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05.12.2003 – Als Folge von Bergbau, H�ttenindustrie oder milit�rischer Nutzung sind heute B�den in zahlreichen Regionen mit Schwermetallen verunreinigt. Sie beeintr�chtigen das Grundwasser, reichern sich in Nahrungsmitteln an oder dringen als Flugstaub in unsere Lungen ein. Schwermetall-belastete B�den zu sanieren ist daher von gro�em wirtschaftlichen wie gesundheitlichem Interesse. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut f�r Molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam und am Leibniz-Institut f�r Pflanzenbiochemie in Halle sind jetzt dem Verst�ndnis der molekularen Mechanismen ein gutes St�ck n�hergekommen, die es bestimmten Pflanzenarten erm�glichen, sich trotz Schwermetallbelastung zu entwickeln und dem Boden sogar Schwermetalle in gro�en Mengen zu entziehen.. Den Forschern ist es erstmals gelungen, das genetische Inventar zweier nah verwandter Pflanzenarten, des „Metallhyperakkumulators“ Arabidopsis halleri und der genetischen Modellpflanze Arabidopsis thaliana, global miteinander zu vergleichen und hierbei jene Proteine zu identifizieren, die an ihrem Metallstoffwechsel beteiligt sind. Dank dieser neuen Erkenntnisse �ber den Metallhaushalt k�nnen jetzt spezielle Technologien entwickelt werden, um belastete B�den durch den Anbau von Schwermetall-sammelnden Pflanzen zu sanieren (The Plant Journal, OnlineEarly, 4. Dezember 2003). Pflanzenforscher besch�ftigen sich seit Ende der 1980er Jahre intensiv mit so genannten Metallhyperakkumulatoren, also Pflanzen, die Metall-Ionen in gro�en Mengen in ihren Bl�ttern und Sprossen speichern k�nnen und eine bemerkenswerte Metalltoleranz aufweisen. Dieses Interesse entwickelte sich zeitgleich mit der Erkenntnis, dass Metall-Ionen in der Biologie generell eine wichtige Rolle spielen und eine Reihe von schweren Erkrankungen des Menschen, wie „Menke’s Disease“, „Wilson’s Disease“ oder die H�mochromatose, m�glicherweise aber auch Alzheimer und Prionenkrankheiten, auf einen gest�rten Metallhaushalt zur�ckzuf�hren sind. Denn alle Organismen sind mit demselben Dilemma konfrontiert: Metalle wie Kupfer, Zink, Eisen, Mangan oder Nickel sind in geringen Mengen lebensnotwendig. Wird ein solches Metall jedoch im �berschuss akkumuliert oder falsch verteilt, kann es zu schweren Sch�digungen des Organismus kommen. Daher besitzen alle Lebewesen ein eng gestricktes und streng reguliertes Netzwerk von Proteinen des Metallhaushaltes.
Bisherige Untersuchungen dieser Proteine zeigten �berraschend, dass sie in so unterschiedlichen Organismen, wie beim Menschen, in der B�ckerhefe oder in Pflanzen einander ziemlich �hneln. In Metallhyperakkumulator-Pflanzen wie Thlaspi caerulescens sind einzelne an der Metall-Speicherung beteiligte Proteine kaum von ihren Gegenst�cken in verwandten, aber nicht Metall-toleranten Pflanzenarten zu unterschieden, werden jedoch anders reguliert. Allerdings war es bislang nicht m�glich, einen globalen �berblick �ber das komplexe biochemische Netzwerk im Metallhaushalt dieser Pflanzen zu gewinnen. Dies hat sich nun mit den neuen Forschungsergebnissen �ber die Metallhyperakkumulator-Pflanze Arabidopsis halleri ge�ndert.
Die Pflanzenart Arabidopsis halleri kommt auf stark mit Cadmium und Zink belasteten B�den vor und ist nicht nur extrem schwermetalltolerant, sondern geh�rt auch zu den etwa 400 Pflanzenarten, die Schwermetalle in ihren Bl�ttern und Sprossen speichern. Diese Eigenschaften sind von gro�em technologischem Interesse, da sie f�r die kosteng�nstige und umweltfreundliche Reinigung schwermetallbelasteter B�den genutzt werden k�nnten. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut f�r Molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam und am Leibniz-Institut f�r Pflanzenbiochemie in Halle sind nun der Frage, welche Mechanismen der Metallhyperakkumulation und -toleranz auf der molekularen Ebene zugrunde liegen, im Detail nachgegangen. Dabei haben sie sich die enge Verwandtschaft der Metallhyperakkumulatorpflanze Arabidopsis halleri mit der genetischen Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand), deren Erbinformation vollst�ndig entschl�sselt ist, zunutze gemacht. Im Gegensatz zu A. halleri weist A. thaliana keinerlei Metalltoleranz auf, immobilisiert Metalle in den Wurzeln und transportiert diese Ionen nur in geringem Ausma� in ihre oberirdischen Pflanzenteile.
Der gegens�tzliche Metallhaushalt beider Pflanzenarten und ihre enge genetische Verwandtschaft erm�glichte es den Forschern, die Genbotschaften (Boten-RNA) beider Arten mit Hilfe kommerzieller Genchips von A. thaliana zu vergleichen. Diese Chips enthalten Sonden f�r etwa ein Drittel der im Genom von A. thaliana kodierten Genbotschaften. Dies erm�glichte den Wissenschaftlern, die Protein-Baupl�ne von verschiedenen Genen des Metallhaushaltes zu identifizieren, von denen einige in stark erh�hten Mengen in den Wurzeln, andere st�rker im Spross von A. halleri vorkommen.
Die Funktionen dieser Proteine spiegeln deutlich wider, welche besonderen Funktionen die Wurzeln und die Bl�tter in der Metallhyperakkumulation haben. Aufgabe der Wurzel ist es, die Metallionen zu entgiften und in den Spross weiterzuleiten. Die Bl�tter der Pflanze lagern vornehmlich gro�e Mengen an Metallionen ein und sind dadurch ma�geblich an der Entgiftung beteiligt. Von einigen der identifizierten Gene haben die Wissenschaftler die Funktion ihrer Genprodukte genauer untersucht und bestimmt. Bei anderen ergab sich ihre Funktion aus bereits vorhandenen Daten.
So kommen die Boten-RNAs f�r das Enzym Nicotianaminsynthase in der Wurzel von A. halleri sehr h�ufig vor. Diese Enzym katalysiert die Synthese des pflanzenspezifischen Metallchelatormolek�ls Nicotianamin, das Zink- und andere Metallionen durch Bildung einer Komplexverbindung entgiftet, aber beweglich h�lt. Wichtig sind in der Wurzel aber auch Membrantransportproteine, die f�r die Aufnahme in die Zelle bzw. f�r die Mobilit�t der Metallionen sorgen. Im Spross hingegen tauchen die Genbotschaften f�r ein anderes Isoenzym der Nicotianaminsynthase h�ufiger auf. Auch in diesem Fall konnten die Forscher nachweisen, dass dieses Enzym bei der Metallentgiftung mitwirkt. Dar�ber hinaus sind auch hier die Genbotschaften f�r verschiedene Membrantransportproteine au�erordentlich stark vertreten. F�r eines dieser Transportproteine wird eine Funktion in der Aufnahme von Zink in die Blattzellen angenommen. F�r zwei weitere Transportproteine wiesen die Forscher eine Beteiligung an der Entgiftung von Zinkionen in der Zelle nach. Die Forscher vermuten, dass diese Proteine den Transport der Metalle aus dem Cytoplasma in zellul�re Kompartimente mit weniger Stoffwechselaktivit�t, wie die pflanzliche Vakuole, vermitteln.
Auff�llig ist, dass alle diese Gene unter allen Bedingungen h�chst aktiv sind – unabh�ngig von der Metallkonzentration, der die Pflanzenwurzeln ausgesetzt sind. Dies deckt sich mit Beobachtungen, wonach Bl�tter von A. halleri, auch wenn die Pflanze auf B�den mit normalen Metallgehalten w�chst, im Vergleich zu anderen Pflanzen einen stark erh�hten Metallgehalt haben.
Im „post-genomischen“ Zeitalter stehen die Erbinformationen von immer mehr Organismen vollst�ndig zur Verf�gung. Dadurch wird es jetzt m�glich, auch nach den molekularen Grundlagen zu fragen, die es einzelnen Pflanzenarten erm�glichen, auf ganz bestimmten Standorten zu wachsen. „Mit dem auf diese Weise gewonnenen Wissen wird es einmal m�glich sein, die Pflanzenertr�ge auch in jenen Gebieten der Erde zu verbessern, die klimatisch weniger beg�nstigt sind als Mitteleuropa,“ meint Ute Kr�mer, Forschungsgruppenleiterin am Max-Planck-Institut f�r molekulare Pflanzenphysiologie. „Zu wissen, welche Faktoren die pflanzliche Metalltoleranz und -akkumulation beeinflussen, k�nnte wiederum dazu beitragen, den Gehalt an lebenswichtigen Spurenelementen wie Eisen oder Zink in pflanzlichen Nahrungsmitteln zu verbessern oder den Anteil sch�dlicher Metalle wie Cadmium zu verringern. Wenn es gelingt, die F�higkeit zur Metallhyperakkumulation auf Pflanzen mit hoher Biomasseproduktion wie den Raps zu �bertragen, k�nnten k�nftig Metall-belastete B�den durch den ihren Anbau saniert werden.“
Quelle: Max-Planck-Institut f�r molekulare Pflanzenphysiologie