主要原因。

普通人关心蔬菜和大米中的重金属是否超标，而科学家也关心如何监测重金属污染以及如何修复被重金属污染的土壤。

这正是华南师范大学院士团队——著名教授拉斯·奥夫·贝昂正在做的事情。

拉斯·奥尔夫·比昂院士是国际著名的生态学家和植物光生物学家，瑞典皇家科学院院士和诺贝尔奖法官。2010年2月，他被授予广东省第一批领军人才。在中国师范大学的校园里，经常可以看到这位外国教授骑着自行车匆匆走过。

在过去的五年里，比昂和他的团队对全球变化的生物效应及其作用机制进行了研究。重金属污染对植物的毒性效应和植物的响应机制是其中的内容之一。

团队核心成员、广东省珠江学者特聘教授和华南师范大学生命科学学院副院长李韶山介绍，基于铜污染对洋葱根毒性的细胞学效应和应用蛋白质组学研究技术，他们成功鉴定了32种与重金属毒性高度相关的蛋白质。换句话说，这32种蛋白质是植物抵抗重金属和遭受重金属伤害的最重要标记之一。这一成果对于揭示植物重金属毒性的早期分子反应具有重要的理论意义。

然而，没有关于这32种蛋白质是什么的参考背景研究。尽管洋葱根尖是观察细胞有丝分裂的经典材料，但科学家对其遗传背景的研究几乎是空白，也没有人对其整个基因组进行测序。

因此，他们探索了一种方法:用D N A和蛋白质的乘积作为背景数据库。转录组测序比全基因组测序工作量少得多，研究成本也大大降低。

首先，通过高通量转录组对洋葱进行测序，建立相应的洋葱虚拟蛋白数据库(包含24305个氨基酸序列信息)。然后将这32种蛋白质的数据提交到该数据库中，鉴定出27种重金属碳污染诱导的差异表达蛋白质，包括植物防御反应、细胞壁合成、细胞周期和脱氧核糖核酸复制、转录调控和蛋白质合成等相关蛋白质。他们将很快在重要的国际出版物上发表相关论文。

更重要的是，发现了12条代谢途径，包括超过80，000个基因。这是一个重要的理论基础，相当于为今后的研究绘制了草图，为植物对重金属响应的分子机制研究奠定了坚实的基础。

这一发现将在未来重金属抗性作物的分子育种中得到应用。李韶山解释说，在研究中成功鉴定的蛋白质可用作生物工程的靶位点，以提高作物对重金属污染的抗性或减少有害重金属在农产品中的积累。

大米如何运输重金属？寻找关键节点和寻找“拾荒者”

除了使重金属污染“可见”，更实际的目标是防止蔬菜的可食用部分或大米的谷物部分被污染或重金属含量超标。

考虑到我国人口多、人口少的基本国情，大面积休耕重金属污染的农田或种植非粮食作物是不现实的。卞氏团队目前正在思考的是，如何采取有效策略，让重金属主要在大米的非食用部分积累，同时让谷物部分的重金属含量达到食品安全标准。他们还希望找到能吸附像磁铁一样的重金属的植物，使这些植物成为重金属污染土壤的“清除者”。

镉米是人们关心的话题，也是科学家感兴趣的话题。李少山表示，他们将很快在主要国际刊物上发表文章，报道最新发现。

在实验中，他们从一面没有重金属污染的营养液和另一面添加了重金属的营养液中分离出水稻的根。结果表明，在不添加重金属的情况下，重金属可以从污染侧向污染侧迁移。

考虑到水稻两侧的根是完全分离的，这一结果清楚地表明水稻根吸收的重金属在被运输到地上后可以从地上向下运输。这对于减少重金属在水稻籽粒中的积累具有重要的现实意义:如果能够加强重金属从地上向地下的迁移过程，就可以降低水稻籽粒中重金属的含量。目前，斑马军团正在对此问题进行深入研究。

他们还发现不同品种的水稻对镉的吸收和转运差异很大。副研究员王玉涛是该小组的成员之一，他正在研究将土壤微生物丛枝菌根真菌应用于防治农作物镉污染的可行性。大量研究表明，农林复合生态系统不仅具有耐受重金属毒性的能力，而且能够提高与农林复合生态系统共生的宿主植物对重金属的耐受能力，影响重金属在宿主植物中的吸收和转运过程。他们希望通过阐明重金属在作物中吸收和转运的作用和机制，为水稻管理和镉水稻管理提供指导。

为什么“植物黑仔”如此犀利？五爪金龙的碳代谢明显强于对照组。

除了“高冷”这个基本话题之外，斑马军团还在与中国赛区校园里的“凶猛”植物作战。

花石生物公园的角落里有一个水产实验室，旁边是一个池塘。Biang团队的实验室也位于此处。实验室被一棵类似牵牛花的藤蔓紧紧包裹着，点缀着几片粉色和紫色的葱绿映入眼帘，吸引着路人驻足观看。

这种看起来像牵牛花的植物实际上是一条五爪金龙。它的叶子呈手掌状，分成五瓣，因此得名“五爪”。花朵呈漏斗状，粉红色和紫色，类似牵牛花。五爪金龙分布广泛，在华南地区数量最多。只要有充足的阳光和潮湿的气候，就能看到它。

这种赏心悦目的植物的“真面目”令人震惊——它是广州最具侵略性的“植物杀手”之一，无论它走到哪里，没有其他植物能幸免于它。

以斑马军团的实验室为例，“我们别无选择，只能使用它。它保护实验室免受阳光照射，并且无法彻底清洁。”植物生理学和生态学博士后宁禅娟摇摇头，叹了口气。他们会定期清理实验室旁边的五爪金龙，“但它可能会在半个月零十天内再次装满。”

五爪金龙生长在林地的树木、灌木、花园围栏和城市建筑上。被五爪金龙缠绕和覆盖的植物，包括草本植物、灌木甚至树木，经常生长不良，甚至因光照不足而死亡。

据记载，五爪金龙起源于美国，1912年在香港归化。后来它作为一种绿色植物被引入中国南方。由于气候环境好，天敌少，五爪金龙失去控制，正在逐渐入侵。它的增长率是惊人的。一天能长十多厘米。

“而且，它不是10厘米长的植物。它可以分成许多分支。一根树枝每天长10厘米是很常见的。”中国生命科学院的耿燕解释说，五爪金龙有一个非常有名的英文名字，叫做“一天一英里，一天一英里”，描述它的生长速度。“普通植物一周内可能看不到明显的生长，比如长着七只爪子的金龙，而种子一周只能抽出几根藤蔓。但是五爪金龙也许可以在一天内长出新的藤蔓，然后第二天每根树枝就会长到10厘米以上。”

这种快速生长的能力使得五爪金龙能够快速覆盖其他草本和木本植物，阻断其他植物的光合作用，切断其他植物获取营养的途径。这是五爪金龙最“恐怖”的地方。

近年来，毕昂院士和李少山教授带领博士生龚妮、硕士生李春梅、耿炎、陆欢等研究了五爪金龙的生态适应性及其入侵的分子机制。

他们在2011年开始研究入侵植物的转录组学，并把金龙与其相近的本地物种——七爪金龙进行了比较。通过对它们的代谢途径碳代谢、氮代谢和次生代谢的比较研究，发现了五爪金龙成功入侵的代谢特征。以碳代谢为例，五爪金龙的碳代谢明显强于对照组，这有助于解释五爪金龙成功入侵的代谢机制。

研究还发现，金龙五趾虫具有较强的次生代谢，其中一种关键酶是木质素合成酶。这种酶的活性非常高，可能是其他物种的几倍。这导致金龙的木质素合成很强，所以其茎的木质化也很高，金龙的木质化高于普通藤蔓。这也是其抗逆性强的原因之一，这有利于其入侵的成功。