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摘 要：植物修复技术具有很多优点，但是也存在很大的局限性。近年来转基因植物修复环境发展很快，获得的植物在吸收、积累和降解方面有了很大的改进，转基因技术在植物修复环境的方面前景广阔。该文就以上问题一一作了阐述。
关键词：转基因技术；植物修复；应用
中图分类号 X171.4 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2013）16-14-03
1 转基因修复技术的发展
随着城市工业迅速发展，城市污染问题日益突出，严重的水土和空气污染已经影响了人们的生活。自20世纪80年代以来，超积累植物的研究引起重视，美国科学家Chaney首次提出了植物修复技术的概念，利用超富集植物清除重金属污染，将植物修复技术应用于环境污染治理当中。植物修复技术具有投资少，成本低，不造成二次污染以及美化环境等优点，在治理环境方面具有优势，很快成为国际学术界研究的热点，近年来美国、法国、丹麦、瑞典等国家在植物修复方面均加大了资金投入。随着经济的快速发展，植物修复的应用前景将会更加广泛。
目前已发现有500多种超积累植物，世界上研究最多的超积累植物主要集中在十字花科上，主要有芸苔属及遏蓝菜属植物。超富集植物具有的高效输导系统使其具有高于普通植物的脱毒能力，富集能力是普通植物的50～500倍。但是超积累植物生物量小，生长速率慢，只对某种污染物具备积累效果，实际上环境污染的场地多为复合污染，有很多超积累植物仅在实验室效果明显，还是达不到应用的水平 （Hannink等，2001）。这使得植物修复技术一度陷入困境，发展缓慢。
近年来，转基因技术的发展为植物修复技术提供了新的契机。目前国内外运用转基因技术获得了转基因植物（Kondo et al.，2002；Erkin et al.，2003； Wangelineet al.，2004），研究者将转基因技术用于改良超积累植物，识别出富集量高的生物，通过分子生物学方法分离出相关基因，将基因与表达载体连接，通过农杆菌浸染法、基因枪转化法等方法转移到生物量高和生长快的植物细胞中，使受体获得新的遗传特性，改善植物的修复潜能，获得具备修复能力强、生长量大的转基因植物，以开发出高效的转基因修复植物，净化环境。
一般情况下，转基因植物在污染物的吸收、累积、降解等方面均能够表现出较强的生物修复能力。植物能够通过转化作用将所吸收的有机污染物转化成无毒的物质，也能将其分解为无毒的小分子化合物。通过转入外源基因可以使植物对于有毒物质的转化和分解能力增强。Wang等（2004）将棉花分泌型漆酶基因转入拟南芥之后，拟南芥的根在含有酚酸类物质培养基上伸长快。Tian等（2002）将细菌中的merB基因转入植物，转基因植株对有机汞的抗性增强。Hannink等（2001）将微生物硝基还原酶基因转入烟草，结果转化烟草对有机污染物TNT的吸收持久性增加。Doty等（2000）研究转基因烟草对TCE的吸收和转化作用，结果表明转基因烟草根中相比于对照植株，明显含有TCE转化产物三氯乙醛和三氯乙醇。Rasmussen（2004）的研究结果表明鸭茅能加速除去二甲（苯）酚和三甲（苯）酚等。大米草能够将有机汞转化为无机汞（田吉林等，2004）。降解有机污染物的酶类也能够应用于转基因的研究中，如细胞色素P450单加氧酶、过氧化物酶等。把人体细胞色素P450的转录基因转移到烟草中可以提高烟草对卤素有机物的氧化能力。
Yamada等（2002b）将老鼠的CYP1A1基因转入马铃薯，结果转化植株对除草剂的降解能力相对于野生型增强。Kawahigashi等（2002）将人CYP2B6基因转入水稻后，对除草剂呋草黄的降解作用增强。
植物体内污染物浓度累积到一定程度时，植物的正常生理活动就会受到影响，形态上表现为受伤害的症状。植物对于污染物的耐受能力是判断其修复价值的关键因素。通过转基因方法能提高植物对有机污染物的耐受能力，能提高植物的环境修复价值。农业活动使得除草剂残留在土壤中，是修复土壤污染的难题。研究者用转基因技术提高植物对污染物的耐受能力，使土壤中除草剂的抗性增强。
基因工程研究近年来在植物重金属的富集方面也取得了进展，识别和克隆了大量相关基因，并转入植物中，用于重金属污染的土壤修复研究。许多实验表明，将动植物本身与重金属脱毒相关的基因转入植物，转基因植物耐受和高积累重金属的能力有很大提高。
观赏性植物相比其他植物，在环境修复方面处于一个特殊的位置，利用花卉植物修复环境，不仅能改善环境，而且还能够美化环境。但是由于植物修复的研究起步比较晚，在花卉植物的环境方面基本上没有报道，目前仅仅是通过盆栽、水培、沙培等试验来验证和筛选花卉植物。因此在这方面还有很大空白，有待于进一步的研究。
在植物的转化技术中，选择合适的载体和启动子可以使基因在特定部位表达量最高（Dinant等，2004）。通过不同特性启动子的特异性表达，可以促使污染物被吸收并且运输到植物地上部分。污染地区一般都是多种污染物引起的复合污染。因此修复植物需要能够修复多种污染物。多基因转化技术将多个基因逐个转移到受体植物中，用以去除复合污染物。目前在这方面已经有了一些进展，获取方法是通过构建多基因表达载体，将外源基因通过多次转化获得修复植物。使多个基因同时表达而互不影响（Wu等，2002；Campbell等，2000）。Siminszky等（2003）将大豆CYP71A10和P450还原酶基因转入烟草中，提高了烟草的降解能力。由此可见，通过多基因转化方式能够获得降解多种有机污染物的转基因植物。
2 转基因技术存在的问题
在转基因植物的实际应用中还存在很多问题：首先是转基因植物的环境安全性问题。在转基因植物应用于环境净化时，为了防止变成生物入侵种，必须评估生态效应。其次，转基因植物体内在富积了污染物之后，如何避免二次污染也是需要考虑的问题。最后，植物修复研究都是在实验室里针对某一特定污染物进行研究的。实验室条件与污染场地的环境存在差距，可能会影响修复效果。 3 转基因植物在污染环境修复上的应用前景
转基因技术的应用为植物修复提供了广阔的前景，应用转基因技术在提高植物修复能力方面取得了进展。但是目前还处于起步阶段，应加强以下几方面的工作：（1）克隆功能基因，研究其表达和功能，采用超强启动子，提高转基因植物对重金属污染物的富集程度，以定向培育转基因植物。（2）引进转基因超积累植物和修复技术，储备超积累植物，进行组织培养，建立高效再生和遗传转化体系。（3）加强转基因植物修复技术与转基因生物修复效率的综合技术研究。
随着转基因技术的发展和修复植物机理的深入研究，能够高效修复环境的转基因植物将会出现。美国Viridian环境公司用植物修复技术每年从金属镍的回收中获利甚丰，我国植物资源丰富，筛选和培育重金属超积累植物品种条件极为有利。分子生物学的发展、基因工程技术的应用为植物修复技术的发展提供了有力的技术保障。转基因植物将在生物修复中展示巨大作用，市场潜力巨大。
参考文献
[1]Campbell BT，Baenziger PS，Mitra A，Sato S，Clemente T.Inheritance of multiple transgenes in wheat[J]. Crop Sci，2000，40（4）：1 133-1 141.
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[3]Doty SL，Shang TQ，Wilson AM，Tangen J，Westergreen AD，Newman LA，Strand SE，Gordon MP. Enhanced metabolism of halogenated hydrocarbons in transgenic plants containing mammalian cytochrome P450 2E1[J]. Proc Natl Acad Sci USA，2000，97：6 287-6 291.
[4]Erkin O C，Takahashi M，Morikawa H. Development of a regeneration and transformation system forRaphiolepis umbellateL，/Sharinbai0plants by using particle bombardment[J]. Plant Biotechnol，2003，20：145-152.
[5]Hannink N，Rosser SJ，French CE，Basran A，Murray JA，Nicklin S，Bruce NC. Phytodetoxification of TNT by transgenic plants expressing a bacterial nitroreductase[J]. Nat Biotechnol，2001，19（12）：1 168-1 172.
[6]Kawahigashi H，Hirose S，Hayashi E，Ohkawa H，Ohkawa Y. Phytotoxicity and metabolism of ethofumesate in transgenic rice plants expressing the human CYP2B6 gene[J].Pestic Biochem Physiol，2002，74（3）：139-147.
[7]Kondo K，Takahashi M，Morikawa H. Regeneration and transformation of a roadside tree pittosporum tobira A[J]. Plant Biotechnol，2002，19（2）：135-139.
[8]Rasmussen G，Olsen RA. Sorption and biological removal of creosote-contaminants from groundwater in soil/sand vegetated with orchard grass （Dactylis glomerata）[J]. AdvEnviron Res，2004，8（3-4）：313-327.
[9]Siminszky B，Freytag AM，Sheldon BS，Dewey RE. Co-expression of a NADPH：P450 reductase enhances CYP71A10-dependent phenylurea metabolism in tobacco[J].Pestic Biochem Physiol，2003，77（2）：35-43.
[10]Tian JL，Zhu HT，Yang YA，et al. Organic mercury tolerance，absorption and transformation by Spartina plants[J]. J Plant Physiol Mol Biol，2004，30（5）：577-582 （in Chinese）.
[11]Tian JL，Shen RJ，He YK. Sequence modification of MerB gene and high organomercurial resistance of transgenic tobacco plants[J]. Chin Sci Bull，2002，47（24）：2 084-2 088.
[12]Wang GD，Li QJ，Luo B，et al. Ex planta phytore-mediation of trichlorophenol and phenolic allelochemicals via an engineered secretory laccase[J]. Nat Biotechnol，2004，22（7）：893-897.
[13]Wangeline AL，Burkhead J L，Hale K L，et al. Overpression of ATP sulfurylase in Indian mustard：effects on tolerance and accumulation of twelve metals[J]. Joural of Environmental Quality，2004，33（1）：54-57.
[14]Wu L，Nandi S，Chen L，et al. Expression and inheritance of nine transgenes in rice[J].Transgenic Res，2002，11：533-541.
[15]Yamada T，Ohashi Y，Ohshima M，et al. Inducible cross-tolerance to herbicides in transgenic potato plants with the rat CYP1A1 gene[J]. Theor Appl Genet，2002，104：308-314.
（责编：张宏民）
关键词：转基因技术；植物修复；应用
中图分类号 X171.4 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2013）16-14-03
1 转基因修复技术的发展
随着城市工业迅速发展，城市污染问题日益突出，严重的水土和空气污染已经影响了人们的生活。自20世纪80年代以来，超积累植物的研究引起重视，美国科学家Chaney首次提出了植物修复技术的概念，利用超富集植物清除重金属污染，将植物修复技术应用于环境污染治理当中。植物修复技术具有投资少，成本低，不造成二次污染以及美化环境等优点，在治理环境方面具有优势，很快成为国际学术界研究的热点，近年来美国、法国、丹麦、瑞典等国家在植物修复方面均加大了资金投入。随着经济的快速发展，植物修复的应用前景将会更加广泛。
目前已发现有500多种超积累植物，世界上研究最多的超积累植物主要集中在十字花科上，主要有芸苔属及遏蓝菜属植物。超富集植物具有的高效输导系统使其具有高于普通植物的脱毒能力，富集能力是普通植物的50～500倍。但是超积累植物生物量小，生长速率慢，只对某种污染物具备积累效果，实际上环境污染的场地多为复合污染，有很多超积累植物仅在实验室效果明显，还是达不到应用的水平 （Hannink等，2001）。这使得植物修复技术一度陷入困境，发展缓慢。
近年来，转基因技术的发展为植物修复技术提供了新的契机。目前国内外运用转基因技术获得了转基因植物（Kondo et al.，2002；Erkin et al.，2003； Wangelineet al.，2004），研究者将转基因技术用于改良超积累植物，识别出富集量高的生物，通过分子生物学方法分离出相关基因，将基因与表达载体连接，通过农杆菌浸染法、基因枪转化法等方法转移到生物量高和生长快的植物细胞中，使受体获得新的遗传特性，改善植物的修复潜能，获得具备修复能力强、生长量大的转基因植物，以开发出高效的转基因修复植物，净化环境。
一般情况下，转基因植物在污染物的吸收、累积、降解等方面均能够表现出较强的生物修复能力。植物能够通过转化作用将所吸收的有机污染物转化成无毒的物质，也能将其分解为无毒的小分子化合物。通过转入外源基因可以使植物对于有毒物质的转化和分解能力增强。Wang等（2004）将棉花分泌型漆酶基因转入拟南芥之后，拟南芥的根在含有酚酸类物质培养基上伸长快。Tian等（2002）将细菌中的merB基因转入植物，转基因植株对有机汞的抗性增强。Hannink等（2001）将微生物硝基还原酶基因转入烟草，结果转化烟草对有机污染物TNT的吸收持久性增加。Doty等（2000）研究转基因烟草对TCE的吸收和转化作用，结果表明转基因烟草根中相比于对照植株，明显含有TCE转化产物三氯乙醛和三氯乙醇。Rasmussen（2004）的研究结果表明鸭茅能加速除去二甲（苯）酚和三甲（苯）酚等。大米草能够将有机汞转化为无机汞（田吉林等，2004）。降解有机污染物的酶类也能够应用于转基因的研究中，如细胞色素P450单加氧酶、过氧化物酶等。把人体细胞色素P450的转录基因转移到烟草中可以提高烟草对卤素有机物的氧化能力。
Yamada等（2002b）将老鼠的CYP1A1基因转入马铃薯，结果转化植株对除草剂的降解能力相对于野生型增强。Kawahigashi等（2002）将人CYP2B6基因转入水稻后，对除草剂呋草黄的降解作用增强。
植物体内污染物浓度累积到一定程度时，植物的正常生理活动就会受到影响，形态上表现为受伤害的症状。植物对于污染物的耐受能力是判断其修复价值的关键因素。通过转基因方法能提高植物对有机污染物的耐受能力，能提高植物的环境修复价值。农业活动使得除草剂残留在土壤中，是修复土壤污染的难题。研究者用转基因技术提高植物对污染物的耐受能力，使土壤中除草剂的抗性增强。
基因工程研究近年来在植物重金属的富集方面也取得了进展，识别和克隆了大量相关基因，并转入植物中，用于重金属污染的土壤修复研究。许多实验表明，将动植物本身与重金属脱毒相关的基因转入植物，转基因植物耐受和高积累重金属的能力有很大提高。
观赏性植物相比其他植物，在环境修复方面处于一个特殊的位置，利用花卉植物修复环境，不仅能改善环境，而且还能够美化环境。但是由于植物修复的研究起步比较晚，在花卉植物的环境方面基本上没有报道，目前仅仅是通过盆栽、水培、沙培等试验来验证和筛选花卉植物。因此在这方面还有很大空白，有待于进一步的研究。
在植物的转化技术中，选择合适的载体和启动子可以使基因在特定部位表达量最高（Dinant等，2004）。通过不同特性启动子的特异性表达，可以促使污染物被吸收并且运输到植物地上部分。污染地区一般都是多种污染物引起的复合污染。因此修复植物需要能够修复多种污染物。多基因转化技术将多个基因逐个转移到受体植物中，用以去除复合污染物。目前在这方面已经有了一些进展，获取方法是通过构建多基因表达载体，将外源基因通过多次转化获得修复植物。使多个基因同时表达而互不影响（Wu等，2002；Campbell等，2000）。Siminszky等（2003）将大豆CYP71A10和P450还原酶基因转入烟草中，提高了烟草的降解能力。由此可见，通过多基因转化方式能够获得降解多种有机污染物的转基因植物。
2 转基因技术存在的问题
在转基因植物的实际应用中还存在很多问题：首先是转基因植物的环境安全性问题。在转基因植物应用于环境净化时，为了防止变成生物入侵种，必须评估生态效应。其次，转基因植物体内在富积了污染物之后，如何避免二次污染也是需要考虑的问题。最后，植物修复研究都是在实验室里针对某一特定污染物进行研究的。实验室条件与污染场地的环境存在差距，可能会影响修复效果。 3 转基因植物在污染环境修复上的应用前景
转基因技术的应用为植物修复提供了广阔的前景，应用转基因技术在提高植物修复能力方面取得了进展。但是目前还处于起步阶段，应加强以下几方面的工作：（1）克隆功能基因，研究其表达和功能，采用超强启动子，提高转基因植物对重金属污染物的富集程度，以定向培育转基因植物。（2）引进转基因超积累植物和修复技术，储备超积累植物，进行组织培养，建立高效再生和遗传转化体系。（3）加强转基因植物修复技术与转基因生物修复效率的综合技术研究。
随着转基因技术的发展和修复植物机理的深入研究，能够高效修复环境的转基因植物将会出现。美国Viridian环境公司用植物修复技术每年从金属镍的回收中获利甚丰，我国植物资源丰富，筛选和培育重金属超积累植物品种条件极为有利。分子生物学的发展、基因工程技术的应用为植物修复技术的发展提供了有力的技术保障。转基因植物将在生物修复中展示巨大作用，市场潜力巨大。
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[4]Erkin O C，Takahashi M，Morikawa H. Development of a regeneration and transformation system forRaphiolepis umbellateL，/Sharinbai0plants by using particle bombardment[J]. Plant Biotechnol，2003，20：145-152.
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[6]Kawahigashi H，Hirose S，Hayashi E，Ohkawa H，Ohkawa Y. Phytotoxicity and metabolism of ethofumesate in transgenic rice plants expressing the human CYP2B6 gene[J].Pestic Biochem Physiol，2002，74（3）：139-147.
[7]Kondo K，Takahashi M，Morikawa H. Regeneration and transformation of a roadside tree pittosporum tobira A[J]. Plant Biotechnol，2002，19（2）：135-139.
[8]Rasmussen G，Olsen RA. Sorption and biological removal of creosote-contaminants from groundwater in soil/sand vegetated with orchard grass （Dactylis glomerata）[J]. AdvEnviron Res，2004，8（3-4）：313-327.
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[10]Tian JL，Zhu HT，Yang YA，et al. Organic mercury tolerance，absorption and transformation by Spartina plants[J]. J Plant Physiol Mol Biol，2004，30（5）：577-582 （in Chinese）.
[11]Tian JL，Shen RJ，He YK. Sequence modification of MerB gene and high organomercurial resistance of transgenic tobacco plants[J]. Chin Sci Bull，2002，47（24）：2 084-2 088.
[12]Wang GD，Li QJ，Luo B，et al. Ex planta phytore-mediation of trichlorophenol and phenolic allelochemicals via an engineered secretory laccase[J]. Nat Biotechnol，2004，22（7）：893-897.
[13]Wangeline AL，Burkhead J L，Hale K L，et al. Overpression of ATP sulfurylase in Indian mustard：effects on tolerance and accumulation of twelve metals[J]. Joural of Environmental Quality，2004，33（1）：54-57.
[14]Wu L，Nandi S，Chen L，et al. Expression and inheritance of nine transgenes in rice[J].Transgenic Res，2002，11：533-541.
[15]Yamada T，Ohashi Y，Ohshima M，et al. Inducible cross-tolerance to herbicides in transgenic potato plants with the rat CYP1A1 gene[J]. Theor Appl Genet，2002，104：308-314.
（责编：张宏民）