7 Minutės
Japonijos mokslininkai aptiko mikroskopinį pokytį augalų baltymuose, kuris padeda paaiškinti, kodėl moliūgai, cukinijos ir kiti uždaragalviai daržovės linkę koncentratinti dirvožemio teršalus valgomoje dalyje. Šis atradimas atveria dvi praktines kryptis: selekciją ir veisimą, siekiant sukurti mažiau užterštas daržovių veisles, arba augalų dizainą, skirtą aktyviai valyti užterštas dirvas per fitoremediaciją.
Mažas baltyminis signalas paaiškina didelę problemą
Dar metus ūkininkai ir maisto saugos specialistai pastebėjo, kad moliūginių (Cucurbitaceae) šeimos augalai — moliūgai, cukinijos, agurkai, melionai ir kiti — dažnai turi aukštesnį tam tikrų dirvožemyje esančių užteršimų kiekį nei daugelis kitų kultūrų. Tokie junginiai, dažnai organiniai ar metaliniai, gali būti aplinkoje gana stabilūs ir kaupiasi augalų vaisiuose ar sėklose. Kai jie pasiekia vartotojo stalą, ilgalaikis poveikis sveikatai gali būti reikšmingas, todėl svarbu suprasti mechanizmus, lemiantis jų koncentraciją valgomoje dalyje.
Hideyuki Inui ir jo tyrimų grupė Kobe universitete ėmėsi aiškintis, kodėl šie augalai elgiasi kitaip. Ankstesni darbai identifikavo tam tikrą augalinių baltymų klasę, galinčią surišti teršalus — tokie baltymai veikė kaip „pernešėjai“, kurie gali įsukti toksinus į augalo skystis ir taip padėti jiems judėti per audinius. Naujas tyrimas, publikuotas žurnale Plant Physiology and Biochemistry, tęsia šią liniją ir parodo, kad labai nedidelis baltymo aminorūgščių sekos pokytis veikia kaip pašto kodas: jis nurodo ląstelei, ar palikti baltymą ląstelės viduje, ar eksportuoti į augalo sultis (apoplastą ir trašinių takus).
Kaip sekrecija keičia teršalų srautą
Tyrėjai nustatė, kad baltymo variantai, kurie yra sekretojami į sultis, gali keliauti į viršutines augalo dalis, įskaitant lapus ir vaisius, tuo tarpu nesekretuojami variantai lieka ląstelėse ir mažiau linkę kilti aukštyn. Tokia dinamikos diferencijacija paaiškina, kodėl kai kurios veislės kaupia daugiau teršalų vaisiuose: jose dominuoja eksporto linkę (sekretuojami) baltymų variantai, kurie perneša surištus teršalus į floemą ir kitas transporto sistemas.
Norėdami patikrinti hipotezę, mokslininkai įvedė aukšto kaupimosi baltymo variantą į tabako (Nicotiana) augalus kaip eksperimentinį modelį. Tabakas pradėjo eksportuoti šį baltymą į savo sultis, parodydamas, kad aminorūgščių skirtumas yra pakankamas pakeisti baltymo paskirtį augale. Kaip pažymi Inui: "Tik sekretojami baltymai gali migruoti augalo viduje ir būti transportuojami į viršutines dalis. Todėl sekrecija, regis, yra esminis skirtumas tarp mažai ir daug kaupiamų veislių." Ši frazė atkreipia dėmesį į molekulinį kontrolės tašką, kurį galima taikyti tiek selekcijos, tiek biotechnologinių sprendimų kontekste.
Moliūginių šeimos augalai — moliūgai, cukinijos, melionai, agurkai ir kt. — žinomi dėl didelio teršalų kaupimosi valgomojoje dalyje. Supratimas, kaip veikia transporto baltymai ir sekrecija, yra gyvybiškai svarbus, siekiant saugesnės produkcijos ir mažesnės maisto taršos rizikos. Credit: Hideyuki Inui
Pasekmės maisto saugai ir fitoremediacijai
Šis baltyminis įžvalgumas turi du greitus ir praktiškus padarinius. Pirmiausia augalų veisėjai gali atrinkti veisles, kuriose dominuoja baltymų variantai, liekantys ląstelių viduje (nesekretuojami), taip sumažinant teršalų kiekį, kuris patenka į vaisius ir kitus valgomuosius organus. Tokia selekcija — tiek tradicinė, tiek genomo valdomos (precision breeding) — gali pagerinti maisto saugą be būtinybės radikaliai keisti chemiją dirvožemyje.
Antra, mokslininkai gali apsukti idėją: sukurti augalus, kurie specialiai sekrecija išskiria teršalus surišančius baltymus į dirvą ir sultis, maksimaliai didindami teršalų surinkimą ir jų pernašą į aukščiausias augalo dalis. Tokios augalų linijos galėtų veikti kaip gyvi „siurbliai“ užterštoms vietovėms — tai ir yra fitoremediacijos strategija. Naudojant augalus, kurie inteligentiškai perneša ir kaupia teršalus savo audiniuose, galima žymiai sumažinti išlaidas ir ekologinį poveikį, susijusį su mechaniniu ar cheminių valymo metodų taikymu.
Valdant baltymo afinitetą surišti teršalus arba jo polinkį būti sekrecijuotam suteikiamas molekulinis svirtis, kurią galima reguliuoti. Genetinė inžinerija arba tiksli selekcija gali sureguliuoti šią svirtį taip, kad ji arba saugotų derlių, arba skatintų dirvos valymą. Pritraukianti šio sprendimo pusė yra ta, kad tam nereikia atrasti visiškai naujų detoksikacijos fermentų; pakanka pakeisti, kaip jau esami teršalus surišantys baltymai yra ekspresuojami ir tvarkomi augalo audiniuose.
Ką tai reiškia ūkininkams ir aplinkai
Pavyzdžiui, laukai, esantys šalia pramoninių zonų ar istorinių taršos židinių, gali turėti padidintą riziką: dirvožemis gali būti užterštas metalais, PAH (poliaromatiniais angliavandeniliais) arba kitais ilgalaikiais organiniais teršalais. Jei ūkininkai atsisėja moliūginių šeimos augalus, kurie turi nesekretuojančius baltymų variantus, jų derlius gali nešti žymiai mažesnę teršalų apkrovą — tai pagerintų maisto saugą, nekeičiant dirvožemio sudėties. Priešingu atveju, specialiai programuotos arba natūraliai pasirinktos veislės, kurios sekrecijos būdu išskiria ir suriša teršalus, galėtų būti sodinamos kaip biomažo priemonė dirvos valymui per kelis vegetacijos ciklus.
Tokia strategija gali mažinti valymo išlaidas ir ekologinę riziką, susijusią su tradicinėmis cheminėmis ar mechaninėmis valymo priemonėmis. Tačiau praktiniame taikyme būtina atsižvelgti į logistiką: kaip tvarkyti užterštą biomateriją po surinkimo (pavyzdžiui, ar ją kompostuoti, deginti, ar apdoroti kitaip), kaip užtikrinti, kad talpinami teršalai neprasidėtų naujoje grandyje, ir kaip matuoti bei sertifikuoti saugų galutinį maisto produktą. Visos šios detalės priklauso nuo teršalo tipo — sunkiųjų metalų elgsena skiriasi nuo organinių teršalų, kuriuos suriša baltymai — todėl reikalingas specifinis monitoringo ir valdymo planas.
Ekspertų įžvalgos
„Šis tyrimas aiškiai sujungia molekulinį signalą su matoma žemės ūkio problema,“ sako dr. Amelia Cortez, augalų molekulinės biologijos specialistė Šefildo universitete. „Jis parodo, kaip viena aminorūgšties kaita gali perprogramuoti baltymo maršrutą augalo viduje — ir būtent šis reguliavimo taškas yra tai, ką veisėjai ir biotechnologai turėtų taikyti, siekdami saugesnio maisto ar efektyvesnės fitoremediacijos.“
Ateities darbai turės atkartoti ir išplėsti šiuos rezultatus: reikia suskirstyti, kurie konkretūs teršalai yra labiausiai paveikiami šių surišančių baltymų; patikrinti modifikuotų kultūrų ilgalaikį saugumą; ir išbandyti fitoremediacijos strategijas tikrose užterštose vietose, kur dirvožemio sudėtis, mikrobioma ir aplinkos sąlygos yra įvairesnės nei laboratorinėje aplinkoje. Be to, svarbu išplėtoti standartus ir priemones, leidžiančias ūkininkams ir reguliuotojams patikimai įvertinti teršalų mažėjimą bei galutinį maisto produktų saugumą.
Iš platesnės perspektyvos, šis atradimas suteikia veikimo planą: suprask transporto baltymus ir jų signalus, tada projektuok augalus, kurie blokuoja arba skatina teršalų judėjimą, atsižvelgiant į tikslą — maisto saugumą arba dirvos valymą. Tokia strategija, paremta molekuline biologija, selekcija ir agronomija, gali tapti svarbia priemone valdant ilgalaikes dirvožemio taršos problemas.
Praktiniai žingsniai gali apimti tolimesnius bandymus su skirtingomis moliūginių šeimos rūšimis ir veislėmis, teršalų specifikacijos sudarymą (pvz., sunkiųjų metalų vs. organinių junginių sąrašą), ir derlių tvarkymo bei saugos protokolų kūrimą. Integruojant cheminių analizės metodų rizikos vertinimą, genetinius žymenis, leidžiančius greitai nustatyti, ar augalas ekspresuoja sekretuojančius ar nesekretuojančius baltymų variantus, galima sukurti greitus diagnostikos įrankius lauke.
Galiausiai, komunikuojant su visuomene ir suinteresuotosiomis šalimis, svarbu skaidrumas: aiškiai paaiškinti, kada ir kur rekomenduojama naudoti fitoremediaciją, kokios yra maisto saugos garantijos, ir kokios taisyklės turėtų būti taikomos modifikuotų arba selekcionuotų veislių naudojimui. Tokiu būdu šis molekulinis atradimas gali būti perkeliamas į praktinius sprendimus, padedančius sumažinti žmonių ir ekosistemų riziką nuo dirvožemio teršalų.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą