全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2014, 50 (5): 591~598　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2014.1004 591
收稿 2014-03-25　　修定 2014-04-25
资助 国家自然科学基金(31370299和30500307)。
* 通讯作者(E-mail: mami@ibcas.ac.cn; Tel: 010-62836255)。
蜈蚣草砷超富集机制及其在砷污染修复中的应用
申红玲1,2, 何振艳1, 麻密1,*
1中国科学院植物研究所, 北方资源植物重点实验室, 北京100093; 2中国科学院大学生命科学学院, 北京100049
摘要: 蕨类植物蜈蚣草能够从土壤中吸收砷, 并储存于地上部分羽叶的液泡中。蜈蚣草具有高效的抗氧化系统, 以降低砷
的毒害; 其砷酸还原系统和液泡区隔化是蜈蚣草进行砷解毒和砷超富集的重要机制。本文综述了目前蜈蚣草砷超富集机
制研究的主要进展, 并对其在修复砷污染环境的应用中进行了讨论。
关键词: 砷; 蜈蚣草; 超富集; 植物修复; 砷解毒
Advance of the Mechanisms of Arsenic Hyperaccumulation in Pteris vittata L.
and Applications for Arsenic-Remediation
SHEN Hong-Ling1,2, HE Zhen-Yan1, MA Mi1,*
1Key Laboratory of Plant Resources, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China; 2College of Life
Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: The fern Pteris vittata can absorb arsenic from the soil, and most of arsenic is transported to the abo-
veground tissues, stored in the vacuole of fronds. P. vittata has an efficient antioxidant system which can reduce
arsenic poisoning. Importantly, the arsenate reduction system and vacuole sequestration are critical for arsenic
detoxification and arsenic hyperaccumulation. In this review, the latest research progress about the physiologi-
cal and molecular mechanisms of arsenic tolerance and accumulation in P. vittata was summarized, and the fu-
ture applications of this fern for remediation of removal arsenic-contaminated soils or water were discussed as
well.
Key words: arsenic; Pteris vittata; hyperaccumulation; phytoremediation; arsenic detoxification
砷(arsenic, As)是一种在自然界中广泛存在的
化学元素, 其常见的存在形式有砷酸盐[arsenate,
As(V)]和亚砷酸盐[arsenite, As(III)]。此外, 在生物
体中还存在着甲基化程度不同的有机胂, 包括一
甲基胂酸(MMA)和二甲基胂酸(DMA)等。砷及其
可溶性化合物有很强的毒性, 剧毒物质砒霜(白砒)
的主要成分便是As2O3。砷可以通过呼吸道、食
物、饮用水或皮肤接触进入人体, 对人类和动植
物都有很大的危害。
土壤中砷积累达到一定程度, 会导致土壤退
化以及生长的农作物产量和品质下降。进入农作
物的砷可以通过食物链危害人体健康。我国是世
界上砷污染最严重的国家之一, 群体性砷中毒以
及砷污染事件时有发生。例如最近报道我国湖南
省石门县雄黄(As4S4)矿区累计千余人砷中毒。
如何修复砷污染的土壤或水体是世界各国面
临的一个共同难题。近年来兴起的植物修复技术
利用超富集植物吸收并积累环境中的污染物, 从
而降低污染物在土壤中的浓度和毒害, 具有成本
低廉、操作简单、对环境扰动较小以及后期处理
简易和无二次污染等优点(Kramer 2005; LeDuc和
Terry 2005)。然而适合用于不同自然条件下污染
修复的植物是这一技术发展的瓶颈之一。砷超富
集植物蜈蚣草(Pteris vittata L.; the Chinese brake
fern)的发现(Ma等2001; 陈同斌等2002)对利用植
物修复砷污染土壤及探讨植物超富集砷的机理具
有十分重要的意义。研究表明, 在砷浓度高达1 500
mg·kg-1的土地上, 凤尾蕨属植物蜈蚣草仍然可以
正常生长, 甚至地上部分富集砷的浓度高达 22 630
mg·kg-1 (超过干重的2%), 比土壤中的砷浓度高10
倍以上(Ma等2001)。此外, 粉叶蕨(Pityrogramma
calomelanos) (Visoottiviseth等2002)、大叶井口边
草(Pteris cretica) (韦朝阳等2002)、长叶凤尾蕨
(Pteris longifolia)和阴地凤尾蕨(Pteris umbrosa)等
植物生理学报592
(Zhao等2002; Meharg 2003)均能超富集环境中的
砷。探索蜈蚣草对砷的吸收、转运、解毒及富集
等机制不仅对蜈蚣草的直接应用, 而且为进一步
研发生物量大且适生性强的砷超富集工程植株提
供理论依据。
1 蜈蚣草的砷超富集特性
蜈蚣草具有很强的砷吸收和转运的能力, 其
地上部累积的砷可达22.6 g·kg-1 (DW), 所富集的砷
占地上部生物量(干重)的2.3%。蜈蚣草的地上部
砷含量远远高于一般常见的植物(<10 mg·kg-1), 其
地上部与土壤砷含量的比值可达1 450, 地上部与
地下部砷含量的比例可达24 (Ma等2001; Tu等
2002; Wang等2002)。测定蜈蚣草中的砷储存形态
发现, 羽叶中的砷主要以自由的As(III)形态存在
(Lombi等2002; Zhao等2003; Chen等2005; Picker-
ing等2006), 而与植物络合素(phytochelatins, PCs)
络合的砷仅占总砷的1%~3% (Zhao等2003), 这与
非超富集植物中依赖砷与PCs等的络合进行砷解
毒机制存在很大差异(Zhao等2009)。此外, 不同砷
化合物对蜈蚣草的毒性与其对模式植物拟南芥的
毒性也很不同(Dai等2013)。这些研究结果暗示,
蜈蚣草具有特殊的砷解毒和富集机制。
蜈蚣草通过不同的方式吸收As(V)和As(III)。
研究表明, 蜈蚣草对砷和磷的吸收存在明显的竞
争: 增加磷的浓度能显著抑制As(V)的吸收, 而增
加As(V)的浓度也能显著抑制磷的吸收(Wang等
2002)。砷和磷属于同族元素, 而且砷酸盐和磷酸
盐结构又相似, 因此可以推测蜈蚣草根系可能是
通过磷的吸收通道吸收As(V), 再由磷的转运子进
入细胞中(Wang等2002; Huang等2004; Poynton等
2004; Xu等2007; Su等2008)。尽管磷和砷吸收存
在着竞争, 砷能抑制磷的吸收, 但蜈蚣草在高浓度
砷的环境中并不表现缺磷症状(Tu和Ma 2005)。这
是因为蜈蚣草有高效的磷吸收、储存和利用机制,
避免了进入细胞的砷在生化反应过程中取代磷而
干扰正常的磷代谢过程, 从而降低了砷的毒性。
研究表明 , 模式植物通过水通道蛋白吸收
As(III)。有研究者推测, 如果蜈蚣草通过水通道蛋
白吸收As(III)进入细胞内, 那么由水通道蛋白运输
的甘油、硼酸或硅酸等分子会对砷吸收有竞争作
用。然而这些分子竞争抑制As(III)吸收的现象并
不明显(Wang等2010; Mathews等2011)。此外, 亚锑
酸盐(antimonite)和汞(Hg, 一种水通道蛋白抑制剂)
对蜈蚣草吸收As(III)的影响也很小(Nagarajan和
Ebbs 2007; Wang等2010; Mathews等2011)。而添加
银离子(Ag+, 一种水通道蛋白抑制剂)能够减少蜈
蚣草As(III)的吸收量, 表明As(III)可能是通过某种
Ag+敏感的水通道蛋白进入细胞(Nagarajan和Ebbs
2007; Mathews等2011), 但是Ag+不能完全抑制
As(III)的吸收。由此推测, 蜈蚣草可能存在除水通
道蛋白外的其它途径以吸收As(III)。Wang等(2011)
通过用代谢抑制剂对蜈蚣草吸收As(III)的影响表
明, 蜈蚣草主要是通过主动运输方式吸收As(III),
水通道蛋白的被动运输As(III)的作用有限。
通过检测蜈蚣草体内的砷形态发现, 蜈蚣草
羽叶中大多数是As(III)的形式, 并且As(III)的含量
要远高于其在根中的含量(Ma等2001)。这表明,
砷在从蜈蚣草的根部向羽叶的转运中还存在
As(V)还原成As(III)的反应(Ma等2001; Xie等
2009)。当培养基中的As(V)浓度升高时, 在转运的
途径中As(V)/As(III)的比率也会上升。无论培养
基中的砷形态是As(V)还是As(III), 也无论其浓度
高低, 在蜈蚣草根中, As(V)均为主要形式; 而在羽
叶中, As(III)为主要形式(Lombi等2002; Zhang等
2002; Tu等2003; Wang等2010)。因此推测, 在低浓
度砷处理条件下, 根中积累的砷较少, As(III)优先
于As(V)被装载转运至地上, 且蜈蚣草中As(V)的
还原发生主要在根部(Wang等2010)。但是随着砷
处理浓度的升高, 根中的As(V)含量逐渐开始超越
了根部的还原能力, 从而出现As(V)和As(III)竞争
性的装载转移(Wang等2010), 这部分无法在根部
还原的As(V)会直接转运至地上部羽叶中, 并在羽
叶中被还原。这些研究表明, 蜈蚣草根部和羽叶
都能将As(V)还原为As(III) (图1)。
蜈蚣草通过根部吸收的砷绝大多数被转运至
地上部分的羽叶中储存。在低砷浓度时, 细胞壁
会优先与砷结合, 将砷固定在细胞壁上, 限制其向
内部转运。但蜈蚣草细胞壁对砷的贮存能力有限,
因此当体内砷浓度过高时, 绝大部分砷都会通过
区隔化作用聚集到羽叶的胞液中(Chen等2005)。
Lombi等(2002)和Pickering等(2006)分别使用EDX
(energy dispersive X-ray microanalyses)技术和XAS
申红玲等: 蜈蚣草砷超富集机制及其在砷污染修复中的应用 593
技术原位观测砷的亚细胞分布, 发现砷主要储存
在羽叶细胞的液泡里。Chen等(2005)对蜈蚣草胞
液组分进行分离分析, 提出储存的砷可能大量被
隔离在液泡中。我们实验室分离出蜈蚣草愈伤组
织的细胞壁、原生质体和液泡, 并分别测定了砷
处理后各组分中砷的含量, 发现液泡中的砷含量
占了总砷的91%, 为蜈蚣草中砷被区隔化在细胞的
液泡中提供了直接证据(Yang等2009)。这些研究
说明, 蜈蚣草通过根部吸收的砷主要被储存在羽
叶中的液泡中, 推测液泡区隔化是蜈蚣草能够超
富集砷的关键因素之一。
2 蜈蚣草砷解毒和富集的分子机制研究进展
蜈蚣草能够在高浓度砷的土壤中生长, 并且
细胞能够耐受极高浓度的砷, 暗示它的砷代谢机
制与普通植物有较大的差异, 可能蕴藏着在长期
的进化过程中发展的特殊机制(Verbruggen等2009),
以帮助其缓解砷积累引发的毒害。
2.1 蜈蚣草具有很强的抗氧化能力
对大多数植物, 砷的积累会引发氧化应激反
应并产生活性氧(ROS), 如超氧阴离子和羟基自由
基和过氧化氢等。这些物质的积累会对细胞产生
极大的毒害作用。通过比较抗氧化系统在蜈蚣草
和非超富集植物砷解毒机制中的作用发现, 在无
砷和有砷条件下, 蜈蚣草中非酶类抗氧化剂, 如抗
坏血酸和谷胱甘肽(GSH)等的含量都高于非砷超
富集植物, 并且随培养基中砷浓度的增加而增加
图1 蜈蚣草中砷吸收、代谢和转运示意图(参照Zhao等2009; Zhu和Rosen 2009, 略有修改)
Fig.1 Schematic diagram of arsenic uptake, transport and metabolism in P. vittata
(modified from Zhao et al 2009; Zhu and Rosen 2009)
(Cao等2004; Singh等2006; Sakai等2010)。此外, 在
砷处理下, 蜈蚣草抗氧化酶SOD和CAT等的活性要
高于其在非超富集植物中的活性(Srivastava等2005;
Liu等2009)。在非超富集植物中抗氧化剂含量低
且抗氧化酶活性低, 丙二醛(MDA)和硫代巴比妥
酸反应物质(TBARS)浓度显著高于蜈蚣草(Srivas-
tava等2005; Singh等2006)。这表明, 蜈蚣草具备了
比非砷富集植物更高效清除ROS的机制, 能够有效
地降解砷胁迫引发的有害物质(Srivastava等2005)。
有意思的是, 在无砷或有砷条件下, 蜈蚣草中一些
重要的成分, 如叶绿素和水溶性蛋白含量, 亦高于
非富集植物如银脉凤尾蕨中的含量(Singh等2006)。
我们实验室测定了蜈蚣草悬浮培养愈伤组织在不
同砷形态和砷浓度中的抗氧化反应, 结果表明酸
溶性巯基和酶类抗氧化剂在蜈蚣草细胞砷解毒机
制中发挥着重要作用(杨学习等2010)。
砷处理下蜈蚣草中GSH含量升高并随砷浓度
的增加而增加(Cao等2004; Singh等2006; Sakai等
2010)。增加GSH前体硫酸盐(sulphate)也能提高蜈
蚣草中GSH含量, 并有效提高蜈蚣草中的砷积累
量(Wei等2010)。但是硫酸盐和GSH增强蜈蚣草砷
积累的机制还不是很清楚(Wei等2010)。有研究表
明, 砷诱导蜈蚣草中GSH增加与PvECS上调表达有
关。PvECS编码的γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶(γ-glu-
tamylcysteine synthetase)是GSH合成途径中的关键
酶(Sakai等2010) (图2), 暗示GSH在蜈蚣草的抗砷
植物生理学报594
图2 蜈蚣草砷解毒和砷超富集机制模式图
Fig.2 A model diagram that illustrates the mechanisms of arsenic detoxification and arsenic hyperaccumulation in P. vittata
毒害机制中起着重要作用。这些研究表明, 蜈蚣
草具备了组成型的高效抗氧化系统以抵抗砷引起
的氧化胁迫反应, 抗氧化胁迫机制是砷超富集机
制的重要组成部分。
2.2 蜈蚣草具有高效的砷酸还原系统
蜈蚣草根和羽叶中都能进行As(V)向As(III)的
还原反应, 但主要发生于根部。砷酸还原酶(arse-
nate reductase, AR)在这一反应中起着重要作用。
蜈蚣草中AR的活性至少是其它不能耐受砷植物中
的7倍, 而且对砷有特异性(Duan等2005)。PvACR2
是第一个被发现的蜈蚣草砷酸还原酶基因(Ellis等
2006), 其编码的蛋白与酵母砷酸还原酶(ScACR2)
具有较高的同源性。在蜈蚣草配子体中, PvACR2
的表达不受砷酸盐的影响(Ellis等2006)。这种稳
定的适应性暗示蜈蚣草超富集砷的能力不是环境
诱导的应激反应, 而是组成型的适应特性(Verbrug-
gen等2009)。拟南芥中与PvACR2和ScACR2同源
的基因为AtACR2 (AtCDC25), 其编码的蛋白既有
砷酸还原酶活性, 又有酪氨酸特异性磷酸酶活性,
水稻OsACR2也类似(Landrieu等2004; Duan等
2007)。与之不同的是, 蜈蚣草的PvACR2没有磷酸
酶活性(Ellis等2006)。CDC25蛋白有一个保守的
HCX5R基序, 被认为是该酶的激活位点。PvACR2
的独特之处在于它的HCX5R基序中一个精氨酸被
丝氨酸代替了, 而这个精氨酸是CDC25行使其磷
酸酶和砷酸还原酶活性的关键位点。蜈蚣草中
PvACR2的表达不受外界砷浓度的调控, 有可能是
因为这一位点氨基酸的变化所引起的。很多重金
属超富集植物都有一个共同的特点, 那就是相关
基因不受重金属诱导就能持续高水平表达。这也
暗示PvACR2在蜈蚣草砷富集过程中扮演了极其
重要的角色(Ellis等2006)。
Rathinasabapath等(2006)从蜈蚣草的cDNA文
库中克隆了编码植物磷酸丙糖异构酶(TPI)的同源
基因(PV4-8) (Rathinasabapathi等2006)。尽管该基
因与目前所有已经鉴定的砷酸还原酶基因不具有
同源性, 但过量表达该基因能提高As(V)大肠杆菌
敏感菌株WC3110对As(V)的抗性, 而且转入PV4-8
基因的WC110菌株体内As(III)含量高于转入EcTPI
基因的菌株。这些结果暗示, 蜈蚣草中与TPI同源
的基因PV4-8所编码的蛋白具有砷酸还原酶的功
能, 可能参与蜈蚣草体内As(V)的还原, 但非关键
基因。
2.3 蜈蚣草的液泡区隔化机制
蜈蚣草中亚砷的液泡区隔化是砷解毒的关
键。蜈蚣草中的谷氧还蛋白PvGrx5被认为是第一
个发现的具有调节砷代谢的植物谷氧还蛋白。
PvGRX5可能直接或者间接与液泡膜跨膜蛋白作
用, 将As(III)转运至液泡中(Sundaram等2008)。在
大多数植物中, PCs在重金属的解毒中起着重要作
用。Dong (2005)从蜈蚣草的cDNA文库中克隆了
植物络合素合酶(phytochelatin synthase, PCS)基因
(PvPCS1), 在酵母中过量表达该基因能提高酵母
对镉的抗性。PvPCS1可能参与了砷的代谢, 但是
申红玲等: 蜈蚣草砷超富集机制及其在砷污染修复中的应用 595
在蜈蚣草中, 只有1%~3%的As与PCs络合, 因此推
测PCs对As的络合作用并不是砷解毒的关键过程
(Zhao等2003; Vetterlein等2009; Sakai等2010)。
2010年Plant Cell首次报道了蜈蚣草的液泡亚
砷酸盐转运蛋白基因PvACR3和PvACR3;1。
PvACR3编码一个同酵母中类似的亚砷酸盐外排蛋
白, 但是在其他蕨类植物和裸子植物中只发现单
个拷贝, 而在开花植物中甚至没有ACR3基因(In-
driolo等2010)。PvACR3能互补酵母ScACR3缺失
的表型 , PvACR3的转录水平受砷的诱导。将
PvACR3基因敲除会导致蜈蚣草配子体对As(III)敏
感。这可能是因为PvACR3的缺失会阻碍As(III)由
细胞质向液泡膜的转运, 从而使其对砷敏感性增
加。通过蛋白亚细胞定位观察, PvACR3可能定位
在蜈蚣草细胞液泡膜上, 并负责将As(III)泵到液泡
中进行区隔化, 从而实现砷解毒和砷积累(Indriolo
等2010)。而PvACR3基因的副本PvACR3;1对蜈蚣
草的砷耐性没有明显作用。蜈蚣草中具有砷转运
功能的ACR3基因的存在, 可能是蜈蚣草具有砷耐
性和砷积累能力, 而被子植物没有这种特性的重
要原因(图2)。
2.4 蜈蚣草蛋白质组学的相关研究
除蜈蚣草本身的生物学特性之外, 菌根真菌
(arbuscular mycorrhizal fungi)在提高蜈蚣草的地上
部分生物量和砷转运系数中也起到了重要作用(Al
Agely等2005; Liu等2005; Trotta等2006)。Bona等
(2010)运用差异蛋白质组学的方法检测蜈蚣草羽
叶蛋白在砷处理下和菌根真菌侵染下的差异变化,
结果表明, 蜈蚣草羽叶在上述两种处理下表现出
不同的差异蛋白谱。在无菌根真菌侵染下进行砷
处理, 主要影响光合作用、碳固定和硫代谢相关
蛋白。其中氧化胁迫相关蛋白中, 谷胱甘肽过氧
化物酶(GSH-PX)、过氧化氢酶和大分子热激蛋白
(HSP)等表现为上调; 根中的蛋白变化表明, 糖酵
解酶、能量代谢相关蛋白、谷氨酰氨合成酶(glu-
tamine synthetase, GS)和S-腺苷甲硫氨酸合成酶
(SAM synthethase)等也参与了砷耐性反应 (Bona等
2011)。考虑到蜈蚣草中砷的液泡区隔化是砷解毒
和积累的关键因素, 我们实验室利用Iodixanol (Op-
tiprepTM)密度梯度离心方法首次获得了蜈蚣草液
泡膜, 然后结合FASP方法和TMPP标记的定量蛋白
组方法, 检测了1.0 mol·L-1砷酸盐处理3周后蜈蚣草
羽叶液泡膜蛋白的变化。结果共鉴定得到56种液
泡膜蛋白, 其中42种转运蛋白。在砷处理下, 一种
TDT family蛋白、一种TerC family蛋白和一种
PDR-like蛋白分别表现为不同程度上调, 而液泡膜
质子泵系统中V-ATPase的C、E、G亚基和V-PPase
蛋白表达下调(Shen等2014)。
蛋白质组学技术能够实现对蛋白进行大规模
定性和定量分析, 并有助于深入揭示复杂的细胞
代谢途径以及迄今未知的细胞机制。运用蛋白质
组学技术不仅能够为筛选蜈蚣草砷转运关键蛋白
提供备选, 而且在蛋白水平上为揭示蜈蚣草的砷
解毒和砷超富集机制提供了重要线索。
2.5 蜈蚣草组织培养再生系统与遗传转化系统的
建立
蜈蚣草孢子体是一种生长缓慢的多年生蕨类
植物, 其基因组很大且缺少有效的转基因手段以
研究相关基因的功能和作用机制, 因此孢子体并
不是一个理想的研究系统。Gumaelius等(2004)提
出以蜈蚣草的配子体来研究其超富集机制(Gu-
maelius等2004)。与孢子体相比, 配子体具有很多
优点, 如体积小、生长迅速和易于培养, 为单倍体,
且同样具有超富集砷的能力等。然而配子体依然
是已分化的个体并且仍然缺少有效的转基因手
段。愈伤组织较配子体同样具有易于培养和生长
迅速的优点, 同时愈伤组织还具有同质性好、易
于操作和未脱分化等优点, 更为有意义的是愈伤
组织还常作为遗传转化的受体材料。实验证明,
蜈蚣草的愈伤组织同样具有耐受和富集砷的能力
(Yang等2007)。我们实验室利用蜈蚣草悬浮培养
愈伤组织建立了一个新的蜈蚣草砷解毒机制的研
究系统, 这一系统在蜈蚣草愈伤组织于不同化学
态砷胁迫下酶类和非酶类物质变化的检测(杨学习
等2010)、不同化学形态砷对蜈蚣草细胞的毒性
(Dai等2013), 以及砷的液泡区隔化机制(Yang等
2009)的研究中发挥了重要作用。此外我们实验室
还建立了蜈蚣草的组织培养再生体系, 为通过遗
传转化探索蜈蚣草砷富集相关基因的功能研究提
供了基础(Zheng等2008)。
由于蜈蚣草本身材料的特殊性, 遗传转化一
直是进行蜈蚣草的分子生物学研究的难点。Indri-
植物生理学报596
olo等(2010)利用基因枪转化法获得转基因的蜈蚣
草配子体。最近, Muthukumar等(2013)建立了利用
蜈蚣草自身基因PvActin启动子驱动GUS基因表达
的质粒, 并以孢子为转化受体, 通过农杆菌介导的
方法获得了稳定遗传的转化蜈蚣草植物, 这一方
法的建立为今后蜈蚣草砷富集相关基因功能的验
证提供了技术平台。
3 蜈蚣草在修复砷污染中的应用
蜈蚣草具有典型的超富集植物的三大特征:
高效的根部吸收、根到茎的高效转运及植物细胞
对砷的高度抗性。这些特性使蜈蚣草成为利用植
物修复技术治理砷污染土壤较为理想的植物。土
壤中不同营养元素对蜈蚣草的砷积累能力有不同
的影响。高浓度的钙不利于提高以蜈蚣草进行植
物修复的效率(廖晓勇等2003)。而磷既能提高生
物量又能提高蜈蚣草清除土壤中砷的效率(Cao等
2003; 廖晓勇等2008; Mandal等2012)。在蜈蚣草应
用于砷污染土壤修复的实践中, 陈同斌实验室做
了大量重要的工作(廖晓勇等2004; 陈同斌等2005,
2010)。此外, Danh等(2014)在其综述中对在野外
条件下, 蜈蚣草砷植物修复的特性进行了详细评
估, 并就实际应用提出了一些解决方案, 在此不再
赘述。
在水培条件下, 蜈蚣草同样具有极强的吸收
和转运砷的能力, 因此可以利用超富集植物蜈蚣
草来治理砷污染的地下水(Huang等2004; Tu等
2004)。此外, 我们实验室发现, 利用蜈蚣草的愈伤
组织可以用来清除水中的砷污染。研究结果显示,
愈伤组织清除了水中60%的砷, 虽然其中40%是由
于愈伤组织的表面吸附作用, 但其它非砷富集植
物的愈伤组织即便有吸附作用也不能高效清除砷,
因为非富集植物的愈伤组织在砷存在的环境下生
长受到严重抑制, 导致细胞死亡(Yang等2007)。
除富集As外, 蜈蚣草还具有富集铅(Pb)的能
力, 并且对锌(Zn)和铜(Cu)也具有一定的抗性(安志
装等2003; 谢景千等2010)。一个有趣的现象是, 在
一定浓度砷存在的条件下, 蜈蚣草对铜的抗性较
无砷条件下更高, 而且这种抗性的提高不是简单
地缘于砷与铜的竞争(Zheng等2008)。因此, 阐明
蜈蚣草中存在的这种机制对于未来培育用于修复
Pb-As、Zn-As和Cu-As等重金属复合污染具有重
要意义。
近年来, 通过分子设计和遗传修饰手段培育
具有砷抗性和积累能力的工程植物日益成为植物
修复领域关注的焦点之一。深入研究蜈蚣草体内
砷代谢过程及相关基因和酶的功能, 有助于利用
分子设计和遗传修饰技术来研发适应不同地理气
候条件和污染情况的修复植物, 从而更好地利用
植物修复技术来治理砷污染。PvACR3作为蜈蚣
草中一个As(III)逆转运蛋白, 在砷超富集过程中的
关键作用显示出其在植物修复中的巨大潜能。我
们实验室将PvACR3基因转入拟南芥中, 对超表达
PvACR3的拟南芥进行分析, 发现其表达产物在拟
南芥中定位于细胞质膜上, 表达PvACR3植株不仅
对砷的抗性显著提高, 而且能显著增加植物根部
As(III)的外排, 因而能降低根部的砷含量; 同时
PvACR3能显著提高植物的砷转运系数, 增强根部
向地上部的砷转运能力。这些结果提供了一种简
单实用的方法, 即利用显花植物已丢失的砷逆转
运蛋白基因实现工程植物地上部对砷的超富集,
为土壤砷污染修复提供了一种值得探索的途径
(Chen等2013)。
4 结语
蕨类植物蜈蚣草能够从土壤中吸收As(V)和
As(III), 并储存在地上部分羽叶的液泡中。蜈蚣草
超富集砷的能力不是环境诱导的应激反应, 而是
组成型的适应特性。蜈蚣草具有高效的抗氧化系
统, 以降低砷的毒害; 其砷酸还原系统和液泡区隔
化是蜈蚣草进行砷解毒和砷超富集的重要机制。
蜈蚣草的砷超富集特性意味着这种经长期演
化的蕨类植物中蕴藏着对砷吸收、转运和解毒的
复杂而特殊的机制。随着基因组关联分析和全基
因组甲基化测序等技术的发展, 以及一些特殊资
源植物蛋白质组数据库的不断丰富, 我们有理由
相信, 对蜈蚣草这些机制的深入解析将为砷污染
环境的植物修复和低砷积累作物的分子设计和培
育提供巨量信息和分子模块。
参考文献
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