Tolerantes Pflänzchen

News: Tolerantes Pflänzchen

Im Kampf um eng begrenzten Lebensraum haben viele Pflanzen besondere Eigenschaften entwickelt, um ihre Mitkonkurrenten auszustechen. Zu diesen Spezialisten zählen auch die Metallophyten, die im Gegensatz zu den empfindlichen Arten Schwermetalle aufnehmen und in ihren Geweben anreichern, ohne Schaden zu erleiden. Diese ungewöhnliche Toleranz ist beim Gösinger Täschelkraut offenbar auf bestimmte Gene zurückzuführen, die für Metallionen-Transportproteine codieren.

Ulrike Knoll

Schwermetalle wie Blei, Cadmium, Zink, Nickel und Kupfer stellen für die meisten Pflanzen in geringen Mengen ein wichtiges Lebenselexier dar. In größeren Konzentrationen rufen diese Elemente aber häufig toxische Wirkungen hervor, da ihre Ionen unwiderruflich mit den freien SH-Gruppen von Enzymen reagieren. Umso erstaunlicher ist es deshalb, dass manche Gewächse bestens auf schwermetallhaltigem Untergrund wie erzhaltigen Abraumhalden von Bergwerken oder auf natürlichen Serpentin-Böden gedeihen.

Über 350 dieser Spezialisten nehmen oftmals erhebliche Mengen der giftigen Substanzen auf, ohne sich dadurch Schaden zuzufügen. Zu diesen so genannten Hyperakkumulatoren gehört auch das Gösinger Täschelkraut (Thlaspi goesingense), das in den österreichischen Alpen vorkommt und in der Trockenmasse seines Gewebes ein Prozent Nickel anhäufen kann. Die Toleranz für Schwermetalle hilft den derartig angepassten Arten nicht nur, sich eine besondere Nische zu erobern, sondern verschafft ihnen vermutlich auch einen Vorteil im Kampf gegen pflanzenfressende Schädlinge.

Doch auf welchem Mechanismus beruht die Metalltoleranz? Schon längere Zeit ist bekannt, dass die Pflanzen die toxischen Verbindungen in einem besonderen Zellspeicher – der Vakuole – lagern. Aber wer ist für die Entgiftung im Einzelnen zuständig und befördert die schädlichen Elemente in den sicheren Aufbewahrungsort?

Um dieses Rätsel zu lösen, isolierten David Salt und seine Kollegen von der Purdue University aus der Erbsubstanz des Gösinger Täschelkrauts Gene, die für Proteine mit besonderen Kennzeichen codieren. Alle diese Eigenschaften sind charakteristisch für die Mitglieder der Kationen-Efflux-Familie (CE), die an dem Transport von Metallionen wie Nickel, Zink, Kobalt und Cadmium beteiligt sind. Aufgrund der Ähnlichkeit zu den CE-Proteinen galten die als TgMTPs (T. goesingense metal tolerance proteins) bezeichneten Proteine des Täschelkrauts als mögliche Kandidaten für den Schwermetalltransport in die Vakuole.

Im nächsten Schritt bauten die Wissenschaftler die entsprechenden Genabschnitte von T. goesingense in Hefezellen ein, denen bestimmte CE-Proteine fehlten und somit keine Schwermetalle in ihre Vakuole befördern konnten. Nach der genetischen Behandlung reagierten die Stämme jedoch nicht mehr empfindlich auf die giftigen Substanzen. Folglich hatten sie die Gene der metallresistenten Pflanze exprimiert, deren Proteine die Funktion der ausgefallenen Eiweißmoleküle übernahmen. Damit gelang es den Forschern nachzuweisen, dass die TgMTPs offenbar beim Entgiftungsprozesss eine entscheidende Rolle spielen.

Wie weitere Untersuchungen enthüllten, codiert eine einzige Gensequenz des Täschelkrauts für die zwei mutmaßlichen Schwermetall-Transportproteine TgMTP1t1 und TgMTP1t2, deren Aminosäuresequenzen sich nur leicht unterscheiden: Während TgMTP1t1 etwa in seiner Mitte eine histidinreiche Region aufweist, fehlt diese TgMTP1t2 vollständig. Anscheinend wirkt sich der abgewandelte Bauplan der Proteine auf deren Funktion aus: TgMTP1t1 machte die Zellen am wirksamsten gegen Cadmium, Kobalt und Zink unempfindlich, TgMTP1t2 hingegen verlieh den Zellen Toleranz gegenüber Nickel.

Die Forscher wollen nun den Genabschnitt, der dem Täschelkraut die Metallresistenz verleiht, in schnellwachsende, große Pflanzen wie beispielsweise Gräser einsetzen, die von Natur aus nur geringe Schwermetallkonzentrationen vertragen. So ließen sich womöglich gezielt Pflanzen herstellen, die verseuchte Böden kostengünstig entgiften können. Die existierenden Metallophyten wie Thlaspi goesingense eignen sich hingegen nicht für einen derartigen Sanierungseinsatz: Sie sind meist klein und produzieren zu wenig Biomasse, um dem Boden in absehbarer Zeit relevante Schwermetallmengen zu entziehen.