Schwermetall-Transportprotein bestimmt Cadmiumgehalt in Pflanzen

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.