Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Schwermetall-Transportprotein bestimmt Cadmiumgehalt in Pflanzen

16.10.2012
Mit Cadmium belastete Nahrungsmittel gelten als besonders gesundheitsgefährdend für Menschen und Tiere. Im Genom der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) entdeckten Wissenschaftler ein einziges Gen, das bestimmt wie viel Cadmium Pflanzen in ihrem Blattwerk anreichern. Der molekulare Marker soll helfen, cadmiumarme Pflanzenlinien zu züchten.

Cadmium (Cd) ist ein gefürchtetes Umweltgift. Obwohl seine Verwendung in der Industrie abnimmt, ist es ein unvermeidbares Nebenprodukt der Zink-, Blei- und Kupfergewinnung. Durch belasteten Dünger, Klärschlamm oder Sondermüll kann es auch in Ackerböden gelangen. Viele Kulturpflanzen nehmen Cd über die Wurzeln auf und speichern es in den Vakuolen ihrer Blätter.

Als Reaktion auf Cd im Boden bilden die Pflanzen sogenannte Phytochelatine, die das Schwermetall binden und mit ihm in die Vakuole transportiert werden. Für die Pflanze ist dies ein wirksamer Entgiftungsprozess, um Schadstoffe aus den Leibündeln zu filtern und so aus dem Stoffwechsel zu entfernen. Für Tiere und den Menschen hat das Verzehren von mit Cd belasteten Nahrungsmitteln jedoch verheerende Folgen. Schon geringe Mengen Cadmium können Krebserkrankungen und Nierenversagen hervorrufen, warnt die Europäische Lebensmittelsicherheitsbehörde EFSA.

Pflanzenforscher versuchen daher zu verstehen, wie Pflanzen Cadmium durch die Wurzel aufnehmen, in den Spross transportieren und in den Samen und Blättern speichern. Schon in früheren Studien beobachteten Forscher, dass manche Pflanzen derselben Art, Cadmium besser speichern können als andere. Dies weckte die Hoffnung, bald die genetischen Merkmale aufzuspüren, mit denen sich cadmiumarme Pflanzen leicht identifizieren und züchten lassen. Bisher gelang es jedoch nicht, eine genetische Veranlagung für die unterschiedlichen Cadmium Speicherkapazitäten auszumachen.

Variationen in einem Schwermetall-Transporter Gen sind ausschlaggebend
Im Genom der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) wurden Wissenschaftler jetzt fündig. Die Pflanze verfügt über eine erstaunliche Anpassungsfähigkeit, die sich auch in ihrer genetischen Variabilität widerspiegelt. Rund um den Globus sammelten Wissenschaftler mehrere hundert Arabidopsis-Ökotypen und sequenzierten deren Genome. Diese umfassende Sammlung nutzen die Forscher, um ein genetisches Merkmal aufzuspüren, mit dem sich geringe oder hohe Cadmiummengen im Blattwerk erklären lassen. Ein einzelnes Gen, so zeigen die Ergebnisse, bestimmt die unterschiedlichen Speicherkapazitäten von Cd im Blattwerk. Es verschlüsselt die Schwermetall-ATPase 3 (HMA3), ein Transportprotein, das den Cadmium-Phytochelatin-Komplex aus den Leitbündeln in die Vakuole abgibt.

Transportproteine, die Cd in die Vakuole entlassen können wurden schon früher entdeckt. Wie die Studie zeigt, sind jedoch allein die unterschiedlichen genetischen Variationen des HMA3 Gens dafür verantwortlich, dass die Pflanzen viel oder wenig Cd in ihren Blättern anreichern. Die Wissenschaftler entdeckten zehn unterschiedliche HMA3 Genvarianten (Haplotypen), die sie in funktionsunfähige und hyperaktive HMA3 Varianten einteilten. Bei den funktionsunfähigen sorgten Punktmutationen innerhalb des Gens dafür, dass kein aktives HMA3 Enzym gebildet werden konnte. Erstaunlicherweise reicherten Pflanzen ohne HMA3 jedoch die vierfache Menge Cd in den Blättern an, im Vergleich zu denen, die die hyperaktiven Genvarianten trugen.

Arabidopsis zieht Cadmium in der Wurzel aus dem Verkehr

Eine Erklärung für diese Beobachtung fanden die Wissenschaftler, als sie den Ort der HMA3 Genaktivität genauer untersuchten. Das Gen ist in der Wurzel und nicht in den Blättern am aktivsten. Bereits in der Wurzel sorgt es dafür, dass Cd in die Vakuole abgegeben wird und dadurch gar nicht erst in den Spross gelangt. In Haplotypen ohne funktionstüchtiges HMA3 kann sich Cd dagegen in den Blättern anreichern. Bei Pflanzen mit hyperaktivem HMA3 Gen bleibt der Cadmiumgehalt der Blätter dagegen gering. Auch wenn die Forscher den Spross eines Haplotypen ohne HMA3 auf eine Wurzel mit einem aktiven HMA3 Gen pfropften blieb der Cadmiumgehalt im Blattwerk niedrig. Die Steuerung dieses physiologischen Prozesses findet demnach in der Wurzel statt.

Regelwerk der HMA3 Entgiftung variiert zwischen Pflanzenarten

Ein ähnliches Aktivitätsmuster für HMA3 wurde auch schon in Reispflanzen beobachtet. Allerdings gibt es auch Pflanzen, in denen es sich umgekehrt verhält. In dem Gebirgs-Hellerkraut Noccaea caerulescens wird das HMA3 Gen beispielsweise hauptsächlich in den Blättern und nicht in der Wurzel abgelesen. Eine hyperaktive HMA3 Variante würde hier den Cadmiumgehalt im Blattwerk erhöhen, statt ihn zu senken.

Trotz dieser artspezifischen Unterschiede, ist die Entdeckung, dass bestimmte HMA3 Genvarianten Cadmiummengen in Pflanzenblättern senken können, für die Forscher ein Durchbruch. Im nächsten Schritt wollen sie testen, ob auch Nutzpflanzen Variationen des Gens tragen, die zu weniger Cd in den Blättern und Samen führen.

Quellen:
Chao, D.-Y et al. (2012): Genome-Wide Association Studies Identify Heavy Metal ATPase3 as the Primary Determinant of Natural Variation in Leaf Cadmium in Arabidopsis thaliana. In: PLoS Genet 8(9): e1002923September 2012, DOI: doi:10.1371/journal.pgen.1002923.

Chao, D.-Y et al. | Pflanzenforschung.de
Weitere Informationen:
http://www.pflanzenforschung.de/journal/aktuelles/schwermetall-transportprotein-bestimmt-cadmiumgehalt-pflanzen?page=0,0&piwik_campaign

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Ökologie Umwelt- Naturschutz:

nachricht Das Schweigen der Hummeln
15.11.2017 | Karlsruher Institut für Technologie

nachricht Nachhaltige Wasseraufbereitung löst Algenprobleme
26.10.2017 | SCHOTT AG

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Ökologie Umwelt- Naturschutz >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Im Focus: Pflanzenvielfalt von Wäldern aus der Luft abbilden

Produktivität und Stabilität von Waldökosystemen hängen stark von der funktionalen Vielfalt der Pflanzengemeinschaften ab. UZH-Forschenden gelang es, die Pflanzenvielfalt von Wäldern durch Fernerkundung mit Flugzeugen in verschiedenen Massstäben zu messen und zu kartieren – von einzelnen Bäumen bis hin zu ganzen Artengemeinschaften. Die neue Methode ebnet den Weg, um zukünftig die globale Pflanzendiversität aus der Luft und aus dem All zu überwachen.

Ökologische Studien zeigen, dass die Pflanzenvielfalt zentral ist für das Funktionieren von Ökosys-temen. Wälder mit einer höheren funktionalen Vielfalt –...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

Roboter für ein gesundes Altern: „European Robotics Week 2017“ an der Frankfurt UAS

17.11.2017 | Veranstaltungen

Börse für Zukunftstechnologien – Leichtbautag Stade bringt Unternehmen branchenübergreifend zusammen

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungsnachrichten

IHP präsentiert sich auf der productronica 2017

17.11.2017 | Messenachrichten

Roboter schafft den Salto rückwärts

17.11.2017 | Innovative Produkte