Hiperakumulatorji: rastline, ki shranjujejo težke kovine

Hiperakumulator je rastlina, ki lahko raste v tleh z zelo visokimi koncentracijami kovin. Takšne rastline lahko akumulirajo kovine v svojih listih, steblih ali koreninah v koncentracijah, ki so pogosto mnogo višje kot pri sorodnih vrstah. Hiperakumulacija ni le pasivno nabiranje — gre za aktivne biokemijske in fiziološke prilagoditve, ki rastlini omogočajo sprejem, transport in varno shranjevanje kovin.

BBC je predstavil drevo Pycnandra acuminata na otoku Nova Kaledonija, ki raste na tleh, bogatih z nikljem. To počne veliko različnih rastlin iz več različnih družin. Nekateri drugi znani primeri vključujejo vrste iz rodov Alyssum, Thlaspi (zdaj pogosto v Noccaea) in praproti, kot je Pteris vittata, ki akumulira arzen.

Kako deluje hiperakumulacija

Proces hiperakumulacije vključuje več korakov in različnih skupin genov:

• absorpcija kovin iz tal preko korenin;
• transport skozi koreninski apoplast in plazmodezme proti vodnim prevodnicam;
• celovito razporejanje po rastlini (faza transferja iz korenine v list);
• detoksikacija in shranjevanje v vakuolah, celičnih stenskih strukturah ali ločenih tkivih, kot so dlačnice (trihomi) ali listni robovi.

Pri hiperakumulaciji, vključno z absorpcijo in shranjevanjem težkih kovin, sodeluje več družin genov. Najpogosteje so vključeni geni iz družine ZIP. Ti geni kodirajo membranske receptorje za prenos na primer molekul cinka. Poleg ZIP-proteinov so pri procesih prepoznani tudi HMA (heavy metal ATPases), NRAMP (natural resistance-associated macrophage proteins), MTP (metal tolerance proteins) in proteini, ki zavezujejo kovine, kot so metalotioneini in peptidi tipa fito–chelata (phytochelatins). Ti sistemi omogočajo selektivno prestavljanje kovin, njihovo vezavo in varno kopičenje v celičnih predelkih.

Zakaj rastline akumulirajo kovine?

Prednost hiperakumulacije kovin je lahko v tem, da toksične ravni težkih kovin v listih odvračajo rastlinojedce (obramba pred rastlinojedstvom).

Poleg obrambne hipoteze obstajajo še druge možne koristi oziroma vzroki za hiperakumulacijo:

• zaščita pred patogeni in mikrobi, ki so občutljivi na kovine;
• konkurenčna prednost na tleh, kjer večina rastlin ne preživi zaradi strupenih koncentracij kovin;
• pomladitev kemijskih elementov v tleh, kjer lahko akumulirane kovine vplivajo na kemijo okolice in rastni habitat.

Katera elementa in kako močno?

Ti geni za hiperakumulacijo (HA geni) so prisotni pri več kot 450 rastlinskih vrstah, vključno z modelnimi organizmi Arabidopsis in Brassicaceae. Izražanje genov HA omogoča rastlini, da sprejme in zadrži kovine, kot so As, Co, Fe, Cu, Cd, Pb, Hg, Se, Mn, Zn, Mo in Ni, v 100- do 1000-krat večji koncentraciji, kot je v sestrskih vrstah ali populacijah. Stopnje akumulacije so odvisne od vrste kovine, genetske zasnove rastline in kemičnih pogojev tal (pH, organska snov, sorption).

Pomen in uporaba

• Fitoekstrakcija / fitoremediacija: uporaba hiperakumulativnih rastlin za sanacijo onesnaženih tal (odstranjevanje težkih kovin).
• Fitomining (bio–rudarstvo): gojenje hiperakumulatorjev za pridobivanje komercialno koristnih količin kovin (npr. niklja) iz mineralno bogatih tal.
• Raziskave genetske tolerance: odkrivanje genov in mehanizmov, ki bi lahko pomagali razviti odpornosti v kmetijskih kulturah ali rastlinah za rekultivacijo.
• Opozorilne rastline: uporaba hiperakumulatorjev kot indikatorjev onesnaženja okolja.

Okoljski in varnostni pomisleki

• Pri uporabi hiperakumulatorjev za sanacijo je treba ravnati z odstranitvijo biomase, saj so listi in drugi deli rastlin bogati s strupenimi kovinami.
• Občasno lahko akumulirane kovine vstopijo v prehranske verige, če živali ali ljudje zaužijejo takšno rastlino; zato je potrebna previdnost pri rekultivaciji in obdelavi zemljišč v bližini kmetijskih površin.
• Veliko hiperakumulatorskih vrst je endemičnih in redkih (npr. vrste na serpentinah ali specifičnih otokih) — njihova ohranitev je pomembna, hkrati pa so zanimive za trajnostno rabo.

Raziskave in prihodnost

Raziskave se osredotočajo na razumevanje molekularnih mehanizmov, vzgojo učinkovitih vrst za fitoekstrakcijo, genetiko prevoza kovin ter na varne in ekonomsko smiselne postopke pridobivanja kovin iz biomase. Napredek v genomiki in tehnologijah, kot so CRISPR, odpira možnosti za biotehnološko izboljšanje rastlin za sanacijo tal ali za izboljšanje prehranske vrednosti, pri čemer je treba upoštevati tudi ekološke in etične vidike.

Primeri vrst

• Pycnandra acuminata (naveden v BBC prispevku) – znano drevo, ki akumulira nikelj.
• Alyssum vrste – znane kot nikljevih hiperakumulatorji v Sredozemlju in zahodnem Balkanu.
• Arabidopsis halleri in Noccaea (Thlaspi) caerulescens – modelni organizmi za študije hiperakumulacije cinka in kadmija.
• Pteris vittata – praprot, prepoznavna kot arzenikov hiperakumulator.

Hiperakumulacija je fascinanten pojav na presečišču ekologije, genetike in okoljske biotehnologije. Razumevanje teh rastlin pomaga pri sanaciji onesnaženih območij, razkriva adaptivne procese v naravi in odpira pot k novim trajnostnim rešitvam pri ravnanju z onesnaženimi tlemi.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je hiperakumulator?

V: Kaj je primer hiperakumulatorja?

V: Kakšne koristi ima hiperakumulacija kovin za rastline?

V: Katera družina genov je vključena v hiperakumulacijo kovin?

V: Za koliko vrst je bilo ugotovljeno, da vsebujejo gene HA?

V: Katere kovine se lahko sekvestrirajo z izražanjem genov HA?

Išči po črki