作为有机污染物监测器的植物被开发出来

神户大学生物信号研究中心的研究人员已经成功开发出可用于检测有机污染物的植物，如污染土壤和水的多氯联苯和内分泌干扰化学物质。

该团队由Petya Stoykova，日本科学促进协会(JSPS)日本博士后研究奖学金获得者(现为保加利亚农业生物研究所研究员)，神户大学名誉教授OHKAWA Hideo和INUI Hideyuki教授组成。

接下来，他们希望利用植物开发方便且廉价的毒性监测技术。

这些研究结果以两篇论文的形式发表在网上，分别发表在6月29日的《植物生理学杂志》和7月22日的《化学圈》上。

要点

环境监测对于了解化学物质的污染如何在周围环境中扩散至关重要。

研究人员开发了一种新的监测方法，将动物的化学受体引入植物。

利用AhR*植物，他们能够检测到污染物多氯联苯(PCB)，这是一种二恶英

利用ER*植物，他们能够检测到内分泌干扰化学物质的污染。

本研究开发的转基因植物不需要预处理，可以作为一种方便、廉价的监测污染物毒性的方法。

*一种化学受体。请参见下文了解更多信息。

研究背景

我们周围的环境中存在着各种各样的有机污染物。众所周知的例子包括用于荧光灯和无碳复写纸的多氯联苯(PCBs)，用于制造耐水和食用油的有机氟化合物，如食品包装和厨房用具，以及用作洗涤剂和其他产品前体的烷基酚。这些有机污染物被释放到大气、河流和土壤中，不易分解的元素被鱼类、牲畜和作物摄入，导致这些污染物在我们体内积累，而在其他物种体内的含量也在上升。体内浓度增加会导致各种有害影响，如癌症、胎儿畸形和免疫毒性。

为了防止通过食物摄入的污染物在人体内积累，有必要监测环境中的污染物水平，包括水系统(河流、湖泊、海洋)、鱼类、大气、土壤和作物。这些结果使我们能够了解一个地区污染物的类型和浓度。这将使适当的措施得以落实;例如，避免在检测到地面污染的地方种植作物，并对在发现受到污染的河流中捕获的鱼进行污染测试。换句话说，这将使人们能够选择和实施措施，以减轻污染物对人类的不利影响。

环境监测是对环境样本中污染物的种类和浓度进行调查;这涉及多个过程。例如，为了研究土壤样品，必须添加有机溶剂，然后在加热过夜后从土壤样品中提取化学物质。接下来，从土壤中去除有机溶剂和化学物质，并加入浓硫酸去除色素沉淀。样品中有机污染物的浓度很低，因此有必要对提取的物质进行浓缩，使其达到可以分析的浓度。随后，该冷凝物通过多个分离柱进行处理(*1)，并使用与特定污染物性质相对应的有机溶剂从柱中洗脱污染物。接下来，必须去除样品中的杂质，以便只提取目标污染物。这叫做净化。这一系列步骤(萃取、浓缩和纯化)统称为预处理，需要进行预处理以分析样品中痕量的有机污染物。

最后，将气相色谱-质谱(GC-MS)和液相色谱-质谱(LC-MS)等分析化学技术应用于预处理样品。通过分析所得到的表明污染物存在的光谱数据，可以确定样品中污染物的类型(形态)和浓度(固定数量)。

环境监测是根据每个国家的官方分析方法(*2)进行的，这在有机污染物的识别和量化中起着至关重要的作用。然而，预处理阶段需要使用大量的硫酸和各种类型的挥发性有机溶剂，这种暴露对进行该过程的人来说是危险的。

因此，为了将环境样品(经过复杂的预处理)中发现的微量污染物转化为可以分析的样品，需要一种更熟练的技术。此外，使用昂贵的仪器，如GC/MS和LC/MS(可能花费数十万至数百万美元)增加了分析过程的成本。为了获得对污染程度的准确评估，有必要获得大量的环境样本。然而，由于目前方法的成本过高，只能分析少数具有代表性的样品。虽然仪器分析适用于确定环境样品中每种污染物的类型和浓度，但这种方法不能告诉我们每种污染物的毒性有多大，也不能告诉我们单个样品中多种污染物的总体毒性。

研究方法及结果

为此，研究小组开发了一种完全不同于以往的监测方法，这种方法需要预处理和昂贵的仪器来确定环境样品中污染物的类型和浓度。

动物体内有一种叫做化学感受器的蛋白质，它能识别并拦截从体外渗透到细胞中的化学物质。当受体与细胞内的外来物质结合时，它会激活特定基因的转录。这种基因产生的蛋白质的正常功能是与外来物质发生反应并将其排出体外。

这种受体的一个例子是AhR(芳烃受体)。在细胞内，AhR与受污染食物中的二恶英和多氯联苯结合。然后，它产生一种酶，可以将这些物质转化为易溶于水的物质，从而促进它们从体内排出。因此，AhR在指示二恶英和多氯联苯是否对动物有毒方面起着重要作用。

此外，雌激素受体(ER)对动物体内产生的激素作出反应，并参与形态发生和生长的重要基因的表达。内质网与雌性激素雌二醇结合，并严格调节蛋白质基因转录激活的时间和数量，这些蛋白质应在激素的作用下产生。然而，如果内质网与通过食物或水进入体内的内分泌干扰化学物质(*4)结合，那么这就会扰乱基因转录激活的时间和水平，从而产生有害的影响。

另一方面，植物一旦扎根就无法移动，因此它们的根向地下伸展，以获取生长所需的营养。即使在浓度很低的情况下，它们也能吸收足够的养分，因为它们继续伸展它们的根。换句话说，植物有能力积累通过根部从土壤中吸收的化学物质。

该研究组提出了将动物源性化学受体引入植物体内，利用它们来检测植物吸收的污染物的环境污染监测方法。他们创建了一个AhR工厂用于监测多氯联苯，一个ER工厂用于监测干扰内分泌的化学物质。当这些植物在含有相应污染物的土壤和培养物中生长时，根部吸收的污染物与细胞内的受体结合，激活报告基因的转录。因此，可以通过检测该报告因子来监测污染物(图1)。

AhR植物可以检测到毒性最大的多氯联苯CB126(图2A)以及其他类型的多氯联苯(CB77、CB118)(图4)。另一方面，ER植物除了可以检测到雌性激素17 -雌二醇、杀虫剂氟虫腈和吡虫啉、有机氟全氟辛烷磺酸(PFOS)(图4)外，还可以检测到辛基酚(OP，烷基酚的一种)(图3A)。研究小组发现，当污染物存在时，这些植物表现出白化和结构异常，如根变短(图2B, 3B)。这表明，以一种比报告检测更简单的可观察的方式检测污染物是可能的。

这项研究的结果表明，没有必要收集大量的环境样本进行监测，并且可以使用少量的土壤(几克)或水(大约10毫升左右)来检测污染物。此外，通过使用化学受体来指示毒性的监测方法，可以调查环境样品是否含有有毒化学物质。

进一步的研究

在有机污染物的环境监测中，为了准确了解污染程度，采集尽可能多的样本是至关重要的。然而，由于需要大量的时间和金钱，目前的官方方法不可能对大量的样本进行分析。该研究小组开发的方法要简单得多，只需要用少量的土壤和水来种植植物，并通过报告检测和植物生长观察来评估污染物的存在。此外，它还能够评价官方方法未包括的污染物的毒性。因此，这种新方法适用于在根据官方分析方法确认污染物类型和浓度之前对大量环境样品进行筛选。

在这项研究中，研究人员已经证明，通过将AhR和ER引入植物中，可以监测多氯联苯和环境激素。然而，除了AhR和ER，动物还有许多其他的化学受体。因此，通过向植物中引入不同类型的受体，将这种方法应用于其他化学物质的毒性监测应该是可能的。

参考文献
黄春华，黄春华，黄春华，等。转基因拟南芥植物内分泌干扰物的研究进展。光化层．2022; 286:131633。doi:10.1016 / j.chemosphere.2021.131633

李春华，李春华，李春华，等。西葫芦主要乳胶样蛋白基因表达对烟草疏水污染物转运的影响。植物物理．2021; 263:153464。doi:10.1016 / j.jplph.2021.153464

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