本发明专利技术公开了一种蜈蚣草ＡＢＣ转运蛋白及其编码基因与应用。本发明专利技术的蜈蚣草ＡＢＣ转运蛋白，是具有下述氨基酸残基序列之一的蛋白质：１）序列表中的序列２；２）将序列表中序列２的氨基酸残基序列经过一至十个氨基酸残基的取代、缺失或添加且具有砷吸收作用的蛋白质。其编码基因具有以下核苷酸序列之一：１）序列表中序列１的多核苷酸序列；２）与序列表中序列１限定的核苷酸序列具有９０％以上同源性且具有相同活性的核苷酸序列；３）在高严谨条件下可与序列表中序列１限定的ＤＮＡ序列杂交的核苷酸序列。本发明专利技术的蜈蚣草ＡＢＣ转运蛋白基因在砷的吸收和积累中起重要作用，将在修复砷污染环境的生物技术中起到重要作用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种蜈蚣草ABC转运蛋白及其编码基因与应用，特别涉及一种蜈蚣草ABC转运蛋白及其编码基因，与该基因在治理砷污染中的应用。
技术介绍
土壤是人类赖以生存的自然资源，但是，由于生活污水排放、污水灌溉、大气沉降、采矿冶炼、农药化肥大量施用等原因，加上土壤对于污染物的累积富集作用，土壤污染，尤其是重金属污染状况日趋严重。传统的土壤污染治理方法主要有基于机械物理或物理化学原理的工程措施，包括客土换土法、隔离法、清洗法、热处理法、电化学法等；基于污染物土壤地球化学行为的改良措施，如添加改良剂、抑制剂降低土壤污染物的水溶性、扩散性和生物有效性，以减轻污染物对生态环境的危害。土壤污染治理的工程学方法往往需要将污染土壤挖运后处理，不仅耗资巨大，而且破坏了土壤微生物及土壤结构，对于大规模、中强度的污染治理几乎无法实现。近十年来，植物修复(Phytoremediation)技术成为土壤污染修复研究的热点。植物修复是利用可超富集重金属的植物吸收、积累环境中的污染物，并降低其毒害的环保生物技术。它具有传统环境修复技术所不具备的优点，表现为治理效果的永久性、治理过程的原位性(对土壤环境扰动小)、治理成本的低廉性、环境美学的兼容性、后期处理的简易性等特点，而且修复过程一般无二次污染，某些金属元素甚至可回收利用。植物修复所独有的技术及经济优势，预示该项技术将发展成为污染治理领域的朝阳产业。植物修复为从根本上解决土壤和水体金属污染提供了一种重要途径，因而植物修复在土壤金属污染治理中具有独特的作用和意义。然而，植物修复技术目前尚存在着一些不足其一是重金属超富集植物是在重金属胁迫环境下长期诱导、驯化的一种适应性突变体，往往生长缓慢、生物量低，且常常受到杂草的竞争性威胁；其二是这些超富集植物多为野生型稀有植物，对生物气候条件的要求比较严格，区域性分布较强，严格的适生性使成功引种受到严重限制；其三是超富集植物的专一性很强，往往只对某种特定的重金属表现出超富集能力，且大部分仍处于试验阶段，到实际应用还有一定距离。从而严重制约了植物修复的效率及应用。体积较小或呈莲座形生长的植物往往影响机械收获，使得年收获的费用增加。植物修复的长远发展依赖于超富集植物分子机制的阐明和新型超富集工程植物的研发。分子生物学在植物修复研究和应用领域扮演着越来越重要的角色。在阐明超富集植物分子机制的基础上，应用转基因工程技术，将自然界中超累积植物的耐重金属、超累积基因移殖到生物量大、生长速率快的植物中去，培育出具有实用价值的转基因植物，以克服天然超累积植物的缺点，提高植物修复的实用性。到目前为止，在Se、Hg、Cd、Zn等重金属元素转基因植物研究领域已取得了较大的成果。随着分子生物技术的突飞猛进，预期这方面研究一定会取得突破性的进展。砷是一种致癌的化学元素。砷污染物主要是以砷化物的形式存在，它可从呼吸道、食物或皮肤进入人体，严重危害人类健康。砷化物通过抑制体内酶的活性，干扰人体正常新陈代谢，从而导致中枢神经系统发生紊乱，毛细血管扩张。人们若长时间暴露在含砷环境中，则会大大增加患肝癌、皮肤癌或膀胱癌等恶性疾病的机率。现在越来越多的皮肤癌、肾癌、肺癌或膀胱癌等癌症患者与长期饮用含砷量高的水有关。饮用水中砷的长期慢性作用可导致皮肤产生严重的色素沉着现象并且手、脚生成角质物质，进一步恶化则变为皮肤癌。长期饮用含砷量高的水，患肺癌、膀胱癌或其它癌症的几率高达10％。另外土壤和水体的砷污染还可导致粮食减产，从而造成严重的经济损失。天然水中仅含微量的砷，水中含砷量高，除了地质因素外，主要是工业废水和农药污染所致。面对全球砷污染的严重状况，亟需阐明超富集植物对砷吸收、转运和解毒的机理，研发出修复砷污染环境的生物技术，以尽快地消除土壤及水体的砷污染对人类健康的威胁。然而，很久以来砷污染的植物修复技术一直是一个空白。直到2001年，Nature报道发现了世界上第一种能够大量富集砷的凤尾蕨属植物—蜈蚣草Pteris vittata L.，人们才开始对砷污染的植物修复技术进行研究。次年，陈同斌等在我国境内也发现了这种砷超富集植物。经研究表明，蜈蚣草具有典型的超富集植物的三大特征高效的根部吸收、根到茎的高效转运，及植物细胞对砷的高抗性。蜈蚣草的地上部分可以富集22,630mg kg-1砷，比土壤中砷浓度的10倍还高。蜈蚣草属蕨类植物门、凤尾蕨科凤尾蕨属。这种植物的适应能力强，喜阳，多生长在碱性环境中。Ma等在佛罗里达州中部一个铬酸铜和砷酸盐污染的地区发现了这种蕨类植物。他们的研究表明在砷浓度高达1,500ppm(mg/kg)的土地上蜈蚣草仍然可以正常生长，蜈蚣草地上部在两周内富集的砷浓度可以从29.4ppm(mg/kg)增加到15,861ppm(mg/kg)，生长在含砷6ppm(mg/kg)土地上的蜈蚣草可以富集755ppm(mg/kg)砷，其地上部富集的砷是土壤中的126倍。Ma等在研究蜈蚣草中砷的形态时发现，生长20周的蜈蚣草植株中大部分砷都以强毒性的无机形态存在，几乎检测不到有机砷。地上部(47-80％)As(III)的浓度远远高于根部(8.3％)，该结果表明当从根部运送到地上部时，砷从五价转变为三价。他们的研究还表明蜈蚣草不仅可以从不同浓度的土壤中清除砷，而且可以从土壤中清除不同形态的砷。此外，对于不能溶解的FeAsO4和AlAsO4，蜈蚣草地上部仍然可以富集136-315ppm(mg/L)砷，该浓度是土壤中砷浓度的3-6倍。Tu的研究结果也与之类似，在土壤中加入同一浓度不同形态的砷，包括砷酸盐(AsO43-)、亚砷酸盐(AsO21-)、二甲基砷酸(DMA)以及一甲基砷酸(MMA)，18周后检测结果表明土壤中可溶性的砷只有砷酸盐，而蜈蚣草植株中94％的砷都是亚砷酸盐。但在老叶和离体叶片中，亚砷酸盐又被氧化成砷酸盐。在许多植物中，含低分子量巯基的化合物(如PCs)在重金属的解毒和积累方面都起重要的作用。Zhao等的研究结果表明砷超富集植物蜈蚣草中只有1-3％的砷形成As(III)-(PC2)2复合物。这说明PCs在砷的解毒和积累方面起很有限的作用。1982年，在Giovanna Ames的实验室克隆到了第一个ABC转运蛋白(ATP-bindingcassette(ABC)transporter)—组氨酸透性酶(histidine permease)。至此以后，不同的ABC转运蛋白不断被发现，并成为生物体中最大的蛋白家族之一。大多数ABC蛋白转运伴随着ATP水解，其转运底物很多，包括脂质、无机离子、有机复合物、氨基酸、小肽、糖、次级代谢产物及蛋白等。根据系统发生途径及其结构特点，ABC转运蛋白又分为多个亚家族。研究较多的三个亚家族分别是多效抗药性亚家族(pleiotropic drug resistance，PDR)、广谱抗药性亚家族(multidrug resistance，MDR)以及广谱抗药性相关蛋白亚家族(multidrug resistance-associated protein，MRP)。虽然ABC转运蛋白的底物种类繁多，但在结构和机理上有很多共性，即它们都是通过以ATP为能量来源的泵或通道来执行功能。一个完整的有功能的ABC转运蛋白包括两个核苷结本文档来自技高网...
【技术保护点】
蜈蚣草ＡＢＣ转运蛋白，是具有下述氨基酸残基序列之一的蛋白质：１）序列表中的序列２；２）将序列表中序列２的氨基酸残基序列经过一至十个氨基酸残基的取代、缺失或添加且具有砷吸收作用的蛋白质。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：麻密，何振艳，徐文忠，杨学习，
申请(专利权)人：中国科学院植物研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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