Hiperakumuliaciniai augalai — metalus kaupiantys augalai ir jų reikšmė
Hiperakumuliaciniai augalai kaupia Ni, Cd, Pb ir kitus metalus — svarbūs fitoremediacijai, biodiversiteto apsaugai ir genų tyrimams; praktinė reikšmė aplinkos valymui.
Hiperakumuliacinis augalas - tai augalas, galintis augti dirvožemyje, kuriame yra labai didelė metalų koncentracija.
BBC pristatė Naujosios Kaledonijos saloje augantį medį Pycnandra acuminata, kuris auga dirvožemyje, kuriame gausu nikelio. Taip elgiasi daugybė skirtingų augalų, priklausančių kelioms skirtingoms augalų šeimoms.
Metalų hiperakumuliacijos privalumas gali būti tas, kad toksiškas sunkiųjų metalų kiekis lapuose atbaido žolėdžius (apsauga nuo žolėdžių).
Keletas genų šeimų dalyvauja hiperakumuliacijoje, įskaitant sunkiųjų metalų absorbciją ir saugojimą. Dažniausiai dalyvauja ZIP šeimos genai. Šie genai koduoja membraninius receptorius, kuriais pernešamos, pavyzdžiui, cinko molekulės.
Šie hiperakumuliacijos genai (HA genai) aptinkami daugiau kaip 450 augalų rūšių, įskaitant modelinius organizmus Arabidopsis ir Brassicaceae. HA genų raiška leidžia augalui pasisavinti ir sekvestruoti tokius metalus kaip As, Co, Fe, Cu, Cd, Pb, Hg, Se, Mn, Zn, Mo ir Ni, kurių koncentracija 100-1000 kartų viršija giminingų rūšių ar populiacijų koncentraciją.
Kas vyksta ląstelėje ir kokie mechanizmai veikia?
Metalo įsisavinimas prasideda šaknų paviršiuje: specializuotos transportinės baltymų šeimos praleidžia jonus per membranas. Be ZIP šeimos, dažnai svarbūs yra HMA (heavy metal ATPases), NRAMP ir MTP baltymai, taip pat transporto sistemos, reguliuojančios metalų perkėlimą iš šaknų į stiebus ir lapus.
Detoksikacija ir saugojimas vyksta keliais būdais: metalai kompleksuojami su peptidais (pvz., fitokelatinais arba metalotioneinais), nukreipiami į vakuoles arba specifines audinių zonas (pvz., lapų epidermę, trichomas), kur jie mažiau kenkia ląstelės biocheminėms funkcijoms. Kai kurių augalų atveju metalai kaupiasi pienelyje arba kitame specializuotame audinyje (pvz., Pycnandra acuminata nikeliu praturtintame latekse).
Reikšmė ir panaudojimas
- Ekologinė apsauga: aukštas metalų kiekis lapuose gali veikti kaip apsauga nuo žolėdžių ir patogenų.
- Biomonitoringas: hiperakumuliaciniai augalai naudojami aplinkos užterštumo žymėjimui ir stebėsenai, nes jie kaupia metalus iš dirvožemio.
- Fitoremedijavimas: tokie augalai taikomi dirvožemio valymui – jie pasisavina ir kaupia teršalus, kurie vėliau surenkami kartu su žaliava. Tai ekonomiška ir mažiau invazinė alternatyva cheminiams ar mechaniniams valymo metodams.
- Fitominingas: kai kurie hiperakumuliatoriai (pvz., tam tikros alysuminės gentys ir kiti Ni-kaupiantys augalai) gali būti auginami specialiai kritinėms metalų atsiėmimo operacijoms, kai metalai išgaunami iš augalinės biomases.
- Rizikos: kaupimo mechanizmai gali sukelti pavojų gyvūnams ir žmonėms, jeigu tokie augalai patenka į maisto grandinę; taip pat masinis tokių augalų išvežimasis iš natūralios buveinės dėl fitominingo gali pakenkti ekosistemoms.
Pavyzdžiai ir paplitimas
Hiperakumuliatoriai aptinkami įvairiuose pasaulio regionuose, ypač ant ultramafinių (serpentininių) dirvožemių, kurie natūraliai yra turtingi nikelio, chromo ir kitų metalų. Be Pycnandra acuminata, gerai ištirti pavyzdžiai yra Alyssum (kai kurios rūšys kaupiančios Ni), Noccaea (Thlaspi) caerulescens kaupiančios Zn ir Cd, Arabidopsis halleri kaip Zn/Cd hiperakumulatorius, ir paprastieji paparčiai Pteris vittata, efektyviai kaupiantys arseno junginius. Iš viso HA genai aptinkami šimtinėse gentyse ir daugiau kaip 450 rūšių, priklausančių skirtingoms augalų šeimoms.
Moksliniai tyrimai ir perspektyvos
Mokslininkai tiria genominius ir fiziologinius skirtumus tarp hiperakumuliatorių ir artimai giminingų, bet nekaupiančių rūšių, siekdami suprasti reguliavimą ir transporto maršrutus. Genetiniai tyrimai leidžia identifikuoti tikslinius genus, kuriuos būtų galima naudoti selekcijai ar inžinerijai – tai atveria galimybes kurti efektyvesnius fitoremedijavimo organizmus arba geriau suprasti augalų prisitaikymą prie ekstremalių aplinkos sąlygų.
Tuo pačiu akcentuojama atsarga: bet koks naudojimas – tiek fitoremedijavimas, tiek fitominingas ar genų redagavimas – turi būti vykdomas atsižvelgiant į ekologinius ir socialinius aspektus, vertinant poveikį buveinėms, vietinėms bendruomenėms ir maisto grandinei.
Klausimai ir atsakymai
Klausimas: Kas yra hiperakumuliacinė medžiaga?
A: Hiperakumuliacinis augalas - tai augalas, galintis augti dirvožemyje, kuriame yra labai didelė metalų koncentracija.
K: Koks yra hiperakumuliacinio augalo pavyzdys?
A: BBC pateikiamas hiperakumuliacinio augalo pavyzdys yra Pycnandra acuminata, augantis dirvožemyje, kuriame gausu nikelio.
K: Kokią naudą augalams teikia metalų hiperakumuliacija?
A: Metalų hiperakumuliacijos privalumas gali būti tas, kad toksiškas sunkiųjų metalų kiekis lapuose atbaido žolėdžius ir padeda apsisaugoti nuo žolėdžių.
K: Kokia genų šeima dalyvauja metalų hiperakumuliacijoje?
A: Metalų hiperakumuliacijoje paprastai dalyvauja ZIP genų šeima. Šie genai koduoja membraninius receptorius, kuriais pernešamos, pavyzdžiui, cinko molekulės.
K: Kiek rūšių gyvūnų turi HA genų?
A: Nustatyta, kad HA genų turi daugiau kaip 450 augalų rūšių.
K.: Kokius metalus galima sekvestruoti išreiškus HA genus?
A: Tokie metalai kaip As, Co, Fe, Cu, Cd, Pb, Hg, Se, Mn, Zn , Mo ir Ni gali būti sekvestruojami HA genų raiška, kai jų koncentracija 100-1000 kartų viršija giminingų rūšių ar populiacijų koncentraciją.
Ieškoti