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PNAS | 汞污染治理,向绿僵菌要良方

编辑:周炜 来源:学术委员会 时间:2022年11月15日 访问次数:11  源地址

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汞是三大毒性金属元素之一,十大致癌物之一,赫赫有名的环境毒素与健康杀手。365体育亚洲官方入口|官方入口生命科学学院方卫国教授从一种常见的真菌——绿僵菌身上挖掘到两个基因,它们联手能将土壤和水体中剧毒的甲基汞和二价汞一步步转化为低毒易挥发的零价汞。这一机制不但让绿僵菌具备“解毒”本领,还能为与之共生的植物筑起一道天然防线,抵御汞的威胁。

 

这项有趣的发现于11月15日在线发表于PNAS杂志,杂志还将其作为学术亮点进行了报道。报道认为,绿僵菌抗汞能力的遗传和生化机制的揭示,有望为汞污染的治理提供更有效、更安全的生物修复方法。


神奇绿僵菌,温柔又凶悍

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绿僵菌是一种真菌,它们的模样有点像放久的橘子表皮长出的青霉菌斑块,暗绿色的孢子藏在白白的菌丝下面。在农业生产上,它是一种广泛使用的生物杀虫剂。如果你在田间看到发霉“发霉”的绿色昆虫“干尸”,十有八九是绿僵菌干的。绿僵菌能够有效地感染田间的蝗虫、草地贪夜蛾和蚊虫等众多害虫,在宿主身上成长壮大、繁衍生息,最终让宿主又“绿”又“僵”,一命呜呼。


图:被绿僵菌感染的蝗虫


这么凶悍的绿僵菌,对植物来说则是温柔的守护神。绿僵菌活跃于植物的根系,把土壤中磷元素溶解出来,供给植物更好地吸收,植物也将自己制造的葡萄糖“回赠”给绿僵菌。同时,绿僵菌还能帮助植物抵御一些微生物病原菌的侵袭。绿僵菌与植物互利互惠的关系,已经在地球上延续了数百万年。  

 集“温柔”与“凶悍”于一身的绿僵菌,让方卫国教授痴迷多年,在他眼中,它的1.1万个基因是一座巨大的宝库,每个基因都值得好好钻研。“我们试图从基因的角度去理解有趣性状背后的机制。其中一方面是遗传进化机制,弄清楚是什么基因导致了宏观的性状,这种基因在进化过程中的来源;一方面是分子与生化机制,探究基因与环境交互的机理,以便更好地利用它为人类服务。”方卫国说。 

2019年,方卫国教授团队在PNAS发文,指出绿僵菌的基因组中18个基因是通过水平转移而来的。这些从细菌或节肢动物获得的“外来基因”,有些能产生帮助突破昆虫体壁的物质,使绿僵菌获得了穿透昆虫“铜墙铁壁”的能力,成为它侵染昆虫的“杀手锏”。


两个基因,化汞于“无形”

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 在刚刚发表的研究中,方卫国教授展示了他在绿僵菌上淘到的两件新“宝贝”:MMD和MIR,两个基因都与汞有关。众所周知,汞有不同类型的化合物和单质,其毒性各不相同,其中毒性最强的当属甲基汞,这种有机汞进入人体后遍布全身各器官组织中,损害神经系统,造成不可逆的损伤。 

方卫国教授介绍,基因MMD直接与甲基汞相关,它能产生脱甲基酶,将剧毒的甲基汞降解到二价汞的形式;而MIR则能产生汞离子还原酶,让二价汞进一步转化为零价汞(汞单质),毒性进一步降低,且容易挥发到空气中,从而被活性炭吸附后轻松去除。研究人员发现,地球上的150多万种真菌中,同时拥有这两个基因的物种很少见,而其中只有绿僵菌能与植物形成互惠共生的关系。“这让我们非常好奇,有了这两个基因,绿僵菌是否真能抗汞?”。 

图:与植物共生的绿僵菌修复土壤汞污染的机制示意图

研究人员在培养皿中模拟了汞污染的重灾区,每升培养基中含有10毫克的甲基汞。人类派出三类绿僵菌“敢死队”接受考验:敲除抗汞基因的绿僵菌;野生型绿僵菌;抗汞基因加强版绿僵菌。结果显示,野生型的绿僵菌能够在重灾区基本正常生长,不受妨碍;而敲除抗汞基因的绿僵菌则奄奄一息,生存半径明显萎缩,最终“中毒身亡”;抗汞基因加强版的绿僵菌,则表现出了比野生型更强的生命力。“我们还做了一组回补实验,将两个抗汞基因重新补回基因敲除的绿僵菌,它们的抗汞性能又回来了。”方卫国教授说。研究证实,两个基因联手,巧妙地化汞于“无形”,赋予了绿僵菌应对剧毒甲基汞的能力。 

绿僵菌不但为自己“解毒”,还能为植物“挡枪”。研究团队介绍,他们开展了“玉米试毒”实验。玉米本身是对甲基汞是没有招架之力的,但有了绿僵菌的护佑,绿僵菌能及时地将土壤中的甲基汞层层“解毒”,减少汞进入植物体内的机会。10天以后,“重灾区”的汞已不见踪影,玉米长势良好。

图:玉米在汞污染土壤中的生长实验


有望高效治理汞污染

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因为绿僵菌抗汞特性的研究,方卫国开始关注严峻的汞污染问题。随着工农业生产的发展和全球变暖,汞污染正在加剧威胁人类健康和粮食安全。就目前来说,环境中的汞污染主要依靠物理吸附、植物吸附等方式进行,但效果并不理想或维护成本过高。 


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图:无处不在的汞污染(来源:UNEP)


方卫国在绿僵菌身上看到了新的希望。“我们已经在实验室证明了与植物共生的绿僵菌可修复土壤中的汞污染,降低植物的汞累积,促进植物健康与生长;将绿僵菌菌丝投入汞污染的水,也可以修复淡水和海水中的汞污染。”方卫国介绍,绿僵菌的维护成本很低,它们可依靠植物根系分泌的营养物质生长而繁殖,具备一次释放、长期治理的特点。他认为,让绿僵菌在广袤的农田和山林中参与污染土壤治理,这将会是一种可行性很高的土壤汞污染微生物修复技术。 


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图:方卫国教授和研究生们在实验室(摄影:朱原之)


“目前,我们对该项技术申请了多项国内外专利,并正在开展相关的田间试验。”方卫国对下一步实验充满信心。据了解,由于绿僵菌是一种农业生产中广泛使用的生物防治剂,其在生态环境中的安全性已经得到证实,它的批量生产技术也已成熟,实验室和现实应用的距离并不遥远。


论文链接:

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2214513119


文 | 周炜

图 | 课题组   UNEP  朱原之  网络

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