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Pflanzen gegen arsenbelastete Böden

16.11.2010
Zwei Gene, welche die Akkumulation und Entgiftung von Arsen in pflanzlichen Zellen kontrollieren, sind identifiziert worden. Dies ist das Ergebnis einer umfangreichen internationalen Zusammenarbeit, an der Labore aus der Schweiz, Südkorea und den USA sowie Mitglieder des nationalen Forschungsschwerpunkts (NCCR) Plant Survival beteiligt sind.

Diese Entdeckung eröffnet viel versprechende Perspektiven für die Reduktion der Anreicherung Arsens in Kulturen in Regionen von Asien, die durch dieses toxische Metalloid stark belastet sind, und für die Sanierung von mit Schwermetall verschmutzten Böden. Die Studie wird diese Woche in der renommierten Zeitschrift PNAS veröffentlicht.

Das Gewinnen von Grundwasser aus tiefen Gesteinsschichten in Südost-Asien sowie der Bergbau in China, Thailand oder den Vereinigten Staaten, haben dazu geführt, dass in vielen Gebieten der Arsengehalt des Wassers die von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) empfohlene Konzentration von 10 μg/L übersteigt. Wird dieser Grenzwert überschritten, so können gesundheitliche Probleme auftreten. Die Bevölkerung ist dieser Gefahr ausgesetzt, wenn sie kontaminiertes Wasser trinkt oder sich von Getreide ernährt, das auf arsenverschmutzten Böden kultiviert wurde. Von diesem Problem sind Menschen in der Grössenordnung einer zweistelligen Millionenzahl betroffen.

Eine jahrelange Exposition dieses giftigen Halbmetalls kann den Magen-Darmtrakt, die Nieren, Leber, Lungen und die Haut angreifen. Allein für Bangladesch wird angenommen, dass rund 25 Millionen Menschen Wasser trinken, das mehr als 50 μg/L Arsen enthält. Davon riskieren zwei Millionen Menschen, an einer durch dieses toxische Element verursachten Krebserkrankung zu sterben.

Toxische Metalle finden über Pflanzen Eingang in die Nahrungskette. So wird zum Beispiel Arsen in Reiskörnern gespeichert, was in den von diesem giftigen Metalloid verseuchten Regionen eine Gefahr für die Bevölkerung darstellt, da ihre Ernährung zu einem grossen Teil von diesem Getreide abhängt. Im Boden vorhandenes Arsen aber auch Cadmium wird von Pflanzen aufgenommen und in bestimmten Zellkompartimenten, den so genannten Vakuolen, gespeichert. Im Zellinnern wird der Transport von Arsen und seine anschliessende Akkumulation und Entgiftung in den Vakuolen von einer Kategorie von Peptiden – den Phytochelatinen – gewährleistet. Diese besitzen die Eigenschaft, giftige Metalloide zu binden. Bildlich gesprochen kann man sich einen Lastwagen vorstellen, an den ein Anhänger angehängt wird. Am Ende dieses Prozesses wird der «Lastwagen» mit «Anhänger» in den Vakuolen gespeichert.

«Da nun die Gene identifiziert wurden, die für den Transport und die Speicherung dieser Phytochelatin-Metalloid-Komplexe verantwortlich sind, haben wir Zugriff auf ein bis anhin fehlendes Glied der Entgiftung von giftigen Schwermetallen und Metalloiden. Dieses wurde von der wissenschaftlichen Gemeinschaft seit mehr als 25 Jahren gesucht», erklärt Enrico Martinoia, Professor für Pflanzenphysiologie an der Universität Zürich. Die Experimente, die an der Modellpflanze Arabidopsis durchgeführt wurden, können leicht auf die meisten Pflanzen wie z.B. Reis übertragen werden.

Enrico Martinoia ist einer der Leiter dieser Forschungsarbeit, an der auch die Labors der koreanischen Professorin Youngsook Lee von der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) und Julian Schroeder, Professor für Biologie an der University of California in San Diego (UCSD) beteiligt sind. Zusammen mit Stefan Hörtensteiner, ebenfalls von der Universität Zurich, und Doris Rentsch von der Universität Bern, zählt er auch zu den drei Mitgliedern des NCCR Plant Survival, die den in der PNAS erschienenen Artikel verfasst haben.

Die Kontrolle dieser Gene dürfte es nun ermöglichen, Pflanzen zu entwickeln, die fähig sind, den Transfer giftiger Metalle von der Wurzel bis in die Blätter und die Samen zu unterdrücken, und folglich den Eintritt von Arsen in die Nahrungskette zu begrenzen. «Indem wird uns auf diese Gene konzentrieren», präzisiert Youngsook Lee, «können wir vermeiden, dass sich Schwermetalle in essbaren Pflanzenteilen wie den Körnern oder Früchten anreichern.»

Gleichzeitig haben die Forscher eine Methode entdeckt, wie Pflanzen produziert werden können, die mehr giftige Schwermetalle aufnehmen und speichern könnten, und die sich zur Entgiftung von verschmutzten Böden verwenden liessen. Diese Pflanzen würden anschliessend in Hochöfen verbrannt, um die toxische Elemente zu eliminieren.

Literatur:
Won-Yong Song, Jiyoung Park, David G. Mendoza-Cózatl, Marianne Suter-Grotemeyer, Donghwan Shim, Stefan Hörtensteiner, Markus Geisler, Barbara Weder, Philip A. Rea, Doris Rentsch, Julian I.Schroeder, Youngsook Lee, Enrico Martinoia: Arsenic tolerance in Arabidopsis is mediated by two ABCC-type phytochelatin transporters, in: PNAS, Doi: 10.1073/pnas.1013964107
Kontakt:
Prof. Enrico Martinoia
Universität Zürich
Tel. : +41 44 634 8222
enrico.martinoia@botinst.uzh.ch

Beat Müller | idw
Weitere Informationen:
http://www.uzh.ch/

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