西北农林科技大学陈坤明团队综述重金属转运蛋白及其在植物修复领域的应用
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近日，西北农林科技大学生命科学学院/旱区作物逆境生物学国家重点实验室陈坤明教授团队与广东开源环境科技责任有限公司罗颜荣高工团队合作，在环境科学顶级期刊《Science of the Total Environment》上发表了一篇综述性论文，题为“重金属运输蛋白：功能机制、调控与植物修复应用”。这篇论文全面探讨了植物重金属运输蛋白家族在重金属离子运输与调控方面的功能机制，以及在土壤重金属污染修复中的应用潜力与策略。
土壤重金属污染是一个全球性问题，严重威胁人类健康和生态安全。由于重金属在土壤中难以分解，传统的微生物降解方法无法清除，因此，寻找有效解决土壤重金属污染的修复技术成为环境科学领域的重大挑战。近年来，植物提取技术（Phytoextraction）作为一种环保且具有巨大应用潜力的土壤重金属植物修复技术（Phytoremediation）得到了发展。然而，现有的重金属超富集植物因生长缓慢、生物量小、有性繁殖能力弱以及对特定环境依赖性强等问题，限制了其在实际应用中的推广。因此，通过生物技术手段，如转基因或基因编辑技术，培育易于栽培且具有高生物量的重金属富集工程植物，成为了当前土壤重金属污染修复的重要方向。
植物吸收、转运和储存重金属离子主要通过多种重金属相关运输蛋白介导。深入理解这些运输蛋白对不同重金属离子的转运与调节机制，对于进一步通过生物工程手段开发重金属超富集植物具有重要意义。本文对13个重金属运输蛋白家族的结构保守性、系统发育关系及其对不同重金属离子的转运偏好性进行了系统的总结分析。从海量文献中筛选并验证了313个通过转基因技术验证的重金属运输蛋白，详细阐述了其中重要基因参与重金属运输的分子调控机制。
论文首先将植物积累重金属的机制归纳为积累机制和非积累机制。积累机制包括重金属在细胞内膜系统中的积累、通过根-芽转运至植物地上部分、在细胞中形成重金属螯合物、利用多元金属交叉稳态网络积累目标重金属等。非积累机制则包括重金属只在根部积累和通过囊泡运输外排等策略。论文还总结了重金属在单双子叶植物中的吸收、运输和分布策略。
运输蛋白对重金属的吸收与转运机制受到多种因素的调控，包括Ca2+信号通路、ROS信号通路、激素信号调控通路等。Ca2+信号在调节重金属吸收和转运过程中起着关键作用，一方面抑制ROS积累以实现细胞自我解毒，另一方面激活或抑制植物重金属运输蛋白、金属硫蛋白（MT）基因的表达。重金属胁迫下，细胞和细胞器中的抗氧化系统感知ROS，并通过抗坏血酸-谷胱甘肽循环、转运蛋白系统、泛素系统、激素或盐途径调节抗氧化酶的表达，最终消除ROS的产生。生长素（IAA）、细胞分裂素（CK）、脱落酸（ABA）、乙烯和茉莉酸等激素也参与植物对重金属胁迫的响应及其转运调控。此外，microRNA、转录因子以及DNA甲基化等机制也对植物对重金属的吸收和转运起着调控作用。
论文最后总结了当前植物修复技术的主要发展趋势，并提出了四种促进植物修复技术发展的策略：微生物与植物互作策略、离子拮抗与协同共存策略、生物强化策略和植物转化策略。其中，挖掘重金属积累新基因并将其转化到高生物量植物种类如芒草、油菜等以构建重金属超积累工程植物，或通过CRISPR-Cas9等基因编辑技术弱突变重金属积累负调控因子以构建新型超富集植物，被认为是实现土壤重金属污染修复的有效策略。本综述论文为重金属转运蛋白作用分子机制的深入研究及相关污染修复优化策略的形成提供了重要参考。
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植物吸收、转运和储存重金属离子主要通过多种重金属相关运输蛋白介导。深入理解这些运输蛋白对不同重金属离子的转运与调节机制，对于进一步通过生物工程手段开发重金属超富集植物具有重要意义。本文对13个重金属运输蛋白家族的结构保守性、系统发育关系及其对不同重金属离子的转运偏好性进行了系统的总结分析。从海量文献中筛选并验证了313个通过转基因技术验证的重金属运输蛋白，详细阐述了其中重要基因参与重金属运输的分子调控机制。
论文首先将植物积累重金属的机制归纳为积累机制和非积累机制。积累机制包括重金属在细胞内膜系统中的积累、通过根-芽转运至植物地上部分、在细胞中形成重金属螯合物、利用多元金属交叉稳态网络积累目标重金属等。非积累机制则包括重金属只在根部积累和通过囊泡运输外排等策略。论文还总结了重金属在单双子叶植物中的吸收、运输和分布策略。
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