他不是農(nóng)民，但他比一般農(nóng)民更了解農(nóng)業(yè);他不是農(nóng)民，但他比一般農(nóng)民對土地更有感情。他，就是合肥工業(yè)大學(xué)生物科學(xué)系主任曹樹青教授。從事農(nóng)業(yè)相關(guān)研究二十余年，談起土地，他有說不完的話題。

曹樹青出生于安徽青陽縣的農(nóng)村，對土地的感情從小埋在心里。1985年，在報考大學(xué)的時候，他毅然選擇了農(nóng)學(xué)，工作六年之后，懷著對繼續(xù)深造的渴望，他考取了南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生理學(xué)專業(yè)，以優(yōu)異的成績完成了碩士和博士的課程。2001年，時已博士畢業(yè)的他，來到復(fù)旦大學(xué)生物化學(xué)與分子生物學(xué)專業(yè)做了兩年博士后研究。目前，在合肥工業(yè)大學(xué)生物與食品工程學(xué)院擔(dān)任教授、博士生導(dǎo)師，同時任生物科學(xué)系主任。

合肥工業(yè)大學(xué)生物與食品工程學(xué)院生物科學(xué)系主任曹樹青教授

土壤重金屬污染導(dǎo)致土壤環(huán)境質(zhì)量惡化，嚴(yán)重危害農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)和人類的生存環(huán)境，已成為全球性環(huán)境問題之一。近期，曹樹青教授課題組首次揭示了植物響應(yīng)重金屬鎘脅迫信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子調(diào)控機制，為土壤重金屬污染植物修復(fù)基因工程提供了新的技術(shù)途徑和基因資源。

中毒的大地

談及我國土地的現(xiàn)狀，曹樹青教授憂心忡忡。他介紹道，我國24個省市有320個嚴(yán)重污染區(qū)，約548萬公頃土壤已經(jīng)受到了污染。大田類農(nóng)產(chǎn)品污染超標(biāo)面積占污染區(qū)農(nóng)田面積的20%，其中重金屬污染占80%。而實際上，90%的污染物最終都滯留在土壤內(nèi)。污染物又通過食物鏈轉(zhuǎn)移至植物和動物，而最終進(jìn)入人體。

土壤是各種污染物的最終“宿營地”，90%的污染物最終都滯留在土壤內(nèi)。土壤環(huán)境的惡化會導(dǎo)致污染物通過食物鏈轉(zhuǎn)移至植物和動物，而最終進(jìn)入人體，對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康產(chǎn)生巨大危害。其中特別要注意的是，談及土壤污染，就不得不提及重金屬污染。土壤重金屬污染物是對土壤-植物-人類系統(tǒng)危害較大的主要污染物類型，具有多源性、隱蔽性、積蓄性、難以恢復(fù)性，被環(huán)境學(xué)界喻為“化學(xué)定時炸彈”，是近年來環(huán)境領(lǐng)域研究的熱點問題。而據(jù)全國首次土壤普查顯示，我國有近20%的耕地存在鎘、砷、汞、鉛、鎳、銅等重金屬超標(biāo)。農(nóng)業(yè)土壤中的重金屬不僅對農(nóng)田環(huán)境產(chǎn)生危害，而且可以通過食物鏈進(jìn)入人體，土壤表層中的重金屬也可通過揚塵等渠道進(jìn)入人體，從而危害人體健康。土壤重金屬污染導(dǎo)致土壤環(huán)境質(zhì)量惡化，嚴(yán)重危害農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)和人類的生存環(huán)境，已成為全球性環(huán)境問題之一。

權(quán)衡利弊治污染

農(nóng)田土壤重金屬污染已威脅到農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)和人體健康，治理迫在眉睫。據(jù)了解，造成土壤重金屬污染的原因很復(fù)雜，包括工業(yè)排放、化肥農(nóng)藥使用及地礦開采等都可導(dǎo)致污染，目前通過物理和化學(xué)手段治理非常困難，也容易造成二次污染。采用某些物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)的土地很難再用于種植農(nóng)作物。我國耕地本身就很緊張的情況下，逐漸減少耕地的修復(fù)方式不太符合我國的國情，因此，我們應(yīng)盡可能地去恢復(fù)污染農(nóng)田的生產(chǎn)力。

曹樹青和他的團(tuán)隊

植物修復(fù)是解決土壤重金屬污染的重要途徑之一，具有修復(fù)成本低、環(huán)境友好及對土壤破壞小、適于大面積推廣等優(yōu)點，已成為農(nóng)田重金屬污染土壤修復(fù)的優(yōu)選技術(shù)之一。曹樹青課題組經(jīng)過長期研究發(fā)現(xiàn)，超量積累植物對污染金屬元素具有極強的富集和積累能力，是植物吸取修復(fù)的首選資源，基因工程是獲得超量累積植物的新方法，然而，進(jìn)一步尋找和發(fā)掘耐受重金屬毒害且調(diào)控重金屬超量積累(或降低重金屬吸收)的關(guān)鍵基因并闡明其作用機理則成為植物修復(fù)基因工程獲得成功并從源頭上控制農(nóng)產(chǎn)品食品安全的關(guān)鍵點。以此為著力點，課題組通過正向和/或反向遺傳學(xué)途徑，篩選和克隆涉及植物重金屬超量積累(或降低重金屬吸收)的關(guān)鍵基因，并闡明了其作用機理。該研究不僅有助于揭示植物耐受重金屬毒害的分子機理，而且可為利用植物修復(fù)技術(shù)治理土壤中重金屬污染提供新的基因資源并為從源頭上控制農(nóng)產(chǎn)品食品安全提供新的技術(shù)途徑。

鎘是生物毒性最強的重金屬之一，曹樹青課題組通過一種新型基因工程技術(shù)，首次發(fā)現(xiàn)使植物能將有毒物質(zhì)鎘吸收后“轉(zhuǎn)存隔離”的新機制，從而降低并解決了土壤中的鎘污染問題。課題組利用正向遺傳學(xué)途徑篩選和鑒定了一個擬南芥耐鎘突變體xcd1-D，并克隆了其相應(yīng)的基因MAN3，該基因編碼一個1,4-糖苷水解酶。過量表達(dá)MAN3基因?qū)е骆k的耐受和積累，而MAN3基因功能缺失則該突變體表現(xiàn)出對鎘敏感。鎘脅迫誘導(dǎo)MAN3基因表達(dá)、增加甘露聚糖水解酶活性及甘露糖水平，從而激活谷胱甘肽依賴的植物螯合素合成途徑上的相關(guān)基因協(xié)調(diào)表達(dá)，進(jìn)而增加植物對鎘積累和耐受。

如今，研究已經(jīng)初見成效。該成果發(fā)現(xiàn)了MAN3及其介導(dǎo)的甘露糖的新功能，首次揭示了植物響應(yīng)重金屬鎘脅迫過程中新的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，為土壤重金屬污染植物修復(fù)基因工程提供了新的技術(shù)途徑和基因資源。借助于模式植物擬南芥克隆耐受鎘毒害及調(diào)控鎘積累的關(guān)鍵基因，并將其運用于重金屬污染土壤的植物修復(fù)，這無論在理論上還是實踐上都具有重要的意義和實踐價值。

日前，這一原創(chuàng)性成果于2014年10月20日在國際植物學(xué)知名學(xué)術(shù)期刊《新植物學(xué)家》上在線發(fā)表，并獲得第十三屆全國農(nóng)業(yè)生物化學(xué)與分子生物學(xué)學(xué)術(shù)研討會優(yōu)秀論文獎，引起各大主流媒體廣泛關(guān)注和報道。

植物修復(fù)技術(shù)是一條較適合我國國情的土壤修復(fù)途徑，雖說還有一些方面存在不足，但一直都在不斷完善。曹樹青教授認(rèn)為，“鑒于“十二五”期間國家對農(nóng)田土壤重金屬污染的重視，植物修復(fù)一旦得到推廣，那么對于超富集植物的需求量將會越來越大，目前，我們正在進(jìn)一步深入挖掘植物響應(yīng)重金屬鎘信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子調(diào)控機制，并對植物響應(yīng)其他重金屬包括砷及鉛等的分子調(diào)控機制也在進(jìn)一步研究中，最終通過植物修復(fù)基因工程來技術(shù)獲得超富集植物并進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化利用。”目前，他正帶領(lǐng)課題組進(jìn)一步研究針對砷、鉛等其他重金屬的植物修復(fù)機制，并致力于產(chǎn)業(yè)化探索。

農(nóng)業(yè)技術(shù)助力糧食安全

抗逆是植物對不良的特殊環(huán)境的適應(yīng)性和抵抗力，我國是一個農(nóng)業(yè)大國，提高植物的抗逆性，提高農(nóng)業(yè)豐產(chǎn)具有十分重要的意義。糧食始終是關(guān)系到國計民生和國家安危的重要問題，如何增強作物品種的抗逆性是目前我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上亟待解決的關(guān)鍵問題之一。利用轉(zhuǎn)基因育種提高作物的耐寒和抗旱能力無疑具有重要的理論與經(jīng)濟(jì)意義。

曹樹青

市場有需求，研究有積淀，曹樹青帶領(lǐng)課題組開展了“植物抗逆分子生物學(xué)”研究，即利用轉(zhuǎn)基因育種等技術(shù)增強作物品種的抗逆性，提升植物對抗不良環(huán)境的能力。他們以模式植物擬南芥為材料，通過正向和/或反向遺傳學(xué)途徑，利用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)和基因工程手段，篩選和克隆抗逆關(guān)鍵基因，闡明其功能，并用于作物抗逆分子遺傳改良。

目前，該項研究已獲得具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新基因。不僅對于揭示植物抗逆分子機理具有重要的理論意義，而且為作物抗逆遺傳改良提供了新的基因資源。

一路耕耘，一路芬芳。曹樹青教授已先后主持國家級和省部級以及企業(yè)委托等課題20余項，指導(dǎo)國家大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃項目2項和校級大學(xué)生創(chuàng)新項目7項，主持校級精品課程及研究生教改項目各1項，參與省部級教改項目3項。先后在國內(nèi)外權(quán)威和核心刊物上發(fā)表學(xué)術(shù)論文80余篇，其中在國際知名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表SCI收錄的論文30余篇。獲授權(quán)(或申請)國家發(fā)明專利14項。參與撰寫973專著1部。

從工作后研究肥料到研究光合作用再到轉(zhuǎn)向基因研究，曹樹青的研究方向雖然發(fā)生了巨大的變化，但是追求黑土地“綠富美”的信念卻從未改變。

看著自己治理過的土壤條件日漸健康，長出的蔬菜和水果越來越有老一輩人當(dāng)年吃過的味道，農(nóng)戶臉上的笑容越來越多，曹樹青感覺特別有成就感，他的“綠色農(nóng)業(yè)夢”正一步步變成現(xiàn)實。他說，“土地是我最大的靈感。我從農(nóng)民中來，還要到農(nóng)民中去。自己要做中醫(yī)，從根本上恢復(fù)農(nóng)業(yè)原有的生命狀態(tài)，解決食品安全問題。”