Op het eerste gezicht is het moeilijk te zien wat goud, ijzer, lood, arseen, zilver, platina en tin met elkaar gemeen hebben. Een blik op het periodiek systeem zal de verwarring ophelderen:het zijn allemaal zware metalen, meestal gecategoriseerd als die metalen met een atoomgewicht en een dichtheid die minstens vijf keer groter is dan die van water.

Deze en andere zware metalen komen van nature voor in het milieu en in sommige gevallen in ons lichaam. Ze worden meestal als ongevaarlijk beschouwd, maar bij bepaalde blootstellingsniveaus kunnen ze giftig zijn voor mensen, planten en dieren. Overmatige blootstelling aan zware metalen kan de groei van planten belemmeren en de zaadproductie verlagen.

Sommige planten hebben eigenschappen ontwikkeld die hun tolerantie voor zware metalen verhogen. Veel onderzoekers, waaronder ikzelf, zijn van mening dat het begrijpen en benutten van deze evolutionaire eigenschappen ons in staat kan stellen landbouwgewassen te beschermen tegen de slechte effecten van de toxiciteit van zware metalen.

Mijn onderzoek richt zich op het verbeteren van de tolerantie van planten voor zware metalen, wat vooral belangrijk is in een land als Zuid-Afrika, waar mijnbouw de bodem vervuilt. Deze gronden zijn cruciaal voor de landbouw.

Zelfs planten in dezelfde familie gebruiken verschillende strategieën om met metalen om te gaan. Sommigen nemen de metalen op in hun wortels en brengen ze over op hun bladeren; anderen nemen de metalen op en houden ze (onbeweeglijk) in hun wortels. Dit is belangrijk voor voedselzekerheid en voedselveiligheid, omdat we planten willen die de opname van metaal in hun eetbare delen kunnen beperken. Zoals mijn collega's en ik in een recent overzichtsartikel hebben uiteengezet, is het echter geen gemakkelijke taak om deze strategieën te benutten.

Blootstelling en risico

Zware metalen stress of toxiciteit bij planten treedt op wanneer ze worden blootgesteld aan zware metalen in de bodem.

Die blootstelling is meestal het gevolg van afval en verontreinigende stoffen van menselijke activiteiten zoals landbouw, mijnbouw en industrie. In Zuid-Afrika is mijnbouw een grote boosdoener geweest van vervuiling door zware metalen.

Dit remt de groei van planten of hun vermogen om zonlicht door fotosynthese om te zetten in essentiële energie. Of het kan van invloed zijn op hoe ze voedingsstoffen opnemen, of hoe ze reageren op droogte of schadelijke ziekteverwekkers.

Dit heeft gevolgen voor de productie van voedselgewassen. Studies over de hele wereld hebben aangetoond dat de toxiciteit van zware metalen zowel de opbrengst als de kwaliteit van gewassen kan verminderen. Geneeskrachtige planten kunnen ook worden aangetast door zware metalen.

Hoe planten het doen

Planten hebben een aantal mechanismen ontwikkeld om de effecten van zware metalen af ​​te weren. 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. + Verder verkennen

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

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.