Папоротники, гипернакапливающие мышьяк: как они выживают?

Мышьяк токсичен для большинства форм жизни и естественным образом встречается в почве и грунтовых водах во многих регионах мира. Хроническое воздействие мышьяка связывают с раком лёгких, мочевого пузыря и почек, поэтому существуют строгие ограничения на допустимые уровни мышьяка в питьевой воде. Химически сходный с фосфором, мышьяк образует арсенат (AsO₄^3-), который очень похож на фосфат (PO₄^3-). Арсенат нарушает многие метаболические реакции, требующие фосфата, включая синтез аденозинтрифосфата (АТФ) — универсального и необходимого источника клеточной энергии. Таким образом, воздействие даже низких уровней мышьяка может быть крайне токсичным.

В хорошо аэрируемых почвах мышьяк существует в основном в форме арсената, который поглощается корнями растений с помощью белка-транспортёра фосфата. Растительные ткани быстро восстанавливают арсенат до арсенита (AsO₃^3-), который транспортируется в надземные части растения. В водной среде или переувлажнённых почвах мышьяк существует в основном в форме арсенита. В то время как зёрна риса могут накапливать до 60 мкг/г мышьяка, папоротник Pteris vittata может гипернакапливать мышьяк до уровней, в 1000 раз превышающих этот.

Команда исследователей под руководством Дэвида Солта и Джо Энн Бэнкс из Университета Пердью недавно выделила ген, кодирующий белок-транспортёр арсенита. Этот транспортер позволяет этим папоротникам секвестрировать мышьяк в вакуоли — клеточном хранилище, изолированном от цитоплазмы вакуолярной мембраной.

В исследовании, опубликованном на этой неделе в The Plant Cell и проведённом в основном аспиранткой Эмили Индриоло (ныне исследователем в Университете Торонто), учёные описывают, как они использовали чувствительный к мышьяку штамм дрожжей для выделения и характеристики гена, кодирующего транспортер арсенита P. vittata. Клетки дрожжей устойчивы к мышьяку, потому что их плазматическая мембрана содержит белок-эффлюксёр арсенита, кодируемый геном Arsenical Compound Resistance 3 (ACR3). Исследователи ввели библиотеку генов P. vittata в чувствительный к мышьяку мутантный штамм дрожжей acr3 и выделили ген, который восстановил устойчивость этого мутанта к мышьяку. Затем было показано, что белок, кодируемый этим геном, очень похож на белок ACR3 дрожжей как по структуре, так и по функции.

Анализ последовательности показал, что этот белок папоротника содержит 10 предполагаемых трансмембранных доменов, что указывает на локализацию в клеточной мембране. Используя антитело, специфически распознающее белок ACR3, они показали, что ACR3 находится в мембранах вакуолей, но не в плазматической мембране или мембранах эндоплазматического ретикулума. Это предполагает механизм толерантности к мышьяку в тканях P. vittata: арсенит, попадающий в клетку, транспортируется ACR3 в вакуолярный компартмент, где он пространственно изолирован от цитоплазмы клетки — места многих чувствительных к мышьяку метаболических реакций клетки.

Кроме того, исследователи показали, что экспрессия гена ACR3 в P. vittata индуцируется более чем в 30 раз в присутствии арсенита. Чтобы подтвердить, что ACR3 необходим для устойчивости к мышьяку, ген ACR3 был «заглушен» с помощью ингибирующей мРНК. У этих растений с заглушенным геном экспрессия ACR3 не индуцировалась арсенитом, и мышьяк значительно снижал скорость роста этих растений с дефицитом ACR3 по сравнению с растениями без заглушки.

Анализ последовательности показал, что хотя этот ген встречается у широкого круга организмов, включая бактерии, грибы, мхи и голосеменные, он отсутствует у покрытосеменных (цветковых) растений. Изучая наличие и функцию ACR3 у различных растений, включая гипернакапливающие и ненакапливающие папоротники, авторы надеются получить дополнительные сведения о механизмах транспорта, толерантности и накопления мышьяка. Помимо потенциальной пользы для здоровья человека, это исследование, как ожидается, приведёт к разработке стратегий фиторемедиации загрязнённых мышьяком почв и воды.