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Pflanzen als Bodensanierer

Ein Gen erlaubt es Pflanzen, Schwermetall zu tolerieren und zu speichern

Die Pflanze Arabidopsis halleri reichert Schwermetalle wie Zink in ihren Blättern an © Patrick Motte, Universität Lüttich

Max-Planck-Wissenschaftler und Forscher der Universität Heidelberg sind einem Gen auf die Schliche gekommen, das bestimmten Pflanzen erlaubt, auf Schwermetall-belasteten 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 Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam veröffentlichten jetzt eine Studie im Fachmagazin „Nature“, die einen wichtigen Beitrag leistet, diese Frage zu beantworten.

„Metallsammler“ untersucht

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.

Ein einziges Gen verantwortlich

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.

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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 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. An der Forschung beteiligt waren außerdem die 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.

(MPG, 13.05.2008 – NPO)

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