[发明专利]水稻铜转运子基因OsCtr5和它在铜污染土壤和水体修复中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及植物基因工程技术领域。具体涉及一个水稻铜转运子基因OsCtr5的分离克隆、功能验证和应用。OsCtr5基因是水稻中重要的铜转运基因。超量表达OsCtr5基因后，水稻植株地上和地下部位内铜含量显著上升。可以通过种植超量表达OsCtr5的水稻材料，降低土壤和周围水体中的铜含量，用于修复土壤和水体的铜污染。

背景技术

铜作为一种重要的原料，在工业、农业、交通等诸多领域内有着非常广泛的用途。随着经济的发展，对铜的需求量不断加大。在铜的开采、冶炼和使用过程中都不可避免的造成含铜废物的排放和残留，导致环境中铜的污染(廖自基，1989)。水环境的铜污染物主要是制造业排放含铜废水造成的。土壤中铜污染主要来源于铜污染的水，以及农业生产中含铜杀菌剂(如波尔多杀菌剂)的长期大量使用等(Ayres，2004)。

环境中铜的污染对人类和其它生物产生危害(Moffat，1995)。土壤中的铜污染通过雨水的冲刷可以导致地下水和湖泊的污染。铜污染的土壤不利于植物生长(Leep，1981；Cao等，2000)。高铜会导致人和动物出现肝硬化、溶血性贫血症、神经中枢功能失调等诸多病症(Harris和Gitlin，1996)。

铜一旦进入土壤后，由于移动性小而很难清除。人们尝试了不同方法治理土壤的铜污染。如施用有机肥、石灰等改良剂以降低土壤中铜的活性，使铜盐变成难溶物，植物不吸收铜(Garcia-Sanchez等，1999)。用化学方法治理土壤中铜污染，主要是向土壤中投入改良剂，通过对铜的吸附、氧化还原、拮抗或沉淀作用。但这些方法成本高，而且会破坏土壤结构以及土壤微生物区系，造成二次污染(Khan和Scullion，2000)。通过植物直接吸收土壤中过量的重金属，然后收获植物是一种高效、廉价而且保护环境的土壤污染治理途径(Raskin等，1997)。利用植物治理土壤中的铜污染还有以下优势：(1)植物在吸收土壤中铜的同时，向根系周围释放分泌物，可以增加根系周围土壤中的碳和氧的含量，改良土质，使其更适合农作物的生长(施积炎等，2004)；(2)可以从修复植物中回收铜，缓解对铜矿资源日渐增加的需求(Ho，2003)；(3)铜是植物生长所必须的微量元素，部分耕地缺乏铜；富集铜的植物可以作为铜肥生产的原材料；用这种植物原材料制成的铜肥更容易被植物所吸收利用(He等，2005)。因此，利用植物修复技术能够彻底、永久性地解决土壤中的铜污染问题，并可以使铜资源再利用(Rocha等，2009)。目前，有报道某些种类的植物，如黑麦草(Hao等，2003)、海州香薷(Lou等，2004)、紫花香薷(Jiang等，2004)、紫花苜蓿(Peralta-Videa等，2004)、印度芥菜(Bennett等，2003)、玉米(Liu等，2001)、酸模(Tang等，1999)、密毛蕨(郑洁敏等，2006)，对高铜有较好地耐受、吸收或体内累积能力，可用于土壤中铜污染的治理。但是这些植物种类远远不能满足在不同环境中对不同土壤铜污染治理的需求。

采用植物治理土壤中的重金属污染的基本原理是：植物的根系直接将土壤中过量的金属污染物吸收，并将其转移到地上部的各个组织中，通过收获植物而清除土壤中的金属污染物。植物体生长发育所需要的铜都来源于外界。植物从土壤中吸收铜有转运蛋白的调控。对模式植物拟南芥铜转运蛋白基因AtCOPT的研究发现，这类基因能够通过根部把土壤中的铜吸收进入植株体内，进而转运至地上的茎和叶等组织中，使铜在植株体内累积(Kampfenkel等，1995；Sancenon等，2003)。

水稻在全世界范围内广泛种植。其根系发达，秸杆生物量丰富，可以容纳大量铜。另外，水稻割蔸后可以快速再生；当水稻生长至其生物量达到最大阶段时，收割地上部分后让其再生继续吸收累积土壤中的铜。分离克隆水稻铜转运蛋白基因，并超量表达目标基因增强其转运铜的功能；改良的水稻不仅可以用于治理土壤中铜污染，还可以有效吸收周围水体中的铜。

发明内容

本发明的目的是分离克隆水稻中携带的一个铜转运子基因的完整DNA片段，并通过超量表达目标基因的功能鉴定该基因在铜吸收转运过程中所起到的作用，为利用这个基因进行土壤和水体中铜污染修复的技术奠定基础。这个基因被命名为OsCtr5(Oryza sativa copper transporter 5)。