Ein Satz Proteine gegen Schwermetalle

Forschern der Max-Planck-Gesellschaft ist es gelungen, den Proteinsatz zu vergleichen, der der Schwermetall-toleranten Pflanze Arapidopsis halleri die Fähigkeit verleiht, Zink- und andere Ionen aus dem Boden aufzunehmen.

So entgiftet die Wurzel die Metallionen und leitet sie in den Spross, die Blätter lagern sie ein. Dementsprechend ist auch die Menge der dafür zuständigen Enzyme unterschiedlich. Dies gelang, indem sie A. halleri mit der nah verwandten Modellpflanze A. thaliana verglichen: Die Menge der Proteine wurde indirekt über den Spiegel der mRNA verglichen. Von einigen der so 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 für das Enzym Nicotianaminsynthase in der Wurzel von A. halleri sehr häufig vor. Diese Enzym katalysiert die Synthese des pflanzenspezifischen Metallchelatormoleküls Nicotianamin, das Zink- und andere Metallionen durch Bildung einer Komplexverbindung entgiftet, aber beweglich hält. Wichtig sind in der Wurzel aber auch Membrantransportproteine, die für die Aufnahme in die Zelle bzw. für die Mobilität der Metallionen sorgen.

Im Spross hingegen tauchen die Genbotschaften für ein anderes Isoenzym der Nicotianaminsynthase häufiger auf. Auch in diesem Fall konnten die Forscher nachweisen, dass dieses Enzym bei der Metallentgiftung mitwirkt. Darüber hinaus sind auch hier die Genbotschaften für verschiedene Membrantransportproteine außerordentlich stark vertreten. Für eines dieser Transportproteine wird eine Funktion in der Aufnahme von Zink in die Blattzellen angenommen.

Für 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 zelluläre Kompartimente mit weniger Stoffwechselaktivität, wie die pflanzliche Vakuole, vermitteln.

Auffällig ist, dass alle diese Gene unter allen Bedingungen höchst aktiv sind – unabhängig von der Metallkonzentration, der die Pflanzenwurzeln ausgesetzt sind. Dies deckt sich mit Beobachtungen, wonach Blätter von A. halleri, auch wenn die Pflanze auf Böden mit normalen Metallgehalten wächst, im Vergleich zu anderen Pflanzen einen stark erhöhten Metallgehalt haben.

Dank dieser neuen Erkenntnisse über den Metallhaushalt können jetzt spezielle Technologien entwickelt werden, um belastete Böden durch den Anbau von Schwermetall-sammelnden Pflanzen zu sanieren.

“Mit dem auf diese Weise gewonnenen Wissen wird es einmal möglich sein, die Pflanzenerträge auch in jenen Gebieten der Erde zu verbessern, die klimatisch weniger begünstigt sind als Mitteleuropa,” meint Ute Krämer, Forschungsgruppenleiterin am Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie. “Zu wissen, welche Faktoren die pflanzliche Metalltoleranz und -akkumulation beeinflussen, könnte wiederum dazu beitragen, den Gehalt an lebenswichtigen Spurenelementen wie Eisen oder Zink in pflanzlichen Nahrungsmitteln zu verbessern oder den Anteil schädlicher Metalle wie Cadmium zu verringern.”

Wenn es gelinge, die Fähigkeit zur Metallhyperakkumulation auf Pflanzen mit hoher Biomasseproduktion wie den Raps zu übertragen, “könnten künftig Metall-belastete Böden durch den ihren Anbau saniert werden.”

Die Pflanzenart Arabidopsis halleri kommt auf stark mit Cadmium und Zink belasteten Böden vor und ist nicht nur extrem schwermetalltolerant, sondern gehört auch zu den etwa 400 Pflanzenarten, die Schwermetalle in ihren Blättern und Sprossen speichern. Diese Eigenschaften sind von großem technologischem Interesse, da sie für die kostengünstige und umweltfreundliche Reinigung schwermetallbelasteter Böden genutzt werden könnten.

Im Gegensatz zu A. halleri weist A. thaliana keinerlei Metalltoleranz auf, immobilisiert Metalle in den Wurzeln und transportiert diese Ionen nur in geringem Ausmaß in ihre oberirdischen Pflanzenteile. Der gegensätzliche Metallhaushalt beider Pflanzenarten und ihre enge genetische Verwandtschaft ermöglichte es den Forschern, die mRNA beider Arten mit Hilfe kommerzieller Genchips von A. thaliana zu vergleichen.

Diese Chips enthalten Sonden für etwa ein Drittel der im Genom von A. thaliana kodierten Genbotschaften. Dies ermöglichte den Wissenschaftlern, die Protein-Baupläne von verschiedenen Genen des Metallhaushaltes zu identifizieren, von denen einige in stark erhöhten Mengen in den Wurzeln, andere stärker im Spross von A. halleri vorkommen.

Quelle: www.3sat.de/nano/ :-e