JHM | 扬州大学杨泽峰/徐辰武团队发现水平转移起源植物基因降解芳香族硝基化合物

责编 | 王一

芳香族硝基化合物不仅在自然界中天然存在，更是重要的化工原料，被广泛用于医药、农药、染料、炸药及其它化工产品的生产，也是最难降解的有机污染物之一。如作为炸药的三硝基甲苯 （TNT） 是一种芳香族硝基化合物，具有很高的毒性，能破坏植物细胞从而导致植物生长受抑制甚至死亡，一旦进入土壤就会长时间残留，因此被芳香族硝基化合物污染的土壤很难修复。植物修复（phytoremediation） 被认为是清洁环境中污染物最为经济有效的方法。尽管一些报道表明通过引入细菌相关基因到植物中的转基因植株能够降解土壤中的芳香族硝基化合物，然而目前对植物基因降解此类化合物的报道则很少。

近日，扬州大学农学院杨泽峰/徐辰武研究团队在Journal of Hazardous Materials（IF：10.588） 在线发表了题为The plant streptolysin S (SLS)-associated gene B confers nitroaromatic tolerance and detoxification的研究论文，系统阐释了一个水平基因转移起源的植物基因SagB，具有降解芳香族硝基化合物的能力，为受此类物质污染的土壤进行植物修复提供了靶基因。

SagB基因编码一种硝基还原酶，该研究发现该基因在几乎所有已经被测序的陆生植物 （苔藓、蕨类和种子植物） 具有同源基因，系统的进化分析发现该基因是陆生植物的祖先物种通过一次水平基因转移 （horizontal gene transfer，HGT） 获得于细菌。水稻和拟南芥SagB基因的表达受多种芳香族硝基化合物的诱导，包括有爆炸物TNT、天然化合物1-硝基芘 （1-NP） 和除草剂二甲戊乐灵 （Pen） ；体外的酶活实验表明植物SagB具有降解这些芳香族硝基化合物的能力。

在TNT胁迫下，水稻和拟南芥过表达SagB基因植株较野生型的根长显著增加，而敲除或干扰该基因则根长显著降低，表明植物SagB基因能显著提升对TNT胁迫的抗性。

图1 水稻OsSagB转基因株系对TNT的耐受性分析

进一步分析发现，植物SagB基因通过将TNT降解为氨基二硝基甲苯 （ADNT） 的方式提高植株对TNT的抗性。在TNT胁迫条件下，水稻OsSagB基因CRISPR/Cas9敲除突变体体内的TNT含量是野生型的1.2倍，而过表达植株中则是野生型的81.7%。此外，过表达水稻和拟南芥的SagB基因能从培养液中吸收和清除更多的TNT，表明植物SagB基因对TNT污染的环境具备植物修复的能力。

图2 拟南芥和水稻SagB转基因植株中对TNT的吸收和体内积累

该研究不仅揭示了HGT在植物抗毒机制起源方面发挥着重要作用，还为芳香族硝基化合物类炸药、农药、除草剂等污染的土壤进行植物强化修复提供了新的思路和靶基因。

扬州大学农学院博士研究生陈茹佳为论文的第一作者，青年教师鲁月和青岛农业大学张恩盈博士为论文的共同第一作者； 扬州大学农学院杨泽峰教授、徐辰武教授为论文的通讯作者。 扬州大学农学院姚友礼教授、周勇博士、徐扬博士、李鹏程博士等参与了该研究工作。 该研究得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等项目的资助。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389422005684