Две стратегии накопления металлов у растений

85-е Тимирязевское чтение, доктор биологических наук Илья Владимирович Серёгин

Илья Владимирович Серёгин
доктор биологических наук,
зав. лаб. физиологии корня, Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН

Минеральное питание играет важную роль в жизни растений и в значительной степени определяет их продуктивность. C одной стороны, дефицит питательных элементов является лимитирующим фактором, снижающим продуктивность сельскохозяйственных культур, а также широко распространенной причиной, вызывающей заболевания человека. С другой стороны, поступление металлов в окружающую среду в результате хозяйственной деятельности человека в последние десятилетия постоянно возрастает, что приводит к повышению содержания металлов в растениях и проявлению токсического действия металлов на различные физиологические процессы. В отличие от органических соединений, которые могут разлагаться микроорганизмами, металлы и металлоиды фактически не разлагаются, а следовательно, накапливаются в окружающей среде и поглощаются растениями, которые являются основным источником их поступления в пищевые цепи и в организм человека.

По существующей классификации выделяют две контрастные группы растений: исключатели (excluders), у которых металлы накапливаются главным образом в корневой системе, и (гипер-)аккумуляторы ((hyper-)accumulators), у которых они накапливаются преимущественно в надземных органах. В настоящее время известно около 720 видов гипераккумуляторов,  которые привлекают все большее внимание биологов, геохимиков и экологов. Изучение морфофизиологических особенностей растений, определяющих их способность избирательно накапливать металлы в корнях или побегах, имеет большое фундаментальное значение для физиологии растений, токсикологии и иономики. Кроме того, понимание этих особенностей важно для разработки подходов, использующихся в технологиях биообогащения, фиторемедиации, фитомайнинга, а также мониторинга загрязнения окружающей среды металлами.

Способность к накоплению металлов неоднократно возникала у растений в процессе эволюции. Растения разных видов и экотипов могут существенно различаться по способности накапливать металлы и по устойчивости к их токсическому действию, что может быть связано с их эволюцией на разных типах почв. Устойчивость к металлам и способность к гипераккумуляции находятся под независимым генетическим контролем, а гены, их определяющие, не являются видоспецифичными, а скорее по-разному экспрессируются у гипераккумуляторов и исключателей. Высокая устойчивость и способность к гипераккумуляции определяются высокой эффективностью механизмов детоксикации металлов, направленных на поддержание гомеостаза. Механизмы гипераккумуляции потенциально могут контролироваться на четырех уровнях: (1) на уровне поглощения металлов из почвы корневыми системами растений, (2) на уровне радиального транспорта металлов в корнях, а также (3) на уровне их транспорта в надземные органы по ксилеме и (4) накопления в листьях в нетоксичной форме.

В лекции будут рассмотрены основные аспекты, связанные с механизмами поглощения, транспорта и детоксикации металлов. Особое внимание будет уделено низкомолекулярным лигандам – ключевым игрокам, участвующим в поддержании гомеостаза металлов и в механизмах, определяющих феномен гипераккумуляции.