Ενζυμικό σύστημα που περιορίζει την συσσώρευση αρσενικού στα φυτά

Ανάλυση αλληλούχισης των γονιδίων HAC και ACR2, από φυτά και ζύμες. Α: δενδρόγραμμα όπου φαίνεται η σχέση μεταξύ γονιδίων που κωδικοποιούν για την αναγωγάση του αρσενικού, στα A. thaliana, ρύζι, ζύμη και E. coli, Β: συγκριτική αλληλούχιση των γονιδίων ACR2 και HAC (Πηγή: PLOS Biology)

Σε αρκετά μέρη του κόσμου η συγκέντρωση του αρσενικού είναι υψηλή. Η τοξικότητά του είναι ιδιαιτέρως ανησυχητική, ενώ φαίνεται πως απορροφάται ευκολότερα από το ρύζι σε σχέση με τους άλλους κόκκους. Καθώς σχετίζεται με την εμφάνιση καρκίνου και καρδιακών επεισοδίων, η συσσώρευσή του αποτελεί μεγάλο πρόβλημα αφού το ρύζι είναι βασικό προϊόν διατροφής για δισεκατομμύρια ανθρώπων. Κράτη όπως το Μπαγκλαντές, η Ινδία και η Κίνα δεν χαρακτηρίζονται μόνο από την αυξημένη κατανάλωση ρυζιού αλλά και από υδροφόρους ορίζοντες που είναι πλούσιοι σε αρσενικό.

Τα φυτά μπορούν να αποτοξινωθούν από το αρσενικό, αλλά δεν είναι βέβαιο πως γίνεται. Οι Dai-Yin Chao, Fang-Jie Zhao και David E. Salt μελέτησαν ένα ενζυμικό σύστημα που μειώνει τη συγκέντρωση του αρσενικού στο φυτό Arabidopsis thaliana.

Το αρσενικό ανιόν [αρσενική ρίζα – (AsO₄)^-3]) συμπεριφέρεται ανάλογα (μιμείται) με το φωσφορικό ανιόν (φωσφορική ρίζα). Το αρσενικό κινείται από τις ρίζες διαμέσου του ξυλώματος, πιθανώς με τη βοήθεια των μεταφορέων φωσφορικού. Το φυτό κατορθώνει να αποβάλλει το αρσενικό ανάγoντάς το σε αρσενικώδες [(AsΟ₃)^-3]: με αυτή τη μορφή το αρσενικό δεν μιμείται το φωσφορικό και εξωθείται άμεσα από τις ρίζες στο έδαφος.

Για να μπορέσουν οι ερευνητές να βρουν το ένζυμο που μετατρέπει το αρσενικό ανιόν σε αρσενικώδες στα φυτά, ανέλυσαν 349 τύπους του A. thaliana. Τα φυτά είχαν συλλεχθεί από πολλά μέρη του κόσμου και διαπιστώθηκε πως η συγκέντρωση του αρσενικού στα φύλλα ήταν ακόμα και 20 φορές υψηλότερη από την αναμενόμενη. Η διαφοροποίηση στη συγκέντρωση του αρσενικού των φύλλων, συσχετίστηκε με μία περιοχή του χρωμοσώματος 2. Η σύγκριση των στελεχών μεταξύ υψηλών και μέσων επιπέδων αρσενικού (Kr-0 και Col-0, αντιστοίχως) έδειξε πως τα Kr-0 είχαν μία κυτοσίνη ενώ τα  Col-0 μία θυμίνη σε ένα νουκλεοτίδιο της συγκεκριμένης περιοχής. Διασταυρώνοντας τα δύο στελέχη διαπιστώθηκε πως το αρσενικό είχε υψηλή συγκέντρωση στο 25% των απογόνων, οδηγώντας στην υπόθεση πως τα επίπεδα του αρσενικού στα φύλλα των φυτών ελέγχονται από ένα μοναδικό γονίδιο. Το γονίδιο αυτό, High Arsenic Content 1 – HAC1, εκφράζει για μία αμινοξική περιοχή που είναι χαρακτηριστική για τις αναγωγάσες του αρσενικού. Για να επιβεβαιωθεί η υπόθεση ακολούθησε η έκφραση του HAC1 σε ένα στέλεχος της Escherichia coli που δε διέθετε αναγωγάση του αρσενικού. Όπως αναμενόταν, το HAC1 έδωσε τη δυνατότητα στο μεταλλαγμένο στέλεχος της Escherichia coli, να διαθέτει μηχανισμό εξάλειψης του αρσενικού.

Επιπλέον η ερευνητική ομάδα διαπίστωσε πως το HAC1 εκφράζεται στις ρίζες του A. thaliana και καταγράφεται υπερ-έκφραση όταν το φυτό εκτίθεται σε αρσενικό. Τα στελέχη του A. thaliana που δεν φέρουν το  HAC1 δυσκολεύουν να αναπτύξουν το ριζικό τους σύστημα και εμποδίζεται η ομαλή ανάπτυξη του φυτού. Το τελευταίο είναι αρκετά σημαντικό καθώς δείχνει πως το HAC1 διατηρεί επιπλέον χαμηλή τη συγκέντρωση του αρσενικού στους βλαστούς, οι οποίοι συχνά είναι το βρώσιμο μέρος του φυτού. Ένα άλλο σημαντικό στοιχείο που εντοπίζεται είναι πως η αποβολή του αρσενικώδους μειώνεται σημαντικά στα στελέχη του A. thaliana που εκφράζουν το γονίδιο HAC1 όταν εκτίθενται σε περιβάλλον πλούσιο σε αρσενικό. Αυτή η παρατήρηση προτείνει πως το σύστημα ενζύμου αναγωγής του αρσενικού θα πρέπει να συνεργάζεται με τον μεταφορέα εκροής του αρσενικώδους.

Οι ερευνητές πήγαν κι ένα βήμα παραπέρα, σε σχέση με τα μέχρι πρότινος γνωστά δεδομένα. Είναι γνωστό πως η ζύμη ανάγει το αρσενικό με ένα ένζυμο που ονομάζεται ACR2 και προκαταρκτικές έρευνες υπέθεταν πως τα φυτά διαθέτουν ανάλογο ενζυμικό σύστημα. Διαπιστώθηκε πως το ανάλογο του ACR2 ανάγει το αρσενικό σε in vitro πειράματα, όχι όμως και στα ζωντανά φυτά. Αυτή η φαινομενική ανακολουθία επιλύθηκε καθώς οι δύο αναγωγάσες του αρσενικού (η ACR2 και η προσφάτως ανακαλυφθείσα HAC1) διαθέτουν ομόλογη πρωτοταγή δομή DNA: έτσι τα πειράματα που θεωρούσαν ότι κατέστειλαν το ACR2 στην πραγματικότητα κατέστειλαν το HAC1. Για να διαλυθεί οποιαδήποτε υποψία πως το ACR2 ίσως παίζει κάποιο ρόλο στην αποτοξίνωση του φυτού αλληλεπιδρώντας με το HAC1, οι ερευνητές σύγκριναν το αρσενικό μεταξύ δύο στελεχών του A. thaliana: το πρώτο δεν διαθέτει το HAC1 ενώ το δεύτερο δεν διαθέτει τόσο το HAC1 όσο και το ACR2. Όπως αναμενόταν ο μεταβολισμός του αρσενικού ήταν ίδιος και στα δύο μεταλλαγμένα στελέχη, επιβεβαιώνοντας πως το ACR2 δεν έχει καμία εμπλοκή στην αποτοξίνωση και την αποβολή του αρσενικού από τα φυτά.

Οι ερευνητές επισημαίνουν πως η δράση αυτή του γονιδίου αναγωγής του αρσενικού, ίσως να έχει κόστος για το φυτό, μειώνοντας τον ρυθμό αναπαραγωγής. Η εργασία τους τονίζουν προσφέρει σημαντικό πλεονέκτημα στην ανθρώπινη υγεία: η διαπίστωση πως το HAC1 διατηρεί χαμηλά τα επίπεδα του αρσενικού στους βλαστούς του φυτού, ίσως θα μπορούσε να είναι το πρώτο βήμα για την ανάπτυξη καλλιεργειών οι οποίες θα μπορούσαν να αναπτύσσονται περιοχές με υψηλή συγκέντρωση αρσενικού και εντούτοις τα φυτά είναι ασφαλή για βρώση.

Πηγή: Genome-wide Association Mapping Identifies a New Arsenate Reductase Enzyme Critical for Limiting Arsenic Accumulation in Plants, December 02, 2014, PLOS Biology

Διδακτική αξιοποίηση
– Συζήτηση για προσαρμογές οργανισμών και εξελικτικές γραμμές, ώστε να κατορθώνουν να επιβιώνουν σε αντίξοα περιβάλλοντα
– Δημιουργία υποθέσεων, επιλογή κατάλληλων πειραματικών σχεδιασμών για τον έλεγχό τους, υποβολή νέων ερευνητικών ερωτημάτων και μία συνεχής ανατροφοδοτική διεργασία κατά την πραγμάτωση της επιστημονικής μεθόδου (Φύση της Επιστήμης – Nature of Science – NOS)
– Διασταυρώσεις και έλεγχος μονογονιδιακών χαρακτήρων
– Συσχέτιση του τρίπτυχου, γονότυπος, φαινότυπος και περιβάλλον, καθώς διαπιστώνεται πως ο εκφρασμένος φαινότυπους μπορεί να προσφέρει πλεονεκτήματα εξελικτικά στους φορείς συγκεκριμένων γονδίων σε επιλεγμένα περιβάλλοντα (τοπική και χρονική εφαρμογή της φυσικής επιλογής)
– Επιτυγχάνετα το κυρίαρχο ζητούμενο, η επιβίωση και η αναπαραγωγή, ακόμα και αν μειώνεται ρυθμός αναπαραγωγής ως αντιστάθμισμα στην προσπάθεια του φυτού να επιβιώσει
– Συσχέτιση της έρευνας με την καθημερινότητα και την ανάγκη για βέλτιστες συνθήκες καλλιέργειας ή παραγωγής νέων ποικιλιών (συζήτηση για τα Βιοηθικά ζητήματα που προκύπτουν από τη δημιουργία νέω ποικιλιών φυτών και απελευθερωσής τους στο φυσικό περιβάλλον)
– Πέρα του αρχικού σχήματα, το άρθρο συνοδεύεται και από αρκετές άλλες ενδιαφέρουσες σχηματικές απεικονίσεις και διαγράμματα, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν καταλλήλως για να συσχετισθεί ο γονότυπος και ο φαινότυπος με ποσοτικό στοιχεία ως αποτέλεσμα της έκφρασής ή μη του γονιδίου HAC1
– Το υπάρχων σχήμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για συζήτηση θεμάτων δενδρογράμματος και συσχετίσεων μεταξύ διαφορετικών αλληλομόρφων, που προκύπτουν λόγω συγκριτικής ανάλυσης της αλληλούχισης
– Συζήτηση για ένζυμα και υποστρώματα, συσχέτιση ενζυμικής δράσης με γονίδια