Das Gen für den Eisen-Tagebau

News: Das Gen für den Eisen-Tagebau

Das kleine Pflänzchen Arabidopsis thaliana - zu deutsch: Ackerschmalwand - kann selbst auf solchen Böden noch prächtig blühen, auf denen andere Pflanzen wegen des geringen Eisengehalts überhaupt nicht wachsen. Es ist in der Lage, das Element aus organischen Verbindungen im Boden aufzuschließen, die es nicht direkt aufnehmen kann. Wissenschaftler haben jetzt das Gen mit der Information für das entsprechende Protein isoliert. In Kulturpflanzen eingebracht könnte damit der Eisenmangel bei Menschen bekämpft werden. Immerhin leidet nach Schätzungen der Weltgesundheitsorganisation über die Hälfte der Erdbevölkerung daran.

Alle lebenden Organismen benötigen das chemische Element Eisen (Fe) als wesentlichen Bestandteil einer Reihe von Enzymen und anderer Proteine. Ohne Eisen können die nicht ihre biochemischen Aufgaben durchführen, die für das Überleben der Zelle essentiell sind. Während Tiere ihr Eisen aus der tierischen oder pflanzlichen Nahrung bekommen, müssen Pflanzen das Element aus dem Boden gewinnen. Dieser Umstand kann zu einem wirklichen Problem werden, denn nur ein geringer Anteil des Eisens liegt in einer direkt aufnahmefähigen Form vor. Größere Mengen sind chemisch als unlösliche Eisenoxide gebunden, und der Rest ist in Komplexen mit organischen Substanzen oder dem Humus im Boden gefangen und somit für die Pflanze unerreichbar. Die Zugabe von Eisen in Düngestoffen hat nur begrenzten Zweck, da auch dieses bald gebunden wird.

Nigel Robinson, seine Mitarbeiter von der Medical School der University of Newcastle upon Tyne in Großbritannien und Kollegen aus den USA gehen darum einen anderen Weg: Sie wollen die Aufnahme des Eisens durch die Pflanze verbessern (Nature vom 25. Februar 1999). Ihrer Ansicht nach lautet die Lösung für das Problem Eisen(III)-Reduktase. Dieses Enzym geben die Wurzeln von Arabidopsis thaliana beim Wachstum in eisenarmen Boden ab. Es reagiert mit organischen Komplexen des Eisen(III)-Ions (Fe³⁺) und reduziert das Eisen zum Eisen(II)-Ion (Fe²⁺). Dessen Komplexe mit organischem Material sind weniger stabil, so daß die Eisen(II)-Ionen in Lösung gehen und die Pflanze sie aufnehmen kann.

Um das Gen für die Eisen(III)-Reduktase zu finden, suchten die Forscher zunächst in Datenbanken mit der DNA-Sequenz der Ackerschmalwand nach Abschnitten, die den Genen von Reduktasen anderer Organismen ähneln. Außerdem stellten sie eine größere Anzahl von mutierten Arabidopsis-Pflänzchen her, von denen zwei ihre Fähigkeit zur verbesserten Eisenaufnahme verloren hatten. Indem die Wissenschaftler untersuchten, in welchen Bereichen die DNA dieser beiden Exemplare verändert war, konnten sie die Region eingrenzen, in der das Reduktase-Gen zu finden sein mußte. Die genaue Ortsbestimmung erfolgte dann über den Vergleich mit Sequenzen aus Reduktase-Genen anderer Organismen. Den endgültigen Nachweis, daß die isolierte DNA wirklich das Gen für die Eisen(III)-Reduktase trug, brachte schließlich der erfolgreiche Einbau des Gens in eine mutierte Pflanze, die daraufhin wieder aus eisenarmen Böden wachsen konnte.

Die Forscher entdeckten weiterhin, daß Arabidopsis sogar über mehrere verwandte Gene für Eisen(III)-Reduktasen verfügt. Nach ihrer Meinung trennen die Enzyme in den verschiedenen Gewebe der Pflanze die Eisenionen wieder vom organischen Material, mit dem sie von einem Ort zum anderen transportiert wurden. So befördert das Leitungssystem der Pflanzen zum Beispiel Nährstoffe von den Wurzeln in die Blätter. Anscheinend ist dort dann eine weitere Eisen-Reduktase notwendig, um das Eisen dort in die Zelle aufnehmen zu können.

Jedes künftige gentechnische Programm mit dem Ziel der Verbesserung des Pflanzenwachstums oder der Produktion eisenreicher Früchte muß deshalb die Aktivitäten aller Eisen(III)-Reduktasen berücksichtigen, die von der Pflanze eingesetzt werden. Es reicht offensichtlich nicht aus, sich nur um das erste Enzym zu kümmern, mit dem Eisen aus dem Boden gewonnen wird.

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