蕨类植物的进化赋予了砷的耐受性,可以净化有毒的土地

2020-09-09 184蕨类

蕨类植物的进化赋予了砷的耐受性,可以净化有毒的土地。普渡大学的研究人员希望通过分离出一种能让一种蕨类植物耐受高浓度砷的基因,从而培育出能够净化被有毒金属污染的土壤和水体的植物。

研究背景

蕨类植物对砷的耐受能力是其他植物的100至1000倍。植物学和植物病理学教授乔迪·班克斯(Jody Banks)和园艺学教授大卫·索尔特(David Salt)发现了一个可能是进化遗传事件,在蕨类植物中产生了某种砷泵。

班克斯说:“事实上,它把土壤中的砷吸出来,然后放在叶子里。”它是唯一能做到这一点的多细胞生物。”蕨类植物的进化赋予了砷的耐受性,可以净化有毒的土地。

研究内容

在没有测序的情况下,Banks和Salt使用了一种称为酵母功能互补的基因鉴定方法。他们将数千种不同的蜈蚣草基因组合成数千个酵母细胞,这些酵母细胞缺少一种能使它们耐受砷的基因。

酵母暴露在砷中,大部分都会死亡。活下来的酵母菌株已经从蕨菜中提取出了能够抵抗砷的基因。

为了确认这是正确的基因,它的功能被打掉,植物暴露在砷中。如果基因不能正常运转,这种植物就不能耐受砷。

班克斯说:“它告诉我们,这种基因是植物在砷的作用下发挥作用所必需的,”他的发现发表在《植物细胞》杂志的早期网络版上我们在拟南芥中寻找类似的基因。我们找不到它。在任何开花植物中都找不到。”

蕨类植物的进化赋予了砷的耐受性,可以净化有毒的土地

班克斯和索尔特发现,这种基因编码的蛋白质最终进入植物细胞液泡的膜中。Salt说,这种蛋白质起着泵的作用,把砷转移到细胞的垃圾桶中。

“它把它储存在远离细胞质的地方,这样就不会对植物产生影响,”索尔特说。

班克斯说,了解凤尾蕨如何与砷一起作用,将有助于找到清理受砷污染土地的方法。

班克斯说:“有可能你可以把这些基因植入任何能从土壤中吸收砷的有机体中。”。

可以说,在水稻的根部,可以用基因来代替被砷污染的水稻。

班克斯和索尔特在虎尾蕨中发现了另一个基因,它看起来与控制砷耐受性的基因几乎完全相同。当蕨类植物暴露于砷环境中时,已证实的砷耐受基因表达增加,而相似基因则没有。

Salt说,调控砷耐受性的基因可能是另一个基因的复制品,后者发生了轻微的变化,赋予了自身新的功能。

“它拥有这两个基因的事实可能是进化的标志,”索尔特说基因进化的思想之一是,一个拷贝可以继续做它一直做的事情,而复制品可以发展另一个功能。”

理论上说,这种植物可能已经进化成积累砷,银行和盐,作为抵御动物或昆虫吃掉它们的防御。

下一步研究

班克斯希望这样的发现将导致更多的研究重点放在非开花植物上。她说,像凤尾蕨这样的植物有其他生物所没有的特征。

他们下一步的研究是将蕨菜的耐砷基因植入拟南芥中,看看它是否赋予了这种新植物相同的特性。

国家科学基金会资助了这项研究。

引用

Purdue University. "Fern's evolution gives arsenic tolerance that may clean toxic land." ScienceDaily. ScienceDaily, 14 June 2010. www.sciencedaily.com/releases/2010/06/100608183044.htm.

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