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 Energieträger: Biogene Reststoffe effizienter nutzen
29.03.2017 | Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT

nachricht Sauerstoffkrisen in der Adria sind nicht nur vom Menschen verursacht
28.03.2017 | Universität Wien

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: Quantenkommunikation: Wie man das Rauschen überlistet

Wie kann man Quanteninformation zuverlässig übertragen, wenn man in der Verbindungsleitung mit störendem Rauschen zu kämpfen hat? Uni Innsbruck und TU Wien präsentieren neue Lösungen.

Wir kommunizieren heute mit Hilfe von Funksignalen, wir schicken elektrische Impulse durch lange Leitungen – doch das könnte sich bald ändern. Derzeit wird...

Im Focus: Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope - „ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken

Das Institut für Halbleitertechnik und das Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, beide Mitglieder des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), der Technischen Universität Braunschweig, sind Partner des kürzlich gestarteten EU-Forschungsprojektes ChipScope. Ziel ist es, ein neues, extrem kleines Lichtmikroskop zu entwickeln. Damit soll das Innere lebender Zellen in Echtzeit beobachtet werden können. Sieben Institute in fünf europäischen Ländern beteiligen sich über die nächsten vier Jahre an diesem technologisch anspruchsvollen Projekt.

Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten des neu zu entwickelnden und nur wenige Millimeter großen Mikroskops sind äußerst vielfältig. Die Projektpartner haben...

Im Focus: A Challenging European Research Project to Develop New Tiny Microscopes

The Institute of Semiconductor Technology and the Institute of Physical and Theoretical Chemistry, both members of the Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), at Technische Universität Braunschweig are partners in a new European research project entitled ChipScope, which aims to develop a completely new and extremely small optical microscope capable of observing the interior of living cells in real time. A consortium of 7 partners from 5 countries will tackle this issue with very ambitious objectives during a four-year research program.

To demonstrate the usefulness of this new scientific tool, at the end of the project the developed chip-sized microscope will be used to observe in real-time...

Im Focus: Das anwachsende Ende der Ordnung

Physiker aus Konstanz weisen sogenannte Mermin-Wagner-Fluktuationen experimentell nach

Ein Kristall besteht aus perfekt angeordneten Teilchen, aus einer lückenlos symmetrischen Atomstruktur – dies besagt die klassische Definition aus der Physik....

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Industriearbeitskreis »Prozesskontrolle in der Lasermaterialbearbeitung ICPC« lädt nach Aachen ein

28.03.2017 | Veranstaltungen

Neue Methoden für zuverlässige Mikroelektronik: Internationale Experten treffen sich in Halle

28.03.2017 | Veranstaltungen

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Organisch-anorganische Heterostrukturen mit programmierbaren elektronischen Eigenschaften

29.03.2017 | Energie und Elektrotechnik

Klein bestimmt über groß?

29.03.2017 | Physik Astronomie

OLED-Produktionsanlage aus einer Hand

29.03.2017 | Messenachrichten