Vid första anblicken är det svårt att se vad guld, järn, bly, arsenik, silver, platina och tenn har gemensamt. En titt på det periodiska systemet kommer att reda ut förvirringen:de är alla tungmetaller, vanligtvis kategoriserade som de metaller med en atomvikt och densitet som är minst fem gånger större än vatten.

Dessa och andra tungmetaller förekommer naturligt i miljön och i vissa fall i våra kroppar. De anses oftast vara ofarliga men vid vissa exponeringsnivåer kan de vara giftiga för människor, växter och djur. Att bli överexponerad för tungmetaller kan hämma växternas tillväxt och minska fröproduktionen.

Vissa växter har utvecklat egenskaper som ökar deras tolerans mot tungmetaller. Många forskare, bland dem jag själv, tror att förståelse och utnyttjande av dessa evolutionära egenskaper kan göra det möjligt för oss att skydda jordbruksgrödor från de dåliga effekterna av tungmetalltoxicitet.

Min forskning fokuserar på att förbättra växternas tolerans mot tungmetaller, vilket är särskilt viktigt i ett land som Sydafrika, där gruvverksamhet förorenar jordar. Dessa jordar är avgörande för jordbruket.

Även växter i samma familj använder olika strategier för att klara av metaller. Vissa tar upp metallerna i sina rötter och överför dem till sina löv; andra tar upp metallerna och håller dem (orörliga) i sina rötter. Detta är viktigt för livsmedelssäkerhet och livsmedelssäkerhet eftersom vi vill ha växter som kan begränsa metallupptaget i sina ätbara delar. Men som jag och mina kollegor beskriver i en nyligen genomförd granskning, är det ingen lätt uppgift att utnyttja dessa strategier.

Exponering och risk

Tungmetallstress eller toxicitet hos växter uppstår när de utsätts för tungmetaller i jorden.

Den exponeringen är vanligtvis resultatet av avfall och föroreningar från mänskliga aktiviteter som jordbruk, gruvdrift och industri. I Sydafrika har gruvdrift varit en ledande boven till tungmetallföroreningar.

Detta hämmar växternas tillväxt eller deras förmåga att omvandla solljus till essentiell energi genom fotosyntes. Eller det kan påverka hur de tillgodogör sig näringsämnen, eller hur de svarar på torka eller skadliga patogener.

Detta har konsekvenser för produktionen av matgrödor. Studier runt om i världen har funnit att tungmetalltoxicitet kan minska skördarna såväl som deras kvalitet. Medicinalväxter kan också påverkas av tungmetaller.

Hur växter gör det

Växter har utvecklat några mekanismer för att avvärja effekter av tungmetaller. I study one of these:signaling mechanisms that plants use to control the uptake of heavy metals—their "immune" response to heavy metals.

In much the same way as the human immune system is alerted to, monitors and responds to a pathogen, plants have evolved signaling mechanisms that help them to regulate their tolerance to heavy metals.

These signaling mechanisms are impressive. For example, plants can trigger signaling events to release low-molecular-weight ligands (ions or molecules) that tightly bind to the heavy metals and prevent them from moving from the roots.

But they're far from perfect. As human viruses like HIV and SARS-CoV-2 (the coronavirus behind COVID-19) have shown, certain pathogens can short-circuit the immune system. Heavy metals can do the same to the plant's signaling mechanisms by mimicking essential nutrients; for instance, the metal vanadium resembles phosphate.

Heavy metals like copper have also been shown to damage the membrane integrity of the cell walls in the roots of plants. Similarly, heavy metals can disrupt the construction of these cell walls; weakened walls make the cell lose structural integrity, which exposes the cellular membranes and causes cell death.

Heavy metals can also impair the work of the plasma membrane, which regulates the transport of material in and out of the plant cells. This blocks the uptake of essential nutrients by negating the function of numerous transporter proteins at work in the plasma membranes.

Useful lessons

Despite their shortcomings, these signaling mechanisms are powerful. That's why I study them:if we can tap into the way in which plants adapt to the threats from heavy metals, there's a chance that soil contaminated with heavy metals can be rejuvenated through the use of the right plants, or that this tolerance can be passed on to other plants, including food crops.

Our ongoing work, and that of others, is promising, but it's still early days. Perhaps one day soon, plants' clever adaptations will signal a change in how we deal with heavy metal toxicity. + Utforska vidare

Exploring sources of heavy metals in atmospheric aerosols in the southeast Tibetan Plateau

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.