Ein Antioxidans spielt eine entscheidende Rolle für bestimmte Pflanzen, die auf Schwermetall reichen Böden wachsen. Dies haben Wissenschaftler amerikanischen Purdue Universität herausgefunden. Während der verseuchte Untergrund typischerweise andere Arten absterben lässt, überleben diese Pflanzen dank ihrer zellschützenden Substanzen.
Die in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Plant Cell veröffentlichte Studie liefert wichtige neue Einsichten in die Pflanzenentwicklung, die zur Sanierung verseuchter Standorte angewendet werden könnten. Außerdem beantwortet die Arbeit die fundamentale Frage, wie bestimmte Pflanzenarten hochtoxische Schwermetallkonzentrationen überleben. “Wir konnten zum ersten Mal eindeutig feststellen, dass Pflanzen, die hohe Konzentrationen des Antioxidans Gluthation produzieren und anreichern, deutlich toleranter gegenüber Nickel sind“, erklärt David Salt, Professor für Pflanzenphysiologie an der Purdue Universität.
Das Verständnis des Mechanismus hinter dieser Nickel-Toleranz gibt den Forschern ein Werkzeug an die Hand, um Pflanzen zu entwickeln, die gezielt giftige Metalle aus der Umwelt binden und entfernen können, ein Prozess, der auch als Phytoremediation bezeichnet wird. „Eine Haupthürde auf dem Weg zu einer maßgeschneiderten Schadstoff akkumulierenden Pflanze ist die Giftigkeit”, erklärt John Freemann, ein Kollege von Salt. „Die Pflanze muss die Metalltoxizität tolerieren können.“
Während vorherige Forschungen zwar bereits gezeigt hatten, wo das Metall in den Pflanzenzellen angereichert wird, haben Salt und seine Kollegen erstmals belegt, wie die Pflanzen sich dabei vor den schädlichen Auswirkungen dieser Metallkonzentrationen schützen können. Gluthation, ein verbreitetes Antioxidans, spielt nach Ansicht von Salt offensichtlich eine entscheidende Rolle bei der Minimierung oxidativen Stresses und Schäden durch die hochreaktiven Verbindungen.
Pflanzen brauchen Nickel in Spuren für bestimmte Stoffwechselprozesse, aber in höheren Konznetrationen kann das Metall Membranen und andere Zellkomponenten beschädigen. Im Gegensatz zu normalen Pflanzen speichern hyperakkumulierende Pflanzen offenbar das Nickel in einem bestimmten Zellkompartiment, der Vakuole. Eingeschlossen in diesem Hohlraum können die Metalle andere Zellebestandteile nicht erreichen und daher auch nicht beschädigen.
Um allerdings erst einmal in die Vakuole hinein zu gelangen, muss das Nickel durch die Zelle transportiert werden. Salt und seine Kollegen wollten daher wissen, wie dies geschieht, ohne die empfindlichen biochemischen Vorgänge der Zelle dabei zu stören. Sie untersuchten eine Reihe eng verwandter Pflanzen, die auf natürlicherweise Nickel reichen Böden wachsen. Sie variierten von solchen, die kein Nickel anreichern bis zu den Hyperakkumulatoren, die bis zu drei Prozent ihres Gesamtgewichts an Metall anreichern konnten.
Die Wissenschaftler stellten fest, dass die Konzentration von Gluthation mit der Akkumulationsfähigkeit der Pflanzen korrelierte. „Diese Korrelation macht Sinn“, erklärt Salt. „Wenn man eine Menge Nickel anreichert, braucht man auch die Fähigkeit, den oxidativen Stress auszuhalten.“
Um zu testen, ob hier auch ein ursächlicher Zusammenhang besteht, isolierten die Forscher ein Gen namens SAT, das die Produktion von Gluthation steuert. Sie implantierten es einer Arabidopsis-Art, die normalerweise kein Nickel toleriert und stellten fest, dass sich die Toleranz dadurch signifikant erhöhte. Die Pflanzen gediehen auch auf verseuchten Böden und zeigten keinerlei Hinweise auf Membranschäden. „Das bestätigt, dass Gluthation tatsächlich für die Nickeltoleranz verantwortlich ist“, erklärt Salt. Die Ergebnisse sollen jetzt genutzt werden, um an der Entwicklung toleranter Pflanzenarten zu arbeiten.
(Purdue Universität, 03.09.2004 – NPO)
