Исследователи обнаружили, что кукуруза снижает токсичность мышьяка в почве

Растения кукурузы в полевом эксперименте недалеко от Лисберга, Базельланд, Швейцария. Автор: Базельский университет, Вероника Каджа

Когда сельскохозяйственные культуры растут на почве, загрязненной мышьяком, этот токсичный элемент накапливается в пищевой цепи. Исследование, проведенное в Базельском университете, теперь обнаружило механизм, используемый растениями кукурузы для снижения поглощения мышьяка: ключевым фактором является специальное вещество, выделяемое в почву корнями.

Мышьяк – токсичный металлоид природного происхождения. Загрязненные мышьяком почвы и воды встречаются по всему миру, особенно в странах Юго-Восточной Азии, таких как Бангладеш, Вьетнам и Китай. Кроме того, в Швейцарии есть несколько природных горячих точек, где мышьяк встречается в концентрациях выше среднего. Примером может служить почва в Лисберге в кантоне Базельланд.

«Особая проблема для растений заключается в том, что мышьяк по химическому строению аналогичен фосфору», — говорит профессор Клаус Шлеппи с факультета наук об окружающей среде Базельского университета. Фосфор — важное питательное вещество, которое растения усваивают через специальные транспортные каналы в корнях. «Мышьяк попадает в растения через эти каналы».

В результате все больше токсичного вещества накапливается в биомассе и попадает в пищевую цепь. В долгосрочной перспективе это негативно влияет на здоровье человека. Высокое воздействие мышьяка может вызвать, например, неврологические нарушения и рак.

Корни выпускают противоядие

Но, как теперь сообщила команда Шлеппи в журнале PNAS, кукуруза снижает токсичность мышьяка за счет соединений, известных как бензоксазиноиды. Эти вещества производятся большинством растений ботанической группы трав, в которую также входят кукуруза и пшеница. Кукуруза производит особенно большое количество бензоксазиноидов, которые также попадают в почву через корневую систему.

Рассада растений кукурузы в полевом опыте близ Лисберга. W22 обозначает растения, производящие бензоксазиноиды. Растения кукурузы bx1 не способны вырабатывать эти вещества. Автор: Базельский университет, Вероника Каджа

«Уже были некоторые доказательства того, что кукуруза поглощает меньше мышьяка, чем другие виды растений», — говорит Шлеппи.

Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи выращивали растения кукурузы в двух типах почв: без мышьяка и с высоким содержанием мышьяка. Тот же эксперимент они провели параллельно с растениями кукурузы, которые не могут производить бензоксазиноиды из-за генетического дефекта. Шлеппи проводил эти эксперименты в сотрудничестве с исследовательскими группами профессора Адриана Местро и профессора Матиаса Эрба из Бернского университета.

Снижение токсичности мышьяка

Результат был однозначным: кукуруза, продуцирующая бензоксазиноиды, лучше росла в мышьяксодержащей почве и накапливала в своей биомассе значительно меньше мышьяка, чем кукуруза, не выделявшая бензоксазиноиды.

Когда исследователи смешали бензоксазиноиды с мышьяксодержащей почвой, мутантные растения также были защищены от токсичности мышьяка. «Это доказало, что присутствие бензоксазиноидов в почве снижает поглощение мышьяка растениями», — говорит Шлеппи.

В рамках экспериментов в теплице исследователи собирают воду из пор почвы вокруг корней растений кукурузы. Отрицательное давление в шприце вытягивает воду из почвы для дальнейшего анализа. Автор: Базельский университет, Вероника Каджа

Далее исследователи хотели найти основной механизм, вызывающий этот эффект. Анализ корневого микробиома показал, что бактерии и грибы не задействованы. Однако химический анализ почвы показал, что особенно токсичная форма мышьяка исчезает в присутствии бензоксазиноидов.

«Это указывает на то, что бензоксазиноиды трансформируют мышьяк таким образом, что он больше не может усваиваться через корень», — утверждает она. Какие химические процессы при этом задействованы, в настоящее время до сих пор неясно.

Дальнейшие эксперименты показали, что положительный эффект бензоксазиноидов в почве сохраняется в течение длительного времени: даже второе поколение кукурузы все еще получает пользу от выделения бензоксазиноидов первого поколения.

«Одним из применений этих результатов может быть выращивание в загрязненных мышьяком местах растений, выделяющих больше бензоксазиноидов», — говорит Шлеппи. Растения с повышенным уровнем выбросов могут быть созданы посредством классической селекции или целенаправленных генетических модификаций. «Таким образом, мы могли бы быть более уверены в том, что в пищевую цепь попадает меньше мышьяка».

Источник: University of Basel