Капуста высосала тяжелые металлы

Тяжелые металлы и их оксиды, в избытке образующиеся в созданной человеком среде, уже многие десятилетия беспокоят не только защитников природы, но и службы здравоохранения. На помощь часто приходят сама природа и генетические технологии. Всего полгода назад генетики сообщили о том, как «научили» тополь эффективно разлагать трихлорэтилен, пересадив ему ген фермента, вырабатываемого в печени.

Теперь среди многообразной флоры нашей планеты обнаружилось средство борьбы с техногенным загрязнением почв кадмием и цинком.

Геном этого растения, как ни странно, был практически полностью известен до начала работы немецких ботаников из пяти научно-исследовательских институтов, принятой к публикации в одном из ближайших выпусков Nature. Последний удивительный факт объясняется тем, что родственником Arabidopsis halleri, способного расти на не пригодных для этого почвах и включать в состав своих листьев до 2,2% цинка и 0,28% кадмия (по сухой массе), является давно изученный Arabidopsis thaliana – «дрозофила ботаники», одно из любимых модельных растений генетиков.

Именно это и позволило ученым найти у A. halleri ответственные за это гены и создать «экстремофильный», то есть способный (и предпочитающий) расти в условиях исключительного загрязнения почвы A. thaliana. Это подтверждает возможность включения таких генов и в другие растения.

Для того чтобы найти нужную последовательность ДНК, ученые посмотрели, чем отличается активность генома одного представителя семейства капустных (ранее крестоцветных) от другого. Среди выявленных 30 генов, функции которых уже были немного известны, был и HMA4, кодирующий белок семейства 1в мембранных энергозависимых насосов. Это одна из атээфаз, названных так потому, что для транспорта ионов через мембрану они используют универсальную энергию АТФ.

Как оказалось, именно HMA4 кодирует белок насоса, перекачивающий ионы цинка и кадмия.

Дальше последовали ставшие за последние несколько лет классическими эксперименты, доказывающие роль гена в уникальных способностях растения.

Сначала функция HMA4 у склонного к ядовитым почвам A. halleri была заингибирована с помощью РНК-интерференции. Это привело к нормализации уровня тяжелых металлов в листьях и побегах – в них было найдено только 12–35% от того уровня цинка, что встречался у диких, неизмененных сородичей. Но это всё равно было в десятки раз (от 39 до 134 раз) больше, чем у не склонного к накоплению тяжёлых металлов A. thaliana.

Потом ученые добились высокой экспрессии этого гена у A. thaliana, в результате чего последний приобрел способность не только расти в загрязненных почвах, но и накапливать металлы в своих побегах.

Правда, всему есть предел: даже несмотря на сверхэкспрессию чудо-гена, цветки и листья растения повреждались при превышении концентрации цинка в 150 мкмоль на литр и кадмия в 50 мкмоль на литр.

Механизм подобного накопления, по мнению ботаников, заключается в эффективном транспорте металлов от корней к листьям. А вот природу толерантности, то есть устойчивости «зеленых» тканей к сверхвысоким концентрациям цинка и кадмия, ученым установить не удалось, хотя то, что это обеспечивается той же последовательностью ДНК, они, безусловно, доказали.

При этом все обнаруженные закономерности объединяют только цинк с кадмием, но не другие тяжелые металлы, обладающие похожими биологическими свойствами.

Применения цветов на практике ждать ещё долго.

Во-первых, растения запасают металлы только из почвы, а не из воздуха, где их оксиды куда более опасны, а во-вторых, остается проблема утилизации выросших металлофилов: ведь если оставить их там же, где они выросли, то концентрация в почве не изменится. Растения не инактивируют цинк или кадмий, а лишь накапливают их в своих тканях.

Цветы бывают разные, и даже если маленький невзрачный побег не стал музой для художника или поэта, зато он послужил неплохим источником информации для ученых, а возможно, и станет залогом нашего более здорового и свободного от тяжелых металлов будущего.