Příjem Cd transgenním tabákem a jeho využití pro fytoremediace

Cadmium Uptake by Transgenic Tobacco and its Use for Phytoremediation

Pavlíková Daniela, Száková Jiřina, Macek Tomáš, Macková Martina, Balíková Miluše

Abstract

The screening test of Cd accumulation by four constructs of transgenic tobacco (CUP metallothionein gene, metallothionein+polyhistidine -HisCUP, ß-glucuronidase - GUS a ß-glucuronidase + polyhistidine - HisGUS) was conducted on sand nutrient media. The HisCUP construct proved to have positive effect on Cd accumulation. The Cd content in above ground biomass was increased by 90% comparing to the non-transformed control (WSC-38).

Fytoremediace je jednou z možností likvidace zatížení půd rizikovými prvky. Využívá schopnosti některých rostlin kumulovat vysoké koncentrace rizikových prvků v biomase, a tak je postupně odstraňovat z půdního prostředí (Baker et al., 1994, McGrath et al., 1993). Vhodná plodina musí tolerovat vysoké koncentrace rizikových prků v půdě a současně hromadit tyto prvky především v nadzemní biomase, vhodné ke sklizni. Podle Bakera a Brookse (1989) a Salta et al. (1998) existuje více než čtyři sta druhů rostlin s akumulací rizikových prvků mnohonásobně převyšující příjem běžnými plodinami. Nevýhodou těchto hyperakumulátorů je však často nízký výnos biomasy, a tím i malý odběr rizikových prvků z půdy. Proto řada autorů (Macek et al., 1998, Rugh et al., 1999) doporučuje využít transgenní rostliny se zvýšenou schopností vázat rizikové prvky a zároveň vysokým výnosem nadzemní biomasy.

Cílem tohoto experimentu jsou první testy sloužící k ověření možnosti využití transgenních rostlin tabáku jako hyperakumulátoru kadmia.

Materiál a metody

Pro experiment byly využity rostliny tabáku (Nicotiana tabacum Wisconsin 38). Netransformované -WSC-38, jako kontrolní, a transgenní s transformo-vaným genem metallothioneinu - CUP, metallothioneinu+polyhistidinu - HisCUP, ß-glucuronidasy - GUS a ß-glucuronidasy + polyhistidinu - HisGUS (Macek et al., 1997, Truksa et al., 1998). Rostliny byly opakovaně pěstovány šest týdnů jako písková kultura v Knopově živném roztoku. Do roztoku bylo přidáno 0,2 mg Cd . l-1 jako Cd(NO3)2.4H2O. Cd v rostlinné biomase bylo stanoveno po rozkladu vzorků suchou cestou metodou AAS (Varian SpectrAA-300).

Výsledky a diskuse

Protože vhodná plodina pro fytoremediace musí hromadit rizikové prvky především v nadzemní biomase, byla u testovaných transgenních rostlin sledovaná koncentrace Cd v nadzemní biomase i v kořenech a u rostlin s nejvyšším příjmem Cd i distribuce tohoto prvku v rostlině.

Výsledky prvních testů příjmu kadmia transgenními rostlinami tabáku v porovnání s kontrolními rostlinami ukázaly značné rozdíly mezi jednotlivými typy rostlin (graf 1). Nejvyšší obsah Cd opakovaně vykazovaly rostliny transformované genem metallothioneinu + polyhistidinu (HisCUP). V porovnání s kontrolními rostlinami (WSC-38) byl v nich obsah Cd vyšší o 90 %. Podobně i v rostlinách s ß-glucuronidasou (GUS) byl obsah Cd vyšší o 55 %. Velké rozdíly obsahu Cd v jednotlivých testech byly stanoveny v rostlinách HisGUS (ß-glucuronidasa + polyhistidin). V průměru však příjem Cd touto rostlinou dosáhl jen 96 % příjmu kontrolními rostlinami. Rostliny s genem metallothioneinu (CUP) nedosáhly ani v jednom z testů úrovně příjmu Cd kontrolními rostlinami.

Současně s nadzemní biomasou byly analyzovány i kořeny testovaných rostlin (graf 2). Všechny transgenní rostliny vykázaly nižší obsah Cd v kořenech v porovnání s kontrolními rostlinami. V kořenech varianty HisCUP bylo stanoveno nejnižší množství - 51 % obsahu Cd kontroly. Někteří autoři (Clarke a Brennan, 1989, Mench et al., 1989) uvádějí, že nejvyšší obsahy Cd jsou u tabáku stanoveny v listech. Analýzy kontrolních rostlin to však nepotvrdily, obsah Cd v kořenech byl o 20 % vyšší než v nadzemní biomase. Transgenní rostliny však ukazují opačný trend - vyšší koncentraci Cd v nadzemní biomase.

U rostlin s nejvyšším příjmem Cd (HisCUP) byla sledovaná i distribuce Cd v rostlině (graf 3). Listy kontrolních i transgenních rostlin byla odebrána většina Cd - 71 % Cd u kontrolních rostlin, 87 % u transgenních rostlin. Tyto výsledky jsou ve shodě s údaji jiných autorů (Mench et al., 1989), kteří v listech tabáku virginského zjistili 81 % Cd z celkového množství odebraného rostlinou.

1. Závěry

Výsledky prvních testů příjmu kadmia transgenními rostlinami tabáku ukázaly značné rozdíly mezi jednotlivými typy rostlin. Nejvyšší obsah Cd opakovaně vykazovaly rostliny transformované genem metallothioneinu + polyhistidinu (HisCUP). V kořenech těchto rostlin byl současně stanoven nejnižší obsah Cd. Zjištěné výsledky ukazují na možnost využití tohoto typu trasgenních rostlin tabáku pro fytoremediace. Jejich účinnost je nezbytné ověřit v dalších experimentech.

Použitá literatura je k dispozici u autorů.

1. Koncentrace Cd v nadzemní biomase tabáku (%)

2. Koncentrace Cd v kořenech tabáku (%)

3. Odběr Cd rostlinou tabáku (mg Cd na 1 rostlinu)