Z tego artykułu dowiesz się:

• Jakie geny odpowiadają za możliwość przeprowadzenia procesu fitoremediacji?
• Za co opowiadają poszczególne geny zidentyfikowane w konopiach?

Zanieczyszczenie gleby metalami ciężkimi jest jednym z głównych problemów na całym świecie. Aby utrzymać bezpieczne i zdrowe środowisko dla ludzi, istnieje pilna potrzeba identyfikacji roślin hiperakumulujących metale ciężkie (HM). Za ten proces odpowiadają geny zaangażowane w tolerancję na stres i akumulację HM. Biologiczne metody dekontaminacji są uważane za bezpieczne do usuwania tych zanieczyszczeń, szczególnie z wody i gleby. W związku z tym, technologia fitoremediacji jest technologią przyjazną dla środowiska i efektywną kosztowo. Wiele gatunków roślin ma zdolność wzrostu na skażonych terenach, a niektóre z nich są w stanie gromadzić wysokie stężenia metali ciężkich w swoich tkankach. Obecnie w literaturze opisano ponad 400 gatunków roślin hiperakumulujących metale. W tym artykule przyjrzymy się temu, jakie geny konopi odpowiadają za tolerancję i kumulowanie metali ciężkich w roślinie.  

Jakie geny odpowiadają za możliwość przeprowadzenia procesu fitoremediacji? 

Pewien włoski zespół badawczy przyjrzał się potencjałowi konopi jako czynnika dekontaminującego metale ciężkie poprzez identyfikację dwóch ważnych genów metali ciężkich. Genami tymi były: reduktaza glutationowo-disulfidowa (GSR) i fosfolipaza D-α (PLDα). Uzyskane wyniki wykazały akumulację metali ciężkich w liściach roślin konopi zebranych z zanieczyszczonego terenu:  

• Cu (1530 mg/kg-1),  
• Cd (151 mg/kg-1)  
• Ni (123 mg/kg-1)  

Świadczy to o zdolności roślin konopi do tolerancji na metale ciężkie, być może dzięki obecności genów tolerancji na stres. Badacze określili częściowe sekwencje genów GSR (215 bp) i PLDα (517 bp), reagujących na stres związany z obecnością metali ciężkich w liściach konopi. Oba geny wykazywały 40-60% identyczność sekwencji z wcześniej opisanymi genami innych gatunków roślin. Reszty wiążące glutation i konserwowane reszty argininowe były identyczne w przypuszczalnym genie GSR z genami innych gatunków roślin. Domenę wiążącą fosfolipidy i domenę katalityczną znaleziono natomiast w genie PLDα. Wyniki dostarczyły informacji na temat manipulowania genami GSR i PLDα w programach hodowlanych w celu uzyskania transgenicznych odmian odpornych na HM. Identyfikacja funkcjonalnych genów lub białek, które są zaangażowane w odpowiedź na stres związany z metalami ciężkimi jest podstawowym krokiem w zrozumieniu molekularnych mechanizmów odpowiedzi na stres. 

SŁUCHAJ LUB CZYTAJ TEŻ: Fitoremediacja i konopie- potencjał kontrowersyjnej rośliny.

Za co odpowiadają poszczególne geny zidentyfikowane w konopiach? 

Sugeruje się, że gen PLD reguluje specyficzne reakcje rozwojowe i reakcje na stres. Dotychczas scharakteryzowano u roślin wiele form fosfolipaz, takich jak D, C i A. Enzymy te biorą udział w regulacji komórkowej, metabolizmie lipidów i przebudowie błon. Geny PLD odgrywają ważną rolę w sygnalizacji i produkcji hormonów podczas różnych reakcji stresowych u roślin. Aktywność transkrypcyjna genów PLD i GSR wzrasta pod wpływem różnych stresów, takich jak zimno, susza i zasolenie.  

Aktywność enzymu GSR była badana w odpowiedzi na różne stresy środowiskowe, takie jak zasolenie, metale ciężkie i uszkodzenia oksydacyjne. Fosfolipazy są natomiast kluczowymi enzymami, które katalizują hydrolizę strukturalnych fosfolipidów, tworząc z nich produkt- kwas fosfatydowy (PA). PA działa jako wtórny posłaniec, który reguluje działanie różnych białek, takich jak kinazy, małe białka G i PIP5K. Gen fosfolipazy D-α (PLD) i jej produkt PA są zaangażowane nie tylko w sygnalizację stresu, ale także w sygnalizację rozwoju roślin. 

Podsumowanie

Aby zrozumieć molekularne mechanizmy roślinnej odpowiedzi na stres, należy zidentyfikować jednostki funkcjonalne, takie jak geny czy białka. Wyniki przeprowadzonych badań dostarczyły informacji na temat manipulowania genami GSR i PLDα w celu uzyskania transgenicznych odmian odpornych na HM. Identyfikacja genów GSR i PLDα może pozwolić na określenie szlaków molekularnych zaangażowanych w tolerancję i akumulację metali w roślinach konopi. Dalsze badania umożliwią poznanie mechanizmów obronnych konopi na czynniki stresowe.  

Źródła

1. Asad A. S., Muhammad S., Shah M. M., Khan S. A., 2015, Phytoremediation Potential of Hemp (Cannabis sativa L.): Identification and Characterization of Heavy Metals Responsive Genes, CLEAN, 44(2), 1-9.  
2. Todde G., Carboni G., Marras S., Caria M., Sirca C., 2022, Industrial hemp (Cannabis sativa L.) for phytoremediation: Energy and enviornmental life cycle assesment of using contaminated biomass as an energy resource, Sustainable Energy Technologies and Assessments, 52, 1-14. 
3. Wu Y., Trejo H. X., Chen G., Li S., 2011, Phytoremediation of contaminants of emerging concern from soil with industrial hemp (Cannabis sativa L.): a review, Environment, Development and Sustainability, 23(2), 1-25.