Hyperakkumulaattori – kasvi, joka kerää ja varastoi raskasmetalleja
Hyperakkumulaattori — kasvit, jotka keräävät ja varastoivat raskasmetalleja. Tutustu mekanismeihin, geeneihin ja ympäristön puhdistamisen mahdollisuuksiin.
Hyperakkumulaattori on kasvi, joka pystyy kasvamaan maaperässä, jossa on hyvin korkeita metallipitoisuuksia. Tällaiset kasvit eivät ainoastaan selviydy metallipitoisessa ympäristössä, vaan ne varastoivat raskasmetalleja erityisen suurina pitoisuuksina lehtiin ja muihin ilmiosiin – usein pitoisuudet ovat huomattavasti korkeampia kuin läheisillä lajeilla. Määritelmät vaihtelevat metallikohtaisesti, mutta hyperakkumulaatiolle on tyypillistä, että kasvin kuiva-aineessa mitattavat metallipitoisuudet ovat sellaisella tasolla, joka olisi monelle tavalliselle kasville myrkyllinen.
BBC:n esittelemä puu, Pycnandra acuminata, kasvaa Uuden-Kaledonian saarella nikkelipitoisessa maaperässä. Tällaiset lajit ovat usein erikoistuneet kalkkipitoisille tai ultramafisille (nikkelirikkailla) alueille, missä kilpailu on vähäisempää ja metallien talteenotto saattaa antaa niille ekologisen edun. Monet eri kasvit useissa eri kasvisukuisissa perheissä tekevät näin.
Mekanismit ja geenit
Metallien hyperkertymisen etuna voi olla se, että lehtien myrkylliset raskasmetallipitoisuudet estävät kasvinsyöjiä (puolustautuminen kasvinsyöjiä vastaan), mutta hyperakkumulaatiolla voi olla muitakin etuja, kuten kilpailuedun saavuttaminen karuilla, metallipitoisilla mailla. Hyperakkumulaation taustalla on useiden geeniperheiden ja proteiinien yhteistyö: juurten metalinkeittimet ja -kuljettajat ottavat metalleja maasta, sisäinen kuljetus siirtää ne lehtiin, ja solunsisäiset varastointimekanismit kuten vakuolit sitovat metalleja turvallisessa muodossa.
Useat geeniperheet osallistuvat hyperakkumulaatioon, kuten raskasmetallien imeytymiseen ja varastointiin. Tavallisimmin mukana olevat geenit ovat ZIP-geeniperhe. Nämä geenit koodaavat kalvoreseptoreita esimerkiksi sinkkimolekyylien kuljettamiseen. Lisäksi merkittäviä rooleja näyttelevät muun muassa P1B-tyypin ATPaasit (HMA), NRAMP-, CDF/MTP- ja YSL-perheen kuljettajat sekä ABC-transportterit. Solunsisäisiä sitojia ovat metallothioneiinit, fytokelatiinit ja orgaaniset hapot (esim. oksalaatti, sitraatti), jotka helpottavat metallien detoksifikaatiota ja vakuolaarista varastointia.
Levinneisyys ja esimerkkilajit
Näitä hyperakkumulaatiogeenejä (HA-geenejä) esiintyy yli 450 kasvilajissa, mukaan lukien malliorganismit Arabidopsis ja Brassicaceae. HA-geenien ilmentymisen ansiosta kasvi pystyy ottamaan ja sitomaan metalleja, kuten As, Co, Fe, Cu, Cd, Pb, Hg, Se, Mn, Zn, Mo ja Ni, 100-1000-kertaisina pitoisuuksina verrattuna sisarlajeissa tai -populaatioissa esiintyviin pitoisuuksiin. Tunnettuja hyperakkumulaattoreita ovat esimerkiksi nikkelin akkumuuloivat Alyssum-suvun lajit ja Noccaea (aiemmin Thlaspi) caerulescens, joka kerää sinkkiä ja kadmiumia. Arseenin hyperakkumulaattorina tunnetaan esimerkiksi sammalmainen sanikas Pteris vittata.
Sovellukset ja käytännön merkitys
- Phytoremediatio (kasveilla puhdistaminen): hyperakkumulaattorit voidaan hyödyntää pilaantuneiden maiden puhdistuksessa keräämään ja poistamaan haitallisia metalleja maaperästä.
- Phytoextraction ja phytomining: intensiivisesti metallia kerääviä lajeja voidaan käyttää metallien talteenottoon (esim. nikkelin talteenotto nikkelipitoisilta alueilta). Tällaista teknologiaa tutkitaan erityisesti taloudellisesti arvokkaiden metallien osalta.
- Biomonitorointi: hyperakkumulaattoreita voidaan käyttää ympäristön raskasmetallipitoisuuksien seurantaan, koska ne kertovat helposti maaperän biofysiologisesta metallikuormasta.
Sovelluksissa on kuitenkin haasteita: kasvin biomassa ja kasvunopeus vaikuttavat talteen saatavan metallimäärän kannattavuuteen, ja kerätyn biomassan turvallinen käsittely ja hävittäminen on ratkaistava. Myös maaperän kemia, pH ja metallien saatavuus säätelevät, kuinka hyvin hyperakkumulaatio toimii käytännössä.
Tutkimus ja suojelu
Tutkimuksessa käytetään kemiallisia analyysimenetelmiä (esim. ICP-MS, XRF) metalli- ja jakautumismäärityksiin sekä geeniekspression ja proteiinitoimintojen selvittämiseen. Biotekniikalla pyritään ymmärtämään hyperakkumulaation perusta ja mahdollisesti siirtämään tehokkaita ominaisuuksia hyötykasveihin tai siihen sovelluksiin, joissa puhdistus tai talteenotto on tarpeen.
Monet hyperakkumulaattorit ovat alueellisesti rajoittuneita ja esiintyvät harvinaisilla kasvupaikoilla, kuten ultramafisilla kivennäismailla. Siksi niiden suojelu ja vastuullinen käyttö ovat tärkeitä: luonnonvaraisia populaatioita ei tule riistää, ja häiriöherkät ekosysteemit on huomioitava suunniteltaessa hyötykäyttöä.
Kysymyksiä ja vastauksia
Kysymys: Mikä on hyperakkumulaattori?
V: Hyperakkumulaattori on kasvi, joka pystyy kasvamaan maaperässä, jossa on hyvin korkeita metallipitoisuuksia.
K: Mikä on esimerkki hyperakkumulaattorista?
V: Pycnandra acuminata, joka kasvaa runsaasti nikkeliä sisältävässä maaperässä, on esimerkki BBC:n esittelemästä hyperakkumulaattorista.
K: Miten kasvit hyötyvät metallien hyperakkumulaatiosta?
V: Metallien hyperakkumulaation etuna voi olla se, että raskasmetallien myrkylliset pitoisuudet lehdissä pelottavat kasvinsyöjiä ja suojaavat kasvinsyöjiä vastaan.
K: Mikä geeniperhe osallistuu metallien hyperakkumulaatioon?
V: ZIP-geeniperhe osallistuu yleensä metallien hyperakkumulaatioon. Nämä geenit koodaavat kalvoreseptoreita esimerkiksi sinkkimolekyylien kuljettamista varten.
K: Kuinka monella lajilla on todettu olevan HA-geenejä?
V: Yli 450 kasvilajin on todettu sisältävän HA-geenejä.
K: Mitä metalleja HA-geenien ilmentyminen pystyy sitomaan?
V: Metalleja, kuten As, Co, Fe, Cu, Cd, Pb, Hg, Se, Mn, Zn, Mo ja Ni, voidaan sitoa HA-geenien ilmentymisen avulla 100-1000-kertaisina pitoisuuksina sisarlajeissa tai -populaatioissa esiintyviin pitoisuuksiin verrattuna.
Etsiä