Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Röntgenuntersuchung zeigt: Arsen sammelt sich bei Pflanzen im Zellkern

24.06.2016

Giftiges Arsen sammelt sich bei Pflanzen zunächst im Zellkern. Das zeigt eine Röntgenuntersuchung der Wasserpflanze Raues Hornblatt (Ceratophyllum demersum) an DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III. Schon bei vergleichsweise geringer Konzentration überschwemmt das Arsen auch die Vakuole, einen mit Flüssigkeit gefüllten Hohlraum, der nahezu den gesamten Innenraum der Zelle einnimmt. Das haben Forscher um Prof. Hendrik Küpper von der Tschechischen Akademie der Wissenschaften und der Südböhmischen Universität in Budweis (Tschechien) in einem Projekt herausgefunden, das Dr. Seema Mishra (jetzt am National Botanical Research Institute in Lucknow, Indien) in Küppers Gruppe etabliert hatte.

Das hochgiftige Arsen ist weltweit ein wachsendes Umwelt- und Gesundheitsproblem. Durch menschliche Aktivitäten steigt die Arsenkonzentration in Böden, und in vielen Ländern – insbesondere auf dem indischen Subkontinent – ist die Arsenkonzentration im Grundwasser problematisch. Dort ist Arsen natürlicherweise im Boden vorhanden, wurde aber durch Brunnenbohrungen und andere Eingriffe des Menschen in den Boden in den vergangenen Jahrzehnten viel mobiler und so ins Trinkwasser ausgewaschen.


Arsenverteilung in der Blatthaut bei einer Konzentration von einem (oben) und fünf (unten) Mikromol Arsen pro Liter Wasser. Bei geringer Konzentration sammelt sich das Arsen im Zellkern.

Mishra et al., Journal of Experimental Botany, DOI: 10.1093/jxb/erw238, CC-BY-3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/)

Bei Menschen kann Arsen unter anderem zu Krebs, Absterben ganzer Körperregionen sowie akutem Nieren- und Kreislaufversagen führen. Auch für Pflanzen ist das Halbmetall giftig. Es wird vom selben Transportmechanismus aufgenommen wie das lebenswichtige Phosphor und hemmt schon weit unterhalb der tödlichen Dosis das Pflanzenwachstum und damit den Ertrag von Nutzpflanzen.

„Außerdem essen natürlich auch Menschen Pflanzen und verfüttern sie an Nutztiere, so dass sich das Arsen anreichert und am Ende irgendwann beim Menschen landet“, erläutert Küpper das Problem. „Mit unserer Analyse wollten wir genauer untersuchen, wie die Arsenvergiftung in Pflanzen abläuft“, ergänzt Ko-Autor Dr. Gerald Falkenberg von DESY, Leiter der Messstation P06, an der die Versuche stattfanden. Die Forscher berichten im Fachblatt „Journal of Experimental Botany“ über ihre Ergebnisse. Die Ergebnisse könnten etwa dazu beitragen, Pflanzen gezielt so zu züchten, dass sie nicht mehr so viel Arsen aufnehmen.

Bisherige Untersuchungen an Pflanzen haben Küpper zufolge meist bei viel zu hohen Arsenkonzentrationen stattgefunden. „Pflanzenphysiologisch ist bereits eine Konzentration von einem Mikromol pro Liter relevant, das sind rund 75 millionstel Gramm Arsen pro Liter. Experimentiert wurde aber nicht selten mit bis zu 250 Mikromol pro Liter – da geschehen ganz andere Dinge“, erläutert der Biologe. „Wir wollten wissen, was bei ökologisch und physiologisch relevanten Konzentrationen passiert.“

Das Raue Hornblatt ist nach Worten der Forscher für Metalle eine Indikator-Art, deren Untersuchung sich meist gut auf andere Arten übertragen lässt. Die Forscher setzten die untersuchte Pflanze Arsenkonzentrationen von einem und fünf Mikromol pro Liter aus und durchleuchteten anschließend mit dem fein gebündelten Röntgenstrahl von PETRA III die Blätter. „Mit PETRA III konnten wir zum ersten Mal in die einzelnen Pflanzenzellen hineinsehen“, berichtet Küpper. „So konnten wir das Arsen in der Zelle genauer lokalisieren – schließlich ist es nicht egal, ob es etwa in der Zellwand sitzt oder in der Vakuole.“

Eine Konzentration von einem Mikromol Arsen pro Liter Wasser ist für die Pflanze noch tolerabel. Die Pflanze lagert das Gift dabei zunächst in der Blatthaut, der Epidermis. „Überraschenderweise stellen wir fest, dass sich das Arsen zunächst in den Zellkernen sammelt“, berichtet Küpper. Erst wenn die Konzentration auf fünf Mikromol pro Liter steigt, was die Pflanze nicht dauerhaft überleben kann, findet sich das Arsen in der Vakuole und damit quasi in der gesamten Zelle.

„Damit ist die Kapazität der Epidermis erschöpft, die Pflanze kann nicht mehr entgiften, jetzt geht es ans Eingemachte“, beschreibt Küpper. Das Arsen wandert nun auch in das sogenannte Mesophyll, das Grundgewebe der Blätter, wo die Photosynthese stattfindet, die Pflanze Licht aufnimmt und Zucker produziert. Diese Änderung der Verteilung ist in der Röntgentomographie der Blätter deutlich zu sehen.

Die Untersuchung zeigt, dass Arsen solche Enzyme schädigt, die den für die Photosynthese nötigen grünen Pflanzenfarbstoff Chlorophyll bilden. Arsen beeinträchtigt zuerst die Photosynthese, was nicht an einem Abbau von Chlorophyll liegt, sondern an einer Beeinträchtigung der Produktion des Farbstoffs, wie Küpper betont.

In künftigen Untersuchungen wollen die Forscher nun herausfinden, was das Arsen im Zellkern bewirkt. „Vermutlich gibt es Erbgutschäden“, erläutert Küpper. So könnte Arsen im Erbgut den Phosphor ersetzen. Während die jetzige Röntgenuntersuchung zeigt, dass Arsen bereits bei niedrigen Konzentrationen im Zellkern angereichert wird, planen die Forscher, in weiteren Experimenten die chemische Bindung des Arsens im Zellkern im Vergleich zu anderen Orten der Zelle zu untersuchen.


Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY ist das führende deutsche Beschleunigerzentrum und eines der führenden weltweit. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft und wird zu 90 Prozent vom BMBF und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert. An seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen bei Berlin entwickelt, baut und betreibt DESY große Teilchenbeschleuniger und erforscht damit die Struktur der Materie. Die Kombination von Forschung mit Photonen und Teilchenphysik bei DESY ist einmalig in Europa.


Originalveröffentlichung
Analysis of sub-lethal arsenic toxicity to Ceratophyllum demersum: Subcellular distribution of arsenic and inhibition of chlorophyll biosynthesis; Seema Mishra, Matthias Alfeld, Roman Sobotka, Elisa Andresen, Gerald Falkenberg, Hendrik Küpper
„Journal of Experimental Botany”, 2016; DOI: 10.1093/jxb/erw238

Weitere Informationen:

https://www.desy.de/aktuelles/news_suche/index_ger.html?openDirectAnchor=1061&am... - Text und Blidmaterial
http://jxb.oxfordjournals.org/content/early/2016/06/22/jxb.erw238.abstract - Originalstudie

Dr. Thomas Zoufal | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Berichte zu: Arsen Chlorophyll PETRA III Photosynthese Röntgenuntersuchung Zelle Zellkern desy

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Designte Proteine gegen Muskelschwund
29.06.2017 | Universität Basel

nachricht Benzin und Chemikalien aus Pflanzenresten
29.06.2017 | Paul Scherrer Institut (PSI)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Schnelles und umweltschonendes Laserstrukturieren von Werkzeugen zur Folienherstellung

Kosteneffizienz und hohe Produktivität ohne dabei die Umwelt zu belasten: Im EU-Projekt »PoLaRoll« entwickelt das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen gemeinsam mit dem Oberhausener Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheit- und Energietechnik UMSICHT und sechs Industriepartnern ein Modul zur direkten Laser-Mikrostrukturierung in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren. Ziel ist es, mit Hilfe dieses Systems eine siebartige Metallfolie als Demonstrator zu fertigen, die zum Sonnenschutz von Glasfassaden verwendet wird: Durch ihre besondere Geometrie wird die Sonneneinstrahlung reduziert, woraus sich ein verminderter Energieaufwand für Kühlung und Belüftung ergibt.

Das Fraunhofer IPT ist im Projekt »PoLaRoll« für die Prozessentwicklung der Laserstrukturierung sowie für die Mess- und Systemtechnik zuständig. Von den...

Im Focus: Das Auto lernt vorauszudenken

Ein neues Christian Doppler Labor an der TU Wien beschäftigt sich mit der Regelung und Überwachung von Antriebssystemen – mit Unterstützung des Wissenschaftsministeriums und von AVL List.

Wer ein Auto fährt, trifft ständig Entscheidungen: Man gibt Gas, bremst und dreht am Lenkrad. Doch zusätzlich muss auch das Fahrzeug selbst ununterbrochen...

Im Focus: Vorbild Delfinhaut: Elastisches Material vermindert Reibungswiderstand bei Schiffen

Für eine elegante und ökonomische Fortbewegung im Wasser geben Delfine den Wissenschaftlern ein exzellentes Vorbild. Die flinken Säuger erzielen erstaunliche Schwimmleistungen, deren Ursachen einerseits in der Körperform und andererseits in den elastischen Eigenschaften ihrer Haut zu finden sind. Letzteres Phänomen ist bereits seit Mitte des vorigen Jahrhunderts bekannt, konnte aber bislang nicht erfolgreich auf technische Anwendungen übertragen werden. Experten des Fraunhofer IFAM und der HSVA GmbH haben nun gemeinsam mit zwei weiteren Forschungspartnern eine Oberflächenbeschichtung entwickelt, die ähnlich wie die Delfinhaut den Strömungswiderstand im Wasser messbar verringert.

Delfine haben eine glatte Haut mit einer darunter liegenden dicken, nachgiebigen Speckschicht. Diese speziellen Hauteigenschaften führen zu einer signifikanten...

Im Focus: Kaltes Wasser: Und es bewegt sich doch!

Bei minus 150 Grad Celsius flüssiges Wasser beobachten, das beherrschen Chemiker der Universität Innsbruck. Nun haben sie gemeinsam mit Forschern in Schweden und Deutschland experimentell nachgewiesen, dass zwei unterschiedliche Formen von Wasser existieren, die sich in Struktur und Dichte stark unterscheiden.

Die Wissenschaft sucht seit langem nach dem Grund, warum ausgerechnet Wasser das Molekül des Lebens ist. Mit ausgefeilten Techniken gelingt es Forschern am...

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Marine Pilze – hervorragende Quellen für neue marine Wirkstoffe?

28.06.2017 | Veranstaltungen

Willkommen an Bord!

28.06.2017 | Veranstaltungen

Internationale Fachkonferenz IEEE ICDCM - Lokale Gleichstromnetze bereichern die Energieversorgung

27.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Designte Proteine gegen Muskelschwund

29.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Benzin und Chemikalien aus Pflanzenresten

29.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Hochleitfähige Folien ermöglichen großflächige OLED-Beleuchtung

29.06.2017 | Energie und Elektrotechnik