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PUBLIC RELEASE DATE: 4-Dezember-2003

Neue Hoffnung für Schwermetall-belastete Böden

Erster umfassender Genvergleich zweier Pflanzenarten offenbart molekulares Inventar für Schwermetalltoleranz und -hyperakkumulation

Als Folge von Bergbau, Httenindustrie oder militrischer Nutzung sind heute Bden in zahlreichen Regionen mit Schwermetallen verunreinigt. Sie beeintrchtigen das Grundwasser, reichern sich in Nahrungsmitteln an oder dringen als Flugstaub in unsere Lungen ein. Schwermetall-belastete Bden zu sanieren ist daher von groem wirtschaftlichen wie gesundheitlichem Interesse. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut fr Molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam und am Leibniz-Institut fr Pflanzenbiochemie in Halle sind jetzt dem Verstndnis der molekularen Mechanismen ein gutes Stck nhergekommen, die es bestimmten Pflanzenarten ermglichen, sich trotz Schwermetallbelastung zu entwickeln und dem Boden sogar Schwermetalle in groen Mengen zu entziehen.. Den Forschern ist es erstmals gelungen, das genetische Inventar zweier nah verwandter Pflanzenarten, des "Metallhyperakkumulators" Arabidopsis halleri und der genetischen Modellpflanze Arabidopsis thaliana, global miteinander zu vergleichen und hierbei jene Proteine zu identifizieren, die an ihrem Metallstoffwechsel beteiligt sind. Dank dieser neuen Erkenntnisse ber den Metallhaushalt knnen jetzt spezielle Technologien entwickelt werden, um belastete Bden durch den Anbau von Schwermetall-sammelnden Pflanzen zu sanieren (The Plant Journal, OnlineEarly, 4. Dezember 2003).

Pflanzenforscher beschftigen sich seit Ende der 1980er Jahre intensiv mit so genannten Metallhyperakkumulatoren, also Pflanzen, die Metall-Ionen in groen Mengen in ihren Blttern und Sprossen speichern knnen und eine bemerkenswerte Metalltoleranz aufweisen. Dieses Interesse entwickelte sich zeitgleich mit der Erkenntnis, dass Metall-Ionen in der Biologie generell eine wichtige Rolle spielen und eine Reihe von schweren Erkrankungen des Menschen, wie "Menkes Disease", "Wilsons Disease" oder die Hmochromatose, mglicherweise aber auch Alzheimer und Prionenkrankheiten, auf einen gestrten Metallhaushalt zurckzufhren sind. Denn alle Organismen sind mit demselben Dilemma konfrontiert: Metalle wie Kupfer, Zink, Eisen, Mangan oder Nickel sind in geringen Mengen lebensnotwendig. Wird ein solches Metall jedoch im berschuss akkumuliert oder falsch verteilt, kann es zu schweren Schdigungen des Organismus kommen. Daher besitzen alle Lebewesen ein eng gestricktes und streng reguliertes Netzwerk von Proteinen des Metallhaushaltes.

Bisherige Untersuchungen dieser Proteine zeigten berraschend, dass sie in so unterschiedlichen Organismen, wie beim Menschen, in der Bckerhefe oder in Pflanzen einander ziemlich hneln. In Metallhyperakkumulator-Pflanzen wie Thlaspi caerulescens sind einzelne an der Metall-Speicherung beteiligte Proteine kaum von ihren Gegenstcken in verwandten, aber nicht Metall-toleranten Pflanzenarten zu unterschieden, werden jedoch anders reguliert. Allerdings war es bislang nicht mglich, einen globalen berblick ber das komplexe biochemische Netzwerk im Metallhaushalt dieser Pflanzen zu gewinnen. Dies hat sich nun mit den neuen Forschungsergebnissen ber die Metallhyperakkumulator-Pflanze Arabidopsis halleri gendert.

Die Pflanzenart Arabidopsis halleri kommt auf stark mit Cadmium und Zink belasteten Bden vor und ist nicht nur extrem schwermetalltolerant, sondern gehrt auch zu den etwa 400 Pflanzenarten, die Schwermetalle in ihren Blttern und Sprossen speichern. Diese Eigenschaften sind von groem technologischem Interesse, da sie fr die kostengnstige und umweltfreundliche Reinigung schwermetallbelasteter Bden genutzt werden knnten. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut fr Molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam und am Leibniz-Institut fr Pflanzenbiochemie in Halle sind nun der Frage, welche Mechanismen der Metallhyperakkumulation und -toleranz auf der molekularen Ebene zugrunde liegen, im Detail nachgegangen. Dabei haben sie sich die enge Verwandtschaft der Metallhyperakkumulatorpflanze Arabidopsis halleri mit der genetischen Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand), deren Erbinformation vollstndig entschlsselt ist, zunutze gemacht. Im Gegensatz zu A. halleri weist A. thaliana keinerlei Metalltoleranz auf, immobilisiert Metalle in den Wurzeln und transportiert diese Ionen nur in geringem Ausma in ihre oberirdischen Pflanzenteile.

Der gegenstzliche Metallhaushalt beider Pflanzenarten und ihre enge genetische Verwandtschaft ermglichte es den Forschern, die Genbotschaften (Boten-RNA) beider Arten mit Hilfe kommerzieller Genchips von A. thaliana zu vergleichen. Diese Chips enthalten Sonden fr etwa ein Drittel der im Genom von A. thaliana kodierten Genbotschaften. Dies ermglichte den Wissenschaftlern, die Protein-Bauplne von verschiedenen Genen des Metallhaushaltes zu identifizieren, von denen einige in stark erhhten Mengen in den Wurzeln, andere strker im Spross von A. halleri vorkommen.

Die Funktionen dieser Proteine spiegeln deutlich wider, welche besonderen Funktionen die Wurzeln und die Bltter in der Metallhyperakkumulation haben. Aufgabe der Wurzel ist es, die Metallionen zu entgiften und in den Spross weiterzuleiten. Die Bltter der Pflanze lagern vornehmlich groe Mengen an Metallionen ein und sind dadurch mageblich an der Entgiftung beteiligt. Von einigen der identifizierten Gene haben die Wissenschaftler die Funktion ihrer Genprodukte genauer untersucht und bestimmt. Bei anderen ergab sich ihre Funktion aus bereits vorhandenen Daten.

So kommen die Boten-RNAs fr das Enzym Nicotianaminsynthase in der Wurzel von A. halleri sehr hufig vor. Diese Enzym katalysiert die Synthese des pflanzenspezifischen Metallchelatormolekls Nicotianamin, das Zink- und andere Metallionen durch Bildung einer Komplexverbindung entgiftet, aber beweglich hlt. Wichtig sind in der Wurzel aber auch Membrantransportproteine, die fr die Aufnahme in die Zelle bzw. fr die Mobilitt der Metallionen sorgen. Im Spross hingegen tauchen die Genbotschaften fr ein anderes Isoenzym der Nicotianaminsynthase hufiger auf. Auch in diesem Fall konnten die Forscher nachweisen, dass dieses Enzym bei der Metallentgiftung mitwirkt. Darber hinaus sind auch hier die Genbotschaften fr verschiedene Membrantransportproteine auerordentlich stark vertreten. Fr eines dieser Transportproteine wird eine Funktion in der Aufnahme von Zink in die Blattzellen angenommen. Fr zwei weitere Transportproteine wiesen die Forscher eine Beteiligung an der Entgiftung von Zinkionen in der Zelle nach. Die Forscher vermuten, dass diese Proteine den Transport der Metalle aus dem Cytoplasma in zellulre Kompartimente mit weniger Stoffwechselaktivitt, wie die pflanzliche Vakuole, vermitteln.

Auffllig ist, dass alle diese Gene unter allen Bedingungen hchst aktiv sind - unabhngig von der Metallkonzentration, der die Pflanzenwurzeln ausgesetzt sind. Dies deckt sich mit Beobachtungen, wonach Bltter von A. halleri, auch wenn die Pflanze auf Bden mit normalen Metallgehalten wchst, im Vergleich zu anderen Pflanzen einen stark erhhten Metallgehalt haben.

Im "post-genomischen" Zeitalter stehen die Erbinformationen von immer mehr Organismen vollstndig zur Verfgung. Dadurch wird es jetzt mglich, auch nach den molekularen Grundlagen zu fragen, die es einzelnen Pflanzenarten ermglichen, auf ganz bestimmten Standorten zu wachsen. "Mit dem auf diese Weise gewonnenen Wissen wird es einmal mglich sein, die Pflanzenertrge auch in jenen Gebieten der Erde zu verbessern, die klimatisch weniger begnstigt sind als Mitteleuropa," meint Ute Krmer, Forschungsgruppenleiterin am Max-Planck-Institut fr molekulare Pflanzenphysiologie. "Zu wissen, welche Faktoren die pflanzliche Metalltoleranz und -akkumulation beeinflussen, knnte wiederum dazu beitragen, den Gehalt an lebenswichtigen Spurenelementen wie Eisen oder Zink in pflanzlichen Nahrungsmitteln zu verbessern oder den Anteil schdlicher Metalle wie Cadmium zu verringern. Wenn es gelingt, die Fhigkeit zur Metallhyperakkumulation auf Pflanzen mit hoher Biomasseproduktion wie den Raps zu bertragen, knnten knftig Metall-belastete Bden durch den ihren Anbau saniert werden."

Schwermetall-Belastung von Bden
Dass auf stark mit Schwermetallen belasteten Bden, wie Abraumhalden von Bergwerken, in der Nhe von Metall-verarbeitenden Betrieben oder am Ufer von Flssen, die in Bergbauregionen entspringen, einige ganz spezielle Pflanzenarten vorkommen, ist seit dem 19. Jahrhundert bekannt. Diese dienten frher als "Zeigerpflanzen" bei der Suche nach Erzvorkommen. Doch Pflanzen knnen auf hochgiftigen Bden nur dann gedeihen, wenn sie ihren Stoffwechsel anpassen, so dass sie gegen Schwermetalle "immun" werden.

Im Verlauf der Evolution haben Pflanzen eine Reihe extremer Orte erobert - neben stark Schwermetall-belasteten Standorten auch Regionen mit extremer Trockenheit, Klte oder hoher Salzkonzentration im Boden. Ende des 19. Jahrhunderts berichtete der Deutsche Anton Baumann zum erstenmal von hoher Zinkakkumulation in den Blttern der Pflanzenart Thlaspi caerulescens (Voralpen-Hellerkraut, Brassicaceae). Mitte des 20. Jahrhunderts wurden in den Blttern einiger Arten der Gattung Alyssum, die im Mittelmeerraum vorkommt, Nickelkonzentrationen von mehr als 2 Prozent der Trockenmasse gemessen. Arabidopsis halleri (Hallersche Schaumkresse) ist ein charakteristischer Vertreter der Vegetation auf stark mit Cadmium und Zink belasteten Bden. Die Zinkkonzentration in ihren Blttern ist mit etwa 1,5 Prozent der Trockenmasse mehr als 100-fach hher als in den meisten anderen am selben Standort wachsenden metalltoleranten Pflanzenarten.

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Verwandte Links:
[1] Selbstndige Nachwuchsgruppe "Metallhomeostase"
[2] Molekulare Mechanismen in Metallophyten (Schwermetall-resistenten Pflanzen)
[3] Links zum Entzug von Schadstoffen aus dem Boden durch "Phytoremediation"

Originalverffentlichung:
Martina Becher, Ina N. Talke, Leonard Krall and Ute Krmer Cross-species microarray transcript profiling reveals high constitutive expression of metal homeostasis genes in shoots of the zinc hyperaccumulator Arabidopsis halleri The Plant Journal, OnlineEarly 4-Dec-2003, doi: 10.1046/j.1365-313X.2003.01959.x, no. 37, Issue no. 2 (January 2004)

Michael Weber, Emiko Harada, Christoph Vess, Edda v. Roepenack-Lahaye and Stephan Clemens Comparative microarray analysis of Arabidopsis thaliana and Arabidopsis halleri roots identifies nicotianamine synthase, a ZIP transporter and other genes as potential metal hyperaccumulation factors The Plant Journal, OnlineEarly, 4-Dec-2003 doi: 10.1046/j.1365-313X.2003.01960.x, no. 37, Issue no. 2 (January 2004)

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Dr. Ute Krmer
Max-Planck-Institut fr molekulare Pflanzenphysiologie, Golm b. Potsdam
Tel.: 0331-5678-357
Fax: 0331-567898-357
E-Mail: kraemer@mpimp-golm.mpg.de

Dr. Stephan Clemens
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