Эксперименты по поиску растений-гиппераккумуляторов
Мировой опыт показывает, что существуют виды растений, накапливающие избыток тяжелых металлов, а также виды, аккумулирующие пестициды и разрушающие их до безвредного состояния. Известны так называемые рудеральные растения, произрастающие на загрязненных, бросовых территориях: сарептская горчица, ярутка, бурачок, конопля, лебеда и др. Выявлено, что некоторые дикие злаковые растения также приспособлены к загрязненным условиям почвы тяжелыми металлами.
Виды растений, накапливающие избыток металлов (сверхнакопители), привлекают внимание ученых всего мира. Пороги накопления разнятся для различных металлов (табл. 4).
Таблица 4. Предельные концентрации различных металлов у растений сверхнакопителей.
| Содержание металла, мкг/г сухого веса | Накопление металла, % от сухого веса | Накапливаемый металл |
| 0,01 0,10 1,00 | Cd, As и некоторые другие микроэлементы Co, Cu, Cr, Ni и Pb Mn и Ni |
Растения-сверхнакопители металлов — это чрезвычайно интересные модельные организмы, которые преодолели большинство физиологических барьеров, ограничивающих накопление металлов в побегах и токсическое действие металлов. В природе сверхнакопители чаще всего встречаются в зонах сильного загрязнения металлами или в зонах, где концентрация металлов необычно высока. Среди видов наземных растений, впервые описанных как сверхнакопители, мы находим представителей рода Thlaspi, которые накапливают Zn, Cd и Pb, и рода Alyssum, накапливающих Ni. Особый интерес представляют накопитель Zn Thlaspi caerulescens, накопитель Pb Armeria maritima и два африканских вида растений, Aeolanthus biformifolius и Haumaniastrum katangense, накапливающих Сu и Со
Позже были описаны сверхнакопители селена и свинца, например, Brassica juncea и В. nigra. В вегетационных опытах с почвенной культурой герани с запахом лимона (Pelargonium сорт Frenshain) растения накапливали высокие концентрации Cd, Pb, Ni и Сu. Растения-сверхнакопители металлов обитают на почвах, обогащенных металлами, и накапливают их в побегах до концентраций, которые на 1-3 порядка превышают концентрации металлов в тканях растущих рядом «нормальных» растений. Сверхнакопление показано для следующих металлов (% в расчете на биомассу надземных органов): кадмия (до 0,2%), кобальта (до 1,2%), никеля (до 3,8%) и цинка (до 4%); содержание селена, который не является металлом, достигает 0,4%, а металлоида мышьяка – 0,75%.
Практически выгодная возможность использовать растения-сверхнакопители определяется скоростью накопления металлов (г металла на кг растительной ткани), помноженной на скорость накопления биомассы (кг биомассы на га в год), так что количество удаленного из почвы металла имеет размерность г металла на г растительной биомассы с га в год.
Для того чтобы приобрести практическое значение, растения должны удалять от нескольких сот до тысячи кг металла/(га год), но даже при такой скорости удаления загрязнителя очистка может растянуться на 15—20 лет, в зависимости от начальной концентрации металла и глубины загрязненного слоя почвы. Однако у некоторых видов-сверхнакопителей токсичные металлы тормозят накопление биомассы. Так, исходя из теоретических расчетов, основанных на скорости накопления цинка растениями Thlaspi в 125 кг/(га*год), на восстановление типичного участка может уйти 16 лет. Создается впечатление, что такиесроки улучшения почв слишком велики для практического использования технологии.
Растения слабо усваивают многие тяжелые металлы – например, тот же свинец – даже при их высоком содержании в почве из-за того, что они находятся в виде малорастворимых соединений. Поэтому концентрация свинца в растениях обычно не превышает 50 мг/кг, и даже индийская горчица, генетически предрасположенная к поглощению тяжелых металлов, накапливает свинец в концентрации всего 200 мг/кг, даже если растет на почве, сильно загрязненной этим элементом.
Проблему удалось решить, когда обнаружили, что поступление тяжелых металлов в растения стимулируют вещества (например, этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭТДА)), образующие с металлами в почвенном растворе устойчивые, но растворимые комплексные соединения. Так, стоило внести подобное вещество в почву, содержащую свинец в концентрации 1200 мг/кг, как концентрация тяжелого металла в побегах индийской горчицы возрастала до 1600 мг/кг!
Успешные эксперименты с этилендиаминтетрауксусной кислотой позволяют предположить, что растения усваивают малорастворимые соединения тяжелых металлов в результате того, что их корни выделяют в почву какие-то природные вещества-комплексообразователи. Например, известно, что при недостатке в растениях железа их корни выделяют в почву так называемые фитосидерофоры, которые переводят в растворимое состояние содержащиеся в почве железосодержащие минералы. Однако было замечено, что фитосидерофоры способствуют и накоплению в растениях меди, цинка, марганца.
Лучше всего изучены фитосидерофоры ячменя и кукурузы – мугеиновая и дезоксимугеиновая кислоты, а также выделяемая овсом авениковая кислота; роль фитосидерофоров, возможно, играют и некоторые белки, обладающие способностью связывать тяжелые металлы и делать их более доступными для растений.
Доступность для растений тяжелых металлов, связанных с частицами почвы, повышают и находящиеся в мембранах корневых клеток ферменты редуктазы. Так, установлено, что у гороха, испытывающего недостаток железа или меди, повышается способность восстанавливать ионы этих элементов. Корни некоторых растений (например, фасоли и других двудольных) могут при недостатке железа повышать кислотность почвы, в результате чего его соединения переходят в растворимое состояние. В повышении биологической доступности тяжелых металлов немалую роль может играть и корневая микрофлора.
Дальнейшего развития методов фиторемедиации можно ожидать после того, как методами генной инженерии будут созданы растения, способные более эффективно, чем известные виды, концентрировать тяжелые металлы.
Источник
Растения аккумуляторы тяжелых металлов список
4.5. Устойчивость растений к тяжелым металлам
Загрязнение среды тяжелыми металлами происходит в результате сжигания топлива, деятельности горнодобывающей промышленности, сбрасывания сточных вод и внесения в почву удобрений. Тяжелые металлы поступают в растение преимущественно через корневую систему из почвы, в меньшей степени – через листья. Скорость поглощения растением металлов зависит от рН почвенного раствора, содержания органических веществ в почве и концентрации других ионов.
Основная часть высших растений повреждается избыточным содержанием тяжелых металлов. Однако многие растения способны накапливать в основном в надземных органах большие количества тяжелых металлов, многократно превышающие их концентрации в почве. Эти растения так и называются растениями-аккумуляторами, которые в процессе эволюции, произрастая на почвах геохимических аномалий, сформировали конститутивные механизмы устойчивости к тяжелым металлам, что позволяет им аккумулировать токсичные элементы в метаболически инертных органах и органеллах или включать их в хелаты и тем самым переводить в физиологически безопасные формы. Подобные виды растений начинают активно использовать для разработки технологий биологической очистки, загрязненных территорий.
Помимо растений-аккумуляторов существуют растения-индикаторы и растения-исключатели. У растений-индикаторов содержание металла в клетках соответствует его содержанию в почве. В побегах растений-исключателей поддерживается низкая концентрация металлов, несмотря на высокую концентрацию в окружающей среде. В этом случае барьерную функцию выполняет корень.
Влияние тяжелых металлов на физиологические процессы. В основе токсического действия тяжелых металлов лежит их способность связываться с серосодержащими веществами и образовывать с ними прочные соединения. Одним из наиболее распространенных отрицательных эффектов тяжелых металлов является их взаимодействие с SH -группами белков, что приводит к инактивации ферментов и изменению других биологических свойств макомолекул и сопровождается нарушением клеточного метаболизма и физиологических процессов. В настоящее время известны более 100 ферментов, инактивирующихся тяжелыми металлами.
Наиболее общие проявления действия тяжелых металлов на растения – это ингибирование фотосинтеза, нарушение транспорта ассимилятов и минерального питания, изменение водного и гормонального статусов организма и торможение роста.
Тяжелые металлы ингибируют фотосинтез, нарушая ультраструктуру хлоропластов, тормозя синтез фотосинтетических ферментов и снижая количество хлорофилла, пластохинона и каротиноидов, вызывая дефицит СО2 из-за закрывания устьиц. Типичным результатом действия кадмия и ряда других тяжелых металлов является уменьшение содержания хлорофилла, причем концентрация хлорофилла b снижается сильнее, чем хлорофилла а. Это действие кадмия является следствием как торможения синтеза хлорофилла, так и его деградации. В присутствии таких тяжелых металлов, как С u , Pb , Cd снижается активность ключевых ферментов фотосинтеза РуБФ-карбоксилазы и ФЕП-карбоксилазы. Кроме того, ингибируется активность карбоангидразы при действии повышенных концентраций кадмия. Тяжелые металлы влияют и на световую фазу фотосинтеза, нарушая транспорт электронов, преимущественно связанный с фотосистемой II , что обусловлено изменением структуры тилакоидных мембран, нарушением синтеза пластохинона и снижением активности ферредоксин-НАДФ + -оксидоредуктазы.
Действие тяжелых металлов на дыхание изучено слабо. Тем не менее установлено, что кадмий снижает поглощение кислорода корнями и изолированными клетками табака. Он ингибирует транспорт электронов и протонов в митохондриях, что может приводить к нарушению работы электронно-транспортной цепи. Кадмий ингибирует активность ключевых ферментов гликолиза и пентозофосфатного окислительного пути.
Под действием тяжелых металлов нарушается водный статус растения. Замечено, что многие растения в промышленных районах характеризуются меньшей оводненностью тканей и пониженной интенсивностью транспирации, что нарушает тепловой режим листа. Изменение водного статуса растения является следствием многих причин: понижения эффективности осморегуляции, уменьшения эластичности клеточных стенок, нарушения водопоглотительной способности корня. Водопоглотительная способность корня падает вследствие ингибирования формирования новых боковых корней и корневых волосков, замедления линейного роста корня, снижения контакта корневой системы с почвой, торможения транспорта ассимилятов из побегов в корневую систему. Кроме этого, ускоряется отмирание кончика корня, возрастает лигнификация и суберинизация клеток, увеличивается содержание АБК, вызывающей закрывание устьиц.
Тяжелые металлы в большинстве случаев ингибируют поглощение клетками корня как катионов, так и анионов. Торможение поглощения макро- и микроэлементов может быть обусловлено конкуренцией с тяжелыми металлами за переносчики. Другой причиной нарушения ионного гомеостаза в клетках является отток ионов (например, калия) из корней вследствие изменения под действием тяжелых металлов активности мембранных ферментов и повреждения мембран. У разных растений реакция может быть крайне неодинаковой. Так, аккумуляция меди снижалась в присутствии кадмия в корнях райграса, кукурузы, капусты и клевера, но увеличивалась в корнях риса и не изменялась в корнях тыквы и огурца.
Наиболее чувствителен к действию тяжелых металлов рост. Причем рост корня более чувствителен, чем рост побега. Кадмий и свинец сильнее ингибируют рост главного корня проростка, чем образование боковых корней, в результате корневая система приобретает компактную форму. Наиболее устойчиво к тяжелым металлам прорастание семян, что обусловлено низкой проницаемостью для них семенной кожуры. Ингибирование роста тяжелыми металлами является следствием снижения скорости как деления, так и растяжения клеток. В основе этого явления могут быть уменьшение оводненности тканей, удлинение митотического цикла, нарушение эластичности клеточных стенок и формирования микротрубочек.
Таким образом, практически все физиологические процессы в растении подвержены негативному действию тяжелых металлов. Тем не менее растения способны расти и на загрязненных тяжелыми металлами территориях, используя специальные адаптивные механизмы.
Адаптация растений к тяжелым металлам. Растения выработали целый ряд приспособительных механизмов, защищающих клеточный метаболизм от присутствующих в окружающей среде тяжелых металлов. Эти механизмы включают: связывание тяжелых металлов клеточной стенкой и выделяемыми клеткой веществами (эксудатами); снижение поступления в клетку тяжелых металлов и выброс их из цитоплазмы в апопласт; хелатирование в цитоплазме пептидами и белками; репарацию поврежденных белков и компартментацию металлов в вакуоли с помощью переносчиков тонопласта. Рассмотрим некоторые из этих механизмов подробнее (рис.).
Рис. Механизмы устойчивости растений к тяжелым металлам
Клеточная стенка и корневые эксудаты . Связывание тяжелых металлов стенками клеток корня – первый рубеж «обороны» от присутствующих в почвенном растворе металлов. Цель этого механизма – снизить проникновение тяжелых металлов в протопласт. Подобный механизм функционирует, например, у толерантной к тяжелым металлам смолевки обыкновенной, которая аккумулирует их в клеточных стенках эпидермы за счет связывания с белками ли силикатами.
Выделяемая клетками и покрывающая поверхность корня слизь ограничивает проникновение тяжелых металлов в клетки, т.е. выполняет барьерную функцию. Тяжелые металлы связываются с карбоксильными группами уроновых кислот слизи.
Иногда выделяемые в почву эксудаты корней могут содержать гистидин, цитрат и другие хелаторы тяжелых металлов. Подобный механизм используется при детоксикации такого легкого металла, как алюминий. Интересно, что в данном случае у растений, например, гречихи в корнях образуется щавелевая кислота, которая не выбрасывается наружу, а поступает в листья, где алюминий аккумулируется в виде нетоксичного оксалата алюминия.
Плазмалемма играет важную роль в поддержании низкой концентрации тяжелых металлов не только за счет предотвращения или снижения интенсивности их поступления в клетку, но и за счет активного выброса их наружу. В бактериях наиболее эффективной защитой от избытка тяжелых металлов является их активный транспорт из цитоплазмы через плазмалемму. В растениях механизмы транспорта тяжелых металлов в клетку и наружу очень слабо изучены. Белки теплового шока (БТШ) не только выполняют функцию молекулярных шаперонов, но могут участвовать и в защите макромолекул и в репарации поврежденных при стрессе белков. Как уже известно, синтез белков теплового шока вызывается, прежде всего, высокой температурой, но отдельные их компоненты могут синтезироваться и в ответ на действие других стрессоров, в частности тяжелых металлов. Речь идет о группе низкомолекулярных белков (молекулярная масса 16-20 кДа) и высокомолекулярного белка БТШ-70. В культуре клеток томата БТШ-70 синтезируется не только при тепловом шоке, но и под действием кадмия. Этот белок локализован в ядре, цитоплазме и плазмалемме. Было высказано предположение, что БТШ-70 участвует в защите плазмалеммы от повреждения кадмием, так как кратковременная тепловая обработка клеток перед действием кадмия повышала устойчивость мембран к этому металлу.
Фитохелатины и другие хелаторы тяжелых металлов . Хелаты – вещества, образующие с металлом комплексную соль, в которой металл закреплен по всем валентностям и находится внутри молекулы, поэтому его возможности вступать в реакцию резко снижаются. Хелатирование металлов (образование хелатов) в цитозоле является очень важным механизмом детоксикации тяжелых металлов.
Лигандами (от лат. ligare – связывать), т.е. веществами, образующими с металлом хелат, могут служить аминокислоты, органические кислоты и два класса пептидов: фитохелатины и металлотионеины. Наиболее обстоятельно исследованы в растениях фитохелатины.
Фитохелатины (ФХ) – это пептиды, которые синтезируются в ответ на обработку растения тяжелыми металлами, активно связывают металлы и имеют структуру. Фитохелатины синтезируются не на матрице, а с помощью фермента фитохелатинсинтазы (ФХ-синтазы), использующей глутатион в качестве субстрата.
Не все тяжелые металлы одинаково эффективно индуцируют синтез фитохелатинов, и не во всех случаях имеются доказательства их защитного действия. Еще предстоит выяснить участие фитохелатинов в развитии устойчивости растений к цинку, никелю, меди и некоторым другим тяжелым металлам.
Металлотионеины (МТ) – это низкомолекулярные полипептиды, содержащие большое количество цистеина и активно связывающие металлы. Название этих соединений указывает на присутствие серы в их молекулах (греч. theion – сера). Металлотионеины были исследованы у животных и грибов. Способность растительных металлотионеинов связывать тяжелые металлы и тем самым их обезвреживать еще предстоит доказать.
В отличие от фитохелатинов металлотионеины кодируются генами и синтезируются на рибосомах обычным матричным способом. Обнаружены два класса генов, которые кодируют у арабидопсиса четыре типа металлотионеинов. Проростки арабидопсиса отвечали на присутствие меди интенсивной аккумуляцией мРНК одного из типов металлотиотеинов, но слабо реагировали на кадмий и цинк. Кроме того, установлена способность генов металлотионеинов арабидопсиса повышать устойчивость дрожжевых клеток к меди. У десяти экотипов арабидопсиса обнаружена корреляция между интенсивностью синтеза МТ2 и чувствительностью к меди.
Потенциально органические кислоты и аминокислоты (лимонная, яблочная, гистидин) являются лигандами для связывания тяжелых металлов и могут участвовать в повышении устойчивости растений. Однако прямых доказательств подобной роли этих соединений в растениях пока нет.
Компартментация тяжелых металлов в вакуолях . Выброс ионов через плазмалемму наружу или их транспорт в вакуоль – это два пути уменьшения избыточных, токсичных концентраций металлов в цитозоле. Выше уже говорилось, что аккумумуляция комплекса «кадмий-фитохелатин» в вакуоли происходит с помощью АВС-переносчика. Появляются данные, что в вакуоли могут аккумулироваться и другие тяжелые металлы, приносимые в нее с помощью других транспортных систем тонопласта. Было показано, что вакуоль является местом аккумуляции также Мо и Zn . Подобная компартментация Zn важна для выживания, например, растений ячменя. Более того, из растений арабидопсиса был изолирован ген (ТАТ), гомологичный гену переносчика цинка в клетках животных ( ZnT ). Перенос этого гена в растение и его активная экспрессия приводила к значительному увеличению устойчивости к цинку и аккумуляции этого металла в корнях при высокой концентрации его в среде. Следовательно, переносчик цинка мог участвовать в аккумуляции этого металла в вакуоли и тем самым в устойчивости растений (Кузнецов, 2005).
Таким образом, целый ряд механизмов повышения толерантности растений к тяжелым металлам направлен на удаление избыточного содержания металла из цитоплазмы и тем самым на предотвращение его возможных токсических эффектов. Для развития устойчивости к данному конкретному металлу используется не один, а несколько различных механизмов. Какого-либо единственного механизма, обеспечивающего толерантность растения к нескольким разным тяжелым металлам, не существует. Механизмы восприятия растением сигнала от действия тяжелого металла и трансдукции (передачи) этого сигнала к генам в настоящее время не известны.
Источник