Tom 58 2009
Numer 1 2 (282 283)
Strony 221 228
AgnieszkA OlkO
Zakład Fizjologii Roślin
Instytut Biologii
Wydział Biologii i Nauk o Ziemi
Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej
Akademicka 19, 20-033 Lublin
e-mail: [e-mail]
FIZJOLOGICZNE ASPEKTY TOLERANCJI ROÅšLIN NA METALE CI
ŻKIE
WST
P
Istota i definicja tolerancji roślin na meta-  krótkodystansowy transport jonów w
le ciężkie jest przedmiotem rozważań fizjolo- korzeniu (kompleksowanie i kompartmen-
gów, biochemików i genetyków roślin. Obec- tacja jonów metali w komórkach korzenia,
nie definiuje się tę cechę jako zdolność ro- transport jonów metali między komórkami
ślin do utrzymania homeostazy jonów metali korzenia);
ciężkich na poziomie komórkowym i tkan-  załadunek ksylemu i długodystansowy
kowym. Wiele metali ciężkich pełni ważne transport ksylemowy jonów;
funkcje w metabolizmie roślin (Zn, Cu, Mo,  rozładunek ksylemu;
Mn, Ni, Fe), dlatego też prawidłowy przebieg  transport jonów w apoplaście i sympla-
procesów życiowych wymaga utrzymania ich ście komórek liści (transport jonów metali
dostępnej puli w komórce. Z drugiej strony, miedzy komórkami liścia, kompleksowanie i
wzrost wewnątrzkomórkowego stężenia tych kompartmentacja jonów metali w komórkach
niezbędnych jonów metali ponad wymagany i strukturach liścia).
dla metabolizmu zakres, wywołuje objawy Pobieranie jonów metali ciężkich przez
toksyczności, podobnie jak obecność jonów korzeń jest uzależnione od wielu czynników
takich metali jak Hg, Cd czy Pb. Fizjologicz- środowiskowych, a wśród nich głównie od
na granica, między stanem ich niedoboru a pH, temperatury, dostępności tlenu, całkowi-
stanem toksyczności ich nadmiaru, jest sto- tej zawartości danego metalu oraz obecności
sunkowo wąska. Dlatego też uważa się, że innych pierwiastków w glebie (mClAughlin
wykształcenie sprawnego systemu kontroli i współaut. 1999). Niektóre metale klasyfiku-
homeostazy jonów metali ciężkich, odpowia- je się jako mało dostępne, ze względu na ich
da za tolerancję roślin na ten czynnik abio- słabą rozpuszczalność w wodzie i duże powi-
tyczny (nelsOn 1999, krämer 2005, Clemens nowactwo do koloidów glebowych (np. Fe,
2006). Pb). Rośliny, poprzez aktywność fizjologiczną
Obecnie przyjmuje się (Clemens i współ- korzeni, mogą zwiększać biodostępność tych
aut. 2002), że z utrzymaniem homeostazy jo- metali, zakwaszając glebę lub wydzielając li-
nów metali ciężkich u roślin wiążą się liczne gandy hydroksylowe, kompleksujące trudno
procesy fizjologiczne, a zwłaszcza: dostępne jony. Przykładem takiej aktywno-
 mobilizacja jonów w środowisku gle- ści może być wydzielanie fitosideroforów
bowym i ich pobieranie z gleby do korzenia kompleksujących głównie jony Fe3+, a także
(adsorpcja wymienna jonów w apoplaście wydzielanie kwasów organicznych. Pewne
komórek korzenia, transport jonów przez gatunki roślin, wydzielając eksudaty korze-
plazmolemmę do symplastu); niowe, zmniejszają biodostępność metali
AgnieszkA OlkO
222
ciężkich. Przykładem może być wydzielanie zmniejsza biodostępność pierwiastków glebo-
przez korzenie cytrynianu dla podwyższenia wych. Dodatek do gleby związków chelatu-
tolerancji na glin (De lA Fuente i VereniCe jÄ…cych (np. EDTA) w metodzie fitoekstracji,
1997, mA i współaut. 2001), czy wydzielanie zwiększa wydajnie biodostępność metali oraz
kwasów pektynowych immobilizujących Pb ich translokację do części nadziemnych. Na-
w środowisku. Znajomość tych procesów tomiast wapnowanie gleby lub wzbogacanie
można wykorzystać w praktyce, na przykład nawozami organicznymi (kompost, obornik)
w fitoremediacji, gdzie poprzez odpowied- stabilizuje metale w glebie i efektywnie obni-
nią modyfikację środowiska zwiększa się lub ża ich fitoprzyswajalność.
KRÓTKODYSTANSOWY TRANSPORT JONÓW METALI W KORZENIACH I LIŚCIACH
Transport krótkodystansowy jonów meta- Udział transporterów błonowych w zacho-
waniu homeostazy jonów metali w komór-
li w korzeniu może odbywać się apoplastem
(przestwory międzykomórkowe, ściany ko- kach i tkankach jest znaczący. Poprzez zmia-
nę poziomu ekspresji transporterów oraz ich
mórkowe, martwe komórki) lub symplastem
(cytoplazma poszczególnych komórek połą- aktywności, regulowane jest wnikanie jonów
czonych plazmodesmami) do granicy endo- metali do komórek oraz ich przepływ między
organellami, komórkami i tkankami w całej
dermy (kOpCewiCz i lewAk 1998). Komórki
tej warstwy posiadajÄ… promieniste suberyno- roÅ›linie (grOtz i guerinOt 2006, krämer
we zgrubienia (pasemka Caspary ego), stano- i współaut. 2007). Czynnikiem dodatkowo
wiące nieprzepuszczalną barierę dla transpor- komplikującym wyjaśnienie udziału transpor-
tu wody i rozpuszczonych w niej jonów me- terów błonowych w utrzymaniu homeostazy
jonów metali w roślinie jest ich mała specy-
tali. Dlatego transport jonów od tej warstwy
ficzność względem transportowanych jonów.
korzenia do wiÄ…zek przewodzÄ…cych zachodzi
przez symplast, a wnikanie jonów przez pla- Powoduje to wnikanie do komórek, a następ-
zmolemmę zachodzi z udziałem transpor- nie transport w całej roślinie nie tylko jonów
metali niezbędnych dla roślin, ale także jo-
terów błonowych w komórkach korzenia.
Mechanizm ten wpływa na skład pierwiast- nów balastowych np. Pb2+ czy Cd2+ (Clemens
2006). Dotąd opisane roślinne transportery
kowy soku ksylemu i floemu, a tym samym
błonowe jonów metali ciężkich zalicza się
stanowi kolejny poziom kontroli homeostazy
do pięciu grup białek transportujących. Są to
jonów metali ciężkich w roślinie (gAymArD
i współaut. 1998, tester i leigh 2001). Na- ATPazy, białka ABC, CDF (ang. cation diffus-
sion facilitator), Nramp (ang. natura resistan-
tomiast krótkodystansowy transport jonów
ce macrophage protein) i CAX (ang. cation
metali w liściach odbywa się bez przeszkód
exchanger).
drogÄ… symplastu, jak i apoplastu (kArley i
współaut. 2000).
KOMPLEKSOWANE JONÓW METALI CI
ŻKICH W CYTOZOLU KOMÓREK KORZENI I LIŚCI
Wyjątkowo, jak na przykład w ksylemie, glutationu lub jego homologów przy udzia-
jony metali ciężkich spotykane są w formie le syntazy fitochelatynowej, której aktywato-
wolnej. Po wniknięciu do symplastu jony me- rami są jony metali ciężkich (Cd, Ag, Bi, Pb,
tali niemal natychmiast są kompleksowane Zn, Cu, Hg i Au) (grill i współaut. 1989). W
przez niskocząsteczkowe ligandy. Dlatego też cytozolu, grupy tiolowe reszt cysteinowych
dalszy ich transport w obrębie rośliny należy obecnych tam fitochelatyn tworzą z jonami
rozpatrywać w kontekście wymiany między metali kompleksy o małej masie cząsteczko-
ligandami (hAyDOn i CObbett 2007). Do klu- wej LMW (ang. low molecular weight). W
czowych chelatorów jonów metali ciężkich u badaniach przeprowadzonych na Schizosac-
roślin zalicza się: fitochelatyny, metalotione- charomyces pombe wykazano dalszy trans-
iny, kwasy organiczne i aminokwasy, a także port kompleksów LMW do wakuoli, z udzia-
fitynę, flawonoidy czy olejki gorczyczne. łem tonoplastowych transporterów Hmtl1,
Fitochelatyny (ang. phytochelatins, PC), to gdzie wspólnie z jonami S2- i jonami metali
bogate w cysteinÄ™ Å‚-Glu-Cys peptydy (grill i Å‚Ä…czÄ… siÄ™ one w wielkoczÄ…steczkowe agregaty
współaut. 1985). Powstają enzymatycznie z HMW (ang. high molecular weight) (Oritz i
Fizjologiczne aspekty tolerancji roślin na metale ciężkie
223
współaut. 1995). Przypuszcza się, że podob- latyny o wzorze (ł-Glu-Cys)nGln, gdzie termi-
ny mechanizm może funkcjonować u roślin, nalnym aminokwasem w budowie cząsteczki
jednak jak dotąd homologi tonoplastowych jest glutamina (kubOtA i współaut. 2000).
transporterów Hmtl1 wykryto poza drożdża- Metalotioneiny (ang. metallothioneins,
mi wyłącznie u Caenorhabditis elegans (VA- MT), to niskocząsteczkowe białka, bogate w
tAmAniuk i współaut. 2005). Funkcja fitoche- cysteinę, mające zdolność kompleksowania
latyn u roślin wiąże się z ich mechanizmami jonów miedzi, cynku i kadmu poprzez gru-
tolerancji na metale ciężkie. Uważa się, że py tiolowe reszt cysteinowych. W zależności
fitochelatyny biorą udział w detoksyfikacji od położenia reszt cysteinowych w łańcuchu
jonów metali ciężkich, w tak zwanym stresie polipeptydowym wydziela się trzy klasy me-
ostrym, wywołanym krótką ekspozycją roślin talotionein. Wszystkie metalotioneiny roślin-
na wysokie stężenia metali ciężkich, zwłasz- ne wraz z grzybowymi zaliczane są do klasy
cza u roślin o niskiej tolerancji na metale drugiej metalotionein (CObbett i gOlDsbrO-
(tripAthi i współaut. 1996, mishrA i współ- ugh 2002). Metalotioneiny zostały dobrze
aut. 2006, seth i współaut. 2008). Natomiast scharakteryzowane u zwierząt, natomiast u
u roślin o wysokim poziomie tolerancji na roślin wyizolowano jedynie wiele genów i
metale ciężkie, rola fitochealtyn w detoksy- cDNA metalotionein oraz dwa białka: jedno
fikacji jonów metali, w warunkach stresu ze zboża (lAne i współaut. 1987) i jedno z
ostrego, wydaje się mieć mniejsze znaczenie Arabidopsis (murphy i wspołaut. 1997). Su-
dla ich tolerancji względem metali ciężkich, geruje się również możliwość wykrycia trze-
pomimo obserwowanej u nich indukcji syn- ciego roślinnego białka metalotioneiny u Qu-
tezy fitochelatyn w tych warunkach (De VOs ercus suber (mir i współaut. 2004). Ogólnie
i współaut. 1992, De kneCht i współaut. uważa się, że funkcja metalotionein u roślin
1995, ebbs i współaut. 2002). W przypadku wiąże się z ich mechanizmami detoksyfika-
stresu chronicznego, polegającego na dłu- cji i homeostazy jonów metali, zwłaszcza jo-
giej ekspozycji roślin na małe dawki metali nów miedzi (CObbett i gOlDsbrOugh 2002).
ciężkich, rola fitochelatyn w detoksyfikacji Wszystkie informacje dotyczące fizjologicznej
jonów metali jest również niewielka. Wyni- funkcji roślinnych metalotionein oparte są
ka to prawdopodobnie z wysokich kosztów jednak prawie wyłącznie na badaniach eks-
energetycznych wiążących się z syntezą fito- presji genów metalotionein, co uniemożliwia
chelatyn, powodujÄ…cych ograniczenie ewolu- obecnie jednoznaczne stwierdzenie ich funk-
cyjnego rozwoju tego mechanizmu tolerancji cji u roślin. Wiadomo jest natomiast, że ro-
na metale u roślin (steFFens 1990). Obecnie ślinne geny metalotionein występują w for-
wyróżnia się 6 rodzin tych ł-Glu-Cys pepty- mie wielogenowych rodzin, których poszcze-
dów. Wspólnym elementem ich budowy jest gólni członkowie wydają się być niezależnie
dipeptyd ł-Glu-Cys, a różnicuje je rodzaj C- regulowani w zależności od stadium rozwojo-
terminalnego aminokwasu. U większości ro- wego czy też działania różnych bodz
ców jak
ślin terminalnym aminokwasem jest glicyna zranienie, atak patogenu, stres oksydacyjny a
(Gly), a substratem w tworzeniu tych pep- także stres metali ciężkich. Udział metalotio-
tydów jest glutation (ł-Glu-Cys-Gly) (GEKE- nein roślinnych w mechanizmach tolerancji
LER i współaut. 1989). U pewnych gatunków na metale ciężkie potwierdzają dodatkowo
rzędu Fabales, prekursorem syntezy fitoche- komplementacyjne badania przeprowadzone
latyn jest homoglutation (Å‚-Glu-Cys-²-Ala), a z udziaÅ‚em drożdży w których wykazano, że
terminalnym aminokwasem w budowie tych heterologiczna ekspresja różnych genów MT
Å‚-Glu-Cys peptydów jest ²-alanina (grill i pochodzÄ…cych od Thlaspi caerulescens od-
współaut. 1985). Pewne gatunki Poaceae, za- powiada za wzrost ich tolerancji na miedz
i
wierają hydroksymetyloglutation (ł-Glu-Cys- kadm, a wysoka tolerancja roślin T. caerule-
Ser), który jest substratem syntezy ł-Glu-Cys scens populacji St Felix-de-Pallieres (okolice
peptydów z seryną jako C-terminalnym ami- Ganges we Francji) na kadm może wynikać
nokwasem (KLAPHECK i współaut. 1994). U z wyjątkowo wysokiego, konstytutywnego
Zea mays stwierdzono obecność tripeptydu poziomu ekspresji genów MT u tych roślin
ł-Glu-Cys-Glu oraz jego pochodnych  fito- (rOOsens i współaut. 2004). Ponadto prze-
chelatyn o wzorze (ł-Glu-Cys)nGlu, a także prowadzone ostatnio badania wskazują, że
pochodnych dipeptydu ł-Glu-Cys, nazywa- metalotioneiny mogą również funkcjonować
nych fitochelatynami bezglicynowymi o wzo- u roślin jako donory/akceptory jonów metali
rze (ł-Glu-Cys)n (MEUWLY i współaut. 1995). (np. Zn2+) względem enzymów i metalo-zależ-
Szóstą rodziną ł-Glu-Cys peptydów są fitoche- nych białek wiążących się z DNA, a przez to
AgnieszkA OlkO
224
regulować ekspresję genów i metabolizm ko- obecność kwasów organicznych w tkankach
mórki (CAstigliOne i współaut. 2007). przewodzących, zwiększa efektywność dłu-
Kwasy organiczne i aminokwasy stano- godystansowego transportu jonów metali
wią ważną grupę chelatorów jonów metali ciężkich poprzez ograniczanie adsorpcji ich
ciężkich, ze względu na obecność w ich czą- wolnych jonów na ściankach naczyń oraz ich
steczkach wysoce reaktywnych grup funk- migracji poza tkanki przewodzÄ…ce (senDen i
cyjnych zawierających O, N lub S. Ponadto, wOlterbeek 1990). Obecności kompleksów
różnice w zawartości kwasów między tole- jonów metali ciężkich z kwasami organiczny-
rancyjnymi i nietolerancyjnymi ekotypami mi w ksylemie sprzyja kwaśne pH soku ksy-
różnych gatunków roślin wskazują, że mogą lemu (sAlt i współaut. 1999). Ponadto uważa
one pełnić rolę komórkowych chelatorów się, że kwasy organiczne pełnią ważną funk-
jonów metali ciężkich. Wśród kwasów orga- cję w utrzymaniu właściwego pH w różnych
nicznych najefektywniejszymi ligandami jo- przedziałach komórek korzeni przy nadmia-
nów metali ciężkich są: cytrynowy, jabłkowy, rze jonów dodatnich, np. aminowych (im-
malonowy, szczawiowy. Badania możliwego sAnDe i tOurAine 1994), co pośrednio może
udziału kwasów organicznych w detoksy- również wskazywać na ich rolę w utrzymy-
fikacji i transporcie jonów metali ciężkich waniu homeostazy przy nadmiarze jonów
u roślin dotyczą w znacznej mierze pędów. metali ciężkich.
Wzrost stężenia kwasu jabłkowego najczę- Spośród aminokwasów najlepiej znanym
ściej obserwuje się w tolerancji roślin na chelatorem jonów metali ciężkich u roślin
cynk, a u Zn-tolerancyjnych ekotypów Silene jest histydyna, tworząca kompleksy głównie
vulgaris jest ono 4 7 razy wyższe w liÅ›ciach, z jonami niklu (krämer i współaut. 1996), a
w porównaniu z roślinami nietolerancyjnymi także cynku (sAlt i współaut. 1999) i miedzi
(mAthys 1977). Korzenie badano rzadziej, ale (piCh i sChOlz 1996). HistydynÄ™ wykrywano
najczęściej zawartość kwasów organicznych głównie w ksylemie, zwłaszcza u hiperakumu-
w ich komórkach jest znacznie niższa i ulega latorów niklu traktowanych wysokimi stęże-
mniejszym zmianom w odpowiedzi na stres niami tego metalu (krämer i współaut. 1996).
metali ciężkich. W dotychczas przeprowa- Uważa się, że aminokwas ten jest głównym
dzonych badaniach potwierdzono aktywność chelatorem jonów niklu u roślin w proce-
kwasów organicznych w tworzeniu połączeń sach jego załadunku do ksylemu i transporcie
z jonami takich metali jak Al, Cd, Fe, Ni, i Zn długodystansowym (kerkeb i krAmer 2003).
(krOtz i współaut. 1989, yAng i współaut. Nadekspresja jednego z enzymów szlaku bio-
1997, mA i współaut. 2001, nigAm i współ- sytnezy histydyny (ATP-PRT1) u Arabidopsis
aut. 2001). Kwasy organiczne w komórkach thaliana zwiększała tolerancję tych roślin na
roślinnych są produkowane głównie w mi- nikiel co wskazuje, iż konstytutywnie wysoki
tochondriach w cyklu Krebsa i w mniejszym poziom syntezy histydyny, spotykany u hiper-
stopniu w glioksysomach w cyklu glioksalo- akumulatorów niklu, może stanowić jeden z
wym. Gromadzone są natomiast preferencyj- mechanizmów tolerancji tych roślin na nikiel
nie w wakuolach. W roÅ›linie transportowane (krämer i współaut. 1996, ingle i współaut.
sÄ… w ksylemie wraz z prÄ…dem transpiracyj- 2005). U T. caerulescens natomiast, histydyna
nym, o czym świadczy wzrost ich stężenia stanowi drugi, pod względem ilości, ligand
w soku ksylemu w nocy przy zahamowanej jonów tego metalu w liściach i pierwszy w
transpiracji (sChurr i sChulze 1996). Możli- korzeniach. Istnieją również badania, suge-
wy jest również ich transport we floemie w rujące funkcje histydyny jako podstawowe-
kierunku od liści do korzeni (imsAnDe i tO- go liganda jonów cynku w rozwijających się
urAine 1994). Istnieje wiele faktów przema- i starzejących komórkach. Komórki na tym
wiających za istotną rolą kwasów organicz- etapie rozwoju charakteryzują się dużą za-
nych w utrzymaniu homeostazy jonów metali wartością jonów cynku, które ze względu na
ciężkich u roślin. Ich gromadzenie w waku- brak wykształconych przedziałów komórko-
oli, która w komórce jest miejscem akumula- wych gromadzone są w cytozolu. Wyższe pH
cji jonów metali ciężkich, tłumaczy się jako cytozolu w stosunku do wakuoli powoduje
udział kwasów organicznych w detoksyfika- z kolei, że w tych warunkach kompleksowe
cji jonów metali ciężkich u roślin. Możliwość połączenia jonów cynku z kwasami organicz-
takÄ… potwierdza wysoka stabilność komplek- nymi sÄ… sÅ‚absze niż z histydynÄ… (küpper i
sów jonów metali ciężkich z kwasami orga- wpółaut. 2004). Niebiałkowy aminokwas ni-
nicznymi w warunkach kwaśnego pH (5.5) kotianamina, znany jest u roślin jako chelator
wakuoli (sAlt i współaut. 1999). Natomiast jonów żelaza (Fe2+ i Fe3+) oraz w mniejszym
Fizjologiczne aspekty tolerancji roślin na metale ciężkie
225
stopniu jonów miedzi i cynku (VOn wirÈn cji i hiperakumulacji jonów cynku i niklu
i współaut. 1999, wnitz i współaut. 2003). u roślin. Transgeniczna nadekspresja synta-
Do podstawowych funkcji nikotianaminy zy nikotianaminy u Arabidopsis lub tytoniu
u roślin należy utrzymanie homeostazy wy- zwiększała tolerancje tych roślin względem
mienionych jonów w całej roślinie (Curie i niklu (DOuChkOV i współaut. 2005, kim i
briAt 2003, wnitz i współaut. 2003). Funk- współaut. 2005). Podobnie u hiperakumula-
cjonuje ona miedzy innymi jako chelator jo- tora cynku A. thaliana obserwowano wyższy
nów żelaza, miedzi i cynku podczas transpor- poziom ekspresji genów syntazy nikotianami-
tu we floemie, jako chelator jonów miedzi i ny w porównaniu z pokrewnym gatunkiem
cynku podczas transportu w ksylemie, oraz nie będącym hiperakumulatorem cynku A.
jako chelator jonów żelaza w procesie rozła- thaliana a heterologiczna ekspresja genów
dunku ksylemu. Sugeruje się również udział syntazy nikotianaminy pochodzacych od A.
nikotianaminy w sekwestracji jonów żelaza thaliana AhNAST2 i AhNAS3 odpowiednio u
w wakuoli w warunkach ekspozycji roślin S. pombe i Saccharomyces cerevisiae wyka-
na wysokie dawki tego metalu (hAyDOn i zała u tych organizmów wzrost tolerancji na
CObbett 2007). Istnieją badania wskazujące cynk (tAlke i wpółaut. 2006).
na rolÄ™ nikotianaminy w procesach toleran-
KOMPARTMENTACJA JONÓW METALI W KOMÓRKACH KORZENI I LIŚCI
Różne organella komórkowe wykazują wym takim jak plastocyjanina i dysmutaza
różne zapotrzebowanie na określone jony nadtlenkowa (AbDel-ghAny i współaut. 2005)
metali. Większość biomolekuł zawierających oraz transport jonów miedzi do mitochon-
Fe, Zn lub Cu jest zlokalizowana poza cyto- driów w warunkach stresowych (bAlAnDin i
zolem, dlatego też dostarczenie odpowied- CAstresAnA 2002). Ponadto w kompartmen-
niej ilości jonów metali ciężkich do tych tacji jonów metali ciężkich w różnych prze-
przedziałów jest konieczne dla zachowania działach komórkowych, zasadniczą rolę od-
homeostazy w komórce (grOtz i guerinOt grywają transportery błonowe zlokalizowane
2006, krämer i współaut. 2007). Szczególne w bÅ‚onach tych organelli.
znaczenie odgrywa sekwestracja jonów me- Ściana komórkowa jest mechaniczną i
tali ciężkich w wakuoli, która u roślin pełni chemiczną barierą dla swobodnego wnikania
funkcje organellum gromadzącego zbędne i metali do symplastu i u niektórych gatun-
toksyczne substancje w komórce. Proces ten ków może zatrzymywać 80 95% ilości meta-
ma również kluczowe znaczenie w detoksy- lu pobieranego przez komórki, co wykazano
fikacji jonów metali ciężkich u roślin. Uważa zwłaszcza dla jonów miedzi, cynku, ołowiu i
się, że rodzaj ligandu może określać kierunek niskich stężeń glinu. Akumulację jonów me-
transportu jonów metali ciężkich w roślinie. tali obserwuje się tu najczęściej w przestrze-
I tak, jony metali ciężkich przeznaczone do niach między micellami celulozy. Również
magazynowania w wakuolach komórek ko- grupy karboksylowe kwasów poligalaturono-
rzenia mogą być kompleksowane przez PC, wych, składników chemicznych budujących
metalotioneiny (eVAns i współaut. 1992), a ściany komórkowe, są zaangażowane w two-
jony kierowane do transportu w ksylemie rzenie kompleksów z jonami metali. Podob-
mogą być kompleksowane przez histydynę, ną chelatujacą rolę odgrywają związki feno-
nikotianaminÄ™ (krämer i współaut. 1996) lub lowe obecne w Å›cianie komórkowej. Oprócz
cytrynian (senDen i współaut. 1994). Pew- elektrostatycznego wiązania do grup karbok-
ną funkcję w tym względzie przypisuje się sylowych lub innych grup obdarzonych ła-
również metalochaperonom, występującym dunkiem, w ścianie komórkowej opisano też
u roślin białkom, aktywnym w dostarczaniu trwałe wiązanie jonów metali. Wykryto i wy-
jonów metali do specyficznych białek w ob- ekstrahowano takie trwałe kompleksy jonów
rębie komórki (grOtz i guerinOt 2006). Su- miedzi z białkami ze ścian komórkowych ro-
geruje się, że podobnie jak to jest u drożdży ślin Armeria maritima (neumAnn i współaut.
metalochaperony mogą być odpowiedzialne 1995).
za transport jonów miedzi do transporterów Rośliny tolerancyjne na metale ciężkie
RAN1 w błonie pęcherzyków aparatu Golgy- mogą akumulować ich jony w idioblastach.
 ego (himelblAu i AmAsinO 2000), za dostar- U A. maritima rosnÄ…cej na glebach bogatych
czanie jonów miedzi białkom chloroplasto- w miedz
, idioblasty, nazywane komórkami
AgnieszkA OlkO
226
taninowymi, chelatujÄ… miedz
poprzez grupy (krämer i współaut. 1997), cynku (Avicennia
hydroksylowe związków fenolowych. Nie marina) (mACFArlAne i burChett 1999).
stwierdzono takiej funkcji idioblastów w ro- Również ekskrecja pełni ważną rolę w
ślinach A. maritima uprawianych na glebach kompartmentacji i wydzielaniu metali u me-
bogatych w cynk, u których gromadzony jest talofitów. ernst i współaut. (1992) oraz neu-
on głównie w ścianach komórkowych. mAnn i współaut. (1995) opisują wydzielanie
W akumulacji metali u roślin biorą rów- metali ciężkich przez gruczoły solne epider-
nież udział jednokomórkowe lub wieloko- my liścia u roślin A. maritima, a neumAnn i
mórkowe włoski. Mechanizm ten obserwuje współaut. (1997) przypisują taką rolę hyda-
się u hiperakumulatorów jak i gatunków nie todom w roślinach Minuartia verna. W tole-
akumulujących metali. Przeprowadzone bada- rancyjnych roślinach S. vulgaris, metale cięż-
nia potwierdzają udział włosków sekwestra- kie wydzielane są z komórek na powierzch-
cji jonów ołowiu (Nicotiana tabacum) (mAr- nię liści przez ektodesmy (bringezu i współ-
tell 1974), kadmu (Brassica juncea) (sAlt aut. 1999).
i rAuser 1995), niklu (Alyssum lesbiacum)
PHYSIOLOGICAL ASPECTS OF PLANT HEAvY METAL TOLERANCE
S U M M A R Y
It is a common characteristic of all life forms
complex systems of metal uptake and transport
that some of the elements present in the environ- can function as systems of heavy metal tolerance in
ment are accumulated and others are rejected. The
plants, as well. According to the recent reports, the
rates of accumulation are necessarily governed by
main processes involved in maintaining heavy metal
physiological requirements rather than toxicity. Be- homeostasis in plants are: metal ions mobilization
cause metals like Ca, Mg, Fe, Cu, Zn, Mn, Mo, Ni
and uptake from the soil, their short distance trans-
are essential for normal running a vast number of
port in roots, complexation by different ligands in
metabolic processes, plants evoke special systems
cytosol, compartmentation in root cells, xylem load-
of metal uptake and transport during evolution. On
ing and long distance transport in xylem, distribu-
the other hand, the same metals present in an ex- tion in shoots, xylem unloading, ions trafficking
cess in plant cells may become seriously toxic to
in apoplastic and symplastic passage of leave cells,
the cells. Moreover, the low specificity of the metal
their chelating in cytosol and compartmentation in
uptake and transport systems makes them to func- leave cells and structures. Although some of these
tion also as an entrance for nonessential and toxic
processes are well recognized, a number of them re-
substances (Cd, Pb). The existence of a complex sys- main still enigmatic. It is strongly believed that fur-
tems for metal uptake and transport processes, able
ther investigation of these processes should help to
to respond to continuously changing environmental
explain differences in metal tolerance between plant
conditions, is necessary for maintaining metal home- varieties as well as the phenomenon of heavy metal
ostasis in plants. It is highly probable that these
hyperaccumulation in plants.
LITERATURA
AbDel-ghAny S. E., burkheAD J. l., gOgOlin k. A., plant metal accumulation. Trends Plant Sci. 7,
AnDres-COlAs n., bODeCker J. r., puig s., penAr- 309 315.
rubiA l., pilOn M., 2005. AtCCS is a functional CObbett C. S., gOlDsbrOugh P., 2002. Phytochelatins
homolog of the yeast copper chaperone Ccs1/ and metallothioneins: Roles in Heavy Metal De-
Lys7. FEBS Lett. 579, 2307 2312. toxification and Homeostasis. Annu. Rev. Biol.
bAlAnDin T., CAstresAnA C., 2002. AtCOX17, an ara- 53, 159 182.
bidopsis homolog of the yeast copper chaperone Curie C., briAt J. F., 2003. Iron transport and sig-
COX17. Plant Physiol. 129, 1852 1857. naling in plants. Ann. Rev. Plant Biol. 123, 825
bringezu K., liChtenberg O., leOpOlD i., neumAnn 832.
D., 1999. Heavy metal tolerance of Silene vul- De lA Fuente J. M., VereniCe R. R., 1997. Aluminum
garis. J. Plant Physiol. 154, 536 546. tolerance in transgenic plants by alteration of
CAstigliOne S., FrAnChin C., FOssAti t., linguA g., citrate synthesis. Science 276, 5318 1566.
tOrrigiAni p., biOnDi S., 2007. High zinc con- De kneCht J. A., VOn bAren n., ten bOOkum w. m.,
centration reduce rooting capacity and alter sAng h.w.w. F., kOeVOets p. l. m., sChAt h., Ver-
metallothionein gen expression in white poplar kleiJ J. A. C., 1995. Synthesis and degradation of
(Populus alba L. cv. VILLAFRANCA). Chemo- phytochelatins in cadmium-sensitive and cadmi-
sphere 67, 1117 1126. um-tolerant Silene vulgaris. Plant Sci. 106, 9 18.
Clemens S., 2006. Toxic metal accumulation, re- De VOs C. H. R., VOnk m. J., VOOiJs r., sChAt H.,
sponses to exposure and mechanisms of toler- 1992. Glutathione depletion due to copper-in-
ance in plants. Biochimie 88,1707 1719. duced phytochelatin synthesis causes oxidative
Clemens S., pAlmgren M. G., krAmer U., 2002. A long stress in Silene cucubalus. Plant Physiol. 98,
way ahead: understanding and engineering 700 706.
Fizjologiczne aspekty tolerancji roślin na metale ciężkie
227
DOuChkOV D., gryCzkA C., stephAn u. w., hell r., krämer U., 2005. Phytoremediation: novel approach-
bäu h., 2005. etopic of nicotianamine synthase es to cleaning up polluted soils. Curr. Opin. Bio-
genes result in improved iron accumullation technol. 16, 133 141.
and increased nickiel tolerance in transgenic to- krämer U., COtterhOwells J. D., ChArnOCk J. m.,
bacco. Plant Cell Environ. 28, 365 374. bAker A. J. M., 1996. Free histidine as a metal
ebbs S., lAu i., Ahner b., kOChiAn L., 2002. Phyto- chelator in plants that accumulate nickiel. Na-
chelatin synthesis is not responsible for Cd tol- ture 379, 635 638.
erance in the Zn/Cd hyperaccumulator Thlaspi krämer U., grime g. w., smith J. A. C., hAwes C. r.,
caerulescenes (J. and C. Presl). Planta 214, 635 bAker A. J. M., 1997. Micro-PIXe as a technique
640. for studying nickel localization in leaves of the
ernst W. H. O., VerkleiJ J. A. C., sChAt H., 1992. hyperaccumulator plant Alyssum lesbiacum.
Metal tolerance in plants. Acta Bot. Neerl. 41, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B 130, 346
229 248. 350.
eVAns K. M., gAtehOuse J. A., linDsAy w. p., shi J., krämer U., tAlke I. N., hAnikenne M., 2007. Transiti-
tOmmey A. m., rObinsOn N. J., 1992. expres- on metal transport. FEBS Lett. 581, 2263 2272.
sion of metallothionein-like gene Ps-MT-alpha in krOtz R. M., eVAngelOu b. p., wAgner G. J., 1989.
escherichia coli and Arabidopsis thaliana and Relationships between cadmium, zinc, Cd-pep-
analysis of trace metal accumulation: implica- tide, and organic acid in tobacco suspension
tions for Ps-MT-alpha function. Plant Mol. Biol. cells. Plant Physiol. 91, 780 787.
20, 1019 1028. küpper H., miJOVilOViCh A., meyer-klAuCke w.,
gAymArD F., pilOt g., lACOmbe b., bOuChez D., bru- krOneCk P. M. H., 2004. Tissue- and age-de-
neAu D., bOuCherez J., miChAux-Ferriere n., thi- pendent differences in the complexation of
bAuD J. b., sentenAC H., 1998. Identification and cadmium and zinc in the cadmium/zinc hy-
disruption of a plant shaker-like outward chan- peraccumulator Thlaspi caerulescens (Ganges
nel involved in K+ release into the xylem sap. ecotype)reveald by X-ray absorption spectrosco-
Cell 94, 647 655. py. Plant Physiol. 134, 748 757.
gekeler w., grill e., winnACker e. l., zenk M. H., kubOtA H., sAtO k., hAmADA t., mAitAni T., 2000.
1989. Survey of the plant kingdom for the abil- Phytochelatin homolog induced in hairy roots
ity to bind heavy metals through phytochelatins. of horseradish. Phytochemistry 53, 239 245.
Z Naturforsch 44c, 361 369. lAne B., kAJOikA r., kenneDy T., 1987. The wheat-
grill E., löFFer s., winnACker e. l., zenk M. H., germ e protein is a zinc-containing metallothio-
c
1989. Phytochelatins, the heavy-metal-binding nein. Biochem. Cell Biol. 65, 1001 1005.
peptides of plants, are synthesized from gluta- mA J. F., ryAn p. r., DelhAize E., 2001. Aluminium
thione by a specific Å‚-glutamylcysteine dipeptidyl tolerance in plants and the complexing role of
transpeptidase (phytochelatin synthase). Proc. organic acids. Trends Plant Sci. 6, 273 278.
Natl. Acad. Sci. USA 86, 6838 6842. mACFArlAne G. R., burChett M. D., 1999. Zinc dis-
grill E., winnACker e. l., zenk M. H., 1985. Phyto- tribution and excretion in the leaves of the grey
chelatins: the principal heavy-metal complexing mangrove, Avicennia marina (Frosk.) Vierh. En-
peptides of higher plants. Science 230, 674 676. viron. Exp. Bot. 41, 167 175.
grOtz N., guerinOt M. L., 2006. Molecular aspects mArtel E. A., 1974. Radioactivity of tobacco tri-
of Cu, Fe and Zn homeostasis in plants. BBA chomes and insoluble cigarette smoke particles.
Mol. Cell. Res. 1763, 595 608. Nature 249, 215 217.
hAyDOn M. J., CObbett C. S., 2007. Transporters of mAthys W., 1977. The role of malate, oxalate and
ligands for essential metal ions in plants. New mustard oil glucosides in the evolution of zinc-
Phytol. 174, 499 506. resistance in herbage plants. Physiol. Plant 40,
himelblAu E., AmAsinO R.M., 2000. Delivering cop- 130 136.
per within plant cells. Curr. Opin. Plant Biol. 3, mCLAughlin m. J., pArker D. r., ClArke J. M., 1999.
205 210. Metals and micronutrients  food safety issues.
imsAnDe J., tOurAine B. N., 1994. Demand and the Field Crop Res. 60, 143 163.
regulation of nitrate uptake. Plant Physiol. 105, meuwly p., thibAult p., sChwAÅ‚ A. L., rAuser W. E.,
3 7. 1995. Three families of thiol peptides are in-
ingle R. A., mugFOrD s. t., rees J. D., CAmpbell m. duced by cadmium in maize. Plant J. 7, 391
m., smith J. A. C., 2005. Constitutively high ex- 400.
pression of the histidine biosynthetic pathway mir G., DOmeneCh J., huguet g., guO w-J., gOlDs-
contribution to nickiel tolerance in hyperaccu- brOuh p., AtriAn s., mOlinAs M., 2004. A plant
mulator plants. Plant Cell 17, 2089 2106. type 2 metallothionein (MT) from cork tissue re-
kArley A. J., leigh R. A., sAnDers D., 2000. Where do sponds to oxidative stress. J. Exp. Bot. 55, 2483
all the ions go? The cellular basis of differential 2493.
ion accumulation in leaf cells. Trends Plant Sci. mishrA S., sriVAstAVA s., tripAthi r. D., gOVinDArA-
5, 465 470. JAn r., kuriAkOse s. V., prAsAD M. N. v., 2006.
KERKEBL., krAmer U., 2003. The role of free histi- Phytochelatin synthesis and response of antioxi-
dine in xylem loading of nickel in Alysum les- dants during cadmium stress in Bacopa monn-
biacum and Brassica juncea. Plan Physiol. 137, ieri L. Plant Physiol. Bioch. 44, 25 37.
901 910. murphy A., zhOu J., gOlDsbrOugh p., tAiz L., 1997.
kim S., tAhAhAshi m., higuChi k., tsunODA k., nA- Purification and immunological identification
kAnishi h., yOshimurA e., mOri s., nishizAwA n. of metallothioneins 1 and 2 from Arabidopsis
K., 2005. Increased nicotianamine biosynthe- thaliana. Plant Physiol. 113, 1293 1301.
sis confers enhanced tolerance of high levels of nelsOn N., 1999. Metal ion transporters and homeo-
metals, in particular nickiel, to plants. Plant Cell stasis. EMBO J. 18, 4361 4371.
Physiol. 46, 1809 1818. neumAnn D., zur nieDen u., liChtenberger O., leO-
klApheCk s., Flieger w., zimmer I., 1994. Hydroxy- pOlD I., 1995. How does Armeria maritima tol-
methyl-phytochelatins (Å‚-glutamylcysteine)n-ser- erate high heavy metal concentrations? J. Plant
ine)) are metal-induced peptides pf the Poaceae. Physiol. 146, 704 717.
Plant Physiol. 104, 1325 1332. neumAnn D., zur nieDen u., sChweiger w., leOpOlD
kOpCewiCz J., lewAk S., 1998. Podstawy fizjologii ro- i., liChtenberger O., 1997. Heavy metal tole-
ślin. PWN, Warszawa.
AgnieszkA OlkO
228
rance of Minuartia verna. J. Plant Physiol. 151, to Cd accumulation in Brassica juncea L. Eco-
101 108. tox. Environ. Safe 71, 76 85.
nigAm R., sriVAstAwA s., prAkAsh s., sriVAstAwA m. steFFens J. C., 1990. The heavy-metal binding pep-
M., 2001. Cadmium mobilisation and plant tides of plants. Annu. Rev. Plant Physiol. Plant
availability  the impact of organic acids com- Mol. Biol. 41, 553 575.
monly exuded from roots. Plant Soil 230, 107 tAlke I. N., hAnikenne M., krAmer U., 2006. Zinc-de-
113. pendent global transcriptiona control, transcrip-
Ortiz D., rusCitti t., mCCue k. F., Ow D. W., 1995. tional deregulation, and higher gen copy num-
Transport of metal-binding peptides by HMT1, a ber for gens in metal homeostasis of the hyper-
fission yeast ABC-type vacuolar membrane pro- accumulator Arabidopsis halleri. Plant Physiol.
tein. J. Biol. Chem. 270, 4721 4728. 142, 148 147.
piCh A., sChOlz G., 1996. Translocation of copper tester M., leigh R. A., 2001. Partitioning of nutri-
and other micronutrients in tomato plants (Ly- ent transport processes in roots. J. Exp. Bot. 52,
copersicon esculentum Mill): Nicotianamine- 445 457.
stimulated copper transport in the xylem. J. Exp. tripAthi R. D., rAi u. n., guptA m., ChAnDrA P.,
Bot. 47, 41 47. 1996. Induction of phytochelatins in Hydrilla
rOOsens N. H., bernArD C., leplAe r., Verbruggen N., verticillata (lf) royle under cadmium stress.
2004. evidence for copper homeostasis function Bull. Environ. Contam. Tox. 56, 505 512.
of metallothionein (MT3) in the hyperaccumula- VAtAmAniuk O. K., buCher e. A., sunDArAm m. V.,
tor Thlaspi caerulescens. FEBS Lett. 577, 9 16. reA p. A., 2005. CeHMT-1, a putative phytochela-
sAlt D. E., rAuser W. E., 1995. MgATP-dependent tin transporter, is required for cadmium toler-
transport of phytochelatins across the tonoplast ance in Caenorhabditis elegans. J. Biol. Chem.
of oat roots. Plant Physiol. 107, 1293 1301. 280, 23684 23690.
sAlt D. E., priCe r. C., bAker A. J. m., rAskin i., piCk- VOn wiren n., klAir s., bAnsAl s., briAt J. F., khOrD
erin I. J., 1999. Zinc ligands in the metal hyper- h., shiOiri t., leigh r. A., hiDer R. C., 1999. Ni-
accumulator Thlaspi caerulescens as determined cotianamine chelates both Fe-III and Fe-II. Im-
using X-ray absorption spectroscopy. Environ. plications for metal transport in plants. Plant
Sci. Technol. 33, 713 717. Physiol. 119, 1107 1114.
sChurr U., sChulze E. D., 1996. effect of drought on wnitz H., FOx t., wu y.-Y., Feng V., Chen w. Q.,
nutrient and ABA transport in Ricinus commu- ChAng h. s., zhu t., Vulpe C., 2003. expression
nis. Plant Cell Environ. 19, 665 674. nprofiles of Arabidopsis thaliana in mineral de-
senDen M. H. M., wOlterbeek H. A. T., 1990. ef- ficiences reveal novel transporters involved in
fect of citric acid on the transport of cadmium metal homeostasis. J. Biol. Chem. 278, 47644
through xylem vessels of excised tomato steam- 47653.
leaf systems. Acta Bot. Neerl. 39, 297 303. yAng X. E., bAligAr V. C., FOster J. C., mArtens D.
senDen M. H. M., VAn Der meer A. J. g. m., Verburg C., 1997. Accumulation and transport of nickel
t. g., wOltetbeek H. Th., 1994. effects of cadmi- in relation to organic acids in ryegrass and
um on the behaviour of citric acid in isolated maize grown with different nickel levels. Plant
tomato xylem cell walls. J. Exp. Bot. 45, 597 Soil 196, 271 276.
606.
seth C. S., ChAturVeDi p. k., misrA v., 2008. The role
of phytochelatins and antioxidants in tolerance