Nährstoffversorgung der Pflanze

Transkript

1 Nährstoffversorgung der Pflanze II: Sh Schwermetalle tll als Mikronährstoffe tff & Schadstoffe Shdtff Schwermetall-Hyperakkumulation im Wilden Westen modified from: Vorlesung von Hendrik Küpper im Kompaktkurs Pflanzenphysiologie 2012

2 Schwermetall-Mangel als globales Problem der Landwirtschaft grün = moderater Zinkmangel; rot = starker Zinkmangel Aus: Alloway BJ Zinc the vital micronutrient for healthy, high-value crops. Brussels, Belgium: International Zinc Association.

3 Die Dosis macht das Gift - auch bei Schwermetallen!

4 Metalle in photosynthetischen Proteinen Mg 2+ Fe 3+/2+ FNR Antenna Chl-protein complexes, main protein: LHCII 4 h ν Chl Chl excitation energy transfer Chl P680* Phe Fe cyt tb 559, cyt c 550 Q A Q B PQ electron transport Cyt b6/f complex PC P680 Ca 2+ WSC 4 e - Cu +/2+ 2 H 2 O O H + Mn 3+/4+ P700* A0, A 1 F x F A, F B Fd 4 h ν Chl Chl Chl EET P700

5 Mechanismen der Metall-Aufnahme in Pflanzen: Aufnahme in die Wurzel und intrazelluläre Verteilung Beispiel: i Eisen- un Zink-Aufnahem in Brassicaceae root uptake intracellular distribution From: Colangelo EP Guerinot ML 2006 CurrOpinPlantBiol9: From: Colangelo EP, Guerinot ML, 2006, CurrOpinPlantBiol9: Hauptfamilien von Schwermetall-Transportproteinen: P 1B -typ ATPasen (im Menschen z.b. Menkes- und Wilson-Protein!) Cation diffusion facilitators (CDF-transporter) ZRT-/IRT-like proteins (ZIP-Transporter) Natural resistance associated Macrophage proteins (Nramp-Transporter)

6 Eisen Eisen an der Ozeanoberfläche (oben) und in 1000m Tiefe (unten) Von: www-paoc.mit.edu

7 Mechanismen der Eisenaufnahme in Pflanzen: Strategien der Eiseneffizienz Nicotianamin

8 Ausgewählte wichtige pflanzliche Enzyme mit Eisen im aktiven Zentrum Katalase SOD Cytochrom c Cyt b6f

9 Biochemie von Eisen in Eisenzymen Häm Wichtige Typen von Eisen- Schwefel- Clustern Von: dasher.wustl.edu Von:

10 Eisen-Schwefel-Cluster im PSIRZ Funktion des PSIRZ: Primäre Ladungstrennung: g special pair (=P700, Chl a / Chl a heterodimer), entässt e - zu A 0 via A (beide Chl a) e - Transport via A1 (phylloquinon) und die [4Fe4S]- Cluster F x, F A und F B zum [4Fe4S]-Cluster des Ferredoxins P700 wird Re-reduziert durch Plastocyanin -580 mv -520 mv -705 mv -800 mv mv +430 mv From: Nelson N, Yocum CF, 2006, AnnRevPlantBiol 57,

11 Symptome und Wirkungsmechanismen von Eisenmangel Von: Cannabis World.

12 Kupfer Allgemeines zu Kupfer Kupfer als essentieller Pflanzen-Nährstoff

13 Intrazellulärer Kupfertransport From: OHalloran TV, Culotta VC, 2000, JBC275, Charakterisierung Cu wird intrazellulär unter normalen (nicht-toxischen) Bedingungen so effizient von Chaperonen übernommen und in die Zielproteine geleitet, dass es fast kein freies (=nicht an spezifische Liganden sondern nur Wasser gebundenes) Kupfer in der Zelle gibt.

14 Ausgewählte wichtige pflanzliche Enzyme mit Kupfer im aktiven Zentrum Plastocyanin: Elektronentransport zu PSIRZ Multi-Kupfer-Oxidasen, z.b. Laccasen

15 Symptome und Wirkungsmechanismen von Kupfermangel

16 Mangan Allgemeines zu Mangan Mangan als essentieller Pflanzen-Nährstoff

17 Ausgewählte wichtige pflanzliche Enzyme mit Mangan im aktiven Zentrum Glutamin-Synthetase: th t Decamer mit 10 Reaktionszentren t an den Kontaktstellen t der Untereinheiten, Mangan als aktives Zentrum Mn-Cluster im wasserspaltenden Komplex des PSIIRZ

18 Nickel Allgemeines zu Nickel Nickel als essentieller Pflanzen-Nährstoff

19 Urease: Ein Enzym mit Nickel im aktiven Zentrum

20 Nickelmangel in Ni-Hyperakkumulatoren Shoot dry weight (g) (a) 14 Thlaspi goesingense Alyssum bertolonii Alyssum lesbiacum 1 ) Ni concentr ration (µg g -1 (b) Thlaspi goesingense Alyssum bertolonii Alyssum lesbiacum Ni added to the substrate (mg kg -1 ) Ni added to the substrate (mg kg -1 ) Alyssum lesbiacum Küpper H, Lombi E, Zhao FJ, Wieshammer G, McGrath SP (2001) J Exp Bot 52 (365),

21 Zink Allgemeines zu Zink Zink als essentieller Pflanzen-Nährstoff

22 Zinkeffizienz Aus: Hacisalihoglu G, Kochian, LV.How do some plants tolerate low levels of soil zinc? Aus: Hacisalihoglu G, Kochian, LV.How do some plants tolerate low levels of soil zinc? Mechanisms of zinc efficiency in crop plants. New Phytologist 159 (2),

23 Ausgewählte wichtige pflanzliche Enzyme mit Zink im aktiven Zentrum Carboanhydrase Zinkfinger-Motiv Tyrosin-Phosphatase

24 Umweltrelevanz von Schwermetall-Toxizität (II) Wo? Wodurch? Für Wen? Natürlicherweise auf schwermetallhaltigen Böden (Cu: z.b. in Zaire, Afrika; Zn/Cd: rel. häufig, auch in Mitteleuropa; Nickel: rel. häufig, Serpentinböden z.b. in Afrika, Australien, Nord- und Mittelamerika): Schwermetallkonzentrationen hoch genug für Toxizität gegen die meisten Organismen. Natürlicherweise in kupferhaltigen Bereichen der Ozeane (z.b. Sargasso-See): Kupferkonzentrationen im nanomolaren Bereich hemmen bereits empfindliche Cyanobakterien. Anthropogen wegen Einsatzes von Schwermetallsalzen (z.b. CuSO 4, z.b. Zn-Phosphid, Zn-Borat, oat, Zn-Fluosilikat): Konzentrationen o e im mikromolaren Bereich sind toxisch für viele Pflanzen, v.a. Wasserpflanzen in angrenzenden Gewässern Anthropogen durch Erz-Abbau und -Verhüttung, Konzentrationen in der Umgebung von Minen, Hütten und Abraumhalden können extrem hoch und für alle Organismen toxisch sein. Anthropogen in geringerem Umfang auch durch andere Industrien. Der Rhein enthielt in den 70er Jahren bis zu 0.5 µm Kupfer, was für empfindliche Wasserpflanzen wie Stratiotes, Ceratophyllum oder Elodea bei längerer Einwirkung letal ist.

25 Wirkungsmechanismen von Schwermetall-Toxizität und Resistenz-Mechanismen, die diese gezielt verhindern --> Hemmung der Wurzelfunktion --> direkte Hemmung der Photosynthese --> oxidativer Stress, entweder direkt durch die Schwermetall hervorgerufen oder durch die Fehlfunktion der Photosynthese induziert. --> Substitution von aktiven Zentren in Enzymen --> Hemmung der Atmung und anderer weniger sensitiver Prozesse

26 1. Hemmung der Wurzelfunktion Warum Wurzeln? Bei terrestrischen Pflanzen ist die Wurzel generell das erste Organ der Pflanze, das mit den Schwermetallen in Berührung kommt. Bei Schwermetallen mit relativ geringer Mobilität, z.b. Cu +, werden auch die höchsten Konzentrationen in der Wurzel erreicht Mechanismen Kompetition in der Aufnahme mit weniger verfügbaren essentiellen Spurenelementen, da z.t. von denselben Proteinen transportiert: umstritten da widersprüchliche Daten Vermutlich Hemmung von Transportproteinen Diverse relativ unspezifische Inhibierungen von cytoplasmatischen Enzymen Hemmung der Zellteilung (Wirkmechanismus unbekannt) Also Folge der Wurzeltoxizität sterben zunächst die Wurzelhaare und Wurzelspitzen ab

27 1. Hemmung der Wurzelfunktion: Resistenzmechanismen Strategien Verringerung der unspezifischen Durchlässigkeit der Wurzel für unerwünschte Schwermetalle: Expression von Peroxidasen verstärkt Lignifizierung Aktive (ATP-abhängige) Ausschleusung durch Efflux-Pumpen: Wurde für Cu in Silene vulgaris und für diverse Metalle in Bakterien gefunden.

28 2. Direkte Hemmung der Photosynthese 2.1. Angriffspunkte in den photosynthetischen Lichtreaktionen heavy metals Antenna Chl-protein complexes, main protein: LHCII 4 h ν Chl Chl excitation energy transfer Chl P680* Pheo P680 Q A Q B PQ electron transport FeS/ Rieske e PC P700* A0 A P700 Chl A 1 Chl E 4 WSC e- 2 H 2 O O H +

29 2.1. Der Mechanismus der Hemmung der photosynthetischen Lichtreaktionen ist in Chlorophyta lichtabhängig Schatten-Reaktion Bei geringer Lichtintensität mit einer Nachtphase ist der größte Teil der Antennenchlorophylle (v.a. LHCII) der MgSubstitution zugänglich. Werden dabei stabile Schwermetallchlorophylle p y wie z.b. Kupferchlorophyll gebildet, bleiben die Pflanzen auch nach ihrem Absterben grün. Sonnen-Reaktion In hoher Lichtintensität ist dagegen nur ein kl i A t il d h ll d kleiner Anteil der Chl Chlorophylle der M MgSubstitution zugänglich, statt dessen findet die Hemmung direkt im PSIIRC statt. Der größte Anteil der Chlorophylle bleicht im Zusammenhang mit der Zerstörung des Photosyntheseapparates aus. Küpper H, Küpper F, Spiller M (1998) Photosynthesis Research 58,

30 Warum sind Schwermetallchlorophylle untauglich zur Photosynthese? Instabiler S1-Zustand Blauverschobene Absorptionsbande des S1-Zustandes Wegen der vorgenannten Gründe wirken Schwermetallchlorophylle in einem Mg-Chlbasierten System als schwarze Löcher für Anregungsenergie nur wenige (3-10) Prozent des Gesamtchlorophylls müssen in Schwermetallchlorophyll umgewandelt werden, um komplette Hemmung der Photosynthese zu erreichen. Schwermetall-Chlorophylle haben eine geringere Tendenz als Mg-Chl, eine Ladungstrennung durchzuführen. Schwermetall-Chlorophylle binden, im Gegensatz zu Mg-Chl, axiale Liganden nur schwach (z.b. Zn-Chl) oder gar nicht (Cu-Chl)

31 3. Oxidativer Stress Bedeutung Umstritten: Studien mit geringen aber noch toxischen Schwermetall-Konzentrationen zeigen oft keinen oxidativen Stress Mechanismen Direkt: Katalysiert von redox-aktiven Metallionen (Fe 2+, Cu + ) werden aus Wasserstoffperoxid durch die Fenton-Reaktion reaktive Sauerstoff-Radikale: populärer aber in vivo höchstwahrscheinlich irrelevanter Mechanismus. Indirekt: Durch Fehlfunktion der Photosynthese und Atmungskette können reaktive Sauerstoff-Spezies Spezies entstehen. Deswegen kann auch bei in vivo redox-inerten Metallionen wie Zn 2+ und Cd 2+ oxidativer Stress auftreten. Vermutlich der Normalfall. Oxidativer Stress kann zur Oxidation von Lipiden in Membranen und somit zu deren Undichtigkeit führen. Populärer aber in seiner Bedeutung in vivo umstrittener Mechanismus.

32 Relevanz 4. Genotoxizität Hängt STARK vom Metall ab: NICHT relevant für Kupfer und Zink- Toxizität, weil andere Mechanismen (v.a. Photosynthese-Hemmung) VIEL effizienter sind SEHR relevant für Arsen, da effizient - andere Mechanismen hier wenig erforscht. Relevant für Cadmium, da ähnlich effizient wie Photosynthese-Inhibition Nicht sehr effizient für Blei, aber andere Mechanismen der Toxizität sind hier bei Pflanzen noch weniger effizient Pb- Toxizität für Pflanzen ist generell NICHT umweltrelevant! Hängt auch von der Pflanzenart ab! Poin nt mutations s: spots per plant From: Kovalchuk O, Titov V, Hohn B, Kovalchuk I, 2001, Nature Biotechnol. 19,

33 Alle Folien meiner Vorlesungen im Internet auf ILIAS und meiner AG-Homepage /FuF/Bio/kuepper/Homepage /AG_Kuepper_education.html (auch zu finden über Homepage der Biologie Arbeitsgruppen Küpper) weiterführende Literatur als pdf auf Anfrage Interesse an Biochemie&Biophysik der Pflanzen im allgemeinen, und/oder Metallstoffwechsel bekommen? Bei uns gibt s Bachelorplätze (zeitlich flexibel) und den Vertiefungskurs Bioanorganische Chemie & Biophysik von Pflanzen (2. Hälfte Sommersemester)