Кресс-салат вида Arabidopsis Halleri, как известно, обладает способностью селиться на враждебной почве, загрязненной тяжелыми металлами. В его листьях хранится необычайно высокая концентрация некоторых токсичных тяжелых металлов: редкое свойство. Исследователи из Бохума и Байройта проанализировали ок. 2000 экземпляров этого вида из 165 мест по всей Европе. В этом процессе они выявили подавляющее разнообразие, возникшее среди растений одного и того же вида в ходе эволюции. Их выводы помогают изучить огромный потенциал растений для будущих технологий; в этом случае они способствуют детоксикации почвы и извлечению металлов, представляющих экономический интерес.
Поразительные крайности биологических возможностей
«У растений естественные процессы эволюции привели к противоположным крайностям биологических характеристик, а также к ошеломляющему биологическому разнообразию», - говорит профессор д-р Уте Кремер с кафедры физиологии растений Рурского университета. «Однако эти явления описаны не полностью и еще в меньшей степени объяснены».
В сотрудничестве с исследовательской группой, возглавляемой профессором доктором Стефаном Клеменсом из Байройта, исследователи из Бохума провели беспрецедентное в сфера. Исследование было сосредоточено на совместном анализе образцов листьев и почвы с целью определения уровней концентрации различных элементов тяжелых и нетяжелых металлов для каждого из прибл. 2 000 особей в 165 местах по всей Европе.
Внимательно следите за эволюцией in situ
Работая на месте, исследователи смогли наблюдать результаты эволюции намного лучше, чем в условиях теплицы. Особи, обладающие свойствами, наиболее выгодными в их домашней среде, лучше приспособлены и производят больше потомства, чем их местные конкуренты. Таким образом, полезные мутации распространяются. Их стратегия выборки также позволила исследователям напрямую связать состав листьев с составом местной почвы, что позволило сделать выводы о свойствах каждого отдельного растения.
Исследователи определяют новые рекордные значения
С точки зрения тяжелых металлов, свинца, кадмия, цинка и меди, состав почвы варьировался от места к месту почти на пять порядков. Это означает, что допустимый диапазон состава почвы для этого вида растений огромен. Рекордные значения токсичных тяжелых металлов, сконцентрированных в листьях арабидопсиса халлери, достигали 5,4% цинка и 0.3 процента кадмия по отношению к сухой биомассе.
Тяжелые металлы против дефолиации
«Некоторые растения обладали губчатой способностью высасывать тяжелые металлы кадмий и цинк из незначительных количеств в почве», - описывает Уте Кремер и отвечает на вопрос, почему: «Это необычный защитный механизм от хищников. или конкурентов; собранные на сегодняшний день экспериментальные доказательства антитравоядного эффекта являются наиболее подробными на сегодняшний день ».
Чешские заводы накапливают больше кадмия, чем итальянские
Более того, исследователи определили географические структуры в свойствах растений в разных масштабах. Например, растения, растущие вдоль немецко-чешской границы, могли концентрировать кадмий более эффективно, чем растения в северной Италии. В пределах подмножества мест особи растений очень сильно отличались от своих непосредственных соседей по концентрации тяжелых металлов, независимо от состава почвы. Исследователи подозревают, что это результат продолжающейся эволюции: разнообразных приспособлений растений к конкретным местным экологическим условиям.
Генетические исследования, которым стоит следовать
Чтобы доказать, что различия в концентрации тяжелых металлов, наблюдаемые в естественной среде обитания, являются результатом различных свойств особей вида, авторы подтвердили свои выводы в лабораторных экспериментах в контролируемых стандартизированных условиях. «В целом результаты указывают на удивительную индивидуальность свойств растений одного и того же вида», - говорит Уте Кремер. «Теперь можно провести генетические исследования, чтобы определить, что вызывает эти различия и как они возникают в растении».
Технологии будущего на заводе
Результаты исследования представляют собой еще один шаг к изучению огромного потенциала, скрытого в природном разнообразии, для будущего развития устойчивых технологий на основе растений. В этом случае, например, возможно использование заводов для концентрирования металлов из почвы, представляющих экономический интерес. Специалисты называют этот процесс фитомайнингом. Более того, растения можно использовать для очистки почв, загрязненных тяжелыми металлами, с применением технологии, называемой фиторемедиацией.
Лучшее понимание происхождения
«Такие специфические биологические явления очень важны для нас, людей, потому что они помогают нам получить универсальное представление об эволюционных процессах и о том, как они взаимосвязаны с очень изменчивой окружающей средой, которая часто враждебна жизни», - отмечает Уте Кремер.. «Помимо выполнения важной функции удовлетворения человеческой жажды знаний о нашем собственном происхождении и о происхождении окружающей природы: эти универсальные идеи вполне могут оказаться актуальными для выживания человечества в ближайшем будущем».