Brněnští vědci popsali rozdíly v působení toxického kadmia u modelových rostlin

Znečištění zemědělských půd těžkými kovy jako je kadmium je i přes snahy o přesun k udržitelné zemědělské produkci dlouhodobým problémem. Kadmium je toxický těžký kov, který i při nízkých koncentracích představuje významné zdravotní riziko pro živočichy včetně člověka, a to zejména kvůli jeho akumulaci v potravním řetězci. Kontaminace však nejsou jediným nepříznivým faktorem snižujícím půdní kvalitu, neboť současně může být omezeno i množství přítomných živin. Jednou z nedostatkových živin v půdě je v současnosti síra, paradoxně kvůli snižování průmyslových emisí oxidu siřičitého. Na tyto problémy se zaměřil doktorand Martin Lyčka pod vedením své školitelky Miloslavy Fojtové z výzkumného centra CEITEC Masarykovy univerzity. Jejich výsledky ukázaly společné i specifické rysy odpovědi různých rostlin na přítomnost toxického kadmia, což naznačuje potřebu na míru šitých přístupů pro bezpečné a udržitelné pěstování rostlin. Výsledky jejich výzkumu publikoval prestižní mezinárodní odborný časopis Journal of Hazardous Materials.

Cílem výzkumného týmu z laboratoře Jiřího Fajkuse bylo prozkoumat reakce rostlin na přítomnost těžkých kovů. Přestože na toto téma existují stovky odborných článků, většina z nich se zabývá krátkodobým vystavením rostlin vysokým koncentracím kovů. Takovýto přístup je sice adekvátní pro popis mechanismu odpovědi na stres, nicméně se jedná o podmínky, které se běžně v prostředí nevyskytují. „My jsme zvolili koncentraci kademnatých iontů, která je v prostředí reálná a odpovídá preventivním limitům České republiky pro zemědělské půdy, a kombinovali ji s omezeným přísunem síry ve formě síranů. Tento prvek je nezbytný pro syntézu látek nutných k efektivní obraně proti působení těžkých kovů. Naše studie analyzovala problém z mnoha různých pohledů, studovali jsme morfologii rostlin, fyziologické, fotosyntetické i biochemické parametry,“ vysvětluje Miloslava Fojtová, seniorní autorka studie.  

Výzkum se zaměřil na dvě běžné modelové rostliny, huseníček rolní (Arabidopsis thaliana) a tabák viržinský (Nicotiana tabacum). „Tabák je nejen modelovou rostlinou, ale i ekonomicky významnou plodinou. Je zajímavý i tím, že byl charakterizován jako takzvaný hyperakumulátor těžkých kovů, tedy je schopný do jisté míry akumulovat těžké kovy ve svých orgánech a tolerovat tak vyšší míru kontaminace půdy. Ve srovnání s huseníčkem je tabák i mnohem méně prozkoumaný a naše výsledky tak mohou sloužit jako základ pro další studie vedoucí k objasnění molekulárních mechanismů odpovědi na působení kadmia u této rostliny,“ říká Miloslava Fojtová. Hyperakumulační vlastnosti dělají z tabáku vhodnou rostlinu pro fytoremediaci, tedy k odstraňování znečišťujících látek z prostředí pomocí rostlin, ale zároveň představují problém při jeho využití v tabákovém průmyslu, kde vysoký obsah kadmia v rostlině dále zhoršuje jeho negativní vliv na lidské zdraví.

„U obou modelových rostlin jsme pozorovali negativní vliv kadmia vedoucí k menšímu vzrůstu, změnám obsahu zeleného barviva chlorofylu a snížení fotosyntézy, což bylo spojené se žloutnutím listů. Tyto efekty byly ještě umocněné omezeným obsahem síranu v médiu, což u listů tabáku vedlo dokonce k nekrózám, tedy k umírání buněk a tkání,“ vysvětluje hlavní autor studie Martin Lyčka. I přes podobné vnější projevy reagovaly huseníček a tabák na přítomnost kademnatých solí v kombinaci s limitovaným přísunem síranů často odlišně, ať už jde o akumulaci kadmia v prýtu a kořenech, změnu hladin iontů dalších kovů nebo solí makroživin. Na základě toho lze říci, že stejně jako se moderní zdravotnictví přiklání k personalizované medicíně, mělo by i moderní zemědělství reflektovat potřeby konkrétních plodin pro limitaci nežádoucích faktorů a podle toho navrhovat specifické pěstební postupy.

Tato práce byla příkladem mezioborové spolupráce, na které se podílely Národní centrum pro výzkum biomolekul a Laboratoř fotosyntetických procesů Ústavu experimentální biologie (PřF MU), Ústav analytické chemie AV ČR, Biofyzikální ústav AV ČR a skupina prof. Stanislava Kopřivy z univerzity v Kolíně nad Rýnem. Práce vznikla díky podpoře z projektu SINGING PLANT financovaného Evropským fondem pro regionální rozvoj a projektu INTER-COST financovaného MŠMT ČR. Díky programu Erasmus+ se uskutečnila stáž Martina Lyčky na univerzitě v Kolíně nad Rýnem.

Zdroj: CEITEC
Autor: Ester Jarour
Ilustrační foto: pixabay.com