Hyperakumulátor: rastlina akumulujúca ťažké kovy — definícia a príklady

Hyperakumulátor: definícia a príklady rastlín akumulujúcich ťažké kovy – mechanizmy, zapojené gény a využitie v ekológii a bioremediácii.

Hyperakumulátor je rastlina, ktorá môže rásť v pôde s veľmi vysokou koncentráciou kovov. Takéto rastliny dokážu prijímať, transportovať a bezpečne ukladať veľké množstvá kovov v nadzemných častiach (listy, stonky, semenné orgány) bez zjavného poškodenia rastliny.

BBC predstavila strom Pycnandra acuminata z ostrova Nová Kaledónia, ktorý rastie na pôde bohatej na nikel. Takto sa správa mnoho rôznych rastlín z viacerých čeľadí. Hyperakumulácia sa evolučne vyskytla nezávisle u viacerých rodov a druhov, často u druhov prispôsobených na špecifické, kovmi bohaté biotopy (tzv. metallofyty).

Mechanizmy a genetický základ

Hyperakumulácia zahŕňa viacero krokov: zvýšené vstrebávanie kovov koreňmi, ich transport cez koreňové bunky do xylému, distribúciu do nadzemných orgánov a konečné bezpečné uloženie (sekvestráciu) v bunkách — najčastejšie vo vakuolách alebo viazaním na bunkovú stenu či organické chelátory.

Na hyperakumulácii vrátane absorpcie a ukladania ťažkých kovov sa podieľa niekoľko rodín génov. Najčastejšie sa na tom podieľa rodina génov ZIP. Tieto gény kódujú membránové receptory na prenos napríklad molekúl zinku. Okrem ZIP proteínov sú dôležité aj ďalšie transportéry a bielkoviny, napríklad:

• P1B-ATPázy (HMA) – transportéry pre kovové ióny do organel alebo mimo bunky;
• NRAMP – transportéry železa a iných prechodných kovov;
• MTP (metal tolerance proteins) – preprava kovov do vakuol;
• ABC transportéry – vylučovanie alebo transport komplexov kovov;
• proteíny viažuce kovy a chelátory – napr. metallothioneíny, phytochelatins, organické kyseliny (citráty), aminokyselina histidín alebo nicotianamín.

Tieto hyperakumulačné gény (HA gény) sa nachádzajú vo viac ako 450 rastlinných druhoch vrátane modelových organizmov Arabidopsis a Brassicaceae. Expresia HA génov umožňuje rastline prijímať a sekvestrovať kovy, ako sú As, Co, Fe, Cu, Cd, Pb, Hg, Se, Mn, Zn, Mo a Ni, v 100 - 1000-násobne vyššej koncentrácii, než sa nachádza v sesterských druhoch alebo populáciách.

Prečo rastliny hyperakumulujú?

• Ochrana proti bylinožravcom: zvýšené koncentrácie toxických kovov v listoch môžu odrádzať toxické ťažké kovy v listoch odrádzajú bylinožravce (obrana proti bylinožravcom).
• Ekologické výhody v špecifických stanovištiach: na kovmi bohatých pôdach majú hyperakumulátory menšiu konkurenciu od bežných rastlín.
• Mohutná segregácia kovov do nadzemných častí môže slúžiť aj ako mechanizmus detoxifikácie pri vystavení vysokým koncentráciám kovov.

Vybrané príklady a skupiny

Medzi dobre preskúmané hyperakumulátory patria:

• Pycnandra acuminata – nikel v latexu a listoch (Nová Kaledónia).
• Druhy rodu Alyssum (Brassicaceae) – známe Ni-hyperakumulátory z balkánskych a mediteránnych oblastí.
• Noccaea (predtým Thlaspi) a Arabidopsis (niektoré druhy) – hyperakumulátory zinku a kadmia.
• Papradie Pteris vittata – schopné akumulovať arzén (As).

Praktické využitie

• Phytoremediation (rastlinné čistenie) – použitie hyperakumulátorov na odstraňovanie kontaminantov z pôd a vôd.
• Phytomining – využitie rastlín na ťaženie cenných kovov (napr. niklu) zo špecializovaných pôd a následné spracovanie biomasy na získanie kovov.
• Bioindikátory – hyperakumulátory môžu signalizovať prítomnosť zvýšených koncentrácií kovov v prostredí.

Obmedzenia a bezpečnosť

Aj keď majú hyperakumulátory veľký potenciál, pri ich využití treba dbať na bezpečnosť: biomasa bohatá na toxické kovy musí byť bezpečne zneškodnená alebo spracovaná (napr. spaľovaním s následnou separáciou kovov), aby nedošlo k ďalšiemu šíreniu kontaminácie. Úspech phytoremediation tiež závisí od rýchlosti rastu a biomasy rastlín, hlbky koreňov a ekologických podmienok.

Zhrnutie

Hyperakumulátory sú špecializované rastliny schopné žiť na pôdach s vysokým obsahom kovov a ukladať tieto kovy v nadzemných častiach. Ich schopnosť je podmienená súhrou génov (ako sú ZIP a ďalšie transportéry), biochemických chelátorov a bunkových mechanizmov sekvestrácie. Okrem vedeckého záujmu majú významné praktické aplikácie v environmentálnej sanácii a ťažbe kovov z pôdy.

Otázky a odpovede

Otázka: Čo je to hyperakumulátor?

Otázka: Čo je príkladom hyperakumulátora?

Otázka: Ako rastliny profitujú z hyperakumulácie kovov?

Otázka: Aká rodina génov sa podieľa na hyperakumulácii kovov?

Otázka: U koľkých druhov sa zistilo, že obsahujú gény HA?

Otázka: Aké kovy sú schopné byť sekvestrované expresiou HA génov?

Hľadajte podľa písmena