Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie Pflanzen sich mit Eisen versorgen

04.08.2014

Bayreuther Untersuchungen zum pflanzlichen Stoffwechsel zeigen: Aromastoffe (Cumarine) haben eine Schlüsselfunktion für den pflanzlichen Mineralhaushalt

Eisen ist in nahezu allen Lebewesen unentbehrlich für lebenswichtige Stoffwechselvorgänge. Beim Menschen schädigt Eisenmangel insbesondere die Blutbildung. Weil pflanzliche Nahrung häufig zu wenig Eisen enthält, leiden aktuellen Schätzungen zufolge rund 30 Prozent der Weltbevölkerung unter einer mehr oder weniger stark ausgeprägten Anämie.


Pflanzen (Schotenkresse) auf alkalischem Boden mit

einem pH-Wert von 7,7.

Links Wildtyp-Pflanzen, rechts die Mutanten, die aufgrund

eines genetischen Defekts keine Cumarine synthetisieren

können.

Foto: Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie, Universität Bayreuth;

mit Quellenangabe zur Veröffentlichung frei.

Deshalb besteht weltweit ein starkes Interesse an der Züchtung und am Anbau von Pflanzen, die einen hohen Anteil von Eisen in ihren essbaren Bestandteilen abspeichern – und zwar so, dass das Eisen vom menschlichen Organismus aufgenommen und verarbeitet werden kann. „Biofortifikation“ ist das Ziel einer noch jungen Forschungsrichtung, die darauf abzielt, den Anteil lebenswichtiger Mineralien wie Eisen oder Zink in Pflanzen systematisch zu erhöhen.

Überhöhte pH-Werte im Boden: Ein Hindernis für die Absorption von Eisen

Eisen ist zwar ein Mineral, das im Erdboden besonders häufig vorkommt. Doch in der Regel ist es hier ein Bestandteil von Eisenoxiden und damit schwer löslich, so dass es von den Wurzeln der Pflanzen nicht unmittelbar absorbiert werden kann. Wie gut das Eisen im Boden für die Pflanzen verfügbar ist, hängt deshalb entscheidend vom jeweiligen pH-Wert des Bodens ab.

Je höher der pH-Wert ist, desto ungünstiger sind die Bedingungen für die Absorption des Eisens. Weltweit ist der pH-Wert heute auf etwa 30 Prozent der landwirtschaftlich nutzbaren Flächen überhöht, so dass hier die landwirtschaftliche Produktivität durch Eisenmangel beschränkt ist.

Grundsätzlich unterscheidet die Forschung zwischen zwei Strategien, mit denen es Pflanzen dennoch gelingt, sich ausreichend mit Eisen zu versorgen. Bei Pflanzen, die keine Gräser sind, besteht diese Strategie aus drei Schritten: Zunächst sondern ihre Wurzeln Substanzen ab, die den Säuregehalt im Boden erhöhen und somit dessen pH-Wert senken.

In einem weiteren Schritt werden die Eisenoxide, infolge des erhöhten Säuregehalts im Boden, an der Oberfläche der Pflanzenwurzeln gelöst und in zweiwertiges Eisen umgewandelt. Erst jetzt sind die Pflanzen in der Lage, das Eisen zu absorbieren und ihre Zellen damit zu versorgen. „Nur wenn diese Strategie bis ins Detail aufgeklärt ist, kann eines Tages die gezielte Züchtung von Pflanzen gelingen, die möglichst viel Eisen aus dem Erdboden aufnehmen und abspeichern“, erklärt Prof. Dr. Stephan Clemens, der an der Universität Bayreuth den Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie innehat.

Vergleichende Analysen von Stoffwechselprodukten

Von besonderem Interesse für die Forschung sind Substanzen, welche die Versorgung von Pflanzen mit Mineralstoffen auch dann gewährleisten, wenn die Absorption aus dem Erdboden erschwert ist. Gibt es derartige Substanzen?

Um diese Frage beantworten zu können, hat die Bayreuther Forschungsgruppe um Prof. Clemens einen Forschungsansatz gewählt, der die Stoffwechselprodukte der Pflanzen in den Blick nimmt. An den Wurzeln der Schotenkresse (Arabidopsis thaliana), die in der pflanzenphysiologischen Forschung heute oftmals als ‚Modellpflanze‘ dient, haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vergleichende metabolomische Analysen durchgeführt.

Dabei wurden möglichst viele der am Stoffwechsel beteiligten Abläufe und Substanzen – insbesondere die Zwischen- und Endprodukte des Stoffwechsels – erfasst. Zuerst wurden die Wurzeln von Pflanzen untersucht, die bestens mit Eisen versorgt waren. Es folgten Pflanzen, die einer Nährflüssigkeit ohne Eisen ausgesetzt waren. Schließlich richtete sich die metabolomische Analyse auf Pflanzen, die in einer eisenhaltigen Nährflüssigkeit mit hohem pH-Wert überleben mussten.

Cumarine: Schlüsselsubstanzen für den Eisenhaushalt von Pflanzen

Die Pflanzen, denen die Absorption von Eisen infolge des überhöhten pH-Werts erschwert war, bildeten in ihren Wurzeln eine auffällig große Menge von Cumarinen; viel mehr als die anderen Pflanzen, die optimal bzw. überhaupt nicht mit Eisen versorgt waren. Besonders das Skopoletin war in den Pflanzenwurzeln sehr häufig anzutreffen. Cumarine sind Aromastoffe, die zur Klasse der Phenole gehören und beispielsweise in der Lebensmittelindustrie als aromatische Verstärker verwendet werden.

Untersuchungen an speziellen Mutanten der Schotenkresse sollten im Anschluss an diese Befunde zeigen, ob Cumarine wirklich wichtig sind für die Eisenernährung der Pflanzen. Bei den Mutanten war die Bildung von Cumarinen aufgrund eines genetischen Defekts gestört. Tatsächlich erwiesen sie sich als unfähig, das in der Nährlösung mit hohem pH-Wert enthaltene Eisen zu absorbieren; nur zusätzliche eisenhaltige Nährstoffe konnten ihr Überleben sichern.

Auf alkalischen Böden können die Mutanten also nicht wachsen. In diesem Zusammenhang stellte sich heraus, dass Pflanzen mit einer ungestörten Cumarin-Synthese solche Mutanten ‚retten‘ können, falls diese sich in unmittelbarer Nähe befinden. Die über das Wurzelwerk abgegebenen Cumarine machen das Eisen also auch für die genetisch defekten Nachbarn verfügbar.

„Forschungsarbeiten an verschiedenen Instituten haben in jüngster Zeit zeigen können, dass von den Wurzeln abgesonderte Phenole eine zentrale Funktion für den pflanzlichen Mineralhaushalt spielen“, erklärt Prof. Clemens „Die metabolomischen Untersuchungen, die wir hier in Bayreuth vorgenommen haben, konnten die aktiven Substanzen jetzt eindeutig nachweisen – und zwar auch deshalb, weil wir sehr viele der Stoffwechselprodukte im Wurzelbereich analysieren konnten. Unsere Erkenntnisse sind ein hochinteressanter Anknüpfungspunkt für die Züchtung und den Anbau von Nutzpflanzen, die dem weltweit verbreiteten Eisenmangel entgegenwirken und die Produktivität auf Böden mit zu hohem pH-Wert steigern können.“

Metabolomik – eine vielversprechende Forschungsrichtung

Die metabolomischen Analysen und ihre detaillierte Auswertung sind aus einer engen interdisziplinären Zusammenarbeit von Biologen und Chemikern auf dem Bayreuther Campus hervorgegangen. Sie wären nicht möglich gewesen ohne die Forschungstechnologien, die dabei zum Einsatz kamen, insbesondere die Gaschromatographie mit Massenspektrometrie-Kopplung (GC-MS) und dieFlüssigkeitschromatographie-gekoppelte Flugzeitmassenspektrometrie (UPLC-ESI-QTOF-MS).

„Die Metabolomik kann viel zur Aufklärung der Prozesse beitragen, durch die sich Pflanzen in ihrer Umwelt behaupten, und sie kann helfen, die Inhaltsstoffe von Pflanzen zu charakterisieren. Wir wollen metabolomische Verfahren an der Universität Bayreuth auch künftig anwenden, um neue Erkenntnisse über die Zusammensetzung pflanzlicher Nahrungsmittel zu gewinnen“, so Prof. Clemens.

Veröffentlichung:

Holger Schmidt, Carmen Günther, Michael Weber, Cornelia Spörlein, Sebastian Loscher, Christoph Böttcher, Rainer Schobert, Stephan Clemens, Metabolome Analysis of Arabidopsis thaliana Roots Identifies a Key Metabolic Pathway for Iron Acquisition, in: PLOS ONE, Research Article ,published 24 Jul 2014 DOI: 10.1371/journal.pone.0102444

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Stephan Clemens Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie Universität Bayreuth D-95440 Bayreuth Tel.: +49 (0)921 55-2630 E-Mail: stephan.clemens@uni-bayreuth.de

Christian Wißler | Universität Bayreuth
Weitere Informationen:
http://www.uni-bayreuth.de/presse/Aktuelle-Infos/2014/152-Pflanzen-Cumarine.pdf

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Biologischer Lichtsensor in Aktion gefilmt
15.06.2018 | Paul Scherrer Institut (PSI)

nachricht Belohnung fürs Gehirn
15.06.2018 | Max-Planck-Institut für Biologie des Alterns

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: AchemAsia 2019 in Shanghai

Die AchemAsia geht in ihr viertes Jahrzehnt und bricht auf zu neuen Ufern: Das International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production findet vom 21. bis 23. Mai 2019 in Shanghai, China statt. Gleichzeitig erhält die Veranstaltung ein aktuelles Profil: Die elfte Ausgabe fokussiert auf Themen, die für Chinas Prozessindustrie besonders relevant sind, und legt den Schwerpunkt auf Nachhaltigkeit und Innovation.

1989 wurde die AchemAsia als Spin-Off der ACHEMA ins Leben gerufen, um die Bedürfnisse der sich damals noch entwickelnden Iindustrie in China zu erfüllen. Seit...

Im Focus: AchemAsia 2019 will take place in Shanghai

Moving into its fourth decade, AchemAsia is setting out for new horizons: The International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production will take place from 21-23 May 2019 in Shanghai, China. With an updated event profile, the eleventh edition focusses on topics that are especially relevant for the Chinese process industry, putting a strong emphasis on sustainability and innovation.

Founded in 1989 as a spin-off of ACHEMA to cater to the needs of China’s then developing industry, AchemAsia has since grown into a platform where the latest...

Im Focus: Li-Fi erstmals für das industrielle Internet der Dinge getestet

Mit einer Abschlusspräsentation im BMW Werk München wurde das BMBF-geförderte Projekt OWICELLS erfolgreich abgeschlossen. Dabei wurde eine Li-Fi Kommunikation zu einem mobilen Roboter in einer 5x5m² Fertigungszelle demonstriert, der produktionsübliche Vorgänge durchführt (Teile schweißen, umlegen und prüfen). Die robuste, optische Drahtlosübertragung beruht auf räumlicher Diversität, d.h. Daten werden von mehreren LEDs und mehreren Photodioden gleichzeitig gesendet und empfangen. Das System kann Daten mit mehr als 100 Mbit/s und fünf Millisekunden Latenz übertragen.

Moderne Produktionstechniken in der Automobilindustrie müssen flexibler werden, um sich an individuelle Kundenwünsche anpassen zu können. Forscher untersuchen...

Im Focus: First real-time test of Li-Fi utilization for the industrial Internet of Things

The BMBF-funded OWICELLS project was successfully completed with a final presentation at the BMW plant in Munich. The presentation demonstrated a Li-Fi communication with a mobile robot, while the robot carried out usual production processes (welding, moving and testing parts) in a 5x5m² production cell. The robust, optical wireless transmission is based on spatial diversity; in other words, data is sent and received simultaneously by several LEDs and several photodiodes. The system can transmit data at more than 100 Mbit/s and five milliseconds latency.

Modern production technologies in the automobile industry must become more flexible in order to fulfil individual customer requirements.

Im Focus: ALMA entdeckt Trio von Baby-Planeten rund um neugeborenen Stern

Neuartige Technik, um die jüngsten Planeten in unserer Galaxis zu finden

Zwei unabhängige Astronomenteams haben mit ALMA überzeugende Belege dafür gefunden, dass sich drei junge Planeten im Orbit um den Säuglingsstern HD 163296...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Künstliche Intelligenz – Schafft der Mensch seine Arbeit ab?

15.06.2018 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Asteroidenforschung in Garching

13.06.2018 | Veranstaltungen

Meteoriteneinschläge und Spektralfarben: HITS bei Explore Science 2018

11.06.2018 | Veranstaltungen

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

EMAG auf der AMB: Hochproduktive Lösungen für die vernetzte Automotive-Produktion

15.06.2018 | Messenachrichten

AchemAsia 2019 in Shanghai

15.06.2018 | Messenachrichten

Dem Fettfinger zu Leibe rücken: Neuer Nanolack soll Antifingerprint-Oberflächen schaffen

15.06.2018 | Materialwissenschaften

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