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