Сахара и органические кислоты защищают амарант от отравления цинком

Учёные из Балтийского федерального университета им. И. Канта совместно с исследователями из СПбГУ и Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН определили ключевые изменения в метаболизме растений амаранта, которые помогают им противостоять токсичному влиянию цинка.

Выяснилось, что амарант активно накапливает сахара и органические кислоты, нейтрализующие вредное воздействие тяжёлых металлов. Полученные данные будут полезны для селекции культур, устойчивых к загрязнённым почвам. Результаты исследования опубликованы в журнале Plants.

Работа промышленных предприятий, сжигание автомобильного топлива и использование пестицидов и удобрений в сельском хозяйстве приводят к загрязнению почвы тяжёлыми металлами, в частности, цинком. Хотя растениям этот элемент нужен в малых количествах, его избыток ведёт к разрушению фотосинтеза, метаболизма, повреждению клеток и снижению продуктивности. У растений есть различные защитные механизмы, помогающие предотвратить повреждение клеток тяжёлыми металлами, но они всё ещё недостаточно изучены.

Исследователи изучали механизмы, которые придают амаранту (Amaranthus caudatus L.) устойчивость к цинку. Это растение хорошо адаптируется к неблагоприятной среде в целом и к очень бедным и загрязнённым почвам в частности.

В работе использовали молодые растения амаранта, выращенные в гидропонной культуре — без почвы, в растворе с питательными веществами. Учёные добавили в питательный раствор для части растений на одну неделю концентрацию цинка, которая, по оценке физиологических параметров листьев, вызывала у растений умеренный стресс, но мало влияла на здоровье. Растения, не подвергавшиеся воздействию цинка, вошли в контрольную группу.

Через неделю экспериментов учёные взяли образцы корней и листьев растений и проанализировали их химический состав. Оказалось, что после обработки цинком амарант увеличил выработку 83 соединений, среди которых большинство составили сахара (в частности, сахароза и галактоза) и органические кислоты (глюконовая и салициловая). Эти вещества связывают ионы цинка и защищают растения от окислительного стресса.

Особенно сильные изменения команда наблюдала в корнях: здесь количество глюконовой кислоты увеличилось в 59 раз, а салициловой — в 27 раз по сравнению с контрольной группой. Кроме того, анализ показал, что в ответ на воздействие металла корни амаранта активнее синтезировали галактозу, которая может в дальнейшем участвовать в пути образования пектинов. Эти полимеры служат структурными компонентами клеточных стенок и способны эффективно связывать ионы цинка, уменьшая их доступность для растительных клеток.

Такие результаты означают, что эти вещества могут предотвращать перенос металла в наземные части растения.

Исследование показывает, что амарант адаптируется к избытку цинка благодаря перестройке метаболизма. При этом растение не только накапливает металл в корнях и препятствует его попаданию в наземные части, но и активно нейтрализует его вредное воздействие с помощью сахаров и органических кислот. Эта информация будет полезна для создания сортов сельскохозяйственных культур, устойчивых к загрязнению окружающей среды.

В будущем планируется изучить изменения, происходящие на уровне протеома (набора белков в клетке) растений амаранта, обработанных цинком. Это исследование приблизит к пониманию молекулярных механизмов, лежащих в основе стрессовых реакций, вызванных токсичностью ионов цинка, и будет иметь решающее значение для разработки новых подходов к смягчению вредного воздействия этого металла на физиологию растений и создания эффективных инструментов фиторемедиации.