Расшифрован механизм борьбы папоротников с действием мышьяка

Папоротник птерис ленточный (Pteris vittata) -- уникальное растение, способное накапливать в своих тканях большое количество мышьяка. Если зерна риса могут впитывать до 60 микрограммов этого токсичного вещества на грамм сухого веса, то птерис ленточный бьет все рекорды: его вайи (так называются листья у папоротников) выдерживают в 1000 раз большие концентрации. При этом растение чувствует себя замечательно. Для ботаников всегда оставалось большой загадкой, как работает такой механизм устойчивости. Ученым из нескольких американских университетов под руководством аспирантки Эмили Индриоло (Emily Indriolo) из Университета Торонто, похоже, удалось ответить на этот вопрос. Они пришли к выводу, что мембраны вакуолей птериса содержат гены ACR3 и ACR3;1. В обычных условиях гены неактивны. Включаются они, если в растение поступает избыточное количество соединений мышьяка. Как показали ученые, гены запускают синтез специальных белков, которые перехватывают токсины и переносят их в вакуоль. В вакуоли яды оказываются в ловушке. А главное -- там они никак не могут повлиять на жизненно важные клеточные процессы и навредить растению.

Дрожжи мышьяка не боятся

Мышьяк токсичен для большинства живых организмов. В природе в основном встречаются арсениды меди, никеля и железа. В водной среде мышьяк присутствует в виде арсенитов и арсенатов. Эти вещества активно вмешиваются в процессы синтеза АТФ, нарушая обеспеченность клетки энергией. Соединения мышьяка захватываются корнями растений и с соком переходят в надземные органы -- стебли и листья.

Чтобы выяснить, как соединения мышьяка ведут себя в ленточном птерисе, ученые для начала исследовали поведение яда в дрожжах. Ведь клетки дрожжей знамениты своей устойчивостью к мышьяку. По словам Индриоло, известно, что эта устойчивость обеспечивается специальными генами. Исследователи создали мутантные дрожжи, у которых ген устойчивости отсутствовал. В растворе с мышьяком они быстро погибали. Затем ученые перенесли в дрожжи группу генов из папоротника. И стали наблюдать за ее работой.

Группа захвата

Устойчивость дрожжей к мышьяку стала восстанавливаться. И тогда авторы работы увидели, что ее обеспечивает. Оказалось, что это работа двух генов -- ACR3, очень похожего на ген дрожжей, и ACR3;1. Затем Эмили Индриоло и ее коллеги опять обратили свое внимание на папоротник и выяснили локализацию обоих генов. Оказалось, что они находятся в мембранах вакуоли.

Затем ученые решили все-таки удостовериться, что именно эти гены обеспечивают устойчивость растения к мышьяку. Для этого они просто выключили оба гена и стали наблюдать за реакцией птериса ленточного. По словам исследователей, папоротники начинали страдать даже при незначительных концентрациях мышьяка, их скорость роста уменьшалась. В конце концов они погибали.

По мнению авторов работы, гены ACR3 и ACR3;1, скорее всего, отсутствуют у покрытосеменных растений. Как говорит Эмили Индриоло, для них сейчас очень важно понять, в каких еще живых организмах эти гены есть и как они работают, ведь это важно для исследования действия мышьяка на организм человека. К тому же результаты можно использовать при восстановлении загрязненных мышьяком почв и водных экосистем при помощи растений, добавляют ученые.

Статья с результатами работы «A Vacuolar Arsenite Transporter Necessary for Arsenic Tolerance in the Arsenic Hyperaccumulating Fern Pteris vittata Is Missing in Flowering Plants» опубликована в последнем номере журнала Plant Cell.