Использование растений против почв, загрязненных мышьяком
Идентифицированы два ключевых гена, контролирующих накопление и детоксикацию мышьяка в растительных клетках. Это открытие — результат международного сотрудничества лабораторий Швейцарии, Южной Кореи и США с участием членов Национального центра компетенций в исследованиях (NCCR) Plant Survival.
Полученные результаты — многообещающая основа для снижения накопления мышьяка в сельскохозяйственных культурах в загрязненных регионах Азии, а также для очистки почв, загрязненных тяжелыми металлами. Результаты опубликованы на этой неделе в престижном журнале PNAS.
Бурение скважин в Юго-Восточной Азии, а также добыча полезных ископаемых в регионах Китая, Таиланда и США приводят к тому, что концентрации мышьяка в воде часто превышают лимит Всемирной организации здравоохранения (WHO) в 10 мкг/л, после которого начинаются проблемы со здоровьем. Десятки миллионов людей подвергаются этому риску, употребляя загрязненную воду или зерновые культуры, выращенные на загрязненных почвах. Длительное воздействие этого высокотоксичного металлоида может повлиять на желудочно-кишечный тракт, почки, печень, легкие, кожу и увеличить риск рака. В Бангладеш, по оценкам, 25 миллионов человек пьют воду, содержащую более 50 мкг/л мышьяка, и двум миллионам из них грозит смерть от рака, вызванного этим веществом.
Растения — это путь попадания токсичных металлов в пищевую цепь. Например, известно, что мышьяк накапливается в зернах риса, что в загрязненных регионах представляет опасность для населения, чей рацион в значительной степени зависит от этой культуры.
Мышьяк или кадмий из почв транспортируются в клетки растений и хранятся в компартментах, называемых вакуолями. Внутри клетки перемещение мышьяка и его хранение в вакуолях обеспечивается категорией пептидов — фитохелатинов, которые связываются с токсичным металлоидом и транспортируются в вакуоль для детоксикации, подобно присоединению прицепа к грузовику. По сути процесса, в вакуоль запасается комплекс «грузовик с прицепом».
«Идентифицировав гены, ответственные за транспорт и хранение фитохелатинов в вакуолях, мы нашли недостающее звено, которое научное сообщество искало последние 25 лет», — объясняет Энрико Мартиноя, профессор физиологии растений Цюрихского университета. Эксперименты, проведенные на модельном растении Arabidopsis, можно легко адаптировать к другим растениям, таким как рис.
Энрико Мартиноя — один из руководителей этого исследования, в которое также входят профессор Йонгсук Ли из Пхоханского университета науки и технологий (POSTECH, Южная Корея) и Джулиан Шрёдер, профессор биологии Калифорнийского университета в Сан-Диего (UCSD, США). Наряду со Стефаном Хёртенштайнером (также из Цюрихского университета) и Дорис Ренч (Бернский университет) он является одним из трех членов NCCR Plant Survival, участвовавших в этом исследовании, опубликованном в PNAS.
Контроль над этими генами позволит создать растения, способные предотвращать перенос токсичных металлов и металлоидов от корней к листьям и зернам, ограничивая тем самым попадание мышьяка в пищевую цепь. «Сосредоточившись на этих генах, — заявляет Йонгсук Ли, — мы могли бы избежать накопления этих тяжелых металлов в съедобных частях растения, таких как зерна или плоды».
В то же время исследователи обнаружили способ создания растений, способных накапливать большее количество токсичных металлов, которые, следовательно, можно использовать для очистки загрязненных почв. Такие растения затем можно сжигать в доменных печах для уничтожения токсичных элементов.