曹树青：植物修复解决土壤重金属污染

　　——记合肥工业大学生物与食品工程学院生物科学系主任曹树青教授

　　他不是农民，但他比一般农民更了解农业；他不是农民，但他比一般农民对土地更有感情。他，就是合肥工业大学生物科学系主任曹树青教授。从事农业相关研究二十余年，谈起土地，他有说不完的话题。

　　曹树青出生于安徽青阳县的农村，对土地的感情从小埋在心里。1985年，在报考大学的时候，他毅然选择了农学，工作六年之后，怀着对继续深造的渴望，他考取了南京农业大学生理学专业，以优异的成绩完成了硕士和博士的课程。2001年，时已博士毕业的他，来到复旦大学生物化学与分子生物学专业做了两年博士后研究。目前，在合肥工业大学生物与食品工程学院担任教授、博士生导师，同时任生物科学系主任。

合肥工业大学生物与食品工程学院生物科学系主任曹树青教授

　　土壤重金属污染导致土壤环境质量恶化，严重危害农业生态系统的良性循环和人类的生存环境，已成为全球性环境问题之一。近期，曹树青教授课题组首次揭示了植物响应重金属镉胁迫信号转导的分子调控机制，为土壤重金属污染植物修复基因工程提供了新的技术途径和基因资源。

　　中毒的大地

　　谈及我国土地的现状，曹树青教授忧心忡忡。他介绍道，我国24个省市有320个严重污染区，约548万公顷土壤已经受到了污染。大田类农产品污染超标面积占污染区农田面积的20%，其中重金属污染占80%。而实际上，90%的污染物最终都滞留在土壤内。污染物又通过食物链转移至植物和动物，而最终进入人体。

　　土壤是各种污染物的最终“宿营地”，90%的污染物最终都滞留在土壤内。土壤环境的恶化会导致污染物通过食物链转移至植物和动物，而最终进入人体，对生态系统和人类健康产生巨大危害。其中特别要注意的是，谈及土壤污染，就不得不提及重金属污染。土壤重金属污染物是对土壤-植物-人类系统危害较大的主要污染物类型，具有多源性、隐蔽性、积蓄性、难以恢复性，被环境学界喻为“化学定时炸弹”，是近年来环境领域研究的热点问题。而据全国首次土壤普查显示，我国有近２０％的耕地存在镉、砷、汞、铅、镍、铜等重金属超标。农业土壤中的重金属不仅对农田环境产生危害，而且可以通过食物链进入人体，土壤表层中的重金属也可通过扬尘等渠道进入人体，从而危害人体健康。土壤重金属污染导致土壤环境质量恶化，严重危害农业生态系统的良性循环和人类的生存环境，已成为全球性环境问题之一。

　　权衡利弊治污染

　　农田土壤重金属污染已威胁到农业安全生产和人体健康，治理迫在眉睫。据了解，造成土壤重金属污染的原因很复杂，包括工业排放、化肥农药使用及地矿开采等都可导致污染，

　　目前通过物理和化学手段治理非常困难，也容易造成二次污染。采用某些物理化学修复技术的土地很难再用于种植农作物。我国耕地本身就很紧张的情况下，逐渐减少耕地的修复方式不太符合我国的国情，因此，我们应尽可能地去恢复污染农田的生产力。

曹树青和他的团队

　　植物修复是解决土壤重金属污染的重要途径之一，具有修复成本低、环境友好及对土壤破坏小、适于大面积推广等优点，已成为农田重金属污染土壤修复的优选技术之一。曹树青课题组经过长期研究发现，超量积累植物对污染金属元素具有极强的富集和积累能力，是植物吸取修复的首选资源，基因工程是获得超量累积植物的新方法，然而，进一步寻找和发掘耐受重金属毒害且调控重金属超量积累（或降低重金属吸收）的关键基因并阐明其作用机理则成为植物修复基因工程获得成功并从源头上控制农产品食品安全的关键点。以此为着力点，课题组通过正向和/或反向遗传学途径，筛选和克隆涉及植物重金属超量积累（或降低重金属吸收）的关键基因，并阐明了其作用机理。该研究不仅有助于揭示植物耐受重金属毒害的分子机理，而且可为利用植物修复技术治理土壤中重金属污染提供新的基因资源并为从源头上控制农产品食品安全提供新的技术途径。

　　镉是生物毒性最强的重金属之一，曹树青课题组通过一种新型基因工程技术，首次发现使植物能将有毒物质镉吸收后“转存隔离”的新机制，从而降低并解决了土壤中的镉污染问题。课题组利用正向遗传学途径筛选和鉴定了一个拟南芥耐镉突变体xcd1-D，并克隆了其相应的基因MAN3，该基因编码一个1,4-糖苷水解酶。过量表达MAN3基因导致镉的耐受和积累，而MAN3基因功能缺失则该突变体表现出对镉敏感。镉胁迫诱导MAN3基因表达、增加甘露聚糖水解酶活性及甘露糖水平，从而激活谷胱甘肽依赖的植物螯合素合成途径上的相关基因协调表达，进而增加植物对镉积累和耐受。

　　如今，研究已经初见成效。该成果发现了MAN3及其介导的甘露糖的新功能，首次揭示了植物响应重金属镉胁迫过程中新的信号转导通路，为土壤重金属污染植物修复基因工程提供了新的技术途径和基因资源。借助于模式植物拟南芥克隆耐受镉毒害及调控镉积累的关键基因，并将其运用于重金属污染土壤的植物修复，这无论在理论上还是实践上都具有重要的意义和实践价值。

　　日前，这一原创性成果于2014年10月20日在国际植物学知名学术期刊《新植物学家》上在线发表，并获得第十三届全国农业生物化学与分子生物学学术研讨会优秀论文奖，引起各大主流媒体广泛关注和报道。

　　植物修复技术是一条较适合我国国情的土壤修复途径，虽说还有一些方面存在不足，但一直都在不断完善。曹树青教授认为，“鉴于“十二五”期间国家对农田土壤重金属污染的重视，植物修复一旦得到推广，那么对于超富集植物的需求量将会越来越大，目前，我们正在进一步深入挖掘植物响应重金属镉信号转导的分子调控机制，并对植物响应其他重金属包括砷及铅等的分子调控机制也在进一步研究中，最终通过植物修复基因工程来技术获得超富集植物并进行产业化利用。”目前，他正带领课题组进一步研究针对砷、铅等其他重金属的植物修复机制，并致力于产业化探索。

　　农业技术助力粮食安全

　　抗逆是植物对不良的特殊环境的适应性和抵抗力，我国是一个农业大国，提高植物的抗逆性，提高农业丰产具有十分重要的意义。粮食始终是关系到国计民生和国家安危的重要问题，如何增强作物品种的抗逆性是目前我国农业生产上亟待解决的关键问题之一。利用转基因育种提高作物的耐寒和抗旱能力无疑具有重要的理论与经济意义。

曹树青

　　市场有需求，研究有积淀，曹树青带领课题组开展了“植物抗逆分子生物学”研究，即利用转基因育种等技术增强作物品种的抗逆性，提升植物对抗不良环境的能力。他们以模式植物拟南芥为材料，通过正向和/或反向遗传学途径，利用现代分子生物学技术和基因工程手段，筛选和克隆抗逆关键基因，阐明其功能，并用于作物抗逆分子遗传改良。

　　目前，该项研究已获得具有自主知识产权的新基因。不仅对于揭示植物抗逆分子机理具有重要的理论意义，而且为作物抗逆遗传改良提供了新的基因资源。

　　一路耕耘，一路芬芳。曹树青教授已先后主持国家级和省部级以及企业委托等课题20余项，指导国家大学生创新性实验计划项目2项和校级大学生创新项目7项，主持校级精品课程及研究生教改项目各1项，参与省部级教改项目3项。先后在国内外权威和核心刊物上发表学术论文80余篇，其中在国际知名学术期刊上发表SCI收录的论文30余篇。获授权（或申请）国家发明ZL14项。参与撰写973专著1部。

　　从工作后研究肥料到研究光合作用再到转向基因研究，曹树青的研究方向虽然发生了巨大的变化，但是追求黑土地“绿富美”的信念却从未改变。

　　看着自己治理过的土壤条件日渐健康，长出的蔬菜和水果越来越有老一辈人当年吃过的味道，农户脸上的笑容越来越多，曹树青感觉特别有成就感，他的“绿色农业梦”正一步步变成现实。他说，“土地是我最大的灵感。我从农民中来，还要到农民中去。自己要做中医，从根本上恢复农业原有的生命状态，解决食品安全问题。”