Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Устойчивость растений к действию тяжелых металлов

10.11.2018

Роль металлотионеинов и фитохелатинов в устойчивости к тяжелым металлам. Попадая в живую клетку, часть ионов металлов связывается с низкомолекулярными белками или пептидами. В 1957 г. впервые был выделен необычный кадмийсвязывающий белок, названный металлотионеином (MT) из-за высокого содержания металла и серы. После обработки кадмием некоторых видов растений МТ-подобные белки были выделены из корней и листьев.

В настоящее время из многих растений выделены небольшие, богатые цистеином пептиды, способные связывать ионы TM через SH-группы, названные кадистинами А и Б, или фитохелатинами (ФХ). Эти соединения образуют комплекс с кадмием с молекулярной массой примерно 3,6 кДа. Во многих случаях ранее выделенные белки оказались ФХ.

Существуют структурные различия между металлсвязывающими соединениями растений и животных. Синтез ФХ осуществляется без участия мРНК. Металлотионеины млекопитающих, в отличие от фитохелатинов, являются первичными генными продуктами.

Одновременно с синтезом ФХ в растениях наблюдается уменьшение пула клеточного глутатиона, из чего был сделан вывод о его участии в синтезе ФХ. Увеличение активности ферментов синтеза глутатиона коррелировало с усилением экспрессии соответствующих генов, активность которых регулируется жасмоновой кислотой. При ингибировании ферментов, ответственных за биосинтез глутатиона, скорость синтеза ФХ существенно снижалась.

Синтез ФХ катализируется фитохелатинсинтазой. По степени уменьшения активности фитохелатинсинтазы TM располагались в следующем порядке:

Роль TM сводится, вероятно, к активации этого фермента. Как только все ионы металла связаны, синтез ФХ прекращается. Дефицит фермента коррелирует с гиперчувствительностью к кадмию и меди.

Синтез ФХ не индуцировался в присутствии ионов Al3+, Ca2+, Co2+, Cr2+, Cs+, K+, Mg2+, Mn2+, MoO4в2-, Na+ и Va2+. Его индукцию вызывали 1 мМ Pb2+ и Zn2+; 100 мкМ Cd2+, Ni2+, Sn2+, SeO2 и Bi3+; 50 мкМ Ag+, Cu2+ и Au+; 20 мкМ AsO4в3-; 10 мкМ Sb3+ и Te4+.

ФХ участвуют в защите ферментов от токсичного действия TM. Так, например, кадмий в форме Cd-связывающего комплекса был в 10—100 раз менее токсичным для нитрат-редуктазы, чем его нитратная форма в той же концентрации. Как устойчивые, так и чувствительные клеточные линии и сорта синтезируют ФХ, т. е. сам по себе синтез не определяет устойчивость клеток к кадмию.

Помимо ФХ важную роль в детоксикации Cd2+ играют металлотионеины. Геном одного растения может содержать несколько МТ-подобных генов. Так, например, у Arabidopsis thaliana имеется 6 МТ-подобных генов, которые кодируют разные белки.

Активное участие в защите клетки от токсического действия TM могут принимать также белки теплового шока (БТШ), синтез которых индуцируется у ряда видов растений под действием Cd2+. Недавно были получены данные о структуре гена Hvhsp17, ответственного за синтез БТШ у кукурузы и ячменя. Экспрессия этого гена усиливалась в присутствии Cd2+.

Таким образом, TM вызывают многочисленные и разнообразные изменения метаболизма (рис. 11.8), типичные для других стрессоров.

Видимо, значительная часть эффектов металлов определяется развитием в клетках стрессовых реакций, возникающих в ответ на избирательное повреждение отдельных процессов, например ингибирование ферментов, в состав активных центров которых входят SH-группы. В ответ на поступление металлов происходит активация различных систем защиты, направленных на поддержание гомеостаза. К таким системам относятся: 1) активация ферментов стресса (каталазы, пероксидазы, супероксиддисмутазы); 2) суперпродукция осмолитов в ответ на металл-индуцированный водный стресс; 3) изменение физико-химических свойств клеточных стенок; 4) синтез полиаминов; 5) изменение гормонального баланса; 6) синтез металлсвязывающих соединений и стрессовых белков. Все эти защитные механизмы обеспечивают выживание организма и его адаптацию в изменившихся условиях окружающей среды. Многие из этих механизмов (1—5) являются неспецифическими и характерны для действия различных стресс-факторов. Однако по сравнению с другими стресс-факторами можно проследить и некоторые черты специфичности, которые заключаются прежде всего в ином соотношении затронутых процессов. В некоторых случаях (например, при ингибировании ряда ферментов) может принципиально различаться и механизм действия.

Разные виды и даже популяции внутри одного вида существенно различаются по чувствительности к TM, что является основой образования металлофитной флоры. Эти отличия могут быть обусловлены различными механизмами, действующими на разных уровнях. Среди них можно назвать: 1) разную устойчивость к TM процессов их поглощения и транспорта; 2) преобладающее связывание TM в клеточной стенке и вакуоли толерантных популяций (у чувствительных популяций большее количество металлов поступает в цитоплазму); 3) различную скорость транспорта TM из корней в побеги и концентрирование их в отдельных тканях корня; 4) синтез устойчивых к TM ферментов; 5) активирование механизмов выведения ионов TM из клеток и др.

В ряде случаев они являются конституционными, во многих других индуцируются TM. Изучение этих механизмов на разных уровнях является одной из актуальных задач физиологии растений.

Фиторемидиация. Восстановление экосистем при помощи растений используется на практике для очистки окружающей среды от металлов и радионуклидов. По сравнению с существующими физическими и химическими методами мелиорации почвы, очистка при помощи растений экономичнее и наносит меньший ущерб окружающей среде.

Природные сверхнакопители металлов. Пороги накопления отличаются для разных металлов. Растения-сверхнакопители металлов преодолели большинство физиологических барьеров, ограничивающих накопление металлов в побегах и их токсическое действие. 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, можно найти представителей рода Thlapsi, накапливающих цинк, кадмий и свинец, и рода Alyssum, накапливающих никель. Особый интерес представляют накопитель цинка — Thlaspi caerulescens, накопитель свинца — Armenia maritima и два африканских вида растений, Aeolanthus biformifolius и Hawnaniastrum katangense, накапливающих медь и кобальт. Позже были описаны сверхнакопители селена и свинца — Brassicajuncea и Brassica nigra. Интересно, что в качестве накопителей выступают также полевые культуры, такие, как подсолнечник и фасоль. Растения-сверхнакопители обитают на обогащенных металлами почвах и накапливают их в побегах до концентраций, на 1—3 порядка превышающих 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%). Практическое использование растений-сверхнакопителей определяется скоростью накопления металлов (г/кг растительной ткани), помноженной на скорость накопления биомассы (кг биомассы на 1 га/год), что дает количество удаленного из почвы металла в г или в кг металла на 1 га в год. Практически значимо удаление растениями от нескольких сот до тысячи кг металла на 1 га в год. Ho даже при такой скорости удаления загрязнителя очистка может растянуться на 15—20 лет в зависимости от начальной концентрации металла и глубины загрязненного слоя почвы. Такие сроки улучшения почв слишком велики для практического использования технологии, и необходимо направленное изменение свойств растения методами молекулярной генетики.

Извлечение металлов при помощи растений (фитоэкстракция). В процессе фитоэкстракции корни растений поглощают загрязняющие вещества из почвы. Во многих случаях эти вещества переносятся в побеги и концентрируются в надземной биомассе растений. Чтобы корни могли поглощать связанные с почвенными частицами металлы последние должны быть переведены в растворимое состояние, т. е. освобождены от связанных с ними органических и неорганических компонентов почвы. Это достигается благодаря тому, что корни секретируют соединения, хелатирующие металлы, — редуктазы металлов. После солюбилизации ионы металлов проникают в корни по внеклеточному или внутриклеточному пути. В последнем случае необходимым участником процесса поглощения является ионный канал или белок-транспортер металла, расположенные в плазматической мембране клеток корня. Некоторые из этих каналов неспецифичны, т.е. могут использоваться различными металлами.

После поступления в корень ионы металлов накапливаются в вакуолях (часто в форме хелатов) или передвигаются в побеги. Известно, что некоторые виды-сверхнакопители накапливают металлы как в корнях, так и в побегах.

В США на практике применяется фитоэкстракция свинца. В зависимости от почвенных условий и концентрации металла, стоимость очистки при помощи растений (использующих только энергию солнца) может составлять всего 5% затрат, необходимых для других способов восстановления экосистем, загрязненных металлами.

Металлы, поглощаемые природными сверхнакопителями. С наибольшей легкостью растения поглощают кадмий, никель, цинк и медь, менее доступен для растений кобальт. Хотя свинец и считается малодоступным для живых организмов, однако и в этом случае возможна очистка почвы при помощи растений. При этом доступность для растений свинца возрастает в присутствии хелаторов. Данная технология используется там, где экономически не оправдывается обычная горнодобыча драгоценных или других промышленно важных металлов. Основным ее недостатком является слишком медленное поглощение металлов растениями, невыгодное для очистки почв на коммерческой основе. Поэтому необходимо создать (в том числе методами генной инженерии) формы растений со свойствами сверхнакопления металлов. Другая стратегия связана с использованием микоризных грибов-симбионтов.

Фитостабилизация. Эта технология основана на способности растений или выделяемых ими соединений стабилизировать содержание загрязняющих веществ в почве на низком уровне за счет поглощения или осаждения, что препятствует их мобилизации или вымыванию в форме, угрожающей здоровью людей. Возможные механизмы фитостабилизации включают удержание загрязнителя на поверхности или внутри лигнина, импрегнирующего стенки клеток, связывание с гумусом почвы и другие механизмы изоляции загрязняющих почву соединений, например, путем связывания с органическим веществом почвы. Эту технологию лучше всего применять к концу улучшения почвы традиционными методами или после выведения загрязненных участков из сельскохозяйственного оборота.

Перевод загрязняющих веществ в летучие формы с помощью растений. Это особая форма извлечения загрязнителей с помощью растений, пригодная только для высоколетучих соединений, в частности для очистки почвы от ртути. Однако в этом случае растений, способных справиться с этой задачей, в природе нет. Поэтому предстоит ввести в растения бактериальные гены восстановления ртути. Лабораторные опыты дали весьма обнадеживающие результаты.

Ризофильтрация. Эту технологию можно определить как использование корней растений для поглощения, концентрирования и/или осаждения из водных растворов потенциально опасных химических соединений, в первую очередь тяжелых металлов и радионуклидов. В водной культуре растения быстро удаляют из воды TM, концентрируя их в корнях и побегах. После уборки загрязненные TM растения можно захоронить или переработать для выделения металлов. К настоящему времени выявлены виды растений, способные накапливать значительные количества биомассы и удалять из воды значительные количества разнообразных металлов. Сконструированы проточные системы, в которых загрязненная вода многократно подается к растениям, а последние периодически удаляются и заменяются. Поскольку первичным механизмом удаления металлов из сточных вод является поглощение поверхностью растения, ризофильтрация сходна с биосорбцией — процессом, в котором живая или мертвая биомасса микробов, грибов или других организмов сорбирует значительные количества загрязнителей, например, TM. Помимо сорбции наружной поверхностью в ризофильтрации могут участвовать и другие, более медленные процессы, в том числе такие биологические процессы, как внутриклеточное поглощение, депонирование в вакуолях и перемещение в побеги, а также осаждение металлов растительными экссудатами (самый медленный из трех процессов).

Ризофильтрацию можно проводить in situ, очищая наземные водоемы, однако для очистки грунтовых вод и промышленных стоков гораздо эффективнее использовать наземные искусственно сооружаемые проточные реакторы. По завершении процесса очистки корни и другие ткани растений, содержащие TM, могут быть захоронены или использованы для выделения металла.

Молекулярно-генетические и физиологические основы сверхнакопления металлов в растениях. Сверхнакопитель Thlaspi caerulescens и близкий к нему вид Т. arvense, не обладающий этой способностью, различаются регуляцией транскрипции гена ZNT1 (zinc-transporter 1), отвечающего за поглощение ионов Cd2+ и Zn2+. По сравнению с Т. arvense, у Т. caerulescens выше экспрессия ZNT1 и скорость поглощения цинка корнями. Опосредованное цинком снижение уровня транскриптов ZNT1 у растения-сверхнакопителя происходит при наружной концентрации металла, в 50 раз превосходящей порог для Т. arvense.

У некоторых видов-сверхнакопителей никеля присутствие металла обусловливает значительное и зависимое от дозы металла повышение концентрации свободного гистидина в растении. Гистидин действует как специфичный хелатор, способный обезвредить Ni2+ и ускорить перенос никеля в ксилему корня с тем, чтобы дальнейший транспорт в побег осуществлялся с транспирационным током.

В побегах растений-сверхнакопителей детоксикация металлов достигается благодаря хелатированию металлов, внутриклеточной компартментации в вакуолях и апопласте или сосредоточению в эпидермисе или трихомах листьев. Системы детоксикации у растений еще только предстоит охарактеризовать на молекулярном уровне. Скрещивание растений-сверхнакопителей с обычными растениями и генетический анализ потомства этих гибридов поможет, вероятно, выявить гены, отвечающие за фенотипический признак сверхнакопления металлов. Судя по предварительным результатам генетического анализа F2-поколений от скрещивания Arabidopsis halleri ssp. Hailed — вида, устойчивого к кадмию и цинку и накапливающего эти металлы до высокой концентрации, с неустойчивым, но близким видом A. lyrata ssp. petraea, который не способен накапливать эти металлы, за сверхнакопление цинка и выносливость растений к цинку у A. halleri отвечает лишь небольшое число ведущих генов.

Роль трансгенных растений-сверхнакопителей металлов в восстановлении окружающей среды. Прежде всего необходимо оценить саму способность улучшать окружающую среду у таких видов растений, накапливающих металлы и/или способных расти в присутствии высоких концентраций металла в почве, как Silene vulgaris, Brassica oleracea, Raphanus sativus, и у таких сверхнакопителей металлов, как Thlaspi caerulescens и виды Alyssum. В полевых испытаниях растения второй группы удаляли металлы-загрязнители более эффективно. Чтобы очистить умеренно загрязненную почву от цинка и кадмия, растительную массу необходимо скосить соответственно 6 и 130 раз. В вегетационных опытах с Т. caerulescens медленный рост, столь характерный для растений-сверхнакопителей, ограничивает удаление цинка из загрязненной почвы, в то время как культурные виды Brassica, которые не являются сверхнакопителями, оказываются более эффективными благодаря большой биомассе. Чтобы фитоэкстракция стала практической технологией, необходимы радикальные преобразования, которые позволят увеличить накопление биомассы у сверхнакопителей или удельное накопление металлов у ненакапливающих видов.

Способность растений эффективно восстанавливать окружающую среду определяется многими факторами. Среди них можно назвать доступность микроэлемента-загрязнителя в почве для поглощения корнями растений, скорость его поглощения, степень выносливости растения или скорость превращения микроэлемента в менее токсичное (возможно, летучее) соединение и его транспорт из корня в побег. Некоторые переносчики, участвующие в переносе таких двухвалентных катионов, как Ca2+, Fe2+ и Zn2+, по всей видимости, могут переносить и другие двухвалентные катионы. Так, например, гетерологичная экспрессия у дрожжей гена A. thaliana IRT1 (от англ. Irоn-Repressed Transporter), принадлежащего к семейству генов переносчиков металлов ZIP (от англ. Zinc Irоn Permease), предполагает широкую специфичность переносчика по отношению к Cd2+, Fe2+, Mn2+, Zn2+ и, вероятно, другим двухвалентным катионам.

Сильным индуктором экспрессии IRT1 в растениях служит недостаток железа в питательной среде. Пополнение запаса железа приводит к репрессии этого гена. Эти наблюдения хорошо согласуются с сообщением о том, что поглощение кадмия проростками гороха усиливается при дефиците железа. Однако оба переносчика находятся под жестким контролем на транскрипционном и пост-транскрипционном уровне, и пока нет данных о генетической модификации растений с целью усиления экспрессии переносчиков из семейства ZIP. Вместе с тем генетическая модификация растений табака с целью повышения в них содержания белка NtCBP4 (предполагаемого канала для катионов в плазматической мембране) увеличила чувствительность растений к свинцу, содержание которого в побегах возросло в 1,5—2 раза вместе с устойчивостью растений к никелю.

Клетки дрожжей, экспрессирующие кДНК пшеницы, кодирующую низкоаффинный переносчик катионов LCT1, обнаруживали повышенную чувствительность к Cd2+ и накапливали его в повышенных количествах. Однако при сверхэкспрессии гена, кодирующего AtNramp3, представителя семейства переносчиков металлов Nramp, чувствительность растений к Cd2+ повышалась, но накопление кадмия в тканях не усиливалось.

При использовании растений для восстановления окружающей среды необходимо учитывать, что переносчик микроэлемента-загрязнителя в природных почвенных условиях способен транспортировать и другие конкурирующие катионы, например Ca2+ или Zn2+, особенно когда последние находятся в значительном избытке. Поэтому так важно выяснить, чем определяется специфичность мембранных переносчиков, чтобы затем создать видоизмененные переносчики с иной специфичностью.

Важнейшим принципом очистки от TM является связывание или хелатирование металлов. Интересно, что экспрессия гена MT млекопитающих в растениях табака под контролем конститутивного промотора снижала передвижение кадмия в побег. Так, при выращивании растений на растворах с низкой концентрацией кадмия (0,02 мкМ) содержание кадмия в листьях трансгенных растений было на 20% ниже, чем у растений дикого типа. Однако в полевых условиях трансгенные растения устойчиво не отличались от дикого типа ни по содержанию кадмия в листьях, ни по скорости роста. Таким образом, данные вегетационного опыта нельзя экстраполировать на условия почвенного питания в поле. Усиленная экспрессия генов MT позволяет увеличить устойчивость растений к кадмию. Так, кадмий в высокой концентрации (100—200 мкМ) не влиял на рост растений табака, активно экспрессирующих MT млекопитающих, в то время как рост растений дикого типа угнетался уже при концентрации кадмия 10 мкМ.

Таким образом, тяжелые металлы, поступая в растения, вызывают многочисленные изменения и нарушения, происходящие на разных уровнях организации: молекулярном, субклеточном, клеточном, тканевом и организменном (см. рис. 11.8). При этом степень ингибирования TM физиологических процессов и биохимических реакций зависит не только от их токсичности и концентрации в окружающей среде, но и от продолжительности действия и чувствительности к ним конкретного вида (экотипа, сорта, генотипа).

Растения располагают достаточно большим арсеналом специфических и неспецифических систем и механизмов защиты и детоксикации TM. Благодаря им в клетках и тканях растений происходят изменения, направленные в конечном счете на поддержание клеточного гомеостаза и повышение металлоустойчивости, что и позволяет более устойчивым видам (экотипам, генотипам) произрастать в условиях избытка TM в окружающей среде.

Однако острота проблемы, связанной с загрязнением значительных территорий TM и необходимостью совершенствования механизмов адаптации растений к этим условиям нарастает. Это объясняется тем, что, по крайней мере в ближайшей перспективе, тенденция к ухудшению состояния окружающей среды сохранится.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: