Nogle planter kan kortslutte de giftige virkninger af metaller. Nu forsøger videnskabsmænd at udnytte deres kraft

Ved første øjekast er det svært at se, hvad guld, jern, bly, arsen, sølv, platin og tin har til fælles. Et kig på det periodiske system vil opklare forvirringen:de er alle tungmetaller, typisk kategoriseret som de metaller med en atomvægt og -densitet mindst fem gange større end vand.

Disse og andre tungmetaller forekommer naturligt i miljøet og i nogle tilfælde i vores kroppe. De anses for det meste som harmløse, men ved visse eksponeringsniveauer kan de være giftige for mennesker, planter og dyr. At blive overeksponeret for tungmetaller kan hæmme planternes vækst og sænke frøproduktionen.

Nogle planter har udviklet egenskaber, der øger deres tolerance over for tungmetaller. Mange forskere, heriblandt mig selv, mener, at forståelse og udnyttelse af disse evolutionære træk kan give os mulighed for at beskytte landbrugsafgrøder mod de dårlige virkninger af tungmetaltoksicitet.

Min forskning fokuserer på at forbedre planters tolerance over for tungmetaller, hvilket er særligt vigtigt i et land som Sydafrika, hvor minedrift forurener jord. Disse jorder er kritiske for landbruget.

Selv planter i samme familie bruger forskellige strategier til at klare metaller. Nogle optager metallerne i deres rødder og overfører dem til deres blade; andre tager metallerne op og holder dem (immobile) i deres rødder. Dette er vigtigt for fødevaresikkerheden og fødevaresikkerheden, da vi ønsker planter, der kan begrænse metaloptagelsen i deres spiselige dele. Men som mine kolleger og jeg skitserer i et nyligt gennemgangspapir, er det ikke nogen let opgave at udnytte disse strategier.

Eksponering og risiko

Tungmetalstress eller toksicitet i planter sker, når de udsættes for tungmetaller i jorden.

Denne eksponering er normalt et resultat af affald og forurenende stoffer fra menneskelige aktiviteter som landbrug, minedrift og industri. I Sydafrika har minedrift været en førende synder for tungmetalforurening.

Dette hæmmer planters vækst eller deres evne til at omdanne sollys til essentiel energi gennem fotosyntese. Eller det kan påvirke, hvordan de optager næringsstoffer, eller hvordan de reagerer på tørke eller skadelige patogener.

Dette har betydning for produktionen af ​​fødevareafgrøder. Undersøgelser rundt om i verden har fundet ud af, at tungmetaltoksicitet kan reducere afgrødeudbyttet såvel som deres kvalitet. Lægeplanter kan også blive påvirket af tungmetaller.

Sådan gør planter det

Plants have evolved some mechanisms to fend off heavy metals effects. I study one of these:signaling mechanisms that plants use to control the uptake of heavy metals—their "immune" response to heavy metals.

In much the same way as the human immune system is alerted to, monitors and responds to a pathogen, plants have evolved signaling mechanisms that help them to regulate their tolerance to heavy metals.

These signaling mechanisms are impressive. For example, plants can trigger signaling events to release low-molecular-weight ligands (ions or molecules) that tightly bind to the heavy metals and prevent them from moving from the roots.

But they're far from perfect. As human viruses like HIV and SARS-CoV-2 (the coronavirus behind COVID-19) have shown, certain pathogens can short-circuit the immune system. Heavy metals can do the same to the plant's signaling mechanisms by mimicking essential nutrients; for instance, the metal vanadium resembles phosphate.

Heavy metals like copper have also been shown to damage the membrane integrity of the cell walls in the roots of plants. Similarly, heavy metals can disrupt the construction of these cell walls; weakened walls make the cell lose structural integrity, which exposes the cellular membranes and causes cell death.

Heavy metals can also impair the work of the plasma membrane, which regulates the transport of material in and out of the plant cells. This blocks the uptake of essential nutrients by negating the function of numerous transporter proteins at work in the plasma membranes.

Useful lessons

Despite their shortcomings, these signaling mechanisms are powerful. That's why I study them:if we can tap into the way in which plants adapt to the threats from heavy metals, there's a chance that soil contaminated with heavy metals can be rejuvenated through the use of the right plants, or that this tolerance can be passed on to other plants, including food crops.

Our ongoing work, and that of others, is promising, but it's still early days. Perhaps one day soon, plants' clever adaptations will signal a change in how we deal with heavy metal toxicity. + Udforsk yderligere

Exploring sources of heavy metals in atmospheric aerosols in the southeast Tibetan Plateau

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.