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綠僵菌“出馬” 參與汞污染治理
作者：崔雪芹 周煒 來源：中國科學(xué)報 
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方衛(wèi)國教授和研究生們在實驗室。(攝影：朱原之）
汞是三大毒性金屬元素之一，十大致癌物之一，是環(huán)境毒素與健康殺手。
日前，浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院方衛(wèi)國教授從一種常見的真菌——綠僵菌身上挖掘到兩個基因，它們聯(lián)手能將土壤和水體中劇毒的甲基汞和二價汞一步步轉(zhuǎn)化為低毒易揮發(fā)的零價汞。
這一機(jī)制不但讓綠僵菌具備“解毒”本領(lǐng)，還能為與之共生的植物筑起一道天然防線，抵御汞的威脅。這項發(fā)現(xiàn)于11月15日在線發(fā)表于美國《國家科學(xué)院院報》。雜志還將其作為學(xué)術(shù)亮點進(jìn)行了報道。報道認(rèn)為，綠僵菌抗汞能力的遺傳和生化機(jī)制的揭示，有望為汞污染的治理提供更有效、更安全的生物修復(fù)方法。
神奇綠僵菌
綠僵菌是一種真菌，它們的模樣有點像放久的橘子表皮長出的青霉菌斑塊，暗綠色的孢子藏在白白的菌絲下面。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，它是一種廣泛使用的生物殺蟲劑。
綠僵菌能夠有效地感染田間的蝗蟲、草地貪夜蛾和蚊蟲等眾多害蟲，在宿主身上成長壯大、繁衍生息，最終讓宿主又“綠”又“僵”，一命嗚呼。
這么兇悍的綠僵菌，對植物來說則是溫柔的守護(hù)神。綠僵菌活躍于植物的根系，把土壤中磷元素溶解出來，供給植物更好地吸收，植物也將自己制造的葡萄糖“回贈”給綠僵菌。
同時，綠僵菌還能幫助植物抵御一些微生物病原菌的侵襲。綠僵菌與植物互利互惠的關(guān)系，已經(jīng)在地球上延續(xù)了數(shù)百萬年。
綠僵菌讓方衛(wèi)國癡迷多年，在他眼中，它的1.1萬個基因是一座巨大的寶庫，每個基因都值得好好鉆研�！拔覀冊噲D從基因的角度去理解有趣性狀背后的機(jī)制。其中一方面是遺傳進(jìn)化機(jī)制，弄清楚是什么基因?qū)е铝撕暧^的性狀，這種基因在進(jìn)化過程中的來源；一方面是分子與生化機(jī)制，探究基因與環(huán)境交互的機(jī)理，以便更好地利用它為人類服務(wù)�！狈叫l(wèi)國說。
早在2019年，方衛(wèi)國團(tuán)隊在美國《國家科學(xué)院院報》發(fā)文，指出綠僵菌的基因組中18個基因是通過水平轉(zhuǎn)移而來的。這些從細(xì)菌或節(jié)肢動物獲得的“外來基因”，有些能產(chǎn)生幫助突破昆蟲體壁的物質(zhì)，使綠僵菌獲得了穿透昆蟲“銅墻鐵壁”的能力，成為它侵染昆蟲的“殺手锏”。
化汞于“無形”
在剛剛發(fā)表的研究中，方衛(wèi)國展示了他在綠僵菌上淘到的兩件新“寶貝”：MMD和MIR，兩個基因都與汞有關(guān)。眾所周知，汞有不同類型的化合物和單質(zhì)，其毒性各不相同，其中毒性最強(qiáng)的當(dāng)屬甲基汞，這種有機(jī)汞進(jìn)入人體后遍布全身各器官組織中，損害神經(jīng)系統(tǒng)，造成不可逆的損傷。
方衛(wèi)國介紹，基因MMD直接與甲基汞相關(guān)，它能產(chǎn)生脫甲基酶，將劇毒的甲基汞降解到二價汞的形式；而MIR則能產(chǎn)生汞離子還原酶，讓二價汞進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為零價汞（汞單質(zhì)），毒性進(jìn)一步降低，且容易揮發(fā)到空氣中，從而被活性炭吸附后輕松去除。
研究人員發(fā)現(xiàn)，地球上的150多萬種真菌中，同時擁有這兩個基因的物種很少見，而其中只有綠僵菌能與植物形成互惠共生的關(guān)系�！斑@讓我們非常好奇，有了這兩個基因，綠僵菌是否真能抗汞？”。
研究人員在培養(yǎng)皿中模擬了汞污染的重災(zāi)區(qū)，每升培養(yǎng)基中含有10毫克的甲基汞。人類派出三類綠僵菌“敢死隊”接受考驗：敲除抗汞基因的綠僵菌；野生型綠僵菌；抗汞基因加強(qiáng)版綠僵菌。
結(jié)果顯示，野生型的綠僵菌能夠在重災(zāi)區(qū)基本正常生長，不受妨礙；而敲除抗汞基因的綠僵菌則奄奄一息，生存半徑明顯萎縮，最終“中毒身亡”；抗汞基因加強(qiáng)版的綠僵菌，則表現(xiàn)出了比野生型更強(qiáng)的生命力�！拔覀冞�做了一組回補(bǔ)實驗，將兩個抗汞基因重新補(bǔ)回基因敲除的綠僵菌，它們的抗汞性能又回來了�！狈叫l(wèi)國教授說。研究證實，兩個基因聯(lián)手，巧妙地化汞于“無形”，賦予了綠僵菌應(yīng)對劇毒甲基汞的能力。
綠僵菌不但為自己“解毒”，還能為植物“擋槍”。研究團(tuán)隊介紹，他們開展了“玉米試毒”實驗。玉米本身是對甲基汞是沒有招架之力的，但有了綠僵菌的護(hù)佑，綠僵菌能及時地將土壤中的甲基汞層層“解毒”，減少汞進(jìn)入植物體內(nèi)的機(jī)會。10天以后，“重災(zāi)區(qū)”的汞已不見蹤影，玉米長勢良好。
有望高效治理汞污染
因為綠僵菌抗汞特性的研究，方衛(wèi)國開始關(guān)注嚴(yán)峻的汞污染問題。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和全球變暖，汞污染正在加劇威脅人類健康和糧食安全。就目前來說，環(huán)境中的汞污染主要依靠物理吸附、植物吸附等方式進(jìn)行，但效果并不理想或維護(hù)成本過高。
方衛(wèi)國在綠僵菌身上看到了新的希望�！拔覀円呀�(jīng)在實驗室證明了與植物共生的綠僵菌可修復(fù)土壤中的汞污染，降低植物的汞累積，促進(jìn)植物健康與生長；將綠僵菌菌絲投入汞污染的水，也可以修復(fù)淡水和海水中的汞污染。”方衛(wèi)國介紹。
他指出，綠僵菌的維護(hù)成本很低，它們可依靠植物根系分泌的營養(yǎng)物質(zhì)生長而繁殖，具備一次釋放、長期治理的特點。他認(rèn)為，讓綠僵菌在廣袤的農(nóng)田和山林中參與污染土壤治理，這將會是一種可行性很高的土壤汞污染微生物修復(fù)技術(shù)。
“目前，我們對該項技術(shù)申請了多項國內(nèi)外專利，并正在開展相關(guān)的田間試驗�！狈叫l(wèi)國對下一步實驗充滿信心。
據(jù)了解，由于綠僵菌是一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的生物防治劑，其在生態(tài)環(huán)境中的安全性已經(jīng)得到證實，它的批量生產(chǎn)技術(shù)也已成熟，實驗室和現(xiàn)實應(yīng)用的距離并不遙遠(yuǎn)。
相關(guān)論文信息：
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2214513119