彼昂院士团队探明植物响应重金属27个关键蛋白
拉斯·奥尔夫·彼昂院士
从左到右分别是正常的洋葱根、受到轻微重金属毒害的洋葱根和受到严重重金属毒害的洋葱根。 受访者供图
实验室温室内的水稻幼苗。
测试镉污染用的洋葱根尖。
外来入侵物种五爪金龙几乎将华师校园一间实验室全部覆盖，只剩下大门露在外面。
谈到重金属污染，公众首先想起的就是镉大米及其危害，而这只是科学家们研究的起点。他们想搞清楚，受到重金属污染时，植物内部到底发生了什么变化、植物的哪些响应机制与重金属污染有关。更现实一点，有没可能让重金属污染集中在蔬菜或水稻的非食用部位，从而减少其对人体的影响？
这些正是广东省首批领军人才、华南师范大学彼昂院士团队在做的事。他们利用餐桌上常见的洋葱做实验，鉴定出重金属铜污染诱导的27个差异表达蛋白，未来有望应用于抗重金属作物分子育种上，提高农作物对重金属污染的对抗性，或者降低有害重金属在农产品中的累集。他们还发现了水稻受污染后关键的转运节点，对降低水稻籽粒重金属积累有重要的现实意义。
重金属污染危害到底多大？重度污染12小时 洋葱停止生长
重金属污染危害到底有多大？7月22日，在华南师范大学生命科学学院的生态与环境科学重点实验室里，植物生理生态专业硕士研究生孙志强用9个洋葱头和三盆水做了个实验。
第一盆是500毫升超纯水，培育3颗小洋葱。
第二盆是500毫升水中添加2微摩尔的铜，铜的分量不到一针尖大小，3颗小洋葱就在受到轻微重金属污染的水中生长。
第三盆在500毫升水中添加了8微摩尔的铜，铜的分量仅1-2小滴，但对于植物来说，已经属于严重重金属毒害环境，同样用来培育3颗小洋葱。
12个小时后，三盆水中洋葱的根发生明显变化：
第一盆水里的小洋葱，根部呈白色，健康挺直。第二盆受到轻微铜污染的洋葱根，根尖出现膨大。第三盆受到严重铜污染的洋葱，根系呈透明状，而且被软化。
一直跟进洋葱根尖实验的博士后宁婵娟解释，受到轻度污染后，洋葱根尖出现膨大，说明洋葱虽然能维持最基本生存，但是生长发育被严重抑制。受到严重污染的洋葱，连根的颜色都发生了变化，说明根细胞塌陷，并停止生长，死亡就在眼前。
不单从外形可以观察到洋葱根的死亡，实验人员还把洋葱根的细胞用A pollo荧光染色。受到轻微铜污染的洋葱根里，活的细胞比健康洋葱减少了很多；而受到严重铜污染的洋葱根，则几乎没有多少活细胞。
在实验室里，对洋葱根的观察还可以细微到D N A的变化。采用单细胞凝胶电泳技术，在荧光显微镜下可以观察到，在12小时内受到严重铜污染的洋葱根，细胞核内的D N A完整性受到破坏，通俗来说就是D N A损伤。
对于重金属污染，普通老百姓最熟悉的是镉大米，但科研人员更关注铜。宁婵娟注意到，近年铜污染越来越严重，电镀、印刷污水等含大量的铜，农业常用的杀虫剂中含有硫酸铜，这些农药被喷得越多，农田里的铜也越来越多。而铜的毒害比镉和铅更严重。
对一颗洋葱，一点点铜足以致命。对人而言，重金属污染也是巨大的威胁。“重金属进入人体，就很难排出去，会在体内越积越多。而且重金属会随着食物链富集，比如镉在土壤里的含量是1倍，在受污染的土壤里生长的水稻可能达到10倍，如果人类长期食用就可能达到100倍。”
植物如何“响应”重金属？发现洋葱27个蛋白和重金属污染相关
为更清楚地看到毒害结果，实验室里的剂量一般要比普通农田的实际污染大。但去年环保部、国土部联合发布的全国土壤污染状况调查公报显示，全国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量堪忧。全国土壤总超标率为16.1%。长三角、珠三角、东北老工业基地等部分区域土壤污染问题较为突出。工矿业、农业等人为活动以及土壤环境背景值高是造成土壤污染或超标的主要原因。
普通老百姓关心蔬菜、大米里重金属有没有超标，而科学家们关心的事情，还包括怎么监测重金属污染、怎么修复被重金属污染的土壤。
这正是华南师范大学特聘教授拉斯·奥尔夫·彼昂院士团队在做的事。
拉斯·奥尔夫·彼昂院士是国际著名的生态学家和植物光生物学家、瑞典皇家科学院院士和诺贝尔奖评委，2010年2月获批广东省首批领军人才。在华师校园，经常可以看到这位外籍教授骑自行车匆匆而过的身影。
5年来，彼昂与团队一起开展了全球变化的生物学效应及其作用机制的研究。重金属污染对植物的毒性效应及植物的响应机制就是其中一项内容。
团队核心成员、广东省珠江学者特聘教授、华南师范大学生命科学学院副院长李韶山介绍，他们在铜污染对洋葱根毒害的细胞学效应基础上，应用蛋白质组学研究技术，成功鉴定出32个跟重金属毒害高度相关的蛋白。也就是说，这32个蛋白是植物抵抗重金属和受到重金属损伤最重要的标识之一，这一成果对揭示植物重金属毒害的早期分子响应具有重要理论意义。
但是这32个蛋白到底是什么，没有背景研究可供参考。虽然洋葱根尖是观察细胞有丝分裂的经典材料，但科学家对它的遗传背景研究几乎是空白，没有人对它进行过全基因组测序。
于是，他们摸索出一个方法：利用D N A和蛋白质之间的产物———R N A来作为背景数据库。转录组测序比全基因组测序工作量要小得多，而且研究成本也大大降低。
先是对洋葱进行了高通量转录组测序，建立了相应的洋葱虚拟蛋白质数据库(含24305条氨基酸序列信息)。然后再把这32个蛋白的数据提交到这个数据库，鉴定出重金属C u污染诱导的27个差异表达蛋白，包括植物防御反应、细胞壁合成、细胞周期和D N A复制、转录调控与蛋白质合成等相关蛋白。他们即将在国际重要刊物上发表相关论文。
更重要的是，找到了12条代谢通路，包含8万多个基因，这是一个重要的理论基础，相当于给以后的研究画了一个草图，为植物对重金属响应的分子机制研究奠定坚实基础。
这个发现未来将应用于抗重金属作物分子育种。李韶山解释，该研究成功鉴定的蛋白有可能作为生物工程改造的靶向位点，以提高农作物对重金属污染的对抗性，或降低有害重金属在农产品中的累集。
水稻怎么转运重金属？发现关键节点 寻找“清道夫”
除了让重金属污染“现形”，更实际的目标是，让蔬菜可食用部分或者水稻的籽粒部位不受污染或者重金属含量不超标。
考虑到我国人多地少的基本国情，将大面积受到重金属污染的农田休耕或者种植非粮食作物，并不现实。彼昂团队目前琢磨的是，怎么采取有效策略，让重金属主要积累在水稻的非食用部位，而让籽粒部位的重金属含量达到食品安全标准。他们还希望发现能像磁石一样对重金属有超大吸附能力的植物，让这些植物成为重金属污染土壤的“清道夫”。
镉大米是老百姓关心的话题，也是科学家感兴趣的课题。李韶山介绍，他们也即将在国际重要刊物发表文章报道相关的最新发现。
他们在试验中将一株水稻的根分开两边，一边是无重金属污染的营养液，另一边是添加了重金属的营养液。结果发现，重金属能够从受到污染的一边转运到未添加重金属的一边。
考虑到水稻两侧根系是完全分开的，这一结果清晰地表明水稻根部吸收的重金属在转运到地上部之后，还能从地上部向下转运。这对于降低水稻籽粒重金属积累有重要的现实意义：如果能强化重金属从地上部向地下部转运的过程，就可以降低水稻籽粒部位的重金属含量。目前彼昂团队正对此开展深入研究。
他们还发现水稻对镉的吸收和转运过程在不同品种之间存在较大差异。团队成员王宇涛副研究员正研究土壤微生物丛枝菌根真菌(A M F)应用于农作物镉污染防治的可行性。大量研究表明，A M F不仅自身有耐重金属毒害的能力，还可以提高与之形成共生的宿主植物对重金属的耐性，影响重金属在宿主植物体内的吸收和转运过程。他们希望通过阐明A M F对农作物重金属吸收、转运的影响及作用机制，为水稻的管理和镉大米的治理提供指导。
“植物杀手”为何这么犀利？五爪金龙碳代谢明显强于对比组
除了相对“高冷”的基础课题，彼昂团队还在与华师校园里一种“凶猛”的植物作战。
华师生物园一角有间水产养殖实验室，旁边是个水塘，彼昂团队的实验室也位于这里。这间实验室被一种类似牵牛花的藤本植物包裹得严严实实，一片片蓊蓊郁郁的翠绿，点缀着几处粉紫映入眼帘，吸引着路人驻足观看。
这种外形酷似牵牛的植物其实是五爪金龙，叶似掌状，分成五瓣，故名“五爪”；花似漏斗，色呈粉紫，类牵牛。五爪金龙遍布广泛，我国境内数华南地区数量最丰富，只要是阳光充足、气候湿润之处，都可见它的身影。
这种看上去赏心悦目的植物，“真面目”令人震惊———它是广州地区入侵性最强的“植物杀手”之一，所到之处其他植物无一幸免。
以彼昂团队这间实验室为例，“我们拿它没有办法，它遮挡了实验室的阳光，怎么清理都清不完。”植物生理生态博士后宁婵娟摇头叹息。他们会定期清理实验室旁边的五爪金龙，“但是可能过半个月十天，它又长满了。”
五爪金龙攀援生长于林地乔灌木、庭园篱笆以及城市建筑物之上，被其所缠绕、覆盖的植物，包括草本、灌木甚至乔木，常因受光不足生长不良，甚至死亡。
据记载，五爪金龙原产美洲，1912年在香港归化，随后人们将其引进至华南一带作为绿化植物。由于适宜的气候和环境，加之甚少天敌，五爪金龙一发不可收拾，逐渐呈现入侵之势。它的生长速度非常惊人。一天之内能长十几厘米。
“而且还不是一个植株长十厘米，它会分很多枝，一个枝条一天长十厘米很常见。”华师生命科学研究院成员耿妍解释，五爪金龙有个非常有名的英文名字，叫“onem ileoneday，onem ileonem inute”(一天一英里，一小时一英里)，形容其生长速度。“普通植物一个星期可能看不到明显的生长，比如七爪金龙，种子一星期才能抽出几根藤。但是五爪金龙可能一天之内就能抽出新的藤，然后第二天每一个枝条都会长到超过十厘米。”
这种快速生长的能力使五爪金龙能迅速覆盖其他草本和木本植物，阻碍其他植物的光合作用，切断其他植物获得营养物质的途径。这正是五爪金龙最“恐怖”的地方。
彼昂院士和李韶山教授带领博士生龚妮、硕士生李春妹、耿妍、鲁焕等近年一直在研究五爪金龙的生态适应性及其入侵的分子机制。
他们2011年开始入侵植物转录组学的研究，用五爪金龙和它的近缘本地种———七爪金龙进行比较，通过对二者代谢通路———碳代谢、氮代谢以及次生代谢的比较研究，发现了五爪金龙成功入侵的代谢特征。以碳代谢为例，五爪金龙的碳代谢要明显强于它的对比组，这有助于解释五爪金龙成功入侵的代谢机制。
研究还发现，五爪金龙的次生代谢旺盛，其中一个关键酶就是木质素合成酶。这个酶的活性非常高，可能是其他物种的数倍。这导致五爪金龙的木质素合成非常强，因此它的茎木质化也非常高，五爪金龙的木质化要高于一般藤本植物。这也是它抗逆性非常强的一个原因，有利于其入侵成功。
最新成果
●通过对洋葱进行深入研究，鉴定出重金属C u污染诱导的27个差异表达蛋白，包括植物防御反应、细胞壁合成、细胞周期和D N A复制、转录调控与蛋白质合成等相关蛋白。
●运用转录组测序和新一代数字基因表达谱测序等基因组学方法，分析五爪金龙与本地近缘种七爪金龙在生长发育、代谢调控、环境响应等方面基因差异表达，为阐明外来植物的入侵机制提供新的分子证据。
对于重金属污染，普通老百姓最熟悉的是镉大米，但科研人员更关注铜。宁婵娟注意到，近年铜污染越来越严重，电镀、印刷污水等含大量的铜，农业常用的杀虫剂中含有硫酸铜，这些农药被喷得越多，农田里的铜也越来越多。而铜的毒害比镉和铅更严重。
彼昂团队目前琢磨的是，怎么采取有效策略，让重金属主要积累在水稻的非食用部位，而让籽粒部位的重金属含量达到食品安全标准。他们还希望发现能像磁石一样对重金属有超大吸附能力的植物，让这些植物成为重金属污染土壤的“清道夫”。
TA们是谁
拉斯·奥尔夫·彼昂院士团队
●植物UV-B响应的分子机制及信号转导研究
a)拉斯·奥尔夫·彼昂院士、李韶山教授：研究U V -B对模式植物拟南芥光形态建成的调节及其信号转导的分子调控机理
b)胡宏鹏(硕士研究生)：研究植物U V-B信号转导途径的调节因子
●丛枝菌根真菌(AMF)的多样性及其环境生态效应
拉斯·奥尔夫·彼昂院士、李韶山教授、王宇涛副研究员：研究丛枝菌根真菌(AM F)在自然生态系统中的多样性和群落特征
●入侵植物的生理生态和比较基因组学研究
拉斯·奥尔夫·彼昂院士，李韶山教授，博士生龚妮、硕士生李春妹、耿妍：利用生理生态学、转录组学与数字基因表达谱技术，研究华南地区严重危害入侵植物五爪金龙的生态适应性及其入侵的分子机制
●重金属生态毒理研究
a)拉斯·奥尔夫·彼昂院士、李韶山教授、秦蓉博士、硕士生孙志强：研究重金属污染对植物毒害的生态效应
b)宁婵娟博士后、秦蓉博士：非模式植物洋葱对重金属毒害响应机制的转录组学、蛋白质组学联合分析
策划：任天阳 王海军 田霜月统筹：冯巧 陈实 薛冰妮 贺蓓
采写：南都记者 薛冰妮 实习生 谢媛媛通讯员 杨柳青
摄影：南都记者 冯宙锋(除署名外)出品：南方都市报科学新闻工作室
（原标题：培育“抗镉大米”探明关键蛋白 华师彼昂院士团队探明植物响应重金属的27个关键蛋白，有望用于抗重金属作物分子育种）
