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 Genetische Vielfalt schützt vor Krankheiten
23.05.2018 | Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB)

nachricht Vielseitige Nanokugeln: Forscher bauen künstliche Zellkompartimente als molekulare Werkstatt
22.05.2018 | Technische Universität München

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: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Im Focus: Faserlaser mit einstellbarer Wellenlänge

Faserlaser sind ein effizientes und robustes Werkzeug zum Schweißen und Schneiden von Metallen beispielsweise in der Automobilindustrie. Systeme bei denen die Wellenlänge des Laserlichts flexibel einstellbar ist, sind für spektroskopische Anwendungen und die Medizintechnik interessant. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) haben, im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts „FlexTune“, ein neues Abstimmkonzept realisiert, das erstmals verschiedene Emissionswellenlängen voneinander unabhängig und zeitlich synchron erzeugt.

Faserlaser bieten im Vergleich zu herkömmlichen Lasern eine höhere Strahlqualität und Energieeffizienz. Integriert in einen vollständig faserbasierten...

Im Focus: LZH zeigt Lasermaterialbearbeitung von morgen auf der LASYS 2018

Auf der LASYS 2018 zeigt das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) vom 5. bis zum 7. Juni Prozesse für die Lasermaterialbearbeitung von morgen in Halle 4 an Stand 4E75. Mit gesprengten Bombenhüllen präsentiert das LZH in Stuttgart zudem erste Ergebnisse aus einem Forschungsprojekt zur zivilen Sicherheit.

Auf der diesjährigen LASYS stellt das LZH lichtbasierte Prozesse wie Schneiden, Schweißen, Abtragen und Strukturieren sowie die additive Fertigung für Metalle,...

Im Focus: Achema 2018: Neues Kamerasystem überwacht Destillation und hilft beim Energiesparen

Um chemische Gemische in ihre Einzelbestandteile aufzutrennen, ist in der Industrie die energieaufwendige Destillation gängig, etwa bei der Raffinerie von Rohöl. Forscher der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) entwickeln ein Kamerasystem, das diesen Prozess überwacht. Dabei misst es, ob es zu einer starken Tropfenbildung kommt, was sich negativ auf die Trennung der Komponenten auswirken kann. Die Technik könnte hier künftig automatisch gegensteuern, wenn sich Messwerte ändern. So ließe sich auch Energie einsparen. Auf der Prozesstechnik-Messe Achema in Frankfurt stellen sie die Technik vom 11. bis 15. Juni am Forschungsstand des Landes Rheinland-Pfalz (Halle 9.2, Stand A86a) vor.

Bei der Destillation werden Flüssigkeiten durch Verdampfen und darauffolgende Kondensation des Dampfes in ihre Bestandteile getrennt. Ein bekanntes Beispiel...

Im Focus: Vielseitige Nanokugeln: Forscher bauen künstliche Zellkompartimente als molekulare Werkstatt

Wie verleiht man Zellen neue Eigenschaften ohne ihren Stoffwechsel zu behindern? Ein Team der Technischen Universität München (TUM) und des Helmholtz Zentrums München veränderte Säugetierzellen so, dass sie künstliche Kompartimente bildeten, in denen räumlich abgesondert Reaktionen ablaufen konnten. Diese machten die Zellen tief im Gewebe sichtbar und mittels magnetischer Felder manipulierbar.

Prof. Gil Westmeyer, Professor für Molekulare Bildgebung an der TUM und Leiter einer Forschungsgruppe am Helmholtz Zentrum München, und sein Team haben dies...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

48V im Fokus!

21.05.2018 | Veranstaltungen

„Data Science“ – Theorie und Anwendung: Internationale Tagung unter Leitung der Uni Paderborn

18.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Rotierende Rugbybälle unter den massereichsten Galaxien

23.05.2018 | Physik Astronomie

Invasive Quallen: Strömungen als Ausbreitungsmotor

23.05.2018 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Matrix-Theorie als Ursprung von Raumzeit und Kosmologie

23.05.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics