Außergewöhnliche Leistungen in der Natur - BioQuant

Pflanzen als Bodensanierer
Max-Planck-Wissenschaftler und Forscher der Universität Heidelberg sind einem Gen
auf die Schliche gekommen, das bestimmten Pflanzen erlaubt, auf Schwermetallbelasteten Böden zu wachsen und zu deren Sanierung beizutragen
In der Evolution sind über Hunderte von Millionen Jahren immer wieder Pflanzenarten mit
neuen Eigenschaften entstanden, die es ihnen ermöglichten, neue, extreme Lebensräume zu
besiedeln. Nur so gewährleisten Pflanzen, die durch Photosynthese die Energie des
Sonnenlichtes in energiereiche chemische Verbindungen umwandeln, kontinuierlich Leben
auf der Erde. Was bildet die Grundlage solcher Innovationen? Wissenschaftler vom MaxPlanck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam, mittlerweile am Institut für
Pflanzenwissenschaften im BioQuant Zentrum der Universität Heidelberg, veröffentlichten
jetzt eine Studie, die einen wichtigen Beitrag leistet, diese Frage zu beantworten. (Nature, 15.
Mai 2008)
Die Forscher um Ute Krämer von der Universität Heidelberg haben dazu Pflanzen, die
entfernt mit Raps und Blumenkohl verwandt sind, untersucht und sie miteinander verglichen:
die Art Arabidopsis halleri, eine „Metallsammelpflanze“, die in Deutschland auf stark
Schwermetall-belasteten Böden vorkommt, und ihre Verwandte Arabidopsis thaliana, die
weder Metalle speichern kann, noch verunreinigte Böden akzeptiert.
Arabidopsis halleri lebt auf Böden, auf denen „normale“ Pflanzen innerhalb kürzester Zeit
absterben würden. Anstatt giftige Schwermetalle zu vermeiden, nimmt die Pflanze diese
verstärkt in die Wurzeln auf, leitet sie in die oberirdischen Pflanzenteile weiter und speichert
außergewöhnlich hohe Schwermetallkonzentrationen in den Blättern, in denen auch der
empfindliche Prozess der Photosynthese stattfindet. Damit kann sie einen wichtigen Beitrag
zur Sanierung von Böden leisten, die infolge von Bergbau oder militärischer Nutzung stark
verunreinigt sind. Sie ist in der Lage, sich trotz extremer Lebensbedingungen zu entwickeln
und dem Boden sogar Schwermetalle in großen Mengen zu entziehen.
Wird die Ausprägung eines einzigen Gens in der Pflanze künstlich verringert, geht nicht nur
die Metallspeicherfunktion vollständig verloren – fanden die Wissenschaftler jetzt heraus –,
auch die Metalltoleranz wird stark reduziert. Das Genprodukt ist ein Transportprotein in der
Zellmembran, das als Metallpumpe Zink- und Cadmiumionen aus bestimmten Zellen der
Wurzel hinaus transportiert und somit in die oberirdischen Pflanzenteile weiterleitet.
Ein sehr ähnliches Gen besitzt auch die nahe verwandte Art Arabidopsis thaliana, die weder
eine „Metallsammelpflanze“ noch Schwermetall-tolerant ist. Ein molekulargenetischer
Vergleich beider Pflanzenarten zeigte, dass die Metallspeicherfunktion abhängig ist von einer
stark erhöhten Ausprägung dieses Gens in Arabidopsis halleri. Diese wird bedingt durch die
Verstärkung der Steuereinheit dieses Gens (Promotors) und einer Verdreifachung der Kopien
dieses Gens in der Erbsubstanz.
„Die Aufklärung der molekularen Mechanismen der Metall-Hyperakkumulation hat
Modellcharakter für die Entwicklung von Technologien zur natürlichen Anreicherung von
Pflanzen mit Metallen wie Zink, das in mäßigen Mengen ein wichtiger Nährstoff für den
Menschen ist“, sagt Ute Krämer, die die Federführung des Projekts innehatte. „Es ist aber
auch wichtig für die Reinigung Schwermetall-verseuchter Böden mit Hilfe von Pflanzen.“
Ihre Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam
haben den überwiegenden Teil der Arbeiten durchgeführt. Seit dem vergangenen Jahr ist die
Arbeitsgruppe am Heidelberger Institut für Pflanzenwissenschaften im BioQuant-Gebäude,
dem neu eröffneten Zentrum für Systembiologie der Universität Heidelberg, tätig und wird
durch ein Heisenberg-Stipendium der DFG finanziert.
Die Publikation geht aus einer Zusammenarbeit hervor mit den Arbeitsgruppen von Detlef
Weigel am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen, Jürgen Kroymann am
Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena und Patrick Motte am Institut für
Lebenswissenschaften der Universität Lüttich in Belgien.
1
Neue Hoffnung für Schwermetall-belastete Böden
http://www.mpg.de/bilderBerichteDokumente/dokumentation/pressemitteilungen/2003/presse
mitteilung20031203/genPDF.pdf
Originalpublikation:
Marc Hanikenne, Ina N. Talke1, Michael J. Haydon, Christa Lanz, Andrea Nolte, Patrick
Motte, Jürgen Kroymann, Detlef Weigel & Ute Krämer
Evolution of metal hyperaccumulation required cis-regulatory changes and triplication of
HMA4
Nature, 15. Mai 2008; Online-Vorabveröffentlichung 20. April 2008
Weitere Informationen:
Dr. Ute Krämer
BIOQUANT, Universität Heidelberg
http://www.bot.uni-heidelberg.de/?u=ukraemer&l=e
Tel. +49 6221 5451-370
Fax +49 6221 5451-487
E-Mail: [email protected]