Phytoremediation of Organomercurial Compounds via Chloroplast Genetic Engineering
- 作者
- Oscar N. Ruiz, Hussein S. Hussein, Norman Terry, Henry Daniell
- 单位
- Department of Molecular Biology and Microbiology, University of Central Florida, Orlando, Florida 32816-2360;Department of Plant and Molecular Biology, University of California, Berkeley, California 94720-3102
- 杂志
- Plant Physiology（2003）
- DOI
- 10.1104/pp.103.020958
- 所属领域
- 植物生物技术
- 关键词
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解决的核心问题
汞污染特别是有机汞化合物对环境和生物具有高度毒性，植物修复效率低，需要增强植物对有机汞的耐受和代谢能力。
研究策略
将细菌来源的merAB操纵子（编码有机汞裂解酶和汞离子还原酶）通过叶绿体基因组工程整合到烟草叶绿体基因组中，实现多基因协同表达，将有机汞转化为毒性较低的可挥发Hg(0)。
研究路线图
核心内容
本研究利用叶绿体遗传工程，将细菌来源的merAB操纵子（编码有机汞裂解酶MerB和汞离子还原酶MerA）整合至烟草叶绿体基因组，实现多基因协同表达，将高毒性的有机汞转化为可挥发的低价Hg(0)。结果显示，转基因烟草在含400 μM醋酸苯汞（PMA）的土壤中仍能存活，而野生型在100 μM PMA下即致死；在100、200、400 μM PMA处理下，转基因植株干重显著高于野生型（P<0.05~0.001）。转基因叶片检测到约2332 nt的merAB双顺反子转录本及多个剪接产物，叶绿体基因组达到同质化，每细胞约10000拷贝。在大肠杆菌验证中，转merAB菌株可在100 μM HgCl₂下生长，对照组在25 μM即受抑。该研究首次利用叶绿体基因工程实现植物修复，单次转化即可整合多基因，无需密码子优化，且母性遗传特性可防止转基因逃逸，为高效、安全治理有机汞污染提供了新策略，并有望拓展至其他金属污染物的植物修复。
创新点
首次利用叶绿体基因工程进行植物修复；采用天然细菌操纵子无需密码子优化即可高效表达；单次转化同时整合merA和merB；利用叶绿体母性遗传防止转基因逃逸；发现多顺反子转录本无需3'UTR也能稳定存在。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 烟草（Nicotiana tabacum cv Petit Havana）叶绿体 | 汞解毒通路 | merA | 汞离子还原酶（MerA） | 催化 | 将有毒的Hg2+还原为可挥发的Hg(0) |
| 烟草（Nicotiana tabacum cv Petit Havana）叶绿体 | 汞解毒通路 | merB | 有机汞裂解酶（MerB） | 催化 | 将有机汞（如PMA、甲基汞）裂解为Hg2+ |
| 烟草（Nicotiana tabacum cv Petit Havana）叶绿体 | 壮观霉素抗性筛选 | aadA | 氨基糖苷3'-腺苷酰转移酶（AAD） | 催化 | 作为转基因筛选标记，赋予壮观霉素抗性 |
| 大肠杆菌（E. coli XL1-blue） | 汞解毒通路 | merAB | MerA和MerB | 催化 | 用于细菌毒性试验验证merAB功能 |
关键发现
- 转基因烟草在含400 μM PMA的土壤中仍能生长，在100、200、400 μM PMA下干重显著高于野生型（P<0.05~0.001）
- 野生型在100 μM PMA即致死
- 转基因植株的merAB双顺反子转录本约为2332 nt，并检测到merA单顺反子(1694 nt)、aadA/merB(1448 nt)、merB(638 nt)等
- 叶绿体基因组实现同质化，每细胞约10000拷贝
- 转merAB的大肠杆菌可在100 μM HgCl2下生长，而未转化对照在25 μM即不能生长
- 在10 μM PMA处理下转基因叶盘叶绿素含量增加，野生型降低。
研究结论
叶绿体基因工程为植物修复有机汞污染提供了高效、安全的策略，具有单次转化多基因、无需密码子优化、防转基因扩散等优势，并可扩展到其他影响叶绿体功能的金属污染物。