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Pflanzen gegen arsenbelastete Böden

pressemitteilung vom 15. November 2010

Zwei Gene, die die Akkumulation und  Entgiftung von Arsen in pflanzlichen Zellen kontrollieren, sind identifiziert worden. Dies ist das Ergebnis einer umfangreichen internationalen Zusammenarbeit, an welcher Labore aus der Schweiz, Südkorea und den Vereinigten Staaten sowie Mitglieder des nationalen Forschungsschwerpunkts (NCCR) Plant Survival beteiligt sind. Diese Entdeckung eröffnet vielversprechende Perspektiven, nicht nur hinsichtlich der Reduktion der Anreicherung Arsens in Kulturen in Regionen von Asien, die durch dieses toxische Metalloid stark belastet sind, sondern auch für die Sanierung von durch Schwermetall verschmutzten Böden. Sie wird diese Woche in der renommierten Zeitschrift PNAS* veröffentlicht.

Das Gewinnen von Grundwasser aus tiefen Gesteinsschichten in Südost-Asien sowie der Bergbau in China, Thailand oder den Vereinigten Staaten, haben dazu geführt, dass in vielen Gebieten der Arsengehalt des Wassers die von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) empfohlene Konzentration von 10 μg/L übersteigt. Bei Überschreitung dieses Grenzwerts, können gesundheitliche Probleme auftreten. Die Bevölkerung ist dieser Gefahr ausgesetzt, wenn sie kontaminiertes Wasser trinkt oder sich von Getreide ernährt, das auf arsenverschmutzten Böden kultiviert wurde. Von diesem Problem sind Menschen in der Grössenordnung einer zweistelligen Millionenzahl  betroffen. Eine jahrelange Exposition dieses giftigen Halbmetalls kann den Magen-Darmtrakt, die Nieren, Leber, Lungen und die Haut angreifen. Allein für Bangladesch wird angenommen, dass rund 25 Millionen Menschen Wasser trinken, das mehr als 50 μg/L Arsen enthält, wovon zwei Millionen riskieren, an einer durch dieses toxische Element verursachten Krebserkrankung zu sterben.

Toxische Metalle finden über Pflanzen Eingang in die Nahrungskette. So wird zum Beispiel Arsen in Reiskörnern gespeichert, was in den von diesem giftigen Metalloid verseuchten Regionen eine Gefahr für die Bevölkerung darstellt, da ihre Ernährung zu einem grossen Teil von diesem Getreide abhängt.

Im Boden vorhandenes Arsen aber auch Cadmium wird von Pflanzen aufgenommen und in bestimmten Zellkompartimenten, den sogenannten Vakuolen, gespeichert. Im Zellinnern wird der Transport von Arsen und seine anschliessende Akkumulation und Entgiftung in den Vakuolen von einer Kategorie von Peptiden - den Phytochelatinen - gewährleistet, die die Eigenschaft besitzen, giftige Metalloide zu binden. Bildlich gesprochen kann man sich einen Lastwagen vorstellen, an den ein Anhänger angehängt wird. Am Ende dieses Prozesses wird der «Lastwagens» mit «Anhänger» in den Vakuolen gespeichert.

«Da nun die Gene identifiziert wurden, die für den Transport und die Speicherung dieser Phytochelatin-Metalloid-Komplexe verantwortlich sind, haben wir Zugriff auf ein bis anhin fehlendes Glied der Entgiftung von giftigen Schwermetallen und Metalloiden , das von der wissenschaftlichen Gemeinschaft seit mehr als 25 Jahren gesucht wurde», erklärt Enrico Martinoia, Professor für Pflanzenphysiologie an der Universität Zürich. Die Experimente, die an der Modellpflanze Arabidopsis durchgeführt wurden, können leicht auf die meisten Pflanzen wie z.B. Reis übertragen werden.

Enrico Martinoia ist einer der Leiter dieser Forschungsarbeit an der auch die Labors der koreanischen Professorin Youngsook Lee von der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) und Julian Schroeder, Professor für Biologie an der University of California in San Diego (UCSD) beteiligt sind. Zusammen mit Stefan Hörtensteiner, ebenfalls von der Universität Zürich, und Doris Rentsch von der Universität Bern, zählt er auch zu den drei Mitgliedern des NCCR Plant Survival, die den in der PNAS erschienenen Artikel verfasst haben.

Die Kontrolle dieser Gene dürfte es nun ermöglichen, Pflanzen zu entwickeln, die fähig sind, den Transfer giftiger Metalle von der Wurzel bis in die Blätter und die Samen zu unterdrücken, und folglich den Eintritt von Arsen in die Nahrungskette zu begrenzen. «Indem wird uns auf diese Gene konzentrieren», präzisiert Youngsook Lee, «können wir vermeiden, dass sich Schwermetalle in essbaren Pflanzenteilen wie den Körnern oder Früchten anreichern.»

Gleichzeitig haben die Forscher eine Methode entdeckt, wie Pflanzen produziert werden können, die mehr giftige Schwermetalle aufnehmen und speichern könnten, und die sich zur Entgiftung von verschmutzten Böden verwenden liessen. Diese Pflanzen würden anschliessend in Hochöfen verbrannt, um die toxische Elemente zu eliminieren.

kontakt

Prof. Enrico Martinoia
Universität Zürich

Tel. : +41 44 634 8222
enrico.martinoia@botinst.uzh.ch