当前世界环境

介绍

植物修复是直接或间接地利用植物来减轻土壤和地下水等自然资源的污染并改善其质量。它被认为是解决日益严重的环境污染问题的一个完美和可接受的方法。土壤中有毒物质的积累是一个全球性问题，利用生物技术开发植物基技术具有重要意义。这些转基因方法将微生物和哺乳动物的生物降解能力引入植物，保证了一种高效和环保的方法来更新环境。虽然植物修复有无数的应用，如成本效益、长期应用和其他美学优势，但也有一定的局限性，不能监督。这些包括污染物或其代谢物进入食物链、诱变、长时间的清理、有毒物质的同化、在废弃物地点建立和维持植被。

有机物和除草剂的植物修复

涉及二恶英、三氯乙烯和四氯化碳的持久性有机污染物(POPs)₄）和诸如草甘膦的广谱除草剂，虽然在农业中发挥了重要作用，但也以污染物和毒物的形式对环境产生负面影响。它们可以吸收到根部，然后进行易位和代谢，这进一步导致这些化学品与植物细胞壁和质膜的疏水相互作用，通过主动传输将它们输送在电池内部[图1]。

这些化学物质的吸收完全依赖于植物的吸收效率、土壤水分中化学物质的浓度和植物的蒸腾速率。植物对化学物质的吸收速率(U)为:U=(TSCF) (C) (T);式中，TSCF为0-1(无量纲)范围内的吸收效率，C为土壤中化学物质的水分浓度，mg/L, T为蒸腾速率，L/d。

一种有效的植物化方法涉及植物增强的化学吸收率，其次是吸收/易用的化学物质的解毒。例如，将哺乳动物细胞色素P450引入水稻植物以修复尿嘧啶。同样地，改善了催化α-谷胱甘肽合成酶的转移酶（GST）在杨树植物中催化α-谷胱甘肽合成酶对甲甲等导致其消除。或者，编码丙嗪氯水解酶的微生物基因（atz.Z）和1-氨基环丙烷-1-羧酸盐脱氨酶（用于增加根质量），也显示出植物化的结果。

Moreover, approaches involving the remediation of organic chemicals have been developed including the expression of cytochrome p450 such as human CYP2E1 in model plants (e.g., tobacco and poplar) where these GM plants have shown an increase in POP and TCE metabolism for chemicals like vinyl chloride, benzene, toluene, and chloroform. Furthermore, the use of bacterial genes like德赫拉布用于降解1,2-二氯乙烷的Xanthobacter.已知提高植物中的除去该化合物。

图1：异卵素的细胞传输和代谢。 点击此处查看数字

除草剂耐受性（草甘膦耐受性）

可以耐受除草剂的植物称为除草剂耐药植物。

图2：Shikige途径和工程草甘膦耐受的构建体。 点击此处查看数字

草甘膦是一种广谱除草剂，是甘氨酸（氨基酸）衍生物，其作为酶5-烯醇吡咯吡咯基极-3-磷酸合酶（EPSPS）的底物类似物或竞争性抑制剂，是Shikimid atch途径的必需生物催化剂。因此，它阻碍了氨基酸（PHE，TYR和TRP），维生素和许多二级植物代谢物的生物合成[图2]。实施的各种战略包括;靶蛋白（EPSP），靶蛋白的突变，增强植物排毒和除草剂的解毒，来自异物来源的靶蛋白的突变和除草剂。如上所述，异恶毒素通过靶向靶向涉及羟基化，缀合和运输过程的途径而消除。

金属和金属化的植物修复

属于此类别的一些主要污染物包括砷，汞和硒。

砷（AS）是主要的环境污染物之一，为植物修复方面提供了更具机会主义的方法，以更实际地和成本有效地清理环境。考虑到生物技术策略，实验室中的各种方法显示出耐受污染的土壤的耐受性和消除升高。这涉及微生物基因的表达如ArsC从大肠杆菌结合ᵧ-谷氨酰基半胱氨酸合成酶的共表达，导致谷胱甘肽(GSH)的合成，导致随后的As偶联。

另一种方法涉及通过基因的流出同源物转移到叶子上，ArsB其次是砷的甲基化挥发为三甲基胂ArsM基因。

另一种潜在的污染物，硒(Se)，也是土壤中自然发现的微量元素，在高浓度时具有极高的毒性。其化学性质与硫(S)相似，推测其毒性可能是由于在蛋白质中硒取代S而引起的。转基因植物的发展意味着某些酶的表达，其中硒衍生物的甲基化阻止了取代反应，并将这些转化为挥发性更强的形式从土壤中去除。

汞（HG）也引起致命的，汞中毒是一种高度毒性的环境污染物。取决于Hg等的形式，元素或有机胞外，毒性因分别对高度毒性而异。处理这种不需要的积累的生物技术方法涉及使用一些细菌，表达诸如的基因merA和merB编码Hg离子还原酶和器官菌裂解酶。此外，在没有基因沉默的情况下，通过塑体工程通过塑体工程中这些基因的局部表达来增强表达。在烟草植物中，有效地表达这些基因，观察到对苯基汞乙酸盐的抗性，并且在有机Hg易位后，它们还显示了元素Hg的有效挥发的[图3]。

图3:金属和类金属的植物修复的潜在策略。 点击此处查看数字

爆炸物的植物修复

炸药像2 4 6-trinitrotoluene (tnt) hexahydro-1, 3, 5-trinitro-1, 3, 5-triazine (RDX)和三硝酸甘油酯(GTN)的持久性污染物污染在世界范围内,发现特别是在军事基地,生产地点,和冲突地区,他们主要的贡献对土壤、空气和地下水污染。通过植物修复来消除环境中这些污染物的转基因植物已经被开发出来。它暗示使用某些细菌硝基还原酶(PNRA.)和细胞色素p450基因，这些基因增加了对这些爆炸物的耐受性、吸收和解毒作用。

对某些模式植物的开发拟南芥因为这样的实验在净化环境方面已经显示出有希望的结果。

农药和转基因作物的植物修复

根据各种涉及组织编制的数据，超过成千上万的化合物被用作害虫对照剂，代表众多有机化学类：氨基甲酸酯，硫代氨基甲酸酯，有机胺，双吡啶，三嗪，苯氧膦酸盐，香豆素，硝基苯酚，吡唑，拟除虫菊酯和其他几种有机物含氯，磷，锡，汞，砷，铜等化合物实际上，数百万吨农药是合成的，每年与农业和园艺结合使用，反过来导致严重的环境影响。

如前所述，植物中参与污染物代谢、吸收和运输的基因的过表达是提高植物修复效果的一种合适方法。

另外，根系中合适基因的表达增强了PCB和PAHS的无流水，这开发了通过遗传操作扩增植物生物降解的植物生物降解。来自人类，微生物，植物和动物等各种来源的基因正在成功地用于该企业。许多植物品种使用如诸如的方法可以容易地实现这些基因的转化农杆菌肿瘤术介导的植物转化，基因转移的生物学方法等

利用生物技术开发的转基因植物可以有效地对污染物进行植物修复。早些时候，生产商用转基因作物是为了尽量减少因虫害(特别是幼虫)造成的作物产量损失，同时减少所需杀虫剂的数量(例如，表达Bt毒素的植物)。然而，植物修复转基因植物首次用于重金属污染土壤的修复;例如,烟草tabaccum表达酵母金属硫蛋白基因对于较高的CD耐受性，或拟南芥过表达Hg还原酶基因，用于较高的Hg耐受性。多年来，多年来，几年的几种植物具有转基因插入物，负责血管生物学的代谢或增加许多污染物的抗性。

限制和未来的方向

虽然在宏基因组学领域已经采取了一些重要的方法来加强植物对环境中不希望的污染物的修复，但转基因方法的主要缺点之一是这些转基因进入植物的不可预见的多效效应。这是由于在植物系统中存在着复杂的代谢途径，这些代谢途径直接或间接地相互关联，甚至一个单一的操作就可以对植物的稳态系统甚至整个食物链产生巨大的影响。

另外，与基因抑制相关的伦理问题也不能被忽视。

然而，为了取得真正的进展，一个系统范围的方法，考虑整个植物的代谢途径应该发展。基于CRISPR/dCas的基因编辑工具的最新进展也为广泛的植物基因组学研究提供了见解。它可以在基因激活、抑制、表观基因组编辑和许多其他可能的基因组操作中实现。这需要深入了解靶基因的多效作用和相关代谢途径。先进的知识将使植物修复更有效地应用，没有任何显著的副作用或产量拖累。

承认

我要感谢班加罗尔应用科学大学的Soma Chaki博士，HoD Biotechnology, M.S. Ramaiah University of Applied Sciences，班加罗尔，感谢她迄今为止的宝贵支持和指导，以及ICAR-Central Institute of温带园艺，植物生物技术高级科学家Javid I Mir博士的建议和校对。

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