Widok Roślinne mechanizmy tolerancji na toksyczne działanie metali ciężkich

A

B

-M

Instytut Biologii Eksperymentalnej Roœlin Uniwersytet Warszawski

Miecznikowa 1, 02-096 Warszawa e-mail: abmorek@biol.uw.edu.pl

ROŒLINNE MECHANIZMY TOLERANCJI NA TOKSYCZNE DZIA£ANIE METALI CIʯKICH

WSTÊP

W licznych badaniach poœwiêconych dzia³aniu metali ciê¿kich na roœliny wykazano ich toksyczny wp³yw na szereg podstawowych procesów metabolicznych i fizjologicznych (BARCELOi POSCHENRIEDER1999, HAGEMEYER 1999, POSCHENRIEDERi BARCELO1999, SEREGIN i IVANOV2001, SIEDLECKAi wspó³aut. 2001). Do grupy pierwiastków bêd¹cych potencjalnymi czynnikami toksycznymi dla roœlin nale¿¹ me-tale ciê¿kie (o gêstoœci wy¿szej ni¿ 5 g cm-3) : chrom (Cr), kobalt (Co), nikiel (Ni), miedŸ (Cu), cynk (Zn), molibden (Mo), kadm (Cd) , rtêæ (Hg) i o³ów (Pb), a tak¿e metale lekkie: glin (Al) i pó³metale: arsen (As) (PRASAD i HAGEMEYER 1999). Roœliny pobieraj¹ metale ciê¿kie, wraz z innymi pierwiastkami, w posta-ci jonowej. Z uwagi na specyficzn¹ budowê ko-mórek roœlinnych — to jest posiadanie œciany komórkowej, metale ciê¿kie staj¹ siê prawdzi-wie szkodliwe dla roœliny nie od razu po wnik-niêciu, lecz w momencie przekroczenia barie-ry plazmalemmy. Toksyczne dzia³anie metali ciê¿kich na procesy ¿yciowe roœlin wynika, przede wszystkim, z ich interakcji z funkcyjny-mi grupafunkcyjny-mi cz¹steczek wchodz¹cych w sk³ad komórek, a w szczególnoœci bia³ek (grupy SH) i polinukleotydów (BOROVIK1990). Efektem tych zjawisk mo¿e byæ s³abszy wzrost i rozwój roœliny, a nawet jej obumarcie. Szkodliwy wp³yw metali ciê¿kich ujawnia siê przy ich okreœlonych stê¿eniach w œrodowisku roœliny,

to jest w roztworze glebowym lub te¿ w po¿ywce mineralnej. Istotna jest tu równie¿ dostêpnoœæ metalu dla roœliny, zale¿na od wie-lu czynników, miêdzy innymi od: pH roztworu, zawartoœci materii organicznej w glebie, ak-tywnoœci flory bakteryjnej, potencja³u red-ox i napowietrzenia gleby (SIEDLECKA i wspó³aut. 2001).

Od czasu rozwoju przemys³u i motoryzacji zawartoœæ metali ciê¿kich w biosferze znacz-nie wzros³a. Sta³y siê one czynnikiem streso-wym dla organizmów, nie tylko w miejscach naturalnie obfituj¹cych w metale, np. w gle-bach rudonoœnych ale i tak¿e poza nimi. Bada-nia laboratoryjne oraz te prowadzone w œrodo-wisku naturalnym pokaza³y, ¿e w trakcie pro-cesów ewolucji roœliny wytworzy³y komplek-sow¹ sieæ mechanizmów obronnych, umo¿li-wiaj¹cych wzrost i rozwój w ekosystemach ska-¿onych, tak¿e metalami ciê¿kimi (Ryc. 1, 2).

Du¿e zainteresowanie budz¹ obecnie roœli-ny, które przystosowa³y siê do ¿ycia na tere-nach silnie ska¿onych metalami ciê¿kimi, np. terenach pokopalnianych lub glebach rudono-œnych. Szczególn¹ grupê wœród nich stanowi¹ tzw. hyperakumulatory. W ten sposób okreœla-ne s¹ roœliny, które gromadz¹ w tkankach swo-ich czêœci nadziemnych wyj¹tkowo du¿e iloœci metali ciê¿kich, tj. ponad 10 000 mg Zn lub Mn, ponad 1000 mg Ni, Cu, Co, Cr, Pb , ponad 100 mg Cd i ponad 1mg Au na 1 kg suchej masy

Numer 2-3 (259-260)

Strony

283–298

Ryc. 1 Ryc. 2

Ryc. 1. Pocz¹tek sukcesji ekologicznej na œwie¿ej ha³dzie (zwa³owisku) odpadów poprzemys³owych Górniczo-Hutniczego Kombinatu Metali Nie¿elaznych ,,Orze³ Bia³y” w Piekarach Œl¹skich i Bytomiu. Toksyczny sk³ad ha³dy (metale ciê¿kie) hamuje jej zasiedlanie przez roœliny. Wiek ha³dy oko³o 30 lat (fot. M. Wierzbicka).

Ryc. 2. Stara ha³da cynkowo-o³owiana (galmanowa) w Boles³awiu ko³o Olkusza. Bogata flora galmano-wa porastaj¹ca ha³dê jest wynikiem naturalnej sukcesji. Wiek ha³dy: ponad 100 lat (fot. M. Wierzbic-ka).

Ryc. 3. Biscutella laevigata (pleszczotka górska). Jeden z gatunków dominuj¹cych na ha³dzie w Bo-les³awiu (fot. M. Pielichowska).

Ryc. 4. Charakterystyczne owoce — ³uszczynki Biscutella laevigata. Roœliny tego gatunku maj¹ zdol-noœæ do hyperakumulacji o³owiu, kadmu i talu (fot. M. Pielichowska).

Ryc. 4 Ryc. 3

pêdu. Znanych jest obecnie ponad 400 gatun-ków hyper-akumulatorów; najwiêcej z przeba-danych roœlin hyperakumuluje nikiel, zaœ naj-mniej najbardziej toksyczne pierwiastki bala-stowe, takie jak kadm i o³ów (SIEDLECKA i wspó³aut. 2001). Do hyperakumulatorów zali-czono miêdzy innymi: Minuartia verna (gro-madzi o³ów), Biscutella laevigata (hyperaku-mulator o³owiu, kadmu i talu; Ryc. 3, 4), Thla-spi rotundifolium ssp. capeifolium (gromadzi o³ów i kadm), Thlaspi goesingense (gromadzi nikiel) (ANDERSONi wspó³aut. 1999, WENZELi JOCKWER1999), Cardaminopsis halleri (gro-madzi cynk) (DAHMAN-MULLER i wspó³aut. 2000). Ostatnio opisano równie¿ zjawisko szczególnej, bo przekraczaj¹cej 90 razy nor-maln¹ zawartoœæ, akumulacji równie toksycz-nego, choæ ma³o badanego pierwiastka jakim jest tal (Tl). Tak wysokie przekroczenie normy stwierdzono w tkankach korzenia Plantago lanceolata porastaj¹cej ha³dê galmanow¹ w Boles³awiu ko³o Olkusza (WIERZBICKA 2001). Roœliny ró¿ni¹ siê znacznie poziomem tole-rancji na dzia³anie metali ciê¿kich: np. w sto-sunku do o³owiu Biscutella laevigata, Silene vulgaris oraz Allium cepa , Hordeum vulgare i Zea mays odznaczaj¹ siê du¿¹ tolerancj¹, pod-czas gdy Brassica napus, Phaseolus vulgaris i Soia hispida wykazuj¹ du¿¹ wra¿liwoœæ (WIERZBICKA1999). Ró¿nice w poziomie tole-rancji na okreœlony metal maj¹ charakter nie tylko miêdzygatunkowy, ale i te¿ miêdzypopu-lacyjny. Tak¹ zale¿noœæ wykazuj¹ roœliny pora-staj¹ce ha³dy np. Biscutella laevigata, Silene vulgaris i Dianthus carthusianorum, oraz ich populacje wystêpuj¹ce na terenach nieska¿o-nych metalami ciê¿kimi (WIERZBICKA i PANUFNIK1988, WIERZBICKA 2002, ZA£ÊCKA i WIERZBICKA 2002). Ró¿nice w poziomie tole-rancji na cynk i miedŸ stwierdzono nawet u klonów otrzymanych z nasion tego samego drzewa rodzicielskiego, w przypadku Betula pendula (UTRIAINEN i wspó³aut.1997)

Dla wyjaœnienia przyczyn istnienia zró¿ni-cowanych poziomów tolerancji na okreœlony metal ciê¿ki konieczna jest znajomoœæ me-chanizmów dopowiadaj¹cych za jej wytwo-rzenie.

Mimo licznych badañ poœwiêconych temu zagadnieniu (patrz KÖHL i LÖSCH 1999, SEREGIN i IVANOV 2001) pod³o¿e mechani-zmów obronnych przed toksycznym dzia³aniem metali ciê¿kich i wi¹¿¹cej siê z nimi tolerancji na metale ciê¿kie nie zosta³o dok³ad-anie wyjaœnione. Z danych literaturowych wy-nika, ¿e w zjawiska te zaanga¿owane s¹ nastê-puj¹ce czynniki:

— ograniczanie przez roœlinê pobierania metalu ze œrodowiska, g³ównie przez korzeñ, oraz usuwanie nadmiaru metali przez organy roœlin,

— transport metali w systemie apoplastycz-nym (œciany komórkowe i przestrzenie miê-dzykomórkowe),

— transport metali na drodze: powierzchnia korzenia — walec osiowy,

— transport metali na drodze: korzeñ — or-gany nadziemne,

— transport metali przez plazmalemmê do cytoplazmy,

— system detoksykacji metali w komórce, — usuwanie metali z wnêtrza komórki, — specyficzna gospodarka mineralna: wap-niem, fosforem i potasem,

— gospodarka wodna, — mikoryza,

— obrona przed stresem oksydacyjnym i synteza enzymów odpornych na obecnoœæ me-talu w komórce,

— inne, niespecyficzne czynniki zaanga-¿owane w odpowiedŸ roœliny na stres.

Kolejnoœæ wymienienia tych czynników nie odzwierciedla ich wa¿noœci, ale w pewnym stopniu w³¹czanie siê ich do dzia³ania w miarê przedostawania siê toksycznej dawki metalu do roœliny.

MECHANIZMY TOLERANCJI

OGRANICZANIE PRZEZ ROŒLINÊ POBIERANIA METALU ZE ŒRODOWISKA ORAZ USUWANIE NADMIARU METALI PRZEZ ORGANY ROŒLIN

Powy¿sze czynniki s¹ zwi¹zane z tzw. stra-tegi¹ unikania czynnika stresowego (S IEDLEC-KAi wspó³aut. 2001) — co oznacza, ¿e im mniej metalu ciê¿kiego w tkankach roœliny tym mniej jest ona nara¿ona na ich toksyczne oddzia³ywa-nie i tym wiêkszy mo¿e wykazywaæ poziom

to-lerancji. Zwi¹zek zawartoœci metalu w roœlinie z poziomem tolerancji stwierdzono miêdzy in-nymi:

— u Silene pardoxa L., gdzie niska koncen-tracja miedzi w korzeniu i pêdzie zdawa³a siê byæ cech¹ charakterystyczn¹ roœlin populacji tolerancyjnej na miedŸ (GONELLI i wspó³aut. 2001);

— u otrzymanych z nasion klonów Betula pendula: klon 142 A traktowany 4000 M Zn by³ bardziej tolerancyjny na ten metal ni¿ klon KL-2–M traktowany 800 M Zn i zawiera³ w swo-ich tkankach tak¹ sam¹ iloœæ cynku mimo piê-ciokrotnie wy¿szej dawki, w której by³ inkubo-wany (UTRIAINEN i wspó³aut.1997);

— w badaniach porównawczych roœlin Al-lium cepa L. rozwijaj¹cych siê z nasion i z orga-nów spichrzowych — siewki by³y bardziej wra-¿liwe na dzia³anie Pb, Zn, Cd i konsekwentnie gromadzi³y wiêksze iloœci tych metali w swo-ich tkankach (MICHALAKi WIERZBICKA1998a, b);

— w badaniach porównawczych trzech ga-tunków roœlin motylkowych: Vicia faba, Pi-sum sativum, Phaseolus vulgaris, roœlin¹ naj-bardziej wra¿liw¹ na dzia³anie o³owiu by³a fa-sola, która jednoczeœnie nagromadzi³a najwiê-cej tego metalu w swoich tkankach (PIECHALAK i wspó³aut. 2002).

Najwa¿niejsz¹ rolê w ograniczeniu pobie-rania metali ciê¿kich odgrywa korzeñ. Barierê zmniejszaj¹c¹ pobieranie tych metali jest ju¿ sama powierzchnia korzenia i pokrywaj¹cy j¹ œluz zawieraj¹cy kwasy uronowe, których gru-py karboksylowe wi¹¿¹ metale, zatrzymuj¹c pewn¹ ich iloœæ na powierzchni korzenia. W ten sposób najsilniej wi¹zane s¹ jony o³owiu (MORELi wspó³aut.1986). W plazmalemmie ko-mórek korzenia istnieje ponad to potencja³ red-ox, który redukuje pobieranie metali ciê-¿kich (SIEDLECKAi wspó³aut. 2001). Stwierdzo-no równie¿ wydzielanie przez komórki korze-nia zwi¹zków podnosz¹cych pH otaczaj¹cego roztworu glebowego, dziêki czemu jony metali ciê¿kich staj¹ siê dla roœliny s³abiej dostêpne (SEREGIN i IVANOV2001). Tê sam¹ rolê odgry-wa wydzielanie przez korzeñ na zewn¹trz sub-stancji chelatuj¹cych jony metali, np. cytrynia-nów i jab³czacytrynia-nów u Helianthus annuus L. w odpowiedzi na dzia³anie cynku, kwasów jab³kowego i cytrynowego u Helianthus an-nuus L. i Triticum aestivum L. oraz polipepty-dów u Triticum aestivum L. w warunkach ska-¿enia glinem (SIEDLECKA i wspó³aut. 2001)

Dla wielu roœlin w fazie kie³kowania bardzo skuteczn¹ barierê przed wnikaniem metali ciê-¿kich stanowi okrywa nasienna. Szczelnoœæ tej bariery w przypadku przenikania jonów o³owiu zale¿y od gatunku — np. wœród roœlin nale¿¹cych do rodziny Papilionaceae, Crucife-reae i Gramineae s¹ gatunki, których okrywa nasienna nie stanowi dostatecznej ochrony przed wnikaniem jonów o³owiu, co mo¿e mieæ

hamuj¹cy wp³yw na proces kie³kowania (WIERZBICKA i OBIDZIÑSKA1998).

U roœlin, które maj¹ ju¿ rozwiniête liœcie, ograniczenie transpiracji w warunkach ska¿e-nia metalem ciê¿kim mo¿e ograniczaæ stopieñ jego pobierania. Jony metali wnikaj¹ do apo-plastu korzenia wraz ze strumieniem transpira-cyjnym. Stwierdzono, ¿e w warunkach wyso-kiej wilgotnoœci wzglêdnej powietrza (czynnik zmniejszaj¹cy transpiracjê) roœliny Allium cepa L. gromadzi³y w swoich tkankach mniej o³owiu, który wywiera³ s³absze toksyczne dzia³anie, ni¿ roœliny inkubowane w warun-kach niskiej wilgotnoœci (WIERZBICKA i BARANOWSKA 1996).

Jeœli w roœlinie nie nastêpuje ograniczenie pobierania metalu ciê¿kiego, to jego nadmiar mo¿e byæ usuwany przez, np.: gruczo³y solne — usuwanie miedzi, a w mniejszym stopniu tak¿e cynku, niklu, ¿elaza i manganu w postaci krysz-ta³ów u Armeria maritima ssp. halleri (NUEMANNi wspó³aut. 1995, HEUMANN2002 — autor wskazuje na istotn¹ rolê wielokomórko-wych gruczo³ów solnych u roœlin z rodziny Plumbaginaceae w tolerancji na metale ciê¿-kie). W usuwanie metali mog¹ byæ tak¿e zaan-ga¿owane: hydatody, np. u Minuartia verna i ektodesmy, np. u Silene vulgaris. Metale mog¹ byæ równie¿ transportowane do starzej¹cych siê liœci i innych czêœci roœlin, a nastêpnie sezo-nowo zrzucane wraz z nimi, co stwierdzono np. u Anthyllis vulnenaria L. i Biscutella laevi-gata L. odnoœnie cynku. Metale ciê¿kie mog¹ byæ tak¿e kumulowane w idioblastach, w³oskach i podobnych strukturach (

S

Wielokrotnie jednak wykazano, ¿e ograni-czenie absorbcji metalu przez roœlinê nie jest uniwersaln¹ regu³¹ decyduj¹c¹ o zwiêkszeniu jej poziomu tolerancji na dany metal. W bada-niach wykazano, ¿e u tolerancyjnej na o³ów po-pulacji ha³dowej Silene vulgaris kumulacja me-talu w tkankach jest na tym samym poziomie co u roœlin z populacji wra¿liwej (WIERZBICKAi PANUFNIK 1998). Tak¿e w badaniach porów-nawczych gatunków roœlin dotycz¹cych ró¿nic w poziomie tolerancji na o³ów, stopieñ zawar-toœci tego pierwiastka w tkankach zdawa³ siê nie mieæ znaczenia dla poziomu tolerancji (WIERZBICKA 1999, WIERZBICKA i POTOCKA 2002). Równie¿ w doœwiadczeniach z wyko-rzystaniem klonów brzozy (Betula pendula) stwierdzono, ¿e roœliny z klonu oznaczony jako 142 A by³y bardziej tolerancyjne na miedŸ ni¿ klon KLM- 2 —M, a równoczeœnie pobra³y

wiê-cej tego pierwiastka z roztworu (UTRIAINEN i wspó³aut. 1997).

Wydaje siê, ¿e bardzo istotne dla odpowie-dzi roœliny na odpowie-dzia³anie metalu ciê¿kiego jest nie tyle zdolnoœæ w ograniczeniu jego pobiera-nia, lecz mo¿liwoœæ ochrony metabolizmu ko-mórkowego przed toksycznym wp³ywem me-talu poprzez jego detoksyfikacjê i gromadzenie w miejscach, w których nie jest on dla roœliny szkodliwy: w œcianach komórkowych i waku-olach.

TRANSPORT METALI W SYSTEMIE APOPLASTYCZNYM (ŒCIANY KOMÓRKOWE I

PRZESTRZENIE MIÊDZYKOMÓRKOWE) Jony metalu, które wraz z wod¹ wnikaj¹ do systemu przestworów miêdzykomórkowych i porów w œcianach komórkowych, mog¹ byæ tu w znacznej mierze unieruchamiane. Pory w œcianach komórkowych s¹ zbudowane z pek-tyn i hemiceluloz zawieraj¹cych kwasy galaktu-ronowy i glukugalaktu-ronowy. Dzia³aj¹ one jako wy-mieniacze kationowe — w wyniku ich dysocja-cji pojawiaj¹ siê ujemnie na³adowane grupy, które zazwyczaj s¹ wysycane przez wapñ. W obecnoœci metali ciê¿kich jony wapnia na zasa-dzie kompetycji mog¹ byæ zastêpowane przez kationy o³owiu.

U roœlin Allium cepa traktowanych o³owiem stwierdzono wzmo¿on¹ syntezê poli-sacharydów œcian komórkowych, które ulega³y pogrubieniu — stwarza³y wiêcej miejsca do nie-toksycznej dla roœliny kumulacji o³owiu, co mia³o znaczenia dla osi¹gniêcia stosunkowo wysokiego poziomu tolerancji na ten metal (WIERZBICKA 1998).

Œciany komórkowe mog¹ zatrzymywaæ na-wet do 90% pobranego metalu. W wi¹zaniu me-tali w œcianach komórkowych oprócz polisa-charydów uczestnicz¹ tak¿e bia³ka. Metale ciê-¿kie mog¹ byæ unieruchamiane w œcianach w postaci fosforanów, wêglanów, krzemianów (ANTOSIEWICZi WIERZBICKA1999, SIEDLECKAi wspó³aut. 2001)

Obserwowano tak¿e unieruchamianie o³owiu w postaci agregatów na zewnêtrznej powierzchni plazmalemmy (SEREGIN i wspó³aut. 2002).

Znaczenie œcian komórkowych dla pozio-mu tolerancji roœliny na Pb wykazano u klo-nów i w kulturach tkankowych Anthoxan-thum odoraAnthoxan-thum. W klonach tej trawy toleran-cyjnych na dzia³anie o³owiu stwierdzono gro-madzenie wspomnianego metalu w œcianach

komórkowych, a brak w cytoplazmie. W klonach wra¿liwych o³ów by³ obecny w zdez-organizowanej cytoplazmie. Podobne efekty uzyskano, kiedy przeprowadzono doœwiadcze-nie z kulturami tkankowymi, wykorzystuj¹ce protoplasty klonów tolerancyjnych pozbawio-nych œcian. Nie wykazywa³y one znacz¹cej tole-rancji.

U wielu gatunków roœlin stwierdzono rela-tywnie wysokie stê¿enia kadmu i o³owiu w³aœnie na terenie œcian komórkowych (SEREGINi IVANOV2001 i cytowana tu literatu-ra). Ostatnio opisano tak¿e gromadzenie cynku w œcianach komórkowych ryzodermy, zew-nêtrznej warstwy kory oraz liœci u Armeria ma-ritima ssp. halleri (HEUMANN 2002)

Dla poziomu tolerancji na metal znaczenie ma nie tylko zdolnoœæ zatrzymywania metali w œcianach komórkowych, ale i tak¿e ich zatrzy-mywania w okreœlonych tkankach i organach.

TRANSPORT METALI NA DRODZE: POWIERZCHNIA KORZENIA — WALEC OSIOWY

Wiêkszoœæ roœlin nale¿y do grupy tzw. eli-minatorów (roœlin wykluczaj¹cych metale), u których w warunkach ska¿enia œrodowiska me-talami ciê¿kimi utrzymywany jest niski poziom toksycznego metalu w pêdzie, poprzez akumu-lacjê go w organach podziemnych, g³ównie w korzeniu (ANTOSIEWICZ 1992). W ten sposób chronione s¹ liœcie (a przez to proces fotosyn-tezy) oraz kwiaty (a przez to organy generatyw-ne roœlin).

Zawartoœæ metali ciê¿kich w ró¿nych orga-nach roœlin zmniejsza siê zazwyczaj w nastê-puj¹cej kolejnoœci: korzeñ > liœcie > ³odyga > kwiaty > nasiona.

W korzeniach metale takie jak cynk, o³ów i kadm lokalizuj¹ siê g³ównie w ryzodermie i w komórkach kory pierwotnej (SEREGINi IVANOV 2001, HEUMANN 2002).

Du¿e znaczenie w ograniczeniu transportu o³owiu oraz cynku do nadziemnych czêœci ro-œlin odgrywa endoderma. Zlokalizowane w tej warstwie pasemka Caspary’ego blokuj¹ przep³yw wody, a wraz z ni¹ toksycznych jo-nów, drog¹ apoplastyczn¹ i do pewnego stop-nia zabezpieczaj¹ walec osiowy i wi¹zki prze-wodz¹ce przed dostaniem siê do nich metalu (WIERZBICKA 1987, HEUMANN 2002).

W sytuacji, gdy korzeñ jest g³ównym orga-nem zatrzymuj¹cym metal ciê¿ki, pewne jego obszary mog¹ ulegaæ specyficznej ochronie. W korzeniach Allium cepa traktowanych

o³owiem stwierdzono, ¿e metal ten by³ prawie nieobecny w tzw. strefie cichego centrum (QC). Wskazuje to na istnienie specjalnego me-chanizmu zabezpieczaj¹cego przed uszkodze-niem komórki inicjalne wierzcho³ka wzrostu korzenia, odgrywaj¹ce wa¿n¹ rolê w procesach regeneracyjnych (WIERZBICKA 1987).

Stwierdzono równie¿, ¿e obszarem szcze-gólnie chronionym przed wnikaniem zwi¹zków o³owiu s¹ generatywne czêœci kwia-tu. Zal¹¿ki i rozwijaj¹ce siê w nich woreczki zal¹¿kowe nie zawiera³y o³owiu nawet, kiedy czêœci wegetatywne badanych roœlin by³y sil-nie ska¿one tym metalem. Z tego powodu roz-wijaj¹ce siê z tych zal¹¿ków nasiona z regu³y nie zawiera³y o³owiu w swoich tkankach (ERNST i wspó³aut. 1990).

Gromadzenie metalu w korzeniu nie jest jednak uniwersalnym mechanizmem decy-duj¹cym o poziomie tolerancji na metale ciê-¿kie. Opisano wiele gatunków roœlin wystê-puj¹cych na terenach silenie zanieczyszczo-nych metalami, które doskonale radz¹ sobie w tym œrodowisku, a ponadto kumuluj¹ wiêksze iloœci metali w³aœnie w organach nadziemnych czego najjaskrawszym przyk³adem s¹ wspo-mniane wczeœniej hyperakumulatory.

TRANSPORT METALI NA DRODZE: KORZEÑ — ORGANY NADZIEMNE

Transport metali do czêœci nadziemnych roœlin odbywa siê poprzez naczynia ksylemu, w soku ksylemowym. Forma transportu meta-lu ciê¿kiego t¹ drog¹ — poprzez jego zwi¹za-nie, mo¿e mieæ znacznie dla poziomu toleran-cji. Stwierdzono na przyk³ad, ¿e Ni mo¿e byæ transportowany w postaci kompleksu z histy-dyn¹. Zdolnoœæ do syntezy histydyny, jako od-powiedŸ na dzia³anie niklu oraz przemieszcza-nie go w formie kompleksu do czêœci nad-ziemnych, by³a skorelowana ze zwiêkszon¹ to-lerancj¹ na Ni u Alyssum lesbiacum (CLEMENS 2001).

W przypadku transportu du¿ej iloœci metali ciê¿kich do pêdu istotne znaczenie ma jego bu-dowa i zdolnoœæ do wykszta³cenia, np. organu spichrzowego w postaci cebuli. U Allium cepa roœliny rozwijaj¹ce siê z organów spichrzo-wych — cebul, by³y bardziej tolerancyjne na dzia³anie metali, takich jak Pb, Cd i Zn, od ro-œlin tych samych odmian wyhodowanych z sie-wek. By³o to zwi¹zane z kumulacj¹ du¿ej czêœci tych metali w cebulach: Pb 46%, Cd 51%, Zn

42% (MICHALAKi WIERZBICKA1989a, b; W IERZ-BICKA 1999).

TRANSPORT METALI PRZEZ PLAZMALEMMÊ DO CYTOPLAZMY

Dopóki jony metali przemieszczaj¹ce siê w roœlinie nie zetkn¹ siê plazmalemm¹ s¹ dla ko-mórek nieszkodliwe. Istotn¹ rolê dla poziomu tolerancji na metal bêdzie wiêc mia³a kontrola transportu tych jonów przez b³onê komór-kow¹ w kierunku cytozolu.

Ostatnio zidentyfikowano bia³ka o charak-terze przenoœników zlokalizowane w plaza-lemmie i odpowiedzialne za pobieranie takich jonów jak: Zn+2, Cd+2, Fe+2Mn+2, Cu+2. Ponie-wa¿ o³ów i kadm s¹ pierwiastkami balastowy-mi (zbêdnybalastowy-mi) nie wydaje siê prawdopodob-ne, aby istnia³y przenoœniki b³onowe ze specy-ficznoœci¹ wy³¹cznie dla tych metali. Najpraw-dopodobniej dostaj¹ siê one do komórek przez przenoœniki kationów o szerokiej specy-ficznoœci substratowej. Pierwszy przyk³ad ro-œlinnego transportera prawdopodobnie uczestnicz¹cego w przemieszczaniu jonów o³owiu zosta³ odkryty w plazamalemmie tyto-niu, jest to tzw. kana³ NtCBP4 (ARAZI i

wspó³aut. 2000). Zasadniczo wyró¿nia siê trzy grupy bia³ek bêd¹cych transporterami metali ciê¿kich. S¹ to: ATP-azy metali ciê¿kich (ang. heavy metal ATPases), rodzina bia³ek Nramp (ang. natural resistance macrophage prote-ins) oraz rodzina CDF (ang. cation diffusion facilitors). Do pierwszej z tych grup nale¿¹ ATP-azy typu P. S¹ to pompy, które przy udzia-le ATP transportuj¹ przez b³ony cz¹stki obda-rzone ³adunkiem. Uwa¿a siê, ¿e te bia³ka mog¹ byæ potencjalnymi transporterami takich tok-sycznych metali jak: kadm, miedŸ, cynk lub o³ów. Nramp jest silnie konserwatywn¹ ro-dzin¹ bia³ek zaanga¿owanych w transport ka-tionów dwuwartoœciowych. Obecnoœæ bia³ek tego typu stwierdzono u wielu organizmów, w tym tak¿e u roœlin. Przypuszcza siê, ¿e bia³ka te mog³yby uczestniczyæ w transporcie jonów do cz¹steczek zaanga¿owanych w konkretne procesy fizjologiczne w ró¿nych roœlinnych tkankach i organach. CDF to rodzina bia³ek za-anga¿owana w transport cynku, kobaltu i kad-mu. Bia³ka te mog¹ braæ udzia³ w pobieraniu b¹dŸ te¿ usuwaniu, metali z komórek (FOULKES 2000, WILLIAMS i wspó³aut. 2000, CLEMENS 2001, CLEMENS i wspó³aut. 2002, KRUPA i wspó³aut. 2002).

SYSTEM DETOKSYKACJI METALI W KOMÓRCE Jeœli jony metalu zdo³aj¹ przenikn¹æ przez plazmalemmê to na poziom tolerancji roœliny w stosunku do metalu bêd¹ mia³y wp³yw czynniki odpowiedzialne za skuteczn¹ i szybk¹ detoksy-kacjê metalu w komórce. Nale¿¹ do nich: wi¹za-nie metali w kompleksy z ró¿nymi ligandami (chelatacja), oraz transport tych kompleksów i gromadzenie metalu w wakuolach.

Procesy te odbywaj¹ siê przy udziale: bia³ek towarzysz¹cych (chaperons), które uczest-nicz¹ w transporcie jonów metali do organelli oraz do metaloprotein a tak¿e innych czynni-ków chelatuj¹cych, których zadaniem jest bu-forowanie nadmiaru jonów w cytoplazmie; s¹ to g³ównie: fitochelatyny, metalotioneiny oraz kwasy organiczne i aminokwasy (CLEMENS 2001).

W procesach tych mog¹ uczestniczyæ tak¿e zwi¹zki fenolowe, co stwierdzono w przypad-ku chelatacji miedzi u Armeria maritima ssp. halleri (NUEMANNi wspó³aut.1995) oraz fityna i jej pochodne wi¹¿¹ce cynk (VANSTEVENNICK i wspó³aut. 1990).

Metalotioneiny

S¹ to bogate w cysteinê bia³ka o niskiej ma-sie cz¹steczkowej, które wi¹¿¹ metale w kom-pleksy metalo-tiolowe. U ssaków s¹ one zwi¹zane g³ownie z buforowaniem poziomu cynku. Pierwsza roœlina metalotioneina, rów-nie¿ wi¹¿¹ca cynk, zosta³a zidentyfikowana i wyizolowana z dojrza³ych zarodków pszenicy (MT-II-likewheat Ec). Do dziœ znaleziono ponad

50 metalotioneinopodobych genów w roœli-nach i wiadomo, ¿e ich synteza jest indukowa-na nie tylko przez metale, ale przez inne czyn-niki stresowe.

Przypuszcza siê, ¿e bia³ka te uczestnicz¹ w: buforowaniu cytozolowego poziomu cynku, transporcie metali do starzej¹cych siê liœci (SIEDLECKA i wspó³aut. 2001).

Metalotioneiny odgrywaj¹ tak¿e istotn¹ rolê w procesach detoksyfikacji metali — szcze-gólnie miedzi — opisano np. zwi¹zek wysokiej tolerancji na miedŸ u populacji Silene vulgaris z podwy¿szonym poziomem transkrypcji me-talotioinowego genu typu 2b (VAN HOOF i wspó³aut. 2001)

Fitochelatyny

Szczególne zainteresowanie w badaniach nad poziomem tolerancji u roœlin poœwiêcono

fitochelatynom. Uwa¿a siê, ¿e synteza tych zwi¹zków jest jednym z podstawowych ele-mentów odpowiedzi roœliny w warunkach ska-¿enia metalami (COBBET2000). Fitochelatyny s¹ metalotiolowymi polipeptydami, które za-klasyfikowano do grupy III metalotionein. Zwi¹zki te utworzone na bazie charaktery-stycznego, powtarzaj¹cego siê 2–11 krotne di-peptydu –Glu–Cys, s¹ powszechnie spotykane w komórkach roœlinnych. Spoœród nich najbar-dziej rozpowszechnione s¹ fitochelatyny na-le¿¹ce do rodziny o strukturze (–Glu–Cys )n bêd¹ce pochodnymi glutationu. Uwa¿a siê, ¿e to w³aœnie te fitochelatyny odgrywaj¹ najwa-¿niejsz¹ rolê w procesach detoksyfikacyjnych. Synteza fitochelatyn odbywa siê na drodze en-zymatycznej przy udziale enzymu –Glu–Cys di-peptydyltranspeptydazy (syntazy fitochelaty-nowej), która jest aktywowana przez jony: Cd (II), Ag (I), Bi (III), Pb (II), Zn (II), Cu (II), Hg (I) oraz Au (I).

Rola fitochelatyn w detoksyfikacji metali polega na ich wi¹zaniu w kompleksy, dziêki czemu grupy tiolowe (SH) oraz histydylowe bia³ek komórkowych s¹ chronione przed od-dzia³ywaniem z metalami. Kompleksy PCS-me-tal s¹ nastêpnie transportowane do wakuoli, gdzie metal ulega oddzieleniu od pozosta³ych organelli komórkowych i poprzez to unieszko-dliwieniu. Mechanizm ten jest istotny w proce-sach detoksyfikacji miedzi i kadmu. Komplek-sy tworzone przez fitochelatyny z cynkim i o³owiem nie s¹ stabilne (SIEDLECKAi wspó³aut. 2001).

Stwierdzono, ¿e niedobór fitochelatyn u ro-œlin jest sprzê¿ony z hiperwra¿liwoœci¹ na kadm, miedŸ i arsen (CLEMENS i wspó³aut. 2002), jednak¿e wielokrotnie wykazano, i¿ sama zdolnoœæ roœliny do syntezy fitochelatyn oraz ich zwiêkszona iloœæ nie determinuj¹ po-ziomu tolerancji na metale. I tak np. spoœród trzech badanych ostatnio gatunków roœlin mo-tylkowych: Vicia faba, Pisum sativum, Phase-olus vulgaris, najwiêksz¹ wra¿liwoœci¹ na dzia³anie o³owiu stwierdzono u fasoli, jedno-czeœnie poziom homofitochelatyn syntetyzo-wanych u tej roœliny nie by³ wcale najni¿szy (PIECHALAKi wspó³aut. 2002). Wynik ten pozo-staje w zgodzie z wczeœniejszymi doniesienia-mi innych autorów. W przypadku tolerancji na kadm, zawartoœæ fitochelatyn u roœlin Silene vulgaris z populacji tolerancyjnej na ten metal by³a ni¿sza, w porównaniu z zawartoœci¹ u ro-œlin z populacji wra¿liwej (KNECHTi wspó³aut. 1995).

Podobnie zwiêkszona tolerancja na cynk u tego samego gatunku nie by³a skorelowana ze zwiêkszon¹ produkcj¹ fitochalatyn (HERMENSi wspó³aut.1993).

Uwa¿a siê, ¿e na poziom tolerancji roœliny na dany metal, w odniesieniu do fitochelatyn, maj¹ wp³yw: szybkoœæ formowania komplek-sów z jonami metali, zdolnoœæ do formowania kompleksów przez istniej¹cy system fitochela-tyn z danym metalem, zdolnoœæ do syntezy ró¿-nych rodzajów fitochelatyn o ró¿nej d³ugoœci ³añcucha (gatunki wra¿liwe syntetyzuj¹ ma³o fitochelatyn i o ma³ej ró¿norodnoœci w budo-wie ³añcucha), wyd³u¿anie ³añcucha fitochela-tynowego, oraz szybkoœæ transportu komplek-sów PCS–metal do wakuoli (HERMENS i wspó³aut.1993, KNECHT i wspó³aut.1995)

Kwasy organiczne i aminokwasy Ze wzglêdu na swoj¹ budowê kwasy orga-niczne: cytrynowy, jab³kowy, szczawiowy mog¹ byæ potencjalnymi ligandami jonów me-tali. Kwasy te uczestnicz¹ prawdopodobnie w transporcie metali do wakuoli oraz w transpor-cie ksylemowym (zabezpieczaj¹ metal przed adsorbcj¹ na œcianach komórkowych). Kwas cytrynowy jest zwi¹zany prawdopodobnie z to-lerancj¹ na kadm, nikiel i cynk zaœ jab³kowy z tolerancj¹ na cynk (SIEDLECKA i wspó³aut. 2001). Wydzielanie jab³czanów, cytrynianów oraz szczawianów przez korzeñ jest czêst¹ re-akcj¹ wielu roœlin na ska¿enie glinem. Wspo-mniane wy¿ej aniony tworz¹ stabilne komplek-sy z kationami glinu i chroni¹ korzeñ przed tok-sycznym dzia³aniem tego metalu. W ten sposób szczególnie zabezpieczany jest wierzcho³ek korzenia (MA i wspó³aut. 2001).

Rola aminokwasów w procesach zwi¹za-nych z tolerancj¹ na metale polega na chelato-waniu przez nie metali na terenie cytozolu, np. g³ównymi ligandami miedzi s¹ asparaginian i histydyna, niklu-histydyna oraz glutaminian i prolina (SIEDLECKA i wspó³aut. 2001).

USUWANIE METALI Z CYTOZOLU

Jak ju¿ wczeœniej wspomniano, istotnym mechanizmem tolerancji na metale ciê¿kie jest zdolnoœæ ich wi¹zania na terenie cytoplazmy, a nastêpnie oddzielenie od pozosta³ych organel-li komórkowych poprzez gromadzenie w wa-kuolach. Du¿e elektronowo gêste z³ogi metalu na terenie wakuol, to typowy obraz ultrastruk-tury komórek roœlinnych traktowanych

o³owiem i kadmem. W wakuolach i œcianach komórkowych stwierdzono akumulacjê nawet do 96 % pobranych metali (SEREGIN i IVANOV 2001). Gromadzenie miedzi w wakuolach idio-blastów stwierdzono u Armeria maritima ssp. halleri (NUEMANN i wspó³aut.1995), ostatnio zaœ przy zastosowaniu autometalografii gro-madznie cynku w wakuolach tkanek korzenia oraz liœci u tego samego gatunku (HEUMANN 2002).

Ze wzglêdu na wspomniane zjawiska wyda-je siê, ¿e du¿e znaczenie dla poziomu tolerancji na metale mo¿e odgrywaæ w roœlinie sprawny system transportu nadmiaru jonów metali z cy-tozolu do wakuoli, którego sprawnoœæ bêdzie zale¿a³a w du¿ej mierze od efektywnej regula-cji transportu jonów przez tonoplast. Aktual-nie prowadzone s¹ badania nad identyfikacj¹ transporterów jonowych obecnych w tonopla-œcie – zidentyfikowano takie transportery po-tencjalnie poœrednicz¹ce w przemieszczaniu siê jonów kadmu u dro¿d¿y oraz cynku u roœlin (CLEMENS 2001).

Stwierdzono obecnoœæ jonów Cd i Pb w strukturach Golgiego i ER, co wskazuje, ¿e transport tych metali mo¿e odbywaæ siê za po-œrednictwem systemu b³on komórkowych (SEREGIN i IVANOV 2001).

Okazuje siê, ¿e nadmiar metalu mo¿e byæ usuwany z cytozolu nie tylko do wakuoli, ale ta-k¿e poza obrêb komórki do apoplastu korze-nia, poprzez uwypuklenia plazmalemmy tzw. plazmatubule, co by³o obserwowane w korze-niach Allium cepa traktowanych o³owiem (WIERZBICKA 1998).

SPECYFICZNA GOSPODARKA MINERALNA: WAPNIEM, FOSFOREM I POTASEM

Jednym z najwa¿niejszych czynników, po-przez które metale ciê¿kie wywieraj¹ wp³yw na procesy metaboliczne i fizjologiczne ro-œlin, jest ich oddzia³ywanie z pierwiastkami pobieranymi przez roœliny jako sk³adniki pokarmowe. Obecnoœæ metali ciê¿kich mo¿e prowadziæ do niedoborów pierwiastków nie-zbêdnych do prawid³owego przebiegu foto-syntezy, takich jak ¿elazo, fosfor i wapñ. Z dru-giej jednak strony, pobieranie metali ciê¿kich mo¿e byæ ograniczane lub hamowane przez niektóre mikro- i makroelementy. W stosunku do kadmu takie dzia³anie wykazuj¹ zwykle wapñ, fosfor, cynk, miedŸ, mangan i ¿elazo. Z kolei cynk obni¿a pobieranie o³owiu (KRUPAi wspó³aut. 2002)

Populacje roœlin o wysokim poziomie tole-rancji na metale ciê¿kie s¹ tak¿e, w porówna-niu z populacjami wra¿liwymi, bardziej tole-rancyjne na deficyt sk³adników mineralnych, maj¹ mniejsze wymagania ¿ywieniowe, a tak¿e specyficzn¹ gospodarkê mineraln¹ dostoso-wan¹ do obecnoœci metali ciê¿kich (ANTOSIEWICZ1995). Z danych literaturowych wynika, ¿e wa¿n¹ rolê odgrywa tu gospodarka wapniem, fosforem i potasem.

Wapñ

Ten makroelement zajmuje kluczow¹ pozy-cjê w transdukcji sygna³u w komórkach roœlin-nych. Informacja przekazywana poprzez jony wapnia dotyczy dzia³ania ró¿norodnych bodŸ-ców maj¹cych charakter mechaniczny, ter-miczny i cheter-miczny (stres oksydacyjny, osmo-tyczny i mineralny). Wapñ jest równie¿ nie-zbêdny do prawid³owego dzia³ania aparatu fo-tosyntetycznego. Podwy¿szona zawartoœæ mie-dzi i kadmu w œrodowisku prowamie-dzi do obni¿e-nia zawartoœci wapobni¿e-nia w organach roœlin (KRUPA i wspó³aut. 2002).

Rola wapnia w tolerancji roœlin na metale ciê¿kie jest nie do koñca wyjaœniona. Po pierw-sze polega ona na ograniczaniu pobierania me-tali ciê¿kich ze œrodowiska co wynika z fizjolo-gicznego antagonizmu wapnia i jonów metali ciê¿kich (SIEDLECKA i wspó³aut. 2001). Zale-¿noœæ tê opisano ju¿ we wczeœniejszych bada-niach. Wapñ powodowa³ ograniczenie pobie-rania o³owiu u Festuca ovina oraz Hordeum vulgare, a tak¿e stymulacjê wyd³u¿eniowego wzrostu korzeni roœlin traktowanych o³owiem (GARLAD i WILKINS 1981). Autorzy zwrócili uwagê, ¿e to ostatnie zjawisko nie by³o jedynie rezultatem zmniejszonej zawartoœci o³owiu w tkankach roœlin, lecz wynika³o z dzia³ania wap-nia na poziomie komórkowym.

Stwierdzono równie¿, ¿e podwy¿szona za-wartoœæ wapnia w po¿ywce zawieraj¹cej tok-syczny poziom glinu os³abia³a hamuj¹ce dzia³anie tego pierwiastka na wzrost wyd³u¿e-niowy korzeni Triticum aestivum L. na skutek redukcji negatywnego elektropotencja³u po-wierzchni komórek (KINRAIDE 1998).

U roœlin odznaczaj¹cych siê wysok¹ toleran-cj¹ na o³ów takich jak Silene vulgaris oraz Lyco-persicon esculentum, stwierdzono specyficzn¹ gospodarkê wapniem, tj. wysoki status wapnia w tkankach oraz wysoki poziom tolerancji na deficyt wapnia. Pierwiastek ten w komórkach roœlinnych, podobnie jak metale ciê¿kie,

lokali-zuje siê g³ównie na terenie œcian komórko-wych i wakuolach w formie soli organicznych lub zwi¹zków z fosforem. Poziom wapnia w cy-toplazmie jest bardzo niski (submikromolar-ny), st¹d zmiany w zawartoœci wapnia s¹ praw-dopodobnie zwi¹zane ze zmianami w jego puli apoplastycznej. Wydaje siê, ¿e rola wapnia w procesach detoksyfikacyjnych mo¿e byæ zwi¹zana w³aœnie z udzia³em tego pierwiastka w deponowaniu np. o³owiu i kadmu w postaci agreagatów z fosforanami w apoplaœcie komó-rek. Przy wysokim tkankowym poziomie wap-nia u roœlin tolerancyjnych w stosunku do o³owiu, zwi¹zanie pewnej jego czêœci w celu detoksyfikacji metalu ciê¿kiego mo¿e nie wp³ywaæ znacz¹co na gospodarkê roœliny, co pozwala na jej wzrost w warunkach ska¿enia metalem ciê¿kim (ANTOSIEWICZ 1995).

Kolejne wyt³umaczenie roli wapnia w pro-cesach zwi¹zanych z uzyskiwaniem tolerancji na metale ciê¿kie jest zwi¹zane z funkcj¹ sy-gna³ow¹ tego pierwiastka w uk³adzie Ca+2/ kal-modulina. Reakcje zale¿ne od kalmoduliny mog³yby byæ zak³ócane poprzez chroniczne ak-tywowanie tego bia³ka poprzez metale ciê¿kie, oddzia³uj¹ce na zasadzie kompetycji. Tego typu zale¿noœæ opisano po raz pierwszy dla komórek zwierzêcych (HABERMANN i wspó³aut.1983, CHEUNG1984). Stwierdzono ponadto, ¿e inhibi-tory kalmoduliny mog¹ modyfikowaæ toksycz-ne dzia³anie kadmu u gryzoni. Jest to zwi¹zatoksycz-ne z zale¿n¹ od wapnia œcie¿k¹ indukcji metalotione-in (SHIRASHI i WAALKES 1994).

W przypadku komórek roœlinnych istniej¹ hipotezy, ¿e kalmodulina jest kluczowym czyn-nikiem w toksycznoœci glinu, jednak¿e wi¹za-nie tego pierwiastka do kalmoduliny zosta³o pokazane jedynie in vitro (RENGEL1992). Za-stêpowanie Ca+2przez jony Cd+2w kalmoduli-nie stwierdzono natomiast u Raphanus sa-tivus, co prowadzi³o do inhibicji aktywnoœci kalmodulino-zale¿nej fosfodiesterazy (RIVETTA i wspó³aut.1997).

Wiadomo ju¿ tak¿e, i¿ w transporcie metali ciê¿kich przez b³ony uczestnicz¹ kana³y bia³kowe, których dzia³anie jest regulowane przez uk³ad Ca+2/kalmodulina (ARAZI i wspó³aut. 2000).

Fosfor

Metale ciê¿kie mog¹ powodowaæ obni¿enie wewn¹trzkomórkowego poziomu fosforu, pier-wiastka niezbêdnego w fotosyntezie, powo-duj¹c zak³ócenie fotosyntetycznego transportu elektronów oraz obni¿enie aktywnoœci

enzy-mów fotosyntetycznych (KRUPA i wspó³aut. 2002).

W badaniach tolerancyjnej na o³ów ha³do-wej populacji Silene vulgaris stwierdzono zwi¹zek pomiêdzy zdolnoœci¹ do gromadzenia fosforu a osi¹ganiem wysokiego poziomu tole-rancji na ten metal. U roœlin traktowanych o³owiem zaobserwowano znaczny wzrost po-ziomu fosforu w tkankach w porównaniu z ro-œlinami kontrolnymi. Zjawisko to mo¿e byæ t³umaczone faktem, ¿e dostêpnoœæ fosforu sprzyja prawdopodobnie procesom zwi¹za-nym z odk³adaniem i detoksykacj¹ o³owiu w œcianach komórkowych w postaci zwi¹zków fosforowych (ANTOSIEWICZ 1995).

Potas

Roœliny charakteryzuj¹ce siê wysok¹ zawar-toœci¹ potasu kumuluj¹ mniej kadmu i o³owiu ni¿ roœliny o niskim statusie tego pierwiastka (SIEDLECKA 1995).

Jony potasowe mog¹ byæ zwi¹zane z kompartmentacj¹ metali u hyperakumulatorów -stwierdzono obni¿ony transport tego pier-wiastka z korzeni do pêdu u alpejskich hypera-kumulatorów o³owiu, cynku i niklu. Mecha-nizm ten nie zosta³ jeszcze poznany (WENZELi JOCKWER1999).

GOSPODARKA WODNA ROŒLIN

Dostêpnoœæ wody i stopieñ zawartoœci wody w komórkach roœlin mo¿e byæ uwa¿any za g³ówny czynnik w regulacji wzrostu roœlin. Jony metali ciê¿kich oraz glinu wykazuj¹ tok-syczne dzia³anie na roœliny ju¿ przy bardzo ni-skich, bo mikromolarnych stê¿eniach. Szkodli-we dzia³anie metali ciê¿kich nie wynika z ob-ni¿enia przez ich obecnoœæ potencja³u osmo-tycznego roztworu, w którym znajduje siê ro-œlina, gdy¿ zjawisko to ma miejsce przy stê¿e-niach jonów co najmniej 0,1 molarnych, a wiêc wielokrotnie wy¿szych. Obserwowane zabu-rzenia w gospodarce wodnej pod wp³ywem metali ciê¿kich nie s¹ zatem efektem bezpo-œredniego, osmotycznego dzia³ania roztworów soli metali na komórki roœlinne, ale skutkiem zmian wywo³ywanych ju¿ przez bardzo niskie stê¿enia jonów metali we w³aœciwoœci b³on pla-zmatycznych, w aktywnoœci enzymów oraz we wzroœcie korzenia (POSCHENRIEDERi BARCELO 1999).

Wydaje siê, ¿e prowadzenie specyficznej gospodarki wodnej w warunkach ska¿enia

me-talami ciê¿kimi ma znaczenie dla zjawiska tole-rancji w stosunku do tych metali.

W badaniach trzech gatunków roœlin: Sile-ne vulgaris, Dianthus carthusianorum, Biscu-tella laevigata, wystêpuj¹cych na ha³dzie gal-manowej w Boles³awiu ko³o Olkusza (siedlisko odznaczaj¹ce siê wysok¹ zawartoœci¹ metali ciê¿kich, a ponadto warunkami niedoboru wody i wysokiego nas³onecznienia), stwier-dzono wspó³wystêpowanie przystosowañ kse-romorficznych i wysokiej tolerancji na metale ciê¿kie (cynk i o³ów). Populacje trzech wymie-nionych gatunków rosn¹ce na ha³dzie ró¿ni³y siê od populacji roœlin pochodz¹cych ze stano-wisk nieska¿onych metalami ciê¿kimi obecno-œci¹ przystosowañ do oszczêdnej gospodarki wodnej, a jednoczeœnie wykazywa³y wy¿szy poziom tolerancji na metale ciê¿kie (WIERZBICKA 2002).

W œwietle powy¿szych wyników nale-¿a³oby oczekiwaæ, ¿e na wspomnianej ha³dzie galmanowej powinny dominowaæ gatunki su-cholubne. Tymczasem ekotypami maj¹cymi najwiêkszy udzia³ w tworzeniu flory galmano-wej s¹ mezofity (55%). Ponadto w badaniach porównawczych tolerancji na o³ów pomiêdzy roœlinami o ró¿nych wymaganiach w stosunku do wilgotnoœci gleby okaza³o siê, ¿e najwiêksza tolerancjê wykazuje Rumex aquaticus (IT= 60 %), zaœ najni¿sz¹ roœliny gleb suchych — Heli-chrysum sp. (IT=15%) i Berteroa incana (IT=10%) (WIERZBICKA i POTOCKA 2002)

Okreœlenie, czy prowadzenie oszczêdnej gospodarki wodnej ma bezpoœredni zwi¹zek z uzyskaniem wy¿szej tolerancji na metale ciê-¿kie wymaga dalszych badañ.

MIKORYZA

Ostatnio podkreœla siê istotn¹ rolê mikoryzy we wzroœcie i rozwoju roœlin w warunkach ska-¿enia metalami. Spoœród mikroorganizmów gle-bowych grzyby mikoryzowe s¹ bezpoœrednim ogniwem pomiêdzy gleb¹ a korzeniami i dlate-go mog¹ mieæ wielkie znaczenie dla dostêpno-œci i toksycznodostêpno-œci metali ciê¿kich dla roœlin.

Obecnoœæ grzybów mikoryzowych mo¿e stanowiæ barierê mechaniczn¹ i chemiczn¹ dla wnikania metali, co wynika z udzia³u tych orga-nizmów w procesach unieruchamiania i wi¹za-nia metali poprzez wytr¹canie siarczków, uwodnionych tlenków ¿elaza, wi¹zanie przez polisacharydy oraz wêglany i szczawiany.

Mikoryza powoduje stymulacjê wzrostu drzew w warunkach ska¿enia metalami

ciê¿ki-mi poprzez ich ochronê przed infekcj¹ patoge-nów oraz przez obni¿anie toksycznoœci pod³o¿a. Wa¿nym mechanizmem ochronnym jest zahamowanie przemieszczania siê metali ciê¿kich do tkanek roœlinnych. Wystêpowanie tego zjawiska jest t³umaczone faktem wi¹zania wspomnianych metali przez pigmenty depo-nowane na powierzchni grzybni przerastaj¹cej glebê oraz w obrêbie grzybni w bogatych w fosfor ziarnistoœciach wakuolarnych (LEYVALi wspó³aut.1997, TURNAU i wspó³aut. 2002).

Grzyby mikoryzowe maj¹ wp³yw na pobie-ranie cynku i o³owiu, co stwierdzono np. u Ly-geum spartum i Anthyllis cystidoides inokulo-wanych grzybami mikoryzowymi Glomus ma-crocarpum i Glomus mosseae (DIAZ i wspó³aut.1996), oraz na ograniczanie ich prze-mieszczanie siê do czêœci nadziemnych (TURNAUi wspó³aut. 2002). Kolonizacja korze-nia trawy Holcus lanatus odpornej na arsen, porastaj¹cej ska¿one tereny pokopalniane, przez grzyby mikoryzowe (Glomus mosseae i Glomus caledonium) powodowa³a redukcjê pobierania arsenu z zanieczyszczonej tym pier-wiastkiem gleby. Prawdopodobnie to w³aœnie grzyby mikoryzowe jako pierwsze wytworzy³y odpornoœæ na arsen i spowodowa³y podwy¿-szenie odpornoœci na ten pierwiastek u zasie-dlonej roœliny (GONZALES-CAVEZ i wspó³aut. 2002). Obecnoœæ mikoryzy arbuskularnej u Vi-tis vinifera L. ogranicza³a transport manganu, cynku, ¿elaza , miedzi, o³owiu i kadmu do liœci tej roœliny taktowanej metalami. Zawartoœæ o³owiu i kadmu w owocach wspomnianej roœli-ny by³a mniejsza u roœlin z mikoryz¹, w porów-naniu z roœlinami bez mikoryzy (KARAGIANIDIS i NIKOLAU 2000).

Podejrzewa siê wp³yw grzybów na uwalnia-nie substancji chelatuj¹cych metal do gleby przez korzeñ oraz na gospodarkê mineraln¹ i hormonaln¹ roœliny poddanych dzia³aniu me-tali ciê¿kich (JENTSCHKEi GOLDBOLD2000, LIU i wspó³aut. 2000).

Okazuje siê te¿, i¿ roœliny w niektórych zwi¹zkach mikoryzowych s¹ mniej wra¿liwe na toksyczne dzia³anie kadmu, w porównaniu z roœlinami nie bêd¹cymi w takich zwi¹zkach. Mechanizm tego zjawiska nie zosta³ jeszcze jaœniony. Ochronna rola mikoryzy mo¿e tu wy-nikaæ z ograniczania przez grzyby dostêpu kad-mu do miejsc wra¿liwych w tkankach korzenia lub te¿ mo¿e byæ zwi¹zana z wydzielaniem zwi¹zków chelatuj¹cych metal. Mo¿liwe jest ta-k¿e wspomaganie systemu obronnego roœliny

poprzez syntezê i dostarczanie glutationu (SCHÜZENDÜBEL i POLLE 2002).

OBRONA PRZED STRESEM OKSYDACYJNYM – ROLA GLUTATIONU I SYNTEZA ENZYMÓW

ODPORNYCH NA OBECNOŒÆ METALU CIʯKIEGO W KOMÓRCE

Metale ciê¿kie, podobnie jak inne czynniki stresotwórcze, powoduj¹ wzrost produkcji wolnych rodników tlenowych w komórkach roœlin. Proces ten prowadzi do powa¿nych uszkodzeñ komórek poprzez niespecyficzne utlenienie bia³ek i lipidów a tak¿e zmiany w materiale genetycznym (SCHÜTZENDÜBEL i POLLE 2002, GEEBELEN i wspó³aut. 2002). Obecnoœæ metali ciê¿kich w œrodowisku indu-kuje aktywnoœæ enzymów uczestnicz¹cych w reakcjach red-ox (peroxydaz) (GEEBELEN i wspó³aut. 2002,

C

Wydaje siê jednak,¿e zdolnoœæ roœlin do ak-tywacji systemu antyoksydacyjnego w warun-kach ska¿enia metalami ciê¿kimi jest ograni-czona. W wielu badaniach pokazano, ¿e trakto-wanie roœlin podwy¿szonymi dawkami metali, takich jak miedŸ lub ¿elazo (aktywnych w reak-cjach red-ox), powodowa³a spadek, nie zaœ wzrost aktywnoœci enzymów antyoksydacyj-nych . Cech¹ charakterystyczn¹ odpowiedzi na dzia³anie metali ciê¿kich w komórkach roœlin by³ ubytek w puli glutationu. Ten tiolowy zwi¹zek jest wa¿nym elementem systemu anty-oksydacyjnego komórek a jednoczeœnie pre-kursorem w syntezie fitochelatyn. Mo¿liwe jest, ¿e krótkotrwa³y brak glutationu na skutek zu¿ycia do syntezy fitochelatyn os³abia system przeciwutleniaj¹cy komórki, sprzyja akumula-cji reaktywnego tlenu i zak³óca procesy rozwo-ju. Zwiêkszona zdolnoœæ do syntezy glutationu wydaje siê byæ kluczowa w przypadku toleran-cji na dzia³anie kadmu. Wydaje siê równie¿, ¿e dodatkowym Ÿród³em glutationu dla komórek roœlinnych s¹ grzyby mikoryzowe (S CHÜTZEN-DÜBEL i POLLE 2002)

W warunkach ska¿enia metalami ciê¿kimi bardzo istotn¹ dla uzyskania tolerancji by³aby zdolnoœæ roœliny do syntezy enzymów antyok-sydacyjnych niewra¿liwych na toksyczne daw-ki metalu.

U populacji Silene paradoxa, odzna-czaj¹cej siê wysokim poziomem tolerancji w stosunku do niklu, stwierdzono zjawisko ogra-niczenia inhibicyjnego dzia³ania tego metalu na wymiataj¹ce enzymy peroxysomalne. Ha-mowanie aktywnoœci tych enzymów

induko-wane przez obecnoœæ metalu powodowa³o stres oxydacyjny u roœlin wra¿liwych na nikiel (GONELLI i wspó³aut. 2001).

INNE, NIESPECYFICZNE CZYNNIKI ZAANGA¯OWANE W ODPOWIED
ROŒLIN NA

STRES

Zmiany wywo³ane w metabolizmie roœliny przez dzia³anie metali ciê¿kich powoduj¹ akty-wacjê mechanizmów ochronnych, których ce-lem jest przywrócenie homeostazy w roœlinie w warunkach oddzia³ywania czynnika streso-twórczego. Czêœæ z tych mechanizmów jest

niespecyficzna dla metali ciê¿kich i ulega akty-wacji tak¿e pod wp³ywem innych bodŸców stresowych, np. wysokiej i niskiej temperatury, zasolenia, niedoboru tlenu. Oprócz wy¿ej wspomnianych mechanizmów zwi¹zanych z obron¹ przed stresem oksydacyjnym metale ciê¿kie powoduj¹ równie¿: nadprodukcjê osmolitów, np. proliny oraz poliamin, zmiany we w³aœciwoœciach fizyko-chemicznych œcian komórkowych (odk³adanie kalozy i suberyny), zmiany w równowadze hormonalnej (w synte-zie etylenu i ABA), syntezê bia³ek stresu np. HSPS (bia³ka szoku cieplnego) (SEREGIN i IVANOV 2001)

GENETYCZNE I FIZJOLOGICZNE POD£O¯E TOLERANCJI NA METALE CIʯKIE

Przedstawione powy¿ej mechanizmy decy-duj¹ o poziomie konstytucjonalnej i indukowa-nej tolerancji na metale. Tolerancja konstytu-cjonalna wystêpuje u roœlin, które w œrodowi-sku naturalnym nie zetknê³y siê z takim stê¿e-niem metali, które mog³oby wywieraæ presjê selekcyjn¹. Tolerancja indukowana pojawia siê u roœlin, w czasie stosunkowo krótkim jak na zjawisko ewolucyjne, na skutek kontaktu z wy-sokimi stê¿eniami metali w glebie (np. w s¹siedztwie kopalñ). Wysoki poziom metali ogranicza wzrost roœlin nietolerancyjnych i prowadzi do rozwoju populacji tolerancyjnej z tolerancyjnych mutantów, które stanowi¹ 1% populacji wyjœciowej. Uwa¿a siê, ¿e tolerancja indukowana ma pod³o¿e genetyczne. W przy-padku tolerancji konstytucjonalnej du¿e zna-czenie mo¿e odgrywaæ tzw. fizjotyp roœliny lub grupy roœlin, na który sk³ada siê zdolnoœæ do wiêkszego lub mniejszego pobierania jonów ze œrodowiska, zdolnoœæ do gromadzenia jo-nów oraz inne cechy które mog¹ determino-waæ zdolnoœæ roœlin do adaptacji do warunków podniesionego poziomu metalu w œrodowisku (ANTOSIEWICZ 1993, 1995).

TOLERANCJA NA O£ÓW

W badaniach pochodz¹cych z lat 70. XX w. wykazano dziedziczne pod³o¿e tolerancji na ten metal (URQUHART1971, WUi ANTONOVICS 1976). Tymczasem w póŸniejszych badaniach nad populacj¹ Silene vulgaris, charaktery-zuj¹c¹ siê wysokim poziomem indukowanej to-lerancji na o³ów (roœliny pochodzi³y z ha³dy galmanowej), stwierdzono stopniowy spadek poziomu tolerancji u roœlin hodowanych w

okresie 4 lat w nieska¿onej metalami ziemi ogrodniczej. Zjawisko to by³o t³umaczone fak-tem, i¿ tolerancja na o³ów jest prawdopodob-nie reprezentowana przez gen dominuj¹cy, którego ekspresja mo¿e byæ kontrolowana przez ma³¹ liczbê innych genów. Podczas ho-dowli w ziemi ogrodniczej (bez wysokiego stê-¿enia o³owiu jako czynnika selekcyjnego) do-chodzi³o do krzy¿owego zapylenia roœlin. W obrêbie ca³ej populacji mog³y byæ osobniki o ni¿szej tolerancji, nie eliminowane na skutek braku presji selekcyjnej, a ich udzia³ w puli ge-netycznej populacji doprowadzi³ do stopnio-wego obni¿enia poziomu tolerancji (A NTOSIE-WICZ 1995).

TOLERANCJA NA KADM

Genetyczne uwarunkowanie tolerancji na kadm stwierdzono np. u Chlamydomonas re-inhardtii (COLLARD i MATAGNE 1990). Nato-miast u klonów traw: Agrostis capillaris, De-shampsia caespitosa, Festuca ovina i Holcus lanatus, opisano podobne do wspomnianego powy¿ej, zjawisko utraty tolerancji w stosunku do tego metalu. Otrzymane z nasion klony tych traw hodowano przez trzy lata w glebie macie-rzystej — pochodz¹cej z siedlisk ska¿onych, b¹dŸ nieska¿onej kadmem. Porównanie tych roœlin z genetycznie identycznym materia³em hodowanym w glebie nieska¿onej metalem po-kaza³o generalny spadek tolerancji na kadm. Zanotowano ogólnie 13% spadek indeksu tole-rancji. Stwierdzono te¿ mo¿liwoœci czêœciowe-go indukowania tolerancji na kadm de novo u roœlin Holcus latanus pochodz¹cych z nieska-¿onych siedlisk (BAKER i wspó³aut. 1986).

Genetyczne uwarunkowanie tolerancji na metale ciê¿kie stwierdzono i opisano:

— w stosunku do cynku, np. u pochodz¹cej z ha³dy galmanowej populacji Silene vulgaris (WIERZBICKA i ZYSKA1999);

— w stosunku do miedzi, np. Silene vulgaris; — w stosunku do glinu, np. u Hordeum vul-gare, Nicotiana plumbagnifolia, Zea mays, Triticum aestivum;

— w stosunku do arsenu, np. u Holcus lana-tus (WO
NY1995 i cytowana tu literatura).

Genetyczna kontrola tolerancji na metale nie zosta³a jednak¿e jeszcze dok³adnie wyja-œniona. Znane s¹ trzy modele proponuj¹ce wyt³umaczenie mechanizmu kontroli gene-tycznej tolerancji na dany metal:

(1) model jednego, g³ównego genu z mo¿liwym udzia³em innych genów, o mniej-szej sile, modyfikuj¹cych ekspresjê genu g³ów-nego;

(2) model wielogenowy — gdzie wyró¿-nia siê niewielk¹ liczbê genów, z których ka¿dy ma relatywnie du¿y wp³yw na zmiennoœæ œro-dowiskow¹;

(3) model poligeniczny — gdzie toleran-cja na metale jest zwi¹zana z mniejsz¹ lub wiê-ksz¹ liczb¹ genów, lecz wp³ywa ka¿dego z nich jest stosunkowo niewielki w odniesieniu do okreœlonego elementu zmiennoœci œrodowi-skowej (WO
NY1995).

W ostatnich badaniach czêsto opisywane jest zjawisko wspó³wystêpowania tolerancji na ró¿ne metale. Na przyk³ad w badaniach se-gregacji tolerancji na miedŸ, cynk, nikiel, ko-balt i kadm, w krzy¿ówkach pomiêdzy wyra-Ÿnie ró¿ni¹cymi siê poziomem tolerancji eko-typami Silene vulgaris, wykazano nieplejotro-pow¹ genetyczn¹ kontrolê tolerancji na miedŸ cynk i kadm. Natomiast tolerancja na nikiel i kobalt wydawa³a siê plejotropowym produk-tem ubocznym allelu tolerancji jednego szcze-gólnego locus odpowiedzialnego za tolerancjê na cynk (SCHATi VOOIJS1997). U Silene para-doxa stwierdzono zaœ wystêpowanie kotole-rancji na miedŸ i nikiel (GONELLI i wspó³aut. 2001).

PODSUMOWANIE

W obronê roœliny przed toksycznym dzia³aniem metalu ciê¿kiego i uzyskanie tole-rancji na dany metal zaanga¿owanych jest zwy-kle wiele czynników. Roœliny tolerancyjne w stosunku do danego metalu mog¹ wykazywaæ ró¿nice w sposobie akumulacji i translokacji tego metalu, nawet jeœli odznaczaj¹ siê po-dobn¹ tolerancj¹ i traktowane s¹ podobnymi stê¿eniami toksycznego pierwiastka. Mo¿liwe jest istnienie ró¿nych mechanizmów tolerancji w stosunku do jednego metalu (WO
NY1995).

Generalnie, niezale¿nie od pod³o¿a danego zjawiska, dominuj¹cy mechanizm tolerancji bêdzie zale¿a³ od: gatunku, fazy wzrostu roœli-ny, tkanki lub organu, rodzaju metalu, czasu dzia³ania oraz zastosowanej dawki (SIEDLECKA i wspó³aut. 2001).

Z dotychczasowych badañ wynika te¿, ¿e np. w tolerancjê na cynk zaanga¿owane s¹ g³ów-nie procesy zwi¹zane z jego detoksykacj¹ przez kwasy organiczne i magazynowanie w wakuoli, na o³ów — to g³ównie unieruchamianie go w œcianach komórkowych, natomiast na kadm — to detoksykacja przy udziale fitochelatyn lub te¿ akumulacja w œcianach komórkowych.

Niewiele jest danych opisuj¹cych pe³n¹ od-powiedŸ roœliny na dzia³anie okreœlonego

meta-lu ciê¿kiego — czyli jednoczesne uwzglêdnienie wszystkich potencjalnych mechanizmów mog¹cych decydowaæ o poziomie tolerancji da-nej roœliny w stosunku do okreœlonego metalu, sk³adaj¹cych siê na wystêpowanie tzw. syndro-mu tolerancji (BAKERi WALKER1990). Du¿y po-stêp w tej dziedzinie przynios¹ z pewnoœci¹ ba-dania nad genetycznym pod³o¿em tolerancji u hyperakumulatorów (CLEMENS i wspó³aut. 2002). Celem tych badañ jest, miêdzy innymi, uzyskanie transgenicznych roœlin do procesów zwi¹zanych z fitoremediacj¹. Fitoremediacja to zabiegi polegaj¹ce na u¿yciu roœlin do degrado-wania, ekstrakcji lub stabilizacji zanieczyszczeñ — tak¿e i metali ciê¿kich (WÓJCIK2000). Wyko-rzystanie roœlin w tego typu zabiegach jest trud-ne ze wzglêdu na brak naturalnych gatunków posiadaj¹cych wszystkie cechy niezbêdne do efektywnej fitoremediacji. Du¿e nadzieje wi¹¿e siê z wykorzystaniem roœlin bêd¹cych w sym-biozie mikoryzowej (KHAN 2001, KHAN i wspó³aut. 2000). Cechy jakimi powinny odzna-czaæ siê roœliny przeznaczone do fitoremediacji to: szybki wzrost, du¿a biomasa, g³êboki system korzeniowy, powinny byæ ³atwe w zbiorze oraz tolerowaæ i akumulowaæ du¿e iloœci metali w swoich czêœciach nadziemnych (CLEMENS i

wspó³aut. 2002). Wyodrêbnienie poszczegól-nych genów decyduj¹cych np. o zdolnoœci roœli-ny do wysokiej akumulacji metalu, a nastêpnie przeniesienie ich do innego gatunku, pozwoli na uzyskanie idealnego dla potrzeb fitoremedia-cji obiektu.

Istniej¹ca w roœlinach sieæ mechanizmów chroni¹cych przed toksycznym dzia³aniem me-tali ciê¿kich w przysz³oœci umo¿liwi wykorzy-stanie roœlin w celu przywrócenie równowagi biocenotycznej w ekosystemach zniszczonych przez przemys³ow¹ dzia³alnoœæ cz³owieka.

MECHANISMS OF PLANT TOLERANCE TO HEAVY METALS

S u m m a r y Plants have evolved complex of protective

mecha-nisms that allow them to grow and develop in heavy metal-contaminated environments. They show differ-ent degrees of tolerance to heavy metals, depending on the species, population or even developmental stage of the plant. This is a review of literature data on the anatomical, physiological and biochemical mecha-nisms responsible for the formation of “the heavy metal tolerance syndrome ” in plants. Numerous fac-tors have been involved in development of heavy metal tolerance. The main ones encompass processes occurring on the root surface of the plants that lead to restriction of heavy metal absorption, mycorrhizae, transport of heavy metals through the apoplastic

path-way, transport from the epidermis to the vascular cyl-inder, transport from the root to the shoot, and trans-port across the plasma membrane to the cytoplasm. Plants are able to detoxify heavy metal ions inside the cell with phytochelatins, metallothioneins or organic acids. Other factors involved in, and contributing to heavy metal tolerance include excretion of heavy met-als from the cytoplasm to the apoplast and from plant organs, specific mineral-handling pathways and water regimes of plants, as well as the ability to synthesize heavy metal-resistant enzymes. Knowledge of the fun-damentals of heavy metal tolerance will aid in the ef-fective use of plants in phytoremediation.

LITERATURA

ANDERSONC. W. N., BROOKSR. R., CHIARUCCIA., LACOSTE

C. J., LEBLANC M., ROBINSON B. H., SIMCOCK R., STEWARTR. B., 1999 Phytomining for nickel,

thal-lium and gold. J. Geochem. Explor. 67, 407–415.

ANTOSIEWICZD. M., 1992 Adaptation of plants to

envi-ronment polluted with heavy metals. Acta Soc.

Bot. Pol. 61, 281–289.

ANTOSIEWICZD. M.,1993. Mineral status of dicotyledo-nous plants crop plants in relation to their consti-tutional tolerance to lead. Environ. Exp. Bot. 33,

575–589.

ANTOSIEWICZ D. M., 1995. The relationship between

constitutional and inducible Pb-tolerance and to-lerance to mineral deficits in Biscutella laevigata and Silene inflata. Environ. Exp. Bot. 35, 55–69.

ANTOSIEWICZD. M., WIERZBICKAM., 1999. Localisation

of lead in Allium cepa L. cells by electron microsco-py. J. Microscop. 194, 195, 139–146.

ARAZI T.,KAPLAN B., SUNKAR R., FROMM H., 2000.

Cyc-lic-nucleotide- and Ca+2/calmodulin-regulated channels in plants: targets for manipulating he-avy-metal tolerance, and possible physiological roles. Biochem. Soc. Trans. 28, 471–475.

BAKERA. J. M., WALKERP. L.,1990. Ecophysiology of

me-tal uptake by tolerant plants. [W:] Heavy meme-tal to-lerance in plants: evolutionary aspects. SHAW J. (red.). CRC Press, Inc. Boca Raton, Florida, 155–177.

BAKERA. J. M., GRANTC. J., MARTINM. H., SHAWS. C.,

WHITEBROOKJ., 1986. Induction and loss of

cad-mium tolerance in Holcus lanatus L. and other grasses. New Phytol. 102, 575–587.

BARCELOJ., POSCHENRIEDERCh.,1999. Structural and

ul-trastructural changes in heavy metal exposed plants. [W:] Heavy metal stress in plants(from mo-lecules to ecosystems). PRASADM. N. V.,HAGEMEYER

J. (red.). Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, 183–205.

BOROVIKA. S., 1990. Characterisation of metal ions in biological systems. [W:] Heavy metal tolerance in plants: evolutionary aspects. SHAWA. J. (red.). CRP Press Inc, Boca Raton, Florida, 3–5.

CHEUNGW.Y., 1984. Calmodulin: its potential role in cell proliferation and heavy metal toxicity. Fed.

Proceed. 43, 2995–2999.

CLEMENSS., 2001. Molecular mechanism of plant metal

homeostasis and tolerance. Planta 212, 475–486.

CLEMENSS., PALMGREN M. G., KRÄMERU., 2002. A long

way ahead: understanding and engineering plant metal accumulation. Trends Plant Sci. 7,

309–315

COBBETC. S., 2000. Phytochelatins and their roles in

heavy metal detoxification. Plant Physiol.123,

825–833.

COLLARDJ. M., MATAGNER. F.,1990. Isolation and

gene-tic analysis of Chlamydomonas reinhardtii strain resistant to cadmium. Appli. Environ. Microbiol.

56, 2051–2055.

CUYPERSA., VANGRONSVELDJ., CLIJSTERSH., 2002.

Peroxi-dases in roots and primary leaves of Phaseolus vulgaris. Copper and zinc phytotoxicity: a compa-rison. J. Plant Physiol. 159, 869–876.

DAHMANi-MULLERH., VANOORT F., GÉLIE, BALABANEM., 2000. Strategies of heavy metal uptake by three

plant species growing near a metal smelter.

Envi-ronment. Pollut. 109, 231–238.

DIAZG., AZCONAGUILARC., HONRUBIAM., 1996.

Influen-ce of arbuscular mycorrhizae on heavy metal (Zn and Pb) uptake and growth of Lygeum spartum and Anthyllis cytisoides. Plant Soil 180, 241–249.

ERNSTW. H. O., SCHATH., VERKLEIJJ. A., 1990. Evolutio-nary biology of metal resistance in Silene vulga-ris. Evol. Trends Plants 4, 45–51.

FOULKESE. C., 2000. Transport of toxic metals across cell membranes. Proc. Soc. Exp. Biol. Med. 223,

234–240.

GARALDC. J., WILKINSD. A., 1981. Effect of calcium on

the uptake and toxicity of lead in Hordeum vulga-re L. and Festuca ovina L. New Phytol. 87,

581–593.

GEEBELEN W., VANGROSFELD J., ADRIANO D. C., VAN

POUCKEL. C., CLIJSTERSH., 2002. Effects of Pb-EDTA and EDTA on oxidative stress reactions and mine-ral uptake in Phaseolus vulgaris. Physiol. Plant.

115, 377–384.

GONELLIC., GALARDIF., GABBRIELLIR., 2001. Nickel and

copper tolerance and toxicity in three Tuscan po-pulation of Silene paradoxa. Physiol. Plant. 113,

507–514.

GONZALES-CHAVESC., HARRISP. J., DODDJ., MEHARGA. A., 2002. Arbuscular mycorrhizal fungi confer

men-hanced arsenate resistance on Holcus lanatus.

New Phytol. 155,163–171.

HABERMANNE., CROWELLK., JANICKIP., 1983. Lead and

other metals can substitute for Ca+2in calmodu-lin. Toxicology 54, 61–70.

HAGEMEYERJ., 1999. Ecophysiology of plant growth un-der heavy metal stress [W:] Heavy metal stress in plants (from molecules to ecosystems). PRASADM. N. V., HAGEMEYERJ. (red.). Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 157–181.

HERMENSH., HARTOGP. R., BOOKUMW. M., VERKLEIJJ. A. C., 1993. Increased zinc tolerance in Silene

vulga-ris (Moench) Garcke is not due to increased pro-duction of phytochelatins. Plant Physiol. 103,

1305–1309.

HEUMANNH. G, 2002. Ultrastructural localization of

zinc in zin-tolerant Armeria maritima ssp. halleri by autometallography. J Plant Physiol. 159,

191–203.

JENTSCHKEG., GOLDBOLDD. L., 2000. Metal toxicity and

ectomycorrhizas. Physiol. Plant. 109, 107–116.

KARAGIANNIDISN., NIKOLAUN., 2000. Influence of

arbu-scular mycorrhizae on heavy metal (Pb and Cd) uptake, growth, and chemical composition of Vi-tis vinifera L. (cv. Razaki). Am. J. Enol. Viticul. 51,

269–275.

KHANA. G., 2001. The relationship between chromium

biomagnification ratio, accumulation factor, and mycorrhizae in plants growing on tannery ef-fluent-polluted soil. Environ. Int. 26, 417–423.

KHANA. G., KUEKC., CHAUDHRYT. M., KHOOC. S., HAYES

W. J., 2000. Role of plants mycorrhizae and

phyto-chelators in heavy metal contaminated land re-mediation. Chemosphere 41, 197–207.

KINRAIDE T. B, 1998. Three mechanisms for the

cal-cium alleviation of mineral toxicities. Plant

Phy-siol. 118, 513–520.

KNECHTJ. A., BARENN., TENBOOKUMW. M., WONGFONG

SANGH. W., Koevoest P. L. M., SCHATH., VERKLIJJ. A. C., 1995. Synthesis and degradation of

phytoche-latins in cadmium –tolerant Silene vulgaris. Plant

Sci. 106, 9–18.

KÖHLK. I., LÖSCH, 1999. Experimental characterisation

of heavy metal tolerance in plants. [W: ] Heavy metal stress in plants (from molecules to ecosys-tems).PRASADM. N. V. PRASAD, HAGEMEYERJ. (red.). Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 371–389. KRUPAZ., SIEDLECKAA., SKÓRZYÑSKA-POLITE., MAKSYMIEC

W., 2002. Heavy metal interactions with plant

nu-trients. [W:] Physiology and biochemistry of me-tal toxicity and tolerance in plants. PRASADM. N. V., STRZA£KA K. (red.). Kluwer Academic Pu-blishers, Dordrecht, Boston, London, 287–301. LEYVALC., TURNAUK., HASELWANDTERK., 1997. Effect of

heavy metal pollution on mycorrhizal colonisa-tion and funccolonisa-tion: physiological, ecological and applied aspects. Mycorrhiza 7, 139–153.

LIUA., HAMELC., HAMILTONR. I., MAB. L., SMITHD. L., 2000. Acquisition of Cu, Zn, Mn and Fe by

my-corrhizal maize (Zea mays L. ) grown in soil at different P and micronutrients levels. Mycorrhiza

9, 331–336.

MAJ. F., RYANP. R., DELHAIZEE., 2001. Aluminium

tole-rance in plants and the complexing role of orga-nic acids. Trends Plant. Sci. 6, 273–278.

MICHALAKE., WIERZBICKAM., 1998a. Differences in lead

tolerance between Allium cepa plants developing from seeds and bulbs. Plant and Soil 199, 251–260.

MICHALAKE., WIERZBICKAM., 1998b. Gromadzenie

me-tali ciê¿kich w organie spichrzowym (cebuli) u Al-lium cepa. [ W:] Ekofizjologiczne aspekty reakcji roœlin na dzia³anie abiotycznych czynników stre-sowych. GRZESIAKS., SKOCZKOWSKIA., MISZALSKIZ. (red.). PAN, Kraków, 261–266.

MOREL J. L., MENCH M., GUECKERT A., 1986.

Measure-ment of Pb, Cu, and Cd binding with mucilage exudates from maize (Zea mays L.) roots. Biol.

Fertil. Soils 2, 29–34.

NUEMANND., ZURNIEDENU., LICHTENBERGERO., LEOPOLD

I., 1995. How does Armeria maritima tolerate

high heavy metal concentrations? J. Plant Physiol.

146, 704–717.

PIECHALAK A., TOMASZEWSKA B., BARALKIEWICZ D., MARLECKAA., 2002. Accumulation and

detoxifica-tion of lead in legumes. Phytochemistry 60,

153–162.

POSCHENRIEDERCH., BARCELOJ., 1999. Water relations

in heavy metal stressed plants [W:] Heavy metal stress in plants (from molecules to ecosystems).

PRASADM. N. V., HAGEMEYERJ. (red.). Springer-Ver-lag, Berlin, Heidelberg, 207–229.

PRASADM. N. V.,HAGEMEYERJ. (red.). 1999. Preface. [W:]

Heavy metal stress in plants (from molecules to ecosystems). Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 1.

RENGELZ., 1992. Role of calcium in aluminium

toxici-ty. New Phytol. 121, 499 –513.

RIVETTAA., NEGRININ., COCUCCIM., 1997. Involvement

of Ca+2 calmodulin in Cd+2 toxicity during the early phases of radish (Raphanus sativus L.) seed germination. Plant Cell Environ. 20, 600–608.

SCHATH., VOOIJSR., 1997. Multiple tolerance and

co-to-lerance to heavy metals in Silene vulgaris: a cose-gregation analysis. New Phytol. 136, 489–496.

SCHÜTZENDÜBELA., POLLEA., 2002. Plant responses to

abiotic stresses: heavy metal–induced oxidative stress and protection by mycorrhization. J. Exp.

Bot. 53, 1351–1365.

SEREGIN I. V., PEKNOW V. M., IVANOV V. B., 2002.

Pla-smolysis as a tool to reveal lead localization in the apoplast of root cells. Russ. J. Plant Physiol. 49,

283–285.

SEREGINI. V, IVANOVV. B., 2001. Physiological aspects of

cadmium and lead toxic effects on higher plants.

Russ. J Plant Physiol. 48, 523–544.

SIEDLECKAA., 1995. Some aspects of interactions

betwe-en heavy metals and plant mineral nutribetwe-ents.

Acta Soc. Bot. Pol. 64, 365–272.

SIEDLECKA A., TUKENDORF A., SKÓRZYÑSKA-POLIT E., MAKSYMIECW., WÓJCIKM., BASZYÑSKIT., KRUPAZ.,

2001. Angiosperms . [W:] Metals in the

environ-ment. Analysis by biodiversity. PRASAD M. N. V. (red.). Marcel Dekker, Inc. New York, Hyderabad, India, 171–217.

SHIRAISHIN., WAALKESM. P., 1994. Enhancement of

me-tallothionein gene expression in male Wistar (WF/NCr) rats by treatment with calmodulin in-hibitors: potential role of calcium regulatory pa-thways in metallothionein induction. Toxicol.

Appl. Pharmacol. 125, 97–103.

TURNAUK., JURKIEWICZA., GRZYBOWSKAB., 2002. Rola

mikoryzy w bioremediacji terenów zanieczysz-czonych. Kosmos 51, 185–194.

URQUHARTC., 1971. Genetics of lead tolerance in

Festu-ca ovina. Heredity 26, 19–33.

UTRIAINENM.A., KÄRENLAMPIS. O., SCHATH., 1997.

Diffe-rential tolerance to copper and zinc of micropro-pagated birches tested in hydroponics. New

Phy-tol. 137, 543–549.

VAN HOOF N. A. L. M., HASSINEN V., HAKVOORT H., BALLINTIJN K., SCHAT H., VERKLEIJ J., ERNST W., KARENLAMPI S., TERVAHAUTA A., 2001. Enhanced

copper tolerance in Silene vulgaris (Moench) Garcke populations from copper mines is associa-ted with increased transcript levels of a 2b-type metallothionein gene. Plant Physiol. 126, 1519–1526.

VANSTEVENNIKR. M. F., VANSTEVENNICKM. E., FERNANDO

D. R., 1990. Zinc tolerance and the binding of zinc

as zinc phytate in Lemna minor, X-ray microana-lytical evidence. J Plant Physiol. 137, 140–146.

VÖGELLI-LANGER., WAGNERG. J., 1990. Subcellular

loca-lization of cadmium and cadmium-binding pepti-des in tobacco leaves. Plant Physiol. 92, 1086–1093.

WENZELW., JOCKWERF., 1999. Accumulation of heavy

metals in plants grown on mineralised soils of the Austrian Alps. Environ. Pollut. 104,145–155.

WIERZBICKA M., 1987. Lead accumulation and its

translocation barriers in roots of Allium cepa L.-autoradiographic and ultrastructural studies.

Plant. Cell Environ. 10, 17–26.

WIERZBICKAM., 1998. Lead in apoplast of Allium cepa L. root tips — ultrastructural studies. Plant Sci. 133,

105–119.

WIERZBICKAM., 1999. Comparison of lead tolerance in Allium cepa with other plant species. Environ.

Pol-lut. 104, 41–52.

WIERZBICKAM., 2001. Ska¿enie talem w po³udniowej

Polsce.[W:]Obieg pierwiastków w przyrodzie. Mo-nografia. Tom I. GWOREKB. MOCKAA. (red.). Insty-tut Ochrony Œrodowiska, Warszawa, 123–129. WIERZBICKAM., 2002. Przystosowania roœlin do

wzro-stu na ha³dach cynkowo-o³owianych okolic Olku-sza. Kosmos 51, 139–150.

WIERZBICKAM., BARANOWSKAA., 1996. Under low

rela-tive air humidity Allium cepa L. plants are stron-ger contaminated with lead. Biol. Bull. Poznañ 33,

66–67.

WIERZBICKAM., OBIDZIÑSKAJ., 1998. The effect of lead

on seed imbibition and germination in different plant species. Plant Sci. 137, 155–174.

WIERZBICKAM., PANUFNIKD., 1998. The adaptation of

Silene vulgaris to growth on a calamine waste heap (S. Poland). Environ. Pollut. 101, 415–426.

WIERZBICKAM., POTOCKAA., 2002.Tolerance to lead of

plants growing on dry or moist soils. Acta Biol.

Crac. Ser. Bot., 44, 21–28.

WIERZBICKAM., ZYSKAA., 1999. Zinc tolerance of Silene

vulgaris populations from a calamine waste heap near Olkusz , Poland. [W:] Trace elements – effects on organisms and environment. Uniwersytet

Œl¹ski, Katowice, 215–219.

WILLIAMSL. E., PITTMANJ. K, HALLJ. K., 2000. Emerging

mechanisms for heavy metal transport in plants.

Biochem. Biophys. Acta 1465, 104–126.

WO
NYA. (red.), 1995. O³ów w komórkach roœlinnych

— pobieranie, reakcje, odpornoœæ. Wydawnictwo

Sorus, Poznañ.

WÓJCIKM., 2000. Fitoremediacja – sposób

oczyszcza-nia œrodowiska. Kosmos 49, 135–147.

WUL., ANTONOVICSJ., 1976. Experimental ecological

genetics in Plantago II. Lead tolerance in Planta-go lanceolata and Cynodon dactylon from roadsi-de. Ecology 57, 205–208.

ZA£ÊCKAR., WIERZBICKAM., 2002. The adaptation of

Dianthus carthusianorum L. (Caryophyllaceae) to growth on a zinc-lead heap in Southern Poland.