Autoreferat Agnieszka Abratowska
Transkrypt
Autoreferat Agnieszka Abratowska
AUTOREFERAT ROZPRAWY DOKTORSKIEJ Agnieszka Abratowska Przystosowania roślin Armeria maritima (Mill) Willd. do życia na hałdach cynkowo-ołowiowych Praca doktorska wykonana w Zakładzie Molekularnej Fizjologii Roślin, Instytut Botaniki, Wydział Biologii, Uniwersytet Warszawski Autor: Agnieszka Abratowska Promotor: Prof. dr hab. Małgorzata Wierzbicka Recenzenci: Prof. dr hab. Krystyna Grodzińska Zakład Ekologii, Instytut Botaniki im. W. Szafera, Polska Akademia Nauk. Kraków Prof. dr hab. Paweł Sowiński Zakład Ekofizjologii Molekularnej Roślin, Instytut Biologii Eksperymentalnej Roślin, Wydział Biologi , Uniwersytet Warszawski Tereny metalonośne, wzbogacone w metale ciężkie w wyników procesów naturalnych lub przemysłowych, to siedliska o bardzo trudnych warunkach dla wzrostu roślin. Na takich stanowiskach występują metalofity – odmiany, formy, podgatunki i gatunki roślin przystosowane do życia w warunkach nadmiaru metali ciężkich. W populacjach roślin stanowisk metalonośnych następuje selekcja, rozwój i utrwalenie zwiększonej odporności na metale oraz na inne czynniki stresowe (susza, deficyt składników odżywczych). Podwyższony poziom odporności na metale świadczy o rozwoju tzw. tolerancji indukowanej. W efekcie adaptacji, osobniki na stanowiskach wzbogaconych w metale mogą się znacznie różnić pod względem fenotypowym i genotypowym od osobników tego samego gatunku, żyjących w „normalnych” warunkach. Utrwalone zmiany w obrębie gatunku, prowadzące do powstania nowych form lub taksonów, należą do procesów mikroewolucyjnych. Celem pracy było zbadanie przystosowań roślin Armeria maritima (Mill.) Willd. (Plumbaginaceae L.) do wzrostu na stanowiskach wzbogaconych w metale ciężkie. Gatunek ten jest charakterystycznym elementem muraw galmanowych, rozwijających się spontanicznie na hałdach cynkowo-ołowiowych w Olkuskim Okręgu Rudnym. Populację na hałdach w rejonie Olkusza zaliczano do podgatunku A. maritima (Mill.) Willd. subsp. halleri Löve & Löve, będącego metalofitem absolutnym. W ramach tej pracy porównano populację A. maritima występującą na hałdach w rejonie Olkusza z innymi, zajmującymi stanowiska metalonośne i niemetalonośne. Zbadano poziom tolerancji roślin na ołów, kadm i cynk oraz prześledzono mechanizmy odporności na poziomie organizmu i na poziomie komórkowym. Istotnym aspektem podjętych badań było ustalenie, czy rośliny A. maritima na terenach cynkowo-ołowiowych w okolicach Olkusza można zaliczyć do podgatunku A. maritima subsp. halleri. Taka klasyfikacja, zaproponowana w 1946 roku przez Władysława Szafera, 1 AUTOREFERAT ROZPRAWY DOKTORSKIEJ Agnieszka Abratowska budziła wątpliwości ze względu na duże zróżnicowanie morfologiczne osobników. Dla wyjaśnienia tej kwestii przeprowadzono badania biometryczne oraz genetyczne roślin. W rezultacie badań stwierdzono bardzo wysoką zawartość ołowiu, kadmu, cynku i talu w podłożach hałd cynkowo-ołowiowych. Rośliny A. maritima, rosnące w takich warunkach, gromadziły duże ilości metali. Największa pula metali znajdowała się w korzeniach oraz w najstarszych liściach, które zawierały kilkakrotnie więcej metali, niż liście zielone. Zatem, do strategii odpornościowych na poziomie organizmu należało unikanie wysokiego stężenia metali ciężkich w liściach zielonych i pędach generatywnych, poprzez zatrzymywanie w tkankach korzenia i wzbogacenie liści najstarszych, które po uschnięciu są odrzucane z rośliny. Zawartość ołowiu w najstarszych liściach roślin rosnących na hałdach przekraczała poziom hiperakumulacji (ponad 1000 mg Pb/kg s. m. pędów). Porównano poziom odporności (indeks tolerancji) na metale ciężkie w populacjach z hałdy cynkowo-ołowiowej w rejonie Olkusza i z gleb niemetalonośnych. Badania prowadzono na roślinach potomnych hodowanych z dodatkiem Pb2+, Cd2+ i Zn2+. Indeks tolerancji metali był istotnie podwyższony w populacji pochodzącej z hałdy, co świadczy o rozwoju tolerancji indukowanej. W celu wyjaśnienia międzypopulacyjnej różnicy stopnia odporności zbadano stężenie metali w roślinach oraz lokalizację metali w komórkach (transmisyjna mikroskopia elektronowa, TEM). Akumulacja metali w roślinach obu populacji była zbliżona. Badania w TEM dowiodły, że za podwyższenie poziomu odporności populacji pochodzącej z hałd odpowiadały lepiej rozwinięte mechanizmy odporności. W korzeniach roślin funkcjonowały dwa mechanizmy detoksykacji: odkładanie metali w ścianach komórkowych i w wakuolach komórek taninowych. W wakuolach tych komórek znajdowały się nagromadzenia związków fenolowych, które wiązały metale ciężkie. W korzeniach roślin pochodzących z hałdy cynkowo-ołowiowej komórek taninowych było więcej, w porównaniu do populacji wrażliwej. Ich możliwości detoksykacji były zatem zwiększone. Największe skupiska związków fenolowych znajdowały się w komórkach endodermy, co wskazuje na jej rolę barierową w transporcie metali do pędów. Zbadano także mechanizmy odporności na metale ciężkie w liściach roślin. Rośliny potomne pochodzące z hałd cynkowo-ołowiowych oraz z gleb niemetalonośnych hodowano z dodatkiem Pb2+, Cd2+ i Zn2+. Stwierdzono podobny stopień akumulacji metali w liściach roślin wszystkich populacji. Metale były odkładane we włoskach epidermalnych, a ponadto były wydzielane z liści przez gruczoły solne epidermy. Podobne mechanizmy detoksykacji funkcjonowały w liściach roślin pochodzących z hałd, jak i z terenów niemetalonośnych. Ponadto, w miękiszu liści licznie występowały komórki taninowe. U roślin hodowanych z dodatkiem Zn2+ stwierdzono nagromadzenie cynku w wakuolach tych komórek. Podsumowując, przystosowania roślin A. maritima w odpowiedzi na działanie metali polegały na funkcjonowaniu całej sieci powiązanych ze sobą procesów. Należały do nich: 1) zatrzymywanie metali w korzeniu i akumulacja w najstarszych liściach, które po uschnięciu są odrzucane; 2) wiązanie metali w ścianach komórkowych korzeni; 2 AUTOREFERAT ROZPRAWY DOKTORSKIEJ Agnieszka Abratowska 3) wiązanie jonów metali przez związki fenolowe i sekwestracja kompleksów metalowofenolowych w wakuolach komórek korzeni i liści; 4) akumulacja metali we włoskach epidermalnych liści; 5) wydzielanie metali przez gruczoły solne epidermy liści. Przeprowadzono badania biometryczne roślin A. maritima zasiedlających hałdy cynkowo-ołowiowe w rejonie Olkusza i w Plombières (Belgia) oraz stanowiska niemetalonośne. W sumie badaniami objęto dziewięć populacji. Wykonano pomiary roślin rosnących w warunkach terenowych, a następnie osobników potomnych, które wyhodowano w szklarni z nasion zebranych na wszystkich stanowiskach. Następnie porównano trzy wybrane populacje pod względem genetycznym, z użyciem markerów molekularnych AFLP, uwzględniając polimorfizm sekwencji i wzoru metylacji DNA. Badania genetyczne prowadzono na roślinach z dwóch hałd (rejon Olkusza i Plombières oraz z terenu niezanieczyszczonego). Badania na stanowiskach terenowych wykazały, że rośliny na hałdach cynkowoołowiowych w rejonie Olkusza i w Plombières pod względem morfologicznym były do siebie podobne i różniły się od roślin terenów niezanieczyszczonych. Jednakże rośliny potomne z rejonu Olkusza wykazywały morfotyp pośredni pomiędzy populacjami stanowisk niemetalonośnych, a populacją z Plombières. Badania AFLP wykazały, że każda z badanych populacji stanowiła odrębny genotyp. Wartość dystansu genetycznego pomiędzy populacjami z obu hałd (rejon Olkusza i Plombières; odległość geograficzna około 1000 km) była mniejsza, niż pomiędzy populacjami ze stanowiska metalonośnego i niemetalonośnego w Polsce (odległość geograficzna około 250 km). Pod względem wzoru metylacji DNA, rośliny z rejonu Olkusza były bardziej podobne do roślin z Plombières, niż do tych ze stanowiska niemetalonośnego. W rezultacie badań wykazano, że populację roślin A. maritima na terenach cynkowo-ołowiowych w rejonie Olkusza można uznać za takson odrębny względem populacji na stanowiskach niemetalonośnych, jednak nie jest to A. maritima subsp. halleri. Pod względem genetycznym populacja z okolic Olkusza była odrębna zarówno od populacji z hałdy w Plombières (A. maritima subsp. halleri), jak i od populacji z terenu niezanieczyszczonego (A. maritima subsp. elongata). Zaproponowano, aby populacji na hałdach cynkowo-ołowiowych Olkuskiego Okręgu Rudnego nadać rangę podgatunku A. maritima subsp. boleslaviensis. Kwestia klasyfikacji tej populacji wymaga dalszych badań, natomiast pewne jest, że stanowi ona unikalny genotyp, warty objęcia ochroną. Ostatecznie wykazano, że na hałdach cynkowo-ołowiowych w rejonie Olkusza doszło do wykształcenia odrębnego fenotypu i genotypu roślin o zwiększonej odporności na metale ciężkie. 3