Hüperakumulaator – taimed, mis koguvad raskemetalle ning nende geenid

Hüperakumulaator on taim, mis suudab kasvada väga kõrge metallide kontsentratsiooniga pinnases.

BBC on tutvustanud Uus-Kaledoonia saarel kasvavat puud Pycnandra acuminata, mis kasvab niklirikkal pinnasel. Seda teevad paljud erinevad taimed mitmes erinevas taimeperekonnas.

Metallide hüperakumulatsiooni eeliseks võib olla see, et raskmetallide toksiline sisaldus lehtedes hoiab ära taimtoidulised (kaitse taimtoidulisuse vastu).

Mitmed geenipered on seotud hüperakumulatsiooniga, sealhulgas raskemetallide absorbeerimisega ja ladustamisega. Kõige sagedamini osalevad geenid on ZIP-geeniperekond. Need geenid kodeerivad membraaniretseptoreid näiteks tsingimolekulide transportimiseks.

Neid hüperakumulatsioonigeene (HA-geenid) leidub enam kui 450 taimeliigil, sealhulgas mudelorganismidel Arabidopsis ja Brassicaceae. HA-geenide ekspressioon võimaldab taimedel võtta vastu ja siduda selliseid metalle nagu As, Co, Fe, Cu, Cd, Pb, Hg, Se, Mn, Zn, Mo ja Ni 100-1000 korda suuremas kontsentratsioonis kui sõsarliikides või -populatsioonides.

Mida hüperakumulaatorid teevad ja miks?

Hüperakumuleerimine tähendab, et taim suudab koguda ja talletada raskemetalle või metalloide (nt arseen) oma kudedesse ilma nähtava kahjustuseta. Seda võimet seletatakse mitme vastastikuse mehhanismiga: suurenenud uptake juurte kaudu, tõhus transport varre ja lehtedeni, sidumine rakkudes orgaaniliste ühenditega ning eraldamine spetsiaalsetesse organellidesse (näiteks vakuoolidesse).

Ökoloogiliselt võib see pakkuda kaitset herbivooride ja patogeenide eest ning võimaldada taimedel asustada metallirikkaid, konkurentsivõimetuid elupaiku. Samas võib kõrge metalasisaldus olla ka signaal ning mõjutada metsloomade ja mikrobioomi koosseisu.

Peamised molekulaarsed komponendid ja geenipered

• ZIP (ZRT/IRT-like Protein) – transportivad tsinki ja muid di- või monovalentseid ioonid rakumembraanide kaudu.
• HMA (P-tüüpi ATPaasid) – osalevad raskemetallide aktiivses pumpamises rakkudesse või välja ning xüleemi laadimises.
• NRAMP – transportivad raua-ja mangaanioonide sarnaseid katioone.
• MTP (metal tolerance proteins) – vahendavad metalli sekvestreerimist vakuoolidesse.
• YSL – rändavad metall-chelaatide transportijad taimedes.
• Phytochelatin-süntaas (PCS) ja metallothioneiinid (MT) – sünteesivad ja seovad peptiide, mis neutraliseerivad metalli toksilisust ning aitavad metallide ladustamist.

Koos töötavad need valgud ja biosünteesirajad tagamaks metallide ohutu transporti, sidumist ja ladustamist rakkudes. Lisaks mõjutavad metallide kättesaadavust pinnases juureekstraktid, pH, orgaaniline aine ja sümbiootilised seened (nt mükoriisatüübid).

Tuntud näited

• Pycnandra acuminata – Uus-Kaledoonia puu, mis talletab nikkelirikka lateksi.
• Alyssum liigid – teadaolevad niklihüperakumulaatorid.
• Noccaea (varem Thlaspi) caerulescens – Zn ja Cd hüperakumulaator; uuritud palju metallide tolerance'i molekulaarsete aluste mõistmiseks.
• Arabidopsis halleri – metsik sugulasliik, mis talletab tsinki ja cadmiumi ning on mudel hüperakumulatsiooni uurimiseks.
• Pteris vittata – arseniku hüperakumulaator (teatavates perekondades seenekad).

Rakendus: fütoremediatsioon ja fütokaevandamine

Hüperakumulaatoreid kasutatakse praktikaliselt kahes suunas:

• Fütoremediatsioon – saastunud muldade puhastamine taimede abil. Taimed võtavad metalle mullast ja koguvad neid biomassis, mida hiljem kogutakse ja käideldakse.
• Fütokaevandamine (phytomining) – metalli (näiteks nikli) majanduslik eraldamine sõltuvalt saagist ja metalikontsentratsioonist. See võib olla keskkonnasäästlik alternatiiv traditsioonilisele kaevandamisele teatud tingimustes.

Kuid praktikas tuleb arvestada saastebiomassi ohutu käitlemisega, logistika ja tasuvusega. Efektiivsus sõltub taime biomassist, metalli kontsentratsioonist taimes ning kasvutingimustest.

Keskkonna- ja terviseriskid

Ehkki taimed võivad metalle siduda, võib osa nendest metallidest liikuda toitainete kaudu toiduvõrgustikku (herbivoorid, linde). Seetõttu ei ole hüperakumuleerivaid taimi sobilik tarbimiseks. Fütoremediatsiooni puhul tuleb kogutud saastunud biomass töödelda või ladustada ohutult, et vältida metallide tagasi paiskumist keskkonda.

Uuringute suunad

Uuringud keskenduvad praegu järgmistele teemadele: geenide identifitseerimine ja regulatsioon (millised geenid aktiveeruvad metallide kohalolekul), transgeensed lähenemised saaste puhastamiseks, fütokaevandamise majanduslikud mudelid ning mikrobiomi ja taime-interaktsioonide roll metallide kättesaadavuses.

Kokkuvõtlikult on hüperakumulaatorid huvitav ja praktiline nähtus, mis ühendab ökoloogia, geneetika ja keskkonnatehnoloogia ning pakub nii teaduslikke võimalusi kui ka rakenduslikke lahendusi saastunud alade haldamiseks.

Küsimused ja vastused

K: Mis on hüperakumulaator?

K: Mis on näide hüperakumulaatorist?

K: Kuidas saavad taimed kasu metallide hüperakumulatsioonist?

K: Milline geeniperekond on seotud metallide hüperakumulatsiooniga?

K: Mitmel liigil on leitud HA-geene?

K: Milliseid metalle on võimalik HA-geenide ekspressiooni abil sekvestreerida?

Otsing