幸运竹（Dracaena sanderiana Sander）植物在铅（Pb）暴露下的吸收、积累及基因表达变化

《Sustainable Chemistry One World》：Uptake, accumulation and gene expression in lucky bamboo ( Dracaena sanderiana Sander) plants in response to lead (Pb) exposure

本研究通过水培实验探究了龙血树（Dracaena sanderiana）对铅（Pb）的积累及分子响应机制，发现其根部铅含量最高达38.5 mg/g·dw?1且无明显毒性症状，表明该植物具备良好的铅耐受性和生物修复潜力。qRT-PCR分析显示，Pb胁迫下根和茎部中谷胱甘肽S-转移酶（DsGST）、谷胱甘肽过氧化物酶（DsGPX）和超氧化物歧化酶（DsCyt-Cu/Zn SOD）的表达量随浓度（400-600 mg/L）和时间呈正相关，但超量胁迫（>600 mg/L）下基因表达显著下降，提示基因毒性效应。研究为热带地区铅污染治理提供了植物修复新思路。

　　

Lien B. Ho|Lam T. Duong|Khang Van Huynh|Tuyen Cach Bui|Han Ngoc Bui|Biet V. Huynh

越南平阳省Thu Dau Mot大学管理科学学院

摘要

铅（Pb）污染对环境构成了重大威胁，尤其是在发展中国家。本研究通过水培实验研究了Dracaena sanderiana对铅胁迫的积累能力和分子响应。这些植物被暴露在不同浓度的铅（0–1000 mg/L）下60天。结果表明，铅主要在根部积累，向地上部分的转移有限。Dracaena sanderiana的根部可积累高达38.5 mg/g的铅，且未表现出明显的毒性，这表明其具有用于植物修复的潜力。为了进一步了解其分子响应，研究人员克隆了三个与抗氧化相关的基因——谷胱甘肽S-转移酶（DsGST）、谷胱甘肽过氧化物酶（DsGPX）和铜/锌超氧化物歧化酶（DsCyt-Cu/Zn SOD），并利用qRT-PCR分析了这些基因在铅胁迫下的表达情况。结果显示，这三个基因的表达均随时间和铅浓度的增加而增强，尤其是在根部和茎部。值得注意的是，当铅浓度为400–600 mg/L时，基因表达达到峰值，而在更高浓度下则下降，这可能表明铅具有基因毒性。这些发现表明Dracaena sanderiana不仅具有较高的铅耐受性，还拥有高效的抗氧化防御系统，为其在铅污染环境中的应用提供了支持。

引言

铅（Pb）污染既来源于自然地质过程，也源于人类活动，是一种持久且有毒的环境污染物，对全球生态系统和人类健康构成严重威胁[1]、[2]、[3]。即使在微量水平下，铅也表现出高毒性，并且在生物体内没有任何生理功能。已知铅通过刺激活性氧（ROS）和其他自由基的产生来诱导氧化应激，从而破坏正常的细胞代谢和基因调控[4]、[5]。在植物中，铅毒性会导致种子发芽受阻、生物量减少以及叶绿素缺乏和细胞损伤[2]、[5]。

鉴于金属污染规模的不断扩大，尤其是在快速工业化的地区，开发高效且环保的修复策略至关重要。传统的物理化学方法去除重金属通常能耗高、成本高昂，并会产生二次废物，限制了它们的长期可持续性。最近在生物辅助修复方面的进展进一步凸显了向更绿色技术转型的趋势。例如，Chen等人[6]证明生物合成的硫化亚铁纳米杂化物（nFeS@GS）能够高效去除和回收酸性矿井排水中的铅离子，这表明人们对可持续的、基于生物技术的解决方案越来越感兴趣。

在这种背景下，植物修复作为一种绿色且经济有效的方法，已成为修复重金属污染环境的有前景的替代方案[3]、[7]。重要的是，植物修复符合可持续化学的原则，因为它利用了自然生物过程，减少了化学投入，并提供了可扩展的、环保的解毒途径。

植物修复的成功在很大程度上取决于识别出具有高金属耐受性、大量生物量以及能够有效积累和解毒金属的植物种类[8]、[9]。不同物种和发育阶段对铅的耐受性存在差异[5]，文献中报道了几种超积累植物，如Salix psammophila [10]、Chrysopogon zizanioides [11]、Salvinia cucullata [12]和Eclipta prostrata [3]。这些植物通过多种生理和生化机制减轻铅的毒性，包括激活抗氧化防御系统以及利用谷胱甘肽（GSH）和植物螯合素在细胞内螯合铅离子[5]。通常，在暴露于铅后，植物会增强超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）等清除活性氧的酶的活性，这些酶共同将活性氧转化为危害较小的分子[13]。

Dracaena sanderiana（又称幸运竹）是一种原产于东南亚的常绿植物，广泛用作观赏植物[14]。先前的研究已经强调了其在植物修复有机污染物（如双酚A [14]、[15]和苯 [16]）以及废水处理[17]、[18]方面的应用潜力。然而，其在重金属植物修复方面的潜力尚未得到充分探索。

本研究在水培条件下研究了Dracaena sanderiana的铅吸收和积累能力，旨在评估其作为可持续绿色技术用于重金属修复的潜力。此外，我们还分析了三个与氧化应激相关的关键基因——谷胱甘肽S-转移酶（GST）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）和Cyt-Cu/Zn SOD的表达情况，以阐明其潜在的解毒机制。通过加深对Dracaena sanderiana植物修复能力的理解，本研究为开发基于植物的可持续环境清理策略做出了贡献。

部分内容摘录

植物材料与适应

Dracaena sanderiana植物来自越南平阳省的平阳育种中心。实验前，这些植物（长度约40厘米）在越南胡志明市的Nong Lam大学温室中用湿润的沙子进行了60天的适应训练。适应期间，每天用去离子水灌溉两次。温室保持自然光照，平均光照时间为14小时。

Dracaena sanderiana中的铅积累与转移

在所有采样时间点，对照组的植物体内铅浓度均低于检测限。相比之下，处理组的植物体内铅积累显著，主要发生在根部，向地上部分的转移较少（见图1）。总体而言，Dracaena sanderiana中的铅积累强度依赖于处理浓度和暴露时间（p < 0.001）。

如图1A所示，随着暴露时间的延长和外部铅浓度的增加，根部中的铅含量逐渐增加。

结论

本研究在受控的水培条件下综合评估了Dracaena sanderiana的铅吸收、积累及抗氧化基因响应。该物种在根部表现出极高的铅保留能力，向茎部和叶部的转移极少，表明其具有强烈的根部分布限制机制。随着外部铅浓度的升高，铅积累量增加，但在1000 mg/L时观察到明显的饱和阈值，这表明存在吸收的生理限制。

遵守伦理标准

作者声明没有利益冲突。

未引用的参考文献

[39]、[40]、[41]、[42]

CRediT作者贡献声明

Han Ngoc Bui：撰写 – 审稿与编辑。Huynh Biet Van：撰写 – 审稿与编辑。Lien B. Ho：概念构思。Lam T. Duong：数据管理。Khang Van Huynh：初稿撰写。Tuyen Cach Bui：资金筹集。

CRediT作者贡献声明

研究概念与设计——L. B. Ho, T. C. Bui, B. V. Huynh；数据采集与分析——L. B. Ho, P. T. H. Pham；手稿起草——K. V. Huynh, L. B. Ho；审稿与编辑——H. N. Bui, B. V. Huynh；资金筹集——L. B. Ho, T. C. Bui。所有作者均已阅读并批准了手稿。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了Thu Dau Mot大学（授权号DT. 21.1-036）的财政支持。