При выращивании сельскохозяйственных культур на загрязненной мышьяком почве, этот токсичный элемент накапливается в растениях. Недавние исследования позволили обнаружить механизм, с помощью которого растения кукурузы снижают поглощение мышьяка: ключевым фактором является особое вещество, выделяемое корнями в почву.
Мышьяк — это токсичный химический элемент, встречающийся в природе в свободном виде. Загрязненные мышьяком почвы и воды встречаются по всему миру, главным образом в странах юго-восточной Азии (Бангладеш, Вьетнам и Китай).
Ученые полагают, проблема заключается в том, что для растений мышьяк похож на фосфор. Фосфор — это важное питательное вещество, которое растения получают через специальные транспортные каналы в корнях, через эти каналы мышьяк попадает в растения. В результате большое количество токсичного вещества накапливается в биомассе растения и попадает в пищевую цепочку. В долгосрочной перспективе это негативно сказывается на здоровье человека. Мышьяк может вызвать, неврологические поражения и рак.
Согласно исследованиям, кукуруза снижает токсичность мышьяка благодаря соединениям, известным как бензоксазиноиды. Эти вещества вырабатываются большинством растений из семейства злаков, в которую входят кукуруза и пшеница. Кукуруза производит особенно большое количество бензоксазиноидов, которые также попадают в почву через корневую систему.
Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи выращивали растения кукурузы в двух типах почвы: без мышьяка и с высоким содержанием мышьяка. Параллельно они провели тот же эксперимент с растениями кукурузы, которые не могут производить бензоксазиноиды из-за генетического дефекта.
Результат оказался однозначным: кукуруза, продуцирующая бензоксазиноиды, лучше росла в почве, содержащей мышьяк, и накапливала в своей биомассе значительно меньше мышьяка, чем кукуруза, не выделяющая бензоксазиноиды.
Когда исследователи добавили бензоксазиноиды в почву, содержащую мышьяк, мутантные растения также были защищены от токсического воздействия мышьяка. Это стало доказательством того, что присутствие бензоксазиноидов в почве снижает поглощение мышьяка растениями.
Далее исследователи попытались найти механизм, лежащий в основе этого эффекта. Анализ микробиома корней показал, что бактерии и грибы в этом не участвуют. Однако согласно результатам химического анализа почвы особенно токсичная форма мышьяка исчезает в присутствии бензоксазиноидов. Это говорит о том, что бензоксазиноиды трансформируют мышьяк таким образом, что он больше не может быть поглощен через корень.
Дальнейшие эксперименты показали, что положительный эффект бензоксазиноидов в почве сохраняется в течение длительного времени.
Таким образом, выращивая на загрязненных мышьяком почвах растения, выделяющие большое количество бензоксазиноидов, можно быть более уверенным в том, что в пищевую цепь попадает меньше мышьяка.
Изучение воздействия химических веществ на растения помогает в решении многих экологических и сельскохозяйственных вопросов. Во Всероссийском центре карантина растений Россельхознадзора (ФГБУ «ВНИИКР») применяют новые подходы в научных исследованиях. В настоящее время проводятся научные работы по поиску и изучению биологически активных веществ, которые имея высокую биологическую эффективность, могут стать заменой химическим препаратам.
Источник: Veronica Caggìa et al, Root-exuded specialized metabolites reduce arsenic toxicity in maize, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2314261121