曹樹青：植物修復解決土壤重金屬污染

　　——記合肥工業大學生物與食品工程學院生物科學系主任曹樹青教授

　　他不是農民，但他比一般農民更了解農業；他不是農民，但他比一般農民對土地更有感情。他，就是合肥工業大學生物科學系主任曹樹青教授。從事農業相關研究二十余年，談起土地，他有說不完的話題。

　　曹樹青出生于安徽青陽縣的農村，對土地的感情從小埋在心里。1985年，在報考大學的時候，他毅然選擇了農學，工作六年之后，懷著對繼續深造的渴望，他考取了南京農業大學生理學專業，以優異的成績完成了碩士和博士的課程。2001年，時已博士畢業的他，來到復旦大學生物化學與分子生物學專業做了兩年博士后研究。目前，在合肥工業大學生物與食品工程學院擔任教授、博士生導師，同時任生物科學系主任。

合肥工業大學生物與食品工程學院生物科學系主任曹樹青教授

　　土壤重金屬污染導致土壤環境質量惡化，嚴重危害農業生態系統的良性循環和人類的生存環境，已成為全球性環境問題之一。近期，曹樹青教授課題組首次揭示了植物響應重金屬鎘脅迫信號轉導的分子調控機制，為土壤重金屬污染植物修復基因工程提供了新的技術途徑和基因資源。

　　中毒的大地

　　談及我國土地的現狀，曹樹青教授憂心忡忡。他介紹道，我國24個省市有320個嚴重污染區，約548萬公頃土壤已經受到了污染。大田類農產品污染超標面積占污染區農田面積的20%，其中重金屬污染占80%。而實際上，90%的污染物最終都滯留在土壤內。污染物又通過食物鏈轉移至植物和動物，而最終進入人體。

　　土壤是各種污染物的最終“宿營地”，90%的污染物最終都滯留在土壤內。土壤環境的惡化會導致污染物通過食物鏈轉移至植物和動物，而最終進入人體，對生態系統和人類健康產生巨大危害。其中特別要注意的是，談及土壤污染，就不得不提及重金屬污染。土壤重金屬污染物是對土壤-植物-人類系統危害較大的主要污染物類型，具有多源性、隱蔽性、積蓄性、難以恢復性，被環境學界喻為“化學定時炸彈”，是近年來環境領域研究的熱點問題。而據全國首次土壤普查顯示，我國有近２０％的耕地存在鎘、砷、汞、鉛、鎳、銅等重金屬超標。農業土壤中的重金屬不僅對農田環境產生危害，而且可以通過食物鏈進入人體，土壤表層中的重金屬也可通過揚塵等渠道進入人體，從而危害人體健康。土壤重金屬污染導致土壤環境質量惡化，嚴重危害農業生態系統的良性循環和人類的生存環境，已成為全球性環境問題之一。

　　權衡利弊治污染

　　農田土壤重金屬污染已威脅到農業安全生產和人體健康，治理迫在眉睫。據了解，造成土壤重金屬污染的原因很復雜，包括工業排放、化肥農藥使用及地礦開采等都可導致污染，

　　目前通過物理和化學手段治理非常困難，也容易造成二次污染。采用某些物理化學修復技術的土地很難再用于種植農作物。我國耕地本身就很緊張的情況下，逐漸減少耕地的修復方式不太符合我國的國情，因此，我們應盡可能地去恢復污染農田的生產力。

曹樹青和他的團隊

　　植物修復是解決土壤重金屬污染的重要途徑之一，具有修復成本低、環境友好及對土壤破壞小、適于大面積推廣等優點，已成為農田重金屬污染土壤修復的優選技術之一。曹樹青課題組經過長期研究發現，超量積累植物對污染金屬元素具有極強的富集和積累能力，是植物吸取修復的首選資源，基因工程是獲得超量累積植物的新方法，然而，進一步尋找和發掘耐受重金屬毒害且調控重金屬超量積累（或降低重金屬吸收）的關鍵基因并闡明其作用機理則成為植物修復基因工程獲得成功并從源頭上控制農產品食品安全的關鍵點。以此為著力點，課題組通過正向和/或反向遺傳學途徑，篩選和克隆涉及植物重金屬超量積累（或降低重金屬吸收）的關鍵基因，并闡明了其作用機理。該研究不僅有助于揭示植物耐受重金屬毒害的分子機理，而且可為利用植物修復技術治理土壤中重金屬污染提供新的基因資源并為從源頭上控制農產品食品安全提供新的技術途徑。

　　鎘是生物毒性最強的重金屬之一，曹樹青課題組通過一種新型基因工程技術，首次發現使植物能將有毒物質鎘吸收后“轉存隔離”的新機制，從而降低并解決了土壤中的鎘污染問題。課題組利用正向遺傳學途徑篩選和鑒定了一個擬南芥耐鎘突變體xcd1-D，并克隆了其相應的基因MAN3，該基因編碼一個1,4-糖苷水解酶。過量表達MAN3基因導致鎘的耐受和積累，而MAN3基因功能缺失則該突變體表現出對鎘敏感。鎘脅迫誘導MAN3基因表達、增加甘露聚糖水解酶活性及甘露糖水平，從而激活谷胱甘肽依賴的植物螯合素合成途徑上的相關基因協調表達，進而增加植物對鎘積累和耐受。

　　如今，研究已經初見成效。該成果發現了MAN3及其介導的甘露糖的新功能，首次揭示了植物響應重金屬鎘脅迫過程中新的信號轉導通路，為土壤重金屬污染植物修復基因工程提供了新的技術途徑和基因資源。借助于模式植物擬南芥克隆耐受鎘毒害及調控鎘積累的關鍵基因，并將其運用于重金屬污染土壤的植物修復，這無論在理論上還是實踐上都具有重要的意義和實踐價值。

　　日前，這一原創性成果于2014年10月20日在國際植物學知名學術期刊《新植物學家》上在線發表，并獲得第十三屆全國農業生物化學與分子生物學學術研討會優秀論文獎，引起各大主流媒體廣泛關注和報道。

　　植物修復技術是一條較適合我國國情的土壤修復途徑，雖說還有一些方面存在不足，但一直都在不斷完善。曹樹青教授認為，“鑒于“十二五”期間國家對農田土壤重金屬污染的重視，植物修復一旦得到推廣，那么對于超富集植物的需求量將會越來越大，目前，我們正在進一步深入挖掘植物響應重金屬鎘信號轉導的分子調控機制，并對植物響應其他重金屬包括砷及鉛等的分子調控機制也在進一步研究中，最終通過植物修復基因工程來技術獲得超富集植物并進行產業化利用。”目前，他正帶領課題組進一步研究針對砷、鉛等其他重金屬的植物修復機制，并致力于產業化探索。

　　農業技術助力糧食安全

　　抗逆是植物對不良的特殊環境的適應性和抵抗力，我國是一個農業大國，提高植物的抗逆性，提高農業豐產具有十分重要的意義。糧食始終是關系到國計民生和國家安危的重要問題，如何增強作物品種的抗逆性是目前我國農業生產上亟待解決的關鍵問題之一。利用轉基因育種提高作物的耐寒和抗旱能力無疑具有重要的理論與經濟意義。

曹樹青

　　市場有需求，研究有積淀，曹樹青帶領課題組開展了“植物抗逆分子生物學”研究，即利用轉基因育種等技術增強作物品種的抗逆性，提升植物對抗不良環境的能力。他們以模式植物擬南芥為材料，通過正向和/或反向遺傳學途徑，利用現代分子生物學技術和基因工程手段，篩選和克隆抗逆關鍵基因，闡明其功能，并用于作物抗逆分子遺傳改良。

　　目前，該項研究已獲得具有自主知識產權的新基因。不僅對于揭示植物抗逆分子機理具有重要的理論意義，而且為作物抗逆遺傳改良提供了新的基因資源。

　　一路耕耘，一路芬芳。曹樹青教授已先后主持國家級和省部級以及企業委托等課題20余項，指導國家大學生創新性實驗計劃項目2項和校級大學生創新項目7項，主持校級精品課程及研究生教改項目各1項，參與省部級教改項目3項。先后在國內外權威和核心刊物上發表學術論文80余篇，其中在國際知名學術期刊上發表SCI收錄的論文30余篇。獲授權（或申請）國家發明ZL14項。參與撰寫973專著1部。

　　從工作后研究肥料到研究光合作用再到轉向基因研究，曹樹青的研究方向雖然發生了巨大的變化，但是追求黑土地“綠富美”的信念卻從未改變。

　　看著自己治理過的土壤條件日漸健康，長出的蔬菜和水果越來越有老一輩人當年吃過的味道，農戶臉上的笑容越來越多，曹樹青感覺特別有成就感，他的“綠色農業夢”正一步步變成現實。他說，“土地是我最大的靈感。我從農民中來，還要到農民中去。自己要做中醫，從根本上恢復農業原有的生命狀態，解決食品安全問題。”