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 Von der Weser bis zur Nordsee: PLAWES erforscht Mikroplastik-Kontaminationen in Ökosystemen
20.09.2017 | Universität Bayreuth

nachricht Der Monsun und die Treibhausgase
18.09.2017 | Forschungszentrum Jülich

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: Die schnellste lichtgetriebene Stromquelle der Welt

Die Stromregelung ist eine der wichtigsten Komponenten moderner Elektronik, denn über schnell angesteuerte Elektronenströme werden Daten und Signale übertragen. Die Ansprüche an die Schnelligkeit der Datenübertragung wachsen dabei beständig. In eine ganz neue Dimension der schnellen Stromregelung sind nun Wissenschaftler der Lehrstühle für Laserphysik und Angewandte Physik an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) vorgedrungen. Ihnen ist es gelungen, im „Wundermaterial“ Graphen Elektronenströme innerhalb von einer Femtosekunde in die gewünschte Richtung zu lenken – eine Femtosekunde entspricht dabei dem millionsten Teil einer milliardstel Sekunde.

Der Trick: die Elektronen werden von einer einzigen Schwingung eines Lichtpulses angetrieben. Damit können sie den Vorgang um mehr als das Tausendfache im...

Im Focus: The fastest light-driven current source

Controlling electronic current is essential to modern electronics, as data and signals are transferred by streams of electrons which are controlled at high speed. Demands on transmission speeds are also increasing as technology develops. Scientists from the Chair of Laser Physics and the Chair of Applied Physics at Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) have succeeded in switching on a current with a desired direction in graphene using a single laser pulse within a femtosecond ¬¬ – a femtosecond corresponds to the millionth part of a billionth of a second. This is more than a thousand times faster compared to the most efficient transistors today.

Graphene is up to the job

Im Focus: LaserTAB: Effizientere und präzisere Kontakte dank Roboter-Kollaboration

Auf der diesjährigen productronica in München stellt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT das Laser-Based Tape-Automated Bonding, kurz LaserTAB, vor: Die Aachener Experten zeigen, wie sich dank neuer Optik und Roboter-Unterstützung Batteriezellen und Leistungselektronik effizienter und präziser als bisher lasermikroschweißen lassen.

Auf eine geschickte Kombination von Roboter-Einsatz, Laserscanner mit selbstentwickelter neuer Optik und Prozessüberwachung setzt das Fraunhofer ILT aus Aachen.

Im Focus: LaserTAB: More efficient and precise contacts thanks to human-robot collaboration

At the productronica trade fair in Munich this November, the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT will be presenting Laser-Based Tape-Automated Bonding, LaserTAB for short. The experts from Aachen will be demonstrating how new battery cells and power electronics can be micro-welded more efficiently and precisely than ever before thanks to new optics and robot support.

Fraunhofer ILT from Aachen relies on a clever combination of robotics and a laser scanner with new optics as well as process monitoring, which it has developed...

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Legionellen? Nein danke!

25.09.2017 | Veranstaltungen

Posterblitz und neue Planeten

25.09.2017 | Veranstaltungen

Hochschule Karlsruhe richtet internationale Konferenz mit Schwerpunkt Informatik aus

25.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Bakterielle Nano-Harpune funktioniert wie Power-Bohrer

26.09.2017 | Biowissenschaften Chemie

eTRANSAFE – ein Forschungsprojekt für mehr Sicherheit bei der Arzneimittelentwicklung

26.09.2017 | Biowissenschaften Chemie

Die schnellste lichtgetriebene Stromquelle der Welt

26.09.2017 | Physik Astronomie