Фізіологія рослин - Мусієнко М.М. 2001

Адаптація та механізми стійкості рослин
Стійкість рослин до забруднення важкими металами

Останнім часом, в зв’язку з посиленням атропогенного впливу, значно зріс рівень забруднення довкілля важкими металами. Термін « важкі метали» вживають до металів з щільністю, яка перевищує 5 г/см³ або з атомним номером більше 20. Серед хімічних елементів важкі метали найбільш токсичні і поступаються лише пестицидам. Фітотоксичність важких металів залежить від таких їх хімічних властивостей, як валентність, іонний радіус та здатність до комплексоу- творення.

Клітинна стінка і плазмалема є першим бар’єром на шляху важких металів в клітину. Зміна проникності мембран під впливом важких металів порушує іонний баланс, водний режим, активність ферментів, фотосинтез та інші процеси в рослинному організмі. Рослини найчастіше накопичують токсичні йони таких елементів, як кадмій, свинець, мідь, ртуть, цинк та нікель. Токсичність цих елементів в цитоплазмі базується на їх високій спорідненості до сульфогруп, внаслідок чого інактивуються ферменти до складу яких входять SH-групи. У тварин і людини металотіонеїни (МТ) — специфічні низькомолекулярні білки з високим вмістом цистеїну, служать для зв'язування цих іонів. З метою перевірки можливості функціонування гена МТ у вищих рослин, ген толерантності до кадмію, який кодує білок МТ, було перенесено із геному китайського хомячка у геном гірчиці польової та тютюну. Здійснено це було у Центрі дослідження рослин (Канада) за допомогою вектору на основі вірусу мозаїки цвітної капусти і стало першим випадком функціонування гену ссавців в геномі вищих рослин. Як наслідок, майже в 4 рази зросла здатність до зв'язування кадмію клітинами трансформованих рослин.

Встановлено, що деякі види рослин здатні акумулювати значні концентрації цинку, свинцю, міді (понад 1% від сухої маси). Висока стійкість таких рослин обумовлена синтезом специфічних білків фітохелатинів:

Це поліпептиди, які складаються із 1-10 лінійних ланцюгів глютамінової кислоти і цистеїну та завершуються гліцином і мають загальну формулу:

Фітохелатини, як і металотіонеїни, зв'язують іони важких металів через групи залишків цистеїну в стабільні тіолатні комплекси (масою від 3 до 10 кДа) за участю фермента фітохелатинсинтази. Ця система функціонує в цитоплазмі і може виконувати функцію метаболітичного регуляторного циклу з метою уникнення критичної (токсичної) концентрації металів в клітині. Вона є універсальною і поширена як у вищих рослин, так і у водоростей. Крім білків типу металотіонеїнів і фітохелатину в рослинах у відповідь на підвищені концентрації важких металів може індукуватись також синтез фітоалексинів.

Захисну функцію виконує також компартментація важких металів в клітинних стінках та вакуолях.

Одним з механізмів стійкості може бути зміна структури ферментів, поява альтернативних шляхів метаболізму, що допомагає рослині вижити при надлишкових концентраціях важких металів.

Актуальною проблемою сьогодення є вивчення накопичення важких металів в грунтах та міграція їх по ланцюгах живлення, так як вони здійснюють хронічний токсичний вплив на всі живі організми, в т.ч. й людину. В ході еволюції рослинні організми різних геохімічних провінцій, сформували біохімічні механізми адаптації до екстремальних умов, обумовлених гетерогенним геохімічним складом грунтів, ареалів їх поширення. В зв’язку з цим у рослин часто виявляються міжвидові, міжпопуляційні та внутрішньопопуляційні відмінності В СТІЙКОСТІ до забруднення важкими металами. Детальне дослідження таких відмінностей сприятиме розкриттю механізмів стійкості рослин до важких металів, дозволить розробити методи біоіндикації та біомоніторингу навколишнього середовища. Наприклад, індикаторами на забруднення свинцем та кадмієм є Potamogeton crispus, Elodea canadensis, Potamogeton lucens; в ролі моніторингового організму на забруднення міддю та нікелем є Oligotrichum hercinicum тощо.

За здатністю поглинати важкі метали з грунтів різного ступеня забруднення рослини поділяють на три групи:

· рослини-акумулятори, які накопичують метали в надземній своїй частині;

· рослини-індикатори, які регулюють поглинання і транспортування металів в надземну частину таким чином, що внутрішня їх концентрація відображає наявність важких металів в грунті;

· рослини-елімінатори, в яких вміст металів в надземній частині залишається сталим та низьким при широкому діапазоні їх концентрацій в грунті.

Рослини-акумулятори можна використовувати для детоксикації грунтів, рослини-індикатори — для встановлення забруднення довкілля, а рослини-елімінатори — для пошуку і розкриття механізмів стійкості рослин до надлишку важких металів.