Гипераккумуляторы растений: механизмы и генетика накопления металлов

Введение

Гипераккумулятор – это растение, способное расти в почве или воде с высокой концентрацией металлов, поглощая эти металлы через корни и концентрируя чрезвычайно высокие уровни металлов в своих тканях. Концентрации металлов токсичны для близкородственных видов, не адаптированных к росту на металлосодержащих почвах. По сравнению с негипераккумулирующими видами, корни гипераккумуляторов извлекают металл из почвы с более высокой скоростью, быстрее транспортируют его в надземные части и накапливают большие количества в листьях и корнях. Способность к гипераккумуляции токсичных металлов по сравнению с родственными видами обусловлена дифференциальной экспрессией и регуляцией одних и тех же генов у обоих растений. В процессе этого металлы эффективно перемещаются от корня к побегу, что повышает устойчивость корней к металлической токсичности. Более того, физиологические механизмы, связанные с толерантностью, классифицируются как исключение – когда движение металлов на границе почва/корень или корень/побег блокируется, или накопление – когда допускается поглощение металлов, преобразованных в нетоксичные формы, в надземные части растения. Характеристики, обусловленные определенными физиологическими элементами:

Существуют определенные характеристики, специфичные для определенных видов. Например, при низком содержании цинка Thlaspi caerulescens накапливал более высокие концентрации цинка, чем другие неаккумулирующие виды растений. Дальнейшие данные показали, что при выращивании T. caerulescens на почве с достаточным уровнем загрязнения этот вид накапливал цинка в 24–60 раз больше, чем Raphanus sativus (редис). Эти гены гипераккумуляции (ГА-гены) обнаружены более чем у 450 видов растений, включая модельные организмы Arabidopsis и Brassicaceae. Экспрессия этих генов используется для определения способности вида к гипераккумуляции. Экспрессия ГА-генов обеспечивает растению возможность поглощать и секвестрировать металлы, такие как As, Co, Fe, Cu, Cd, Pb, Hg, Se, Mn, Zn, Mo и Ni в концентрациях в 100–1000 раз превышающих концентрации в родственных видах или популяциях. Способность к гипераккумуляции определяется двумя основными факторами: воздействием окружающей среды и экспрессией семейства генов ZIP. Хотя эксперименты показали, что гипераккумуляция частично зависит от воздействия окружающей среды (то есть высокие концентрации металла наблюдаются только у растений, подвергшихся воздействию металла), гипераккумуляция в конечном итоге зависит от наличия и регуляции генов, участвующих в этом процессе. Показано, что способность к гипераккумуляции может быть унаследована у Thlaspi caerulescens (Brassicaceae) и других видов. Поскольку среди гипераккумулирующих видов, принадлежащих к разным семействам растений, существует большое разнообразие, вероятно, что ГА-гены подверглись экотипическому отбору. В большинстве гипераккумулирующих растений основным механизмом транспорта металлов являются белки, кодируемые генами семейства ZIP, однако также были замечены другие семейства, такие как HMA, MATE, YSL и MTP. Семейство генов ZIP – это новый, растительно-специфичный ген, кодирующий транспортеры Cd, Mn, Fe и Zn. Семейство ZIP играет роль в обеспечении Zn металлопротеинами. В одном исследовании на Arabidopsis было обнаружено, что металлофит Arabidopsis halleri экспрессирует член семейства ZIP, который не экспрессируется в неметаллофитном родственном виде. Этот ген был транспортером, регулируемым железом (белок IRT), который кодировал несколько первичных транспортеров, участвующих в клеточном поглощении катионов против градиента концентрации. При трансформации этого гена в дрожжи наблюдалась гипераккумуляция. Это указывает на то, что сверхэкспрессия генов семейства ZIP, кодирующих катионные транспортеры, является характерной генетической особенностью гипераккумуляции. Другое семейство генов, которое повсеместно встречается у гипераккумуляторов, – это семейства ZTP и ZNT. Исследование T. caerulescens определило семейство ZTP как специфичное для растений семейство с высоким сходством последовательности с другими транспортерами цинка4. Как семейства ZTP, так и ZNT, подобно семейству ZIP, являются транспортерами цинка. У гипераккумулирующих видов наблюдается хроническая сверхэкспрессия генов этих семейств, в частности аллелей ZNT1 и ZNT2. Хотя точный механизм, с помощью которого эти гены способствуют гипераккумуляции, неизвестен, модели экспрессии тесно коррелируют с индивидуальной способностью к гипераккумуляции и воздействием металла, что указывает на то, что эти семейства генов играют регуляторную роль. Поскольку присутствие и экспрессия семейств генов транспортеров цинка широко распространены у гипераккумуляторов, способность накапливать широкий спектр тяжелых металлов, вероятно, обусловлена неспособностью транспортеров цинка различать конкретные ионы металлов. Реакция растений на гипераккумуляцию любого металла также подтверждает эту теорию, поскольку было обнаружено, что AhHMHA3 экспрессируется у гипераккумулирующих особей. AhHMHA3 был идентифицирован как экспрессируемый в ответ на детоксикацию Zn. Эта реакция предполагает, что растения не способны обнаруживать конкретные металлы, и что гипераккумуляция, вероятно, является результатом сверхэкспрессии системы транспорта Zn. Общий эффект этих моделей экспрессии был предложен в качестве помощи в системах защиты растений. В одной из гипотез, "гипотезе элементарной защиты", предложенной Poschenrieder, предполагается, что экспрессия этих генов способствует антигербиворной или противопатогенной защите, делая ткани токсичными для организмов, пытающихся питаться этим растением.

There are certain characteristics that are specific to certain species. For example, when presented with a low supply of zinc, Thlaspi caerulescens had higher zinc concentrations accumulated compared to other non accumulator plant species. Further evidence indicated that when T. caerulescens were grown on soil with an adequate amount of contamination, the species accumulated an amount of zinc that was 24 60 times more than Raphanus sativus (radish) had accumulated. These hyperaccumulation genes (HA genes) are found in over 450 plant species, including the model organisms Arabidopsis and Brassicaceae. The expression of such genes is used to determine whether a species is capable of hyperaccumulation. Expression of HA genes provides the plant with capacity to uptake and sequester metals such as As, Co, Fe, Cu, Cd, Pb, Hg, Se, Mn, Zn, Mo and Ni in 100–1000x the concentration found in sister species or populations. The ability to hyperaccumulate is determined by two major factors: environmental exposure and the expression of ZIP gene family. Although experiments have shown that the hyperaccumulation is partially dependent on environmental exposure (i. e. only plants exposed to metal are observed with high concentrations of that metal), hyperaccumulation is ultimately dependent on the presence and upregulation of genes involved with that process. It has been shown that hyperaccumulation capacities can be inherited in Thlaspi caerulescens (Brassicaceae) and others. As there is a wide variety among hyperaccumulating species that span across different plant families, it is likely that HA genes were eco typically selected for. In most hyperaccumulating plants, the main mechanism for metal transport are the proteins coded by genes in the ZIP family, however other families such as the HMA, MATE, YSL and MTP families have also been observed to be involved. The ZIP gene family is a novel, plant specific gene family that encodes Cd, Mn, Fe and Zn transporters. The ZIP family plays a role in supplying Zn to metalloproteins. In one study on Arabidopsis, it was found that the metallophyte Arabidopsis halleri expressed a member of the ZIP family that was not expressed in a non metallophyte sister species. This gene was an iron regulated transporter (IRT protein) that encoded several primary transporters involved with cellular uptake of cations above the concentration gradient. When this gene was transformed into yeast, hyperaccumulation was observed. This suggests that overexpression of ZIP family genes that encode cation transporters is a characteristic genetic feature of hyperaccumulation. Another gene family that has been observed ubiquitously in hyperaccumulators are the ZTP and ZNT families. A study on T. caerulescens identified the ZTP family as a plant specific family with high sequence similarity to other zinc transporter4. Both the ZTP and ZNT families, like the ZIP family, are zinc transporters. It has been observed in hyperaccumulating species, that these genes, specifically ZNT1 and ZNT2 alleles are chronically overexpressed. While the precise mechanism by which these genes facilitate hyperaccumulation is unknown, expression patterns strongly correlate with individual hyperaccumulation capacity and metal exposure, implying that these gene families play a regulatory role. Because the presence and expression of zinc transporter gene families are highly prevalent in hyperaccumulators, the ability to accumulate a diverse range of heavy metals is most likely due to the zinc transporters' inability to discriminate against specific metal ions. The response of the plants to hyperaccumulation of any metal also supports this theory as it has been observed that AhHMHA3 is expressed in hyperaccumulating individuals. AhHMHA3 has been identified to be expressed in response to and aid of Zn detoxification. This response suggests that plants are unable to detect specific metals, and that hyperaccumulation is likely a result of an overexpressed Zn transportation system. The overall effect of these expression patterns has been hypothesized to assist in plant defense systems. In one hypothesis, "the elemental defense hypothesis", provided by Poschenrieder, it is suggested that the expression of these genes assist in antiherbivory or pathogen defenses by making tissues toxic to organisms attempting to feed on that plant.

Транспортеры металлов

Важной характеристикой видов растений-гипераккумуляторов является повышенная транслокация поглощенного металла в надземную часть. Толерантность к токсичности металлов наблюдается у видов растений, произрастающих на металлсодержащих почвах. Существуют два основных механизма толерантности к металлам: исключение, при котором растения препятствуют избыточному поглощению и транспортировке металла, и поглощение с последующим секвестрированием, при котором растения накапливают большие количества металла и переносят его в надземную часть, где он аккумулируется. Гипераккумуляторы – это растения, сочетающие в себе второй механизм и способность поглощать металлы в концентрациях более чем в 100 раз превышающих типичные для других организмов. T. caerulescens преимущественно встречается на почвах, богатых Zn/Pb, а также на серпентинитах и неминерализованных почвах. Установлено, что это гипераккумулятор цинка. Это обусловлено его способностью извлекать значительные количества тяжелых металлов из почвы. Близкородственный вид, Thlaspi ochroleucum, проявляет толерантность к тяжелым металлам при выращивании на слабозагрязненных почвах, однако накапливает в надземной части значительно меньше цинка, чем T. caerulescens. Таким образом, Thlaspi ochroleucum не является гипераккумулятором, в то время как T. caerulescens из того же семейства – гипераккумулятором. Транспорт цинка от корней к надземной части существенно различался между этими двумя видами. У T. caerulescens концентрация цинка в надземной части по отношению к корням была значительно выше, чем у T. ochroleucum, в корнях которого всегда наблюдалась более высокая концентрация цинка. При ограничении поступления цинка количество цинка, ранее накопленного в корнях T. caerulescens, уменьшилось даже больше, чем у T. ochroleucum, одновременно с этим наблюдалось более значительное увеличение количества цинка в надземной части. Снижение содержания цинка в корнях, вероятно, связано главным образом с его транспортировкой в надземную часть, поскольку объем цинка в надземной части увеличился за тот же период времени. Транспортер тяжелых металлов, представленный cDNA, опосредует поглощение Zn2+ с высокой аффинностью, а также поглощение Cd2+ с низкой аффинностью. Этот транспортер экспрессируется на очень высоком уровне в корнях и надземной части гипераккумулятора. Согласно (Pence et al., 1999), повышенная экспрессия гена транспортера цинка ZNT1 в тканях корней и надземной части является важным компонентом признака гипераккумуляции цинка у T. caerulescens. Показано, что это увеличение экспрессии гена лежит в основе повышенного поглощения Zn2+ из почвы корнями T. caerulescens, и возможно, что тот же процесс обеспечивает повышенное поглощение Zn2+ в клетки листьев.

An important trait of hyperaccumulating plant species is enhanced translocation of the absorbed metal to the shoot. Metal toxicity is tolerated by plant species that are native to metalliferous soils. Exclusion, in which plants resist undue metal uptake and transport, and absorption and sequestration, in which plants pick up vast quantities of metal and pass it to the shoot, where it is accumulated, are the two basic methods for metal tolerance. Hyperaccumulators are plants that have both the second technique and the ability to absorb more than 100 times higher metal concentrations than typical organisms. T. caerulescens is found mostly in Zn/Pb rich soils, as well as serpentines and non mineralized soils. It was discovered to be a Zn hyperaccumulator. Because of its ability to extract vast quantities of heavy metals from soils. When grown on mildly polluted soils, a closely related species, Thlaspi ochroleucum, is a heavy metal tolerant plant, but it accumulates much less Zn in the shoots than T. caerulescens. Thus, Thlaspi ochroleucum is a non hyperaccumulator and of the same family T. caerulescens is a hyperaccumulator. The transfer of Zn from roots to shoots varied significantly between these two species. T. caerulescens had much higher shoot/root Zn concentration levels than T. ochroleucum, which always had higher Zn concentrations in the roots. When Zn was withheld, the amount of Zn previously accumulated in the roots in T. caerulescens decreased even more than in T. ochroleucum, with a concomitantly greater rise in the amount of Zn in the shoots. The decreases in Zn in roots may be mostly due to transport to shoots, since the volume of Zn in shoots increased during the same time span. A heavy metal transporter, cDNA, mediates high affinity Zn2+ uptake as well as low affinity Cd2+ uptake. This transporter is expressed at very high levels in roots and shoots of the hyperaccumulator. According to (Pence et., al. 1999), an overexpression of a Zn transporter gene, ZNT1, in root and shoot tissue is an essential component of the Zn hyperaccumulation trait in T. caerulescens. This increased gene expression has been shown to be the basis for increased Zn21 uptake from the soil in T. caerulescens roots, and it is possible that the same process underpins the enhanced Zn21 uptake into leaf cells.