彼昂院士團隊探明植物響應重金屬27個關鍵蛋白

　　 談到重金屬污染，公眾首先想起的就是鎘大米及其危害，而這只是科學家們研究的起點。他們想搞清楚，受到重金屬污染時，植物內部到底發生了什么變化、植物的哪些響應機制與重金屬污染有關。更現實一點，有沒可能讓重金屬污染集中在蔬菜或水稻的非食用部位，從而減少其對人體的影響？

　　這些正是廣東省首批領軍人才、華南師范大學彼昂院士團隊在做的事。他們利用餐桌上常見的洋蔥做實驗，鑒定出重金屬銅污染誘導的27個差異表達蛋白，未來有望應用于抗重金屬作物分子育種上，提高農作物對重金屬污染的對抗性，或者降低有害重金屬在農產品中的累集。他們還發現了水稻受污染后關鍵的轉運節點，對降低水稻籽粒重金屬積累有重要的現實意義。

　　重金屬污染危害到底多大？重度污染12小時 洋蔥停止生長

　　重金屬污染危害到底有多大？7月22日，在華南師范大學生命科學學院的生態與環境科學重點實驗室里，植物生理生態專業碩士研究生孫志強用9個洋蔥頭和三盆水做了個實驗。

　　第一盆是500毫升超純水，培育3顆小洋蔥。

　　第二盆是500毫升水中添加2微摩爾的銅，銅的分量不到一針尖大小，3顆小洋蔥就在受到輕微重金屬污染的水中生長。

　　第三盆在500毫升水中添加了8微摩爾的銅，銅的分量僅1-2小滴，但對于植物來說，已經屬于嚴重重金屬毒害環境，同樣用來培育3顆小洋蔥。

　　12個小時后，三盆水中洋蔥的根發生明顯變化：

　　第一盆水里的小洋蔥，根部呈白色，健康挺直。第二盆受到輕微銅污染的洋蔥根，根尖出現膨大。第三盆受到嚴重銅污染的洋蔥，根系呈透明狀，而且被軟化。

　　一直跟進洋蔥根尖實驗的博士后寧嬋娟解釋，受到輕度污染后，洋蔥根尖出現膨大，說明洋蔥雖然能維持最基本生存，但是生長發育被嚴重抑制。受到嚴重污染的洋蔥，連根的顏色都發生了變化，說明根細胞塌陷，并停止生長，死亡就在眼前。

　　不單從外形可以觀察到洋蔥根的死亡，實驗人員還把洋蔥根的細胞用A pollo熒光染色。受到輕微銅污染的洋蔥根里，活的細胞比健康洋蔥減少了很多；而受到嚴重銅污染的洋蔥根，則幾乎沒有多少活細胞。

　　在實驗室里，對洋蔥根的觀察還可以細微到D N A的變化。采用單細胞凝膠電泳技術，在熒光顯微鏡下可以觀察到，在12小時內受到嚴重銅污染的洋蔥根，細胞核內的D N A完整性受到破壞，通俗來說就是D N A損傷。

　　對于重金屬污染，普通老百姓最熟悉的是鎘大米，但科研人員更關注銅。寧嬋娟注意到，近年銅污染越來越嚴重，電鍍、印刷污水等含大量的銅，農業常用的殺蟲劑中含有硫酸銅，這些農藥被噴得越多，農田里的銅也越來越多。而銅的毒害比鎘和鉛更嚴重。

　　對一顆洋蔥，一點點銅足以致命。對人而言，重金屬污染也是巨大的威脅。“重金屬進入人體，就很難排出去，會在體內越積越多。而且重金屬會隨著食物鏈富集，比如鎘在土壤里的含量是1倍，在受污染的土壤里生長的水稻可能達到10倍，如果人類長期食用就可能達到100倍。”

　　植物如何“響應”重金屬？發現洋蔥27個蛋白和重金屬污染相關

　　為更清楚地看到毒害結果，實驗室里的劑量一般要比普通農田的實際污染大。但去年環保部、國土部聯合發布的全國土壤污染狀況調查公報顯示，全國土壤環境狀況總體不容樂觀，部分地區土壤污染較重，耕地土壤環境質量堪憂。全國土壤總超標率為16.1%。長三角、珠三角、東北老工業基地等部分區域土壤污染問題較為突出。工礦業、農業等人為活動以及土壤環境背景值高是造成土壤污染或超標的主要原因。

　　普通老百姓關心蔬菜、大米里重金屬有沒有超標，而科學家們關心的事情，還包括怎么監測重金屬污染、怎么修復被重金屬污染的土壤。

　　這正是華南師范大學特聘教授拉斯·奧爾夫·彼昂院士團隊在做的事。

　　拉斯·奧爾夫·彼昂院士是國際著名的生態學家和植物光生物學家、瑞典皇家科學院院士和諾貝爾獎評委，2010年2月獲批廣東省首批領軍人才。在華師校園，經常可以看到這位外籍教授騎自行車匆匆而過的身影。

　　5年來，彼昂與團隊一起開展了全球變化的生物學效應及其作用機制的研究。重金屬污染對植物的毒性效應及植物的響應機制就是其中一項內容。

　　團隊核心成員、廣東省珠江學者特聘教授、華南師范大學生命科學學院副院長李韶山介紹，他們在銅污染對洋蔥根毒害的細胞學效應基礎上，應用蛋白質組學研究技術，成功鑒定出32個跟重金屬毒害高度相關的蛋白。也就是說，這32個蛋白是植物抵抗重金屬和受到重金屬損傷最重要的標識之一，這一成果對揭示植物重金屬毒害的早期分子響應具有重要理論意義。

　　但是這32個蛋白到底是什么，沒有背景研究可供參考。雖然洋蔥根尖是觀察細胞有絲分裂的經典材料，但科學家對它的遺傳背景研究幾乎是空白，沒有人對它進行過全基因組測序。

　　于是，他們摸索出一個方法：利用D N A和蛋白質之間的產物———R N A來作為背景數據庫。轉錄組測序比全基因組測序工作量要小得多，而且研究成本也大大降低。

　　先是對洋蔥進行了高通量轉錄組測序，建立了相應的洋蔥虛擬蛋白質數據庫(含24305條氨基酸序列信息)。然后再把這32個蛋白的數據提交到這個數據庫，鑒定出重金屬C u污染誘導的27個差異表達蛋白，包括植物防御反應、細胞壁合成、細胞周期和D N A復制、轉錄調控與蛋白質合成等相關蛋白。他們即將在國際重要刊物上發表相關論文。

　　更重要的是，找到了12條代謝通路，包含8萬多個基因，這是一個重要的理論基礎，相當于給以后的研究畫了一個草圖，為植物對重金屬響應的分子機制研究奠定堅實基礎。

　　這個發現未來將應用于抗重金屬作物分子育種。李韶山解釋，該研究成功鑒定的蛋白有可能作為生物工程改造的靶向位點，以提高農作物對重金屬污染的對抗性，或降低有害重金屬在農產品中的累集。

　　水稻怎么轉運重金屬？發現關鍵節點 尋找“清道夫”

　　除了讓重金屬污染“現形”，更實際的目標是，讓蔬菜可食用部分或者水稻的籽粒部位不受污染或者重金屬含量不超標。

　　考慮到我國人多地少的基本國情，將大面積受到重金屬污染的農田休耕或者種植非糧食作物，并不現實。彼昂團隊目前琢磨的是，怎么采取有效策略，讓重金屬主要積累在水稻的非食用部位，而讓籽粒部位的重金屬含量達到食品安全標準。他們還希望發現能像磁石一樣對重金屬有超大吸附能力的植物，讓這些植物成為重金屬污染土壤的“清道夫”。

　　鎘大米是老百姓關心的話題，也是科學家感興趣的課題。李韶山介紹，他們也即將在國際重要刊物發表文章報道相關的最新發現。

　　他們在試驗中將一株水稻的根分開兩邊，一邊是無重金屬污染的營養液，另一邊是添加了重金屬的營養液。結果發現，重金屬能夠從受到污染的一邊轉運到未添加重金屬的一邊。

　　考慮到水稻兩側根系是完全分開的，這一結果清晰地表明水稻根部吸收的重金屬在轉運到地上部之后，還能從地上部向下轉運。這對于降低水稻籽粒重金屬積累有重要的現實意義：如果能強化重金屬從地上部向地下部轉運的過程，就可以降低水稻籽粒部位的重金屬含量。目前彼昂團隊正對此開展深入研究。

　　他們還發現水稻對鎘的吸收和轉運過程在不同品種之間存在較大差異。團隊成員王宇濤副研究員正研究土壤微生物叢枝菌根真菌(A M F)應用于農作物鎘污染防治的可行性。大量研究表明，A M F不僅自身有耐重金屬毒害的能力，還可以提高與之形成共生的宿主植物對重金屬的耐性，影響重金屬在宿主植物體內的吸收和轉運過程。他們希望通過闡明A M F對農作物重金屬吸收、轉運的影響及作用機制，為水稻的管理和鎘大米的治理提供指導。

　　“植物殺手”為何這么犀利？五爪金龍碳代謝明顯強于對比組

　　除了相對“高冷”的基礎課題，彼昂團隊還在與華師校園里一種“兇猛”的植物作戰。

　　華師生物園一角有間水產養殖實驗室，旁邊是個水塘，彼昂團隊的實驗室也位于這里。這間實驗室被一種類似牽牛花的藤本植物包裹得嚴嚴實實，一片片蓊蓊郁郁的翠綠，點綴著幾處粉紫映入眼簾，吸引著路人駐足觀看。

　　這種外形酷似牽牛的植物其實是五爪金龍，葉似掌狀，分成五瓣，故名“五爪”；花似漏斗，色呈粉紫，類牽牛。五爪金龍遍布廣泛，我國境內數華南地區數量最豐富，只要是陽光充足、氣候濕潤之處，都可見它的身影。

　　這種看上去賞心悅目的植物，“真面目”令人震驚———它是廣州地區入侵性最強的“植物殺手”之一，所到之處其他植物無一幸免。

　　以彼昂團隊這間實驗室為例，“我們拿它沒有辦法，它遮擋了實驗室的陽光，怎么清理都清不完。”植物生理生態博士后寧嬋娟搖頭嘆息。他們會定期清理實驗室旁邊的五爪金龍，“但是可能過半個月十天，它又長滿了。”

　　五爪金龍攀援生長于林地喬灌木、庭園籬笆以及城市建筑物之上，被其所纏繞、覆蓋的植物，包括草本、灌木甚至喬木，常因受光不足生長不良，甚至死亡。

　　據記載，五爪金龍原產美洲，1912年在香港歸化，隨后人們將其引進至華南一帶作為綠化植物。由于適宜的氣候和環境，加之甚少天敵，五爪金龍一發不可收拾，逐漸呈現入侵之勢。它的生長速度非常驚人。一天之內能長十幾厘米。

　　“而且還不是一個植株長十厘米，它會分很多枝，一個枝條一天長十厘米很常見。”華師生命科學研究院成員耿妍解釋，五爪金龍有個非常有名的英文名字，叫“onem ileoneday，onem ileonem inute”(一天一英里，一小時一英里)，形容其生長速度。“普通植物一個星期可能看不到明顯的生長，比如七爪金龍，種子一星期才能抽出幾根藤。但是五爪金龍可能一天之內就能抽出新的藤，然后第二天每一個枝條都會長到超過十厘米。”

　　這種快速生長的能力使五爪金龍能迅速覆蓋其他草本和木本植物，阻礙其他植物的光合作用，切斷其他植物獲得營養物質的途徑。這正是五爪金龍最“恐怖”的地方。

　　彼昂院士和李韶山教授帶領博士生龔妮、碩士生李春妹、耿妍、魯煥等近年一直在研究五爪金龍的生態適應性及其入侵的分子機制。

　　他們2011年開始入侵植物轉錄組學的研究，用五爪金龍和它的近緣本地種———七爪金龍進行比較，通過對二者代謝通路———碳代謝、氮代謝以及次生代謝的比較研究，發現了五爪金龍成功入侵的代謝特征。以碳代謝為例，五爪金龍的碳代謝要明顯強于它的對比組，這有助于解釋五爪金龍成功入侵的代謝機制。

　　研究還發現，五爪金龍的次生代謝旺盛，其中一個關鍵酶就是木質素合成酶。這個酶的活性非常高，可能是其他物種的數倍。這導致五爪金龍的木質素合成非常強，因此它的莖木質化也非常高，五爪金龍的木質化要高于一般藤本植物。這也是它抗逆性非常強的一個原因，有利于其入侵成功。

　　最新成果

　　通過對洋蔥進行深入研究，鑒定出重金屬C u污染誘導的27個差異表達蛋白，包括植物防御反應、細胞壁合成、細胞周期和D N A復制、轉錄調控與蛋白質合成等相關蛋白。

　　運用轉錄組測序和新一代數字基因表達譜測序等基因組學方法，分析五爪金龍與本地近緣種七爪金龍在生長發育、代謝調控、環境響應等方面基因差異表達，為闡明外來植物的入侵機制提供新的分子證據。

　　對于重金屬污染，普通老百姓最熟悉的是鎘大米，但科研人員更關注銅。寧嬋娟注意到，近年銅污染越來越嚴重，電鍍、印刷污水等含大量的銅，農業常用的殺蟲劑中含有硫酸銅，這些農藥被噴得越多，農田里的銅也越來越多。而銅的毒害比鎘和鉛更嚴重。

　　彼昂團隊目前琢磨的是，怎么采取有效策略，讓重金屬主要積累在水稻的非食用部位，而讓籽粒部位的重金屬含量達到食品安全標準。他們還希望發現能像磁石一樣對重金屬有超大吸附能力的植物，讓這些植物成為重金屬污染土壤的“清道夫”。

　　TA們是誰

　　拉斯·奧爾夫·彼昂院士團隊

　　植物UV-B響應的分子機制及信號轉導研究

　　a)拉斯·奧爾夫·彼昂院士、李韶山教授：研究U V -B對模式植物擬南芥光形態建成的調節及其信號轉導的分子調控機理

　　b)胡宏鵬(碩士研究生)：研究植物U V-B信號轉導途徑的調節因子

　　叢枝菌根真菌(AMF)的多樣性及其環境生態效應

　　拉斯·奧爾夫·彼昂院士、李韶山教授、王宇濤副研究員：研究叢枝菌根真菌(AM F)在自然生態系統中的多樣性和群落特征

　　入侵植物的生理生態和比較基因組學研究

　　拉斯·奧爾夫·彼昂院士，李韶山教授，博士生龔妮、碩士生李春妹、耿妍：利用生理生態學、轉錄組學與數字基因表達譜技術，研究華南地區嚴重危害入侵植物五爪金龍的生態適應性及其入侵的分子機制

　　重金屬生態毒理研究

　　a)拉斯·奧爾夫·彼昂院士、李韶山教授、秦蓉博士、碩士生孫志強：研究重金屬污染對植物毒害的生態效應

　　b)寧嬋娟博士后、秦蓉博士：非模式植物洋蔥對重金屬毒害響應機制的轉錄組學、蛋白質組學聯合分析