Molekularne i fizjologiczne mechanizmy sezonowego transportu i fitoekstrakcji różnych form arsenu u traw wieloletnich na przykładzie miskanta olbrzymiego (Miscanthus x giganteus)
Type
Project
Date Issued
2021
Author
Discipline
forestry
metadata.label.dc.pbn.affiliation.nauki-chemiczne
agriculture and horticulture
Abstract (PL)
Arsen jest wysoce fitotoksycznym pierwiastkiem, który naturalnie występuje w skorupie ziemskiej. Zanieczyszczenie tym metaloidem jest poważnym problemem globalnym. Chociaż arsen przedostaje się do środowiska w wyniku naturalnych procesów geogenicznych, narażenie na jego działanie gwałtownie wzrosło wskutek uprzemysłowienia i dawniej stosowanych herbicydów zawierających As. W środowiskach tlenowych, w tym w glebie, najczęściej występują umiarkowanie toksyczne formy arsenianowe – As(V). W większości skażonych gleb występują również mniej toksyczne zmetylowane formy As(V), takie jak mono- (MMA) lub dimetyloarsen (DMA). Jednak najbardziej szkodliwa dla roślin nieorganiczna forma arsenu - arsenin As(III), stanowi znaczną część całkowitego zanieczyszczenia As. Problem zanieczyszczenia gleby arsenem występuje głównie w sąsiedztwie terenów wydobycia rud miedzi i złota, np. w Polsce w okolicach Złotego Stoku. Fitoekstrakcja i fitoremediacja są metodami rekultywacji terenów skażonych i odpadów poflotacyjnych i opierają się na wykorzystaniu gatunków roślin mogących rosnąć na zanieczyszczonych glebach, z jednoczesnym unieruchomieniem zanieczyszczeń w organach roślinnych. Dotychczas do dekontaminacji gleby wykorzystywano głównie drzewa takie jak topole, klony czy wierzby. Jednak w ostatnich latach więcej uwagi poświęca się szybko rosnącym roślinom, w tym nieżywnościowym trawom o typie fotosyntezy C4, zwłaszcza Miscanthus × giganteus. Miskant jest przykładem traw o wielorakich zastosowaniach. Rodzaj Miscanthus obejmuje około 20 gatunków traw wieloletnich charakteryzujących się szybkim wzrostem biomasy. Od wielu lat prowadzone są badania nad wykorzystaniem miskanta do celów bioenergetycznych, nie tylko do produkcji peletów czy brykietów, ale także do paliw drugiej generacji, np. bioetanolu. Wieloletni wzrost, w tym na terenach marginalnych oraz dużą ilość produkowanej biomasy można uznać za dodatkowe atrybuty zwiększające potencjał fitoremediacyjny miskanta. Pilotażowy projekt (Miniatura 3) wykazał, niezależnie od różnic pomiędzy badanymi odmianami (genotypami) miskanta olbrzymiego (M. × giganteus), kilka interesujących zjawisk. Po pierwsze, negatywne oddziaływanie badanych form arsenu (As(III), As(V) i DMA) było większe w przypadku ich niższych stężeń. Ponadto najobficiej występującą formą As w roślinach był DMA i inne związki organiczne, niezależnie od zaaplikowanej formy As. Jednak najbardziej szkodliwe następstwa dla wzrostu i fizjologii roślin zaobserwowano po zastosowaniu As(III). Zmiany w funkcjonowaniu aparatu fotosyntetycznego najprawdopodobniej wynikały ze zmniejszonej aktywności RuBisCo i prawdopodobnie innych enzymów asymilacji CO2 wg typu C4 oraz dysfunkcji fotosystemów poprzez uszkodzenia tylakoidów i innych błon komórkowych, na co wskazywał zwiększony wyciek elektrolitów. Podsumowując, wyniki projektu pilotażowego wskazały na potrzebę kontynuacji badań mechanizmów reakcji miskanta na stres As, a także umożliwiły sformułowanie odpowiednich hipotez badawczych. Pierwsza hipoteza głosi, że podczas fitoekstrakcji As rośliny z gatunków Miscanthus, które są narażone na mniej toksyczne organiczne formy As (np. DMA), mogą gromadzić ten metaloid w wyższych stężeniach. Jednocześnie rośliny rozwinęły mechanizmy szybkiej przemiany As z wysoce toksycznego nieorganicznego As, głównie trójwartościowego, do bardziej tolerowanych i akumulowanych organicznych związków As w postaci DMA i/lub innych kompleksów. Należy wyjaśnić kwestię, dlaczego i w jaki sposób pobierany As ulega detoksykacji poprzez przemianę do DMA/innych form organicznych oraz jak ten proces wpływa na metabolizm roślin. Wg drugiej hipotezy, ze względu na metaboliczny antagonizm między arsenem a fosforem, As może zaburzać wiele szlaków metabolicznych, a arsenolipidy (AsLp) mogą zastępować fosfolipidy w błonach. Wysoki poziom AsLp w błonach komórkowych może zmniejszać ich integralność i czynić je bardziej podatnymi na uszkodzenia. Uszkodzenie błon, szczególnie w przypadku tylakoidów, skutkuje następnie pogorszeniem działania aparatu fotosyntetycznego, zarówno fazy jasnej związanej z funkcjonowaniem fotosystemów, jak i fazy ciemnej, tj. asymilacji CO2. Celem projektu jest ustalenie podstaw modelu fitoekstrakcji i tolerancji arsenu przez trawy wielolatnie C4 na przykładzie Miscanthus × giganteus. Model ten będzie opracowany w wyniku kompleksowych i interdyscyplinarnych badań dotyczących fitoekstrakcji arsenu i jej efektów dla dwóch genotypów M. × giganteus („Illinois” i „Nagara”) charakteryzujących się odmienną reakcją na As. Opisane badania wzbudziły kilka pytań o szczegóły reakcji na skażenie As w przypadku miskanta – będącego nie tylko rosliną energetyczną czy użytkową, ale która może być też modelem dla innych wieloletnich traw C4. Reakcja na As wymaga zbadania na kolejnych poziomach funkcjonowania roślin: molekularnym, metabolicznym, fizjologicznym i wreszcie we wzroście i rozwoju. Spodziewamy się, że analizy transkryptomu pozwolą nie tylko określić skalę zmian w ekspresji genów odpowiedzialnych za homeostazę komórek, ale także zidentyfikować geny lub rodziny genów specyficznie indukowanych/represjonowanych przez stres As. Wierzymy, że wiedza zdobyta przyczyni się do określenia kluczowych elementów odpowiedzi M. × giganteus, a w perspektywie – innych roślin C4 na skażenie As. Wyniki projektu będą miały znaczenie zarówno dla nauk podstawowych, takich jak genomika funkcjonalna, metabolomika roślin, fizjologia i ekologia, jak i dyscyplin o znaczeniu utylitarnym, takich jak fitoremediacja, agronomia, bioenergetyka i biotechnology roślin.
Abstract (EN)
Arsenic (As) is a highly phytotoxic element that occurs naturally in the earth's crust. Contamination with this metalloid is a serious global problem. Although arsenic enters the environment through natural geogenic processes, its exposure rapidly heightened through industrialization and formerly used As-based herbicides. In aerobic environments, including soil, moderately toxic forms of arsenate - As(V) are the most common. Less toxic methylated forms of As(V) such as monomethylarsenic acid (MMA) or dimethylarsenic acid (DMA) also exist in most of contaminated soils. Yet, the most harmful inorganic form of arsenic for plants - reduced arsenite - As(III), constitutes substantial part of total As contamination. The problem of soil contamination with As affects mainly the vicinities of the areas of e.g. copper, silver and gold extraction, e.g. in Poland in Zloty Stok. Phytoextraction and phytoremediation are the methods of recultivation of contaminated sites and flotation wastes, and are founded on the use of plant species capable of growing on contaminated soils, with simultaneous immobilization of the pollutants in the plant organs. So far, trees as poplars, maples or willows, were predominantly exploited for soil decontamination. Nonetheless, last years more attention is paid on fast-growing plants, including non-food grasses of C4 photosynthesis, especially Miscanthus × giganteus. Miscanthus is an example of multiple uses. The Miscanthus genus includes about 20 species of perennial grasses characterized by rapid biomass growth. For many years, intensive research has been carried out on the use of Miscanthus for bioenergetic purposes, not only for the production of pellets or briquettes, but also for second generation fuels e.g bioethanol. However, perennial growth, including that on marginal lands, and large amount of biomass produced could be considered as additional attributes enhancing phytoremediation potential of Miscanthus. The pilot project (Miniature 3) showed, regardless of differences between tested giant miscanthus (M. × giganteus) cultivars (genotypes), several interesting phenomena. For the first, negative effects on investigated traits were more intensive in case of lower concentrations of arsenic forms (As(III), As(V), and DMA) tested. Moreover, the most abundant As form in plants was DMA and other organic compounds, regardless of an As form applied. Nevertheless, the most harmful aftermaths for plant growth and physiology were observed As(III) application. Changes in functioning of photosynthetic apparatus the most likely resulted from decreased activity of RuBisCo and probably other enzymes of C4 CO2 assimilation, and deterioration of photosystems through damages in thylakoids and other cell membranes, as indicated by increased electrolyte leakage. Summarising, the results of the pilot project indicated the need of continuation of studying mechanisms of Miscanthus response to As stress, as well as made possible to formulate relevant research hypotheses. The first hypothesis is that during As phytoextraction, plants of Miscanthus species, which are exposed to less toxic organic As forms (e.g. DMA) may accumulate this metalloid in higher concentrations. Simultaneously, plants developed mechanisms of rapid As transformation from highly toxic inorganic As, mostly trivalent, to more tolerable and deposited organic As compounds as DMA, and/or other complexes. The question why and how taken up As is detoxificated via transformation to DMA/other organic forms and how this process affects plant metabolism needs to be resolved. The second hypothesis is that due to metabolic antagonism between arsenic and phosphorus, As may disrupt many metabolic pathways, and arsenolipids might replace phospholipids in membranes. High level of AsLp in cell membranes may decrease their integrity and make them more susceptible to damage. Membrane dysfunction, especially in case of thylakoids, subsequently results in deterioration of photosynthetic apparatus, both light phase associated with photosystems functions, and dark phase of CO2 assimilation. The aim of the project is to establish basic model of arsenic phytoextraction and tolerance of C4 perennial grasses the example of Miscanthus × giganteus. This model will be developed as the result of comprehensive and interdisciplinary studies on arsenic phytoextraction and its effects for two genotypes of M. × giganteus (‘Illinois’ and ‘Nagara’) characterized by distinct reaction to As. Described studies raised several questions about details of the reaction to As contamination in case of Miscanthus – being not only energy or utility crop, but also considered as a model for other C4 perennial grasses. The reaction to As needs to be investigated on subsequent levels of plant functioning: molecular, metabolic, physiological and finally growth and development. We expect that transcriptome analyses will allow to not only determine scale of changes in expression of genes responsible for cell homeostasis, but also to identify genes or gene families specifically induced/repressed by As stress. We believe that knowledge gained in the outlined topics will contribute to determine key response elements of M. × giganteus, and in prospect – other C4 plants, to As contamination. The project results will be meaningful both for basic sciences, like functional genomics, plant metabolomics, physiology, and ecology, as well as disciplines of utilitarian importance, such as phytoremediation, agronomy, bioenergetics and plant biotechnology.