Schwermetalle in Pflanzen Schwermetalle in Pflanzen

Schwermetalle in Pflanzen
General pathway of metal ion uptake
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Schwermetalle in Pflanzen
Response mechanisms
1. Restriction of metal ion movement to
roots by mycorrhizas
2. Binding to cell wall and root exudates
3. Reduced influx across plasma
membrane
4. Active efflux into apoplast
5. Chelations in cytosol by various
ligands
6. Repair and protection of plasma
membrane under stress cconditions
7. Transport of PC-Cd complex into the
vacuole
8. Transport and accumulation of metal
ions in vacuole
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Types of metalliferous soils

serpentine soil:
- vulcanic origin
- low in N, P, K
- high in heavy metals (e.g. Ni)
- < 45% SiO2, >18% MgO, FeO
( basic soil / high pH)

seleniferous soil:
- High Se-content
 inserted into plants instead of S, toxic to livestock

calamine soil:
- calamine = ZnCO3
- former mining areas

Co/Cu-rich soil
Viola calaminaria (Galmeiveilchen)
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Unrestricted uptake
The exuded latex of the tree S. acuminata
contains 25% Ni (dry mass). The whole tree
contains ~37 kg Ni.
Schwermetallentgiftung durch Kompartimentierung
- aktiver Transportprozess gegen Konzentrationsgradienten: Membrantransporter (Überexpression)
- sehr wirksame Entgiftung, da Vakuole keine zu hemmenden Enzyme enthält
- spart den Aufwand der Synthese von starken Liganden wie Phytochelatinen
- wichtigster Mechanismus in Hyperakkumulatoren
- Einlagerung bevorzugt in weniger sensitive Gewebe, z.B. Epidermis statt Mesophyll mit Photosynthese
- Eingelagerte Metallionen in der Regel nicht essentiell
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Schwermetalle in Pflanzen
Hyperakkumulation als Verteidigungsstrategie?
→ der Cd/Zn/Ni Hyperakkumulator Thlaspi caerulescens (Gebirgstäschelkraut)
bis zu 10 g Zn, 0.1 g Cd, and 1 g Ni per kg dry weight
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Schwermetalle in Pflanzen
Hyperakkumulation als Verteidigungsstrategie?
→ der Cd/Zn/Ni Hyperakkumulator Thlaspi caerulescens (Gebirgstäschelkraut)
bis zu 10 g Zn, 0.1 g Cd, and 1 g Ni per kg dry weight
Metal Hyperaccumulation Armors Plants against Disease
Fones H (Fones, Helen)1, Davis CAR (Davis, Calum A. R.)1,
Rico A (Rico, Arantza)1, Fang F (Fang, Fang)1, Smith JAC
(Smith, J. Andrew C.)1, Preston GM (Preston, Gail M.)1
PLOS PATHOGENS Volume: 6
Published: SEP 2010
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Low molecular weight chelators
Ni-Hyperakkumulation
Larger "chelators" / storage molecules
+ Cd2+
Phytochelatins
Metallothioneins
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Hyperaccumulating plants
Alyssum montanum
(Berg-Steinkraut)
NiII(His)2 Komplex
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Phytoremediation / Phytomining
→ Sanierung belasteter Böden mit hyperakkumulierenden Pflanzen
Abraumhalde: zu giftig für normale Pflanzen
Extraktion des Metalls mit Hyperakkumulatoren.
Durch den hohen Bioakkumulationskoeffizienten
der hyperakkumulierenden Pflanze ist das Metall
hiernach in einem viel kleineren Volumen
konzentriert. Die Pflanzen werden geernted und
verbrannt, die Asche wird entweder deponiert
oder zur Metallgewinnung eingesetzt.
Die gleiche Halde nach der "grünen"
Bodensanierung: normales Pflanzenwachstum
ist wieder möglich
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Schwermetalle in Pflanzen
Phytoremediation / Phytomining
→ "Tagebau" mit hyperakkumulierenden Pflanzen
Vegetation auf natürlich Ni-reichem Boden
(Serpentin). Solch ein Boden ist weder für
die Landwirtschaft ([NiII] zu hoch) noch für
die konventionelle Erzgewinnung tauglich
([NiII] zu niedrig).
Ni-Hyperakkumulatoren können 10-20% ihrer
Trockenmasse an Nickel anreichern, so dass sie
als "Bioerz" genutzt werden können.
Solch eine "Pflanzenmine" könnte ca. 170 kg
Nickel pro Hektar und Jahr produzieren. Beim
derzeitigen Nickelpreis von 17 € /kg sind das
etwa 3000 €/ha.
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Phytochelatins (PCs)
Plant metallothioneins (MTs)
→ cysteine-rich peptides
→ plants, some animals, some microorganisms
→ enzymatically synthesized peptides (PC synthase)
(-EC)nG (n=2-5)
→ early classification:
class III MT
present classification: phytochelatins
→ heavy metal inducible (metal blocked GSH as
substrate for PC biosynthesis), heavy metal binding
→ essential for heavy metal detoxification (CdII, AsV)
→ partial incorporation of sulfide
→ metal-PC complexes sequestered to vacuole
→ proposed: metal homeostasis, Fe or S metabolism
→ cysteine-rich small proteins
→ MTs: nearly all species
→ gene encoded
→ class II MT (wheat), MT-like
family 15 MTs (p1, p2, p3, pec, p2v, p21)
→ sometimes metal inducible and by other
stresses
→ function ???
(diversity of MT types suggests
diversity of functions)
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Phytochelatine: Biosynthesis
Cd2+
X
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