KADM SZKODZI!

Na podstawie artykułu: „Transgenic tabacco plants expressing a rice cysteine synthase gene are tolerant to toxic level of cadmium” dr. Baczyński dr. Siwek

Efekty toksyczne Pobieranie kationów metali ciężkich przez korzenie roślin jest oparte o mechanizmy, które zaangażowane są w pobieranie mikroelementów. Ich toksyczne efekty są związane z duża koncentracją w komórkach. Stężenia te zaburzają: funkcjonowanie błon w transporcie elektronów (mitochondrialny i fotosyntetyczny) inaktywują wiele podstawowych enzymów (reduktaze azotanową, dehydrogenaze izocytrynianową i glukozo 6-P oraz wiele fosfataz i ATPazy) – zmniejsza to bilans energetyczny komórek i prowadzi do zabużeń w żywieniu mineralnym i redukcji wzrostu -kadm wzmaga peroksydację lipidów, wzmaga syntezę etylenu (przyspieszenie starzenia tkanek)

Wpływ zanieczyszczeń środowiska na rośliny uprawne: Strategia roślin, polegająca na przeżywaniu w niekorzystnych warunkach, nie zawsze jest zgodna ze strategią rolnika (produkcja nieskażonej żywności) Zróżnicowanie zawartości metali ciężkich w pędzie, liściach lub organach reprodukcyjnych, jest cechą gatunkową. Zależy również od ruchliwości (przemieszczanie z korzeni do pędu) toksycznych jonów. Cd > Zn > Ni > Cu > Pb ruchliwość Wskaźnik bioakumulacji (A) metali ciężkich jest niższy na glebach o dużej pojemności Sorpcyjnej (próchnica – duża ilość koloidów). Maleje także ze wzrostem pH. Rośliny dwuliścienne gromadzą więcej metali toksycznych niż jednoliścienne Organy wegetatywne (spichrzowe, liście) mają wyższy poziom akumulacji niż reprodukcyjne (owoce mięsiste, ziarniaki, nasiona).

Wskaźniki wrażliwości roślin na metale ciężkie: Wskaźnik tolerancji (Ti) – określa stopień zahamowania wzrostu badanej rośliny w warunkach uprawy na skażonym podłożu Wskaźnik stopnia skażenia (C) – to wielkość skażenia rośliny w skali względnej = stosunek zawartości toksycznego jonu w roślinie do jego poziomu w roślinach kontrolnych (rosnących na nieskażonym podłożu) Wskaźnik bioakumulacji (A) – pokazuje ilość pobranego i nagromadzonego przez rośline metalu w stosunku do wzrostu jego zawartości w podłożu Główne źródła zanieczyszczenia gleby: opady płynów kwaśne deszcze przemysł nawozy mineralne i organiczne Nawozy azotowe są również źródłem zanieczyszczeń gleby arsenem i rtęcią. Nawozy fosforowe wprowadzają do gleby dużo Cd i Pb (skrajnie możne zawierać Cd o stężeniu 60mg/kg nawozu) Produkt spożywczy Hg Cd Pb Cu Zn Warzywa liściowe 0,02 0,05 0,30 4,0 10,0 Warzywa korzeniowe 0,08 0,50 Ziemniaki 0,25 Owoce jagodowe 0,01 0,04 Dopuszczalne zanieczyszczenia prod. Roślinnych metalami (mg/kg).

Odporność na metale ciężkie: Mechanizmy przystosowawcze: redukcja pobierania immobilizacja toksycznych jonów w ścianie komórkowej – pektyny (ochrona protoplazmy) zapobieganie transportowi w obrębie apoplastu chelatowanie w cytoplazmie przez białka i polipeptydy (glutation i pochodne), związki z resztami tiolowymi oraz białka indukowane stresem (TIONEINY) Metale ciężkie indukują w roślinach syntezę bogatych w reszty tiolowe polimerów: (-glutamylocysteinylo)n-glicyny (n = 2 – 11) (-glutamylocysteinylo)n--alaniny (n = 2 – 7 ) Są to peptydy wiążące metal zwane FITOCHELATYNAMI. Ich prekursorem jest glutation a synteza zachodzi w cytozolu. Po związaniu metalu kompleks przemieszcza się do wakuoli i tam może zachodzić reakcja z kwasami organicznymi (jabłkowym, cytrynowym lub szczawiooctowym), pochodnymi fenoli i glikozydami. To zatrzymuje metale związane w korzeniu co zapobiega przedostawaniu się ich do pędu („detoksyfikuje” część nadziemną).

Szlak syntezy fitochelatyn.

Praca-Wnioski: Problem? – jak poziom cysteiny wpływa na rośliny rosnące w pożywce skażonej Cd Co zrobili? – stransformowali tytoń (Nicotiana tabacum) plazmidem z genem RCS1 (jest to gen syntazy cysteiny - CS - EC 4.2.99.8) z ryży (Oryza sativa) i badali czułość na Cd I co? - z 50 niezależnych transgenów wybrali dwie linie (TRCS2 i TRCS3) najbardziej podobne fenotypowo do WT - otrzymali 3-razy większa aktywność CS w transgenach w porównaniu z Wild-Type - rośliny stransformowane były bardziej odporne na Cd, - wykazywały szybszy wzrost w porównaniu z WT - miały lepiej wykształcone pędy a siewki były grubsze - koncentracja Cd (na gram rośliny) była o 20% wyższa w WT - obserwowali mniejsze zniszczenie tkanek, WT eksponowane na działanie 0.1mM CdCl2*2.5H2O posiadały znaczne zżółknienie liści (nekrozy) - korzenie były 2-razy dłuższe niż u WT - dziedziczenie genu odbywa się z pojedynczego locus genu

Wyniki: Długość korzenia [mm] Świeża masa [mg] stosunek Małe sadzonki Duże sadzonki Wild-Type - 5,8+1,9 99,3+18,5 TRCS2 14,0+3,5 4,8+1,3 205,3+11,0 89,5+15,8 3:1 TRCS3 9,31,9 5,0+1,6 196,3+17,6 102,5+10,6 1,6:1 Wielkości i masy otrzymanych roślin szacowane na całe populacje roślin danego typu hodowane na pożywkach z 0.1mM CdCl2

Dzięki za uwagę – PA!!!  Źródła: -„Transgenic tabacco plants expressing a rice cysteine gene are tolerant to toxic levels of cadmium” Harada, Choi, Tsuchisaka, Obota „Characterization of phytochelatin syntase from tomato” Chen, Zhou, Goldsbrough „Fizjologia roślin” Kopcewicz, Lewak - internet !!! Dzięki za uwagę – PA!!! 

Emiko Harada Tsuchaisaka Choi Sano Obata