Schwermetalle in Pflanzen

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1 General pathway of metal ion uptake AC-V, HS 2014, E. Freisinger 59 Response mechanisms 1. Restriction of metal ion movement to roots by mycorrhizas 2. Binding to cell wall and root exudates 3. Reduced influx across plasma membrane 4. Active efflux into apoplast 5. Chelations in cytosol by various ligands 6. Repair and protection of plasma membrane under stress cconditions 7. Transport of PC-Cd complex into the vacuole 8. Transport and accumulation of metal ions in vacuole AC-V, HS 2014, E. Freisinger 60

2 Types of metalliferous soils serpentine soil: - vulcanic origin - low in N, P, K - high in heavy metals (e.g. Ni) -< 45% SiO 2, >18% MgO, FeO ( basic soil / high ph) seleniferous soil: - High Se-content inserted into plants instead of S, toxic to livestock calamine soil: - calamine = ZnCO 3 - former mining areas Co/Cu-rich soil Viola calaminaria (Galmeiveilchen) AC-V, HS 2014, E. Freisinger 61 Unrestricted uptake The exuded latex of the tree S. acuminata contains 25% Ni (dry mass). The whole tree contains ~37 kg Ni. Schwermetallentgiftung durch Kompartimentierung - aktiver Transportprozess gegen Konzentrationsgradienten: Membrantransporter (Überexpression) - sehr wirksame Entgiftung, da Vakuole keine zu hemmenden Enzyme enthält - spart den Aufwand der Synthese von starken Liganden wie Phytochelatinen - wichtigster Mechanismus in Hyperakkumulatoren - Einlagerung bevorzugt in weniger sensitive Gewebe, z.b. Epidermis statt Mesophyll mit Photosynthese - Eingelagerte Metallionen in der Regel nicht essentiell AC-V, HS 2014, E. Freisinger 62

3 Hyperakkumulation als Verteidigungsstrategie? der Cd/Zn/Ni Hyperakkumulator Thlaspi caerulescens (Gebirgstäschelkraut) bis zu 10 g Zn, 0.1 g Cd, and 1 g Ni per kg dry weight AC-V, HS 2014, E. Freisinger 63 Hyperakkumulation als Verteidigungsstrategie? der Cd/Zn/Ni Hyperakkumulator Thlaspi caerulescens (Gebirgstäschelkraut) bis zu 10 g Zn, 0.1 g Cd, and 1 g Ni per kg dry weight Metal Hyperaccumulation Armors Plants against Disease Fones H (Fones, Helen) 1, Davis CAR (Davis, Calum A. R.) 1, Rico A (Rico, Arantza) 1, Fang F (Fang, Fang) 1, Smith JAC (Smith, J. Andrew C.) 1, Preston GM (Preston, Gail M.) 1 PLOS PATHOGENS Volume: 6 Published: SEP 2010 AC-V, HS 2014, E. Freisinger 64

4 Low molecular weight chelators Ni-Hyperakkumulation Larger "chelators" / storage molecules + Cd 2+ Phytochelatins Metallothioneins AC-V, HS 2014, E. Freisinger 65 Hyperaccumulating plants Alyssum montanum (Berg-Steinkraut) Ni II (His) 2 Komplex AC-V, HS 2014, E. Freisinger 66

5 Phytoremediation / Phytomining Sanierung belasteter Böden mit hyperakkumulierenden Pflanzen Abraumhalde: zu giftig für normale Pflanzen Extraktion des Metalls mit Hyperakkumulatoren. Durch den hohen Bioakkumulationskoeffizienten der hyperakkumulierenden Pflanze ist das Metall hiernach in einem viel kleineren Volumen konzentriert. Die Pflanzen werden geernted und verbrannt, die Asche wird entweder deponiert oder zur Metallgewinnung eingesetzt. Die gleiche Halde nach der "grünen" Bodensanierung: normales Pflanzenwachstum ist wieder möglich AC-V, HS 2014, E. Freisinger 67 Phytoremediation / Phytomining "Tagebau" mit hyperakkumulierenden Pflanzen Vegetation auf natürlich Ni-reichem Boden (Serpentin). Solch ein Boden ist weder für die Landwirtschaft ([Ni II ] zu hoch) noch für die konventionelle Erzgewinnung tauglich ([Ni II ] zu niedrig). Ni-Hyperakkumulatoren können 10-20% ihrer Trockenmasse an Nickel anreichern, so dass sie als "Bioerz" genutzt werden können. Solch eine "Pflanzenmine" könnte ca. 170 kg Nickel pro Hektar und Jahr produzieren. Beim derzeitigen Nickelpreis von 17 /kg sind das etwa 3000 /ha. AC-V, HS 2014, E. Freisinger 68

6 Phytochelatins (PCs) Plant metallothioneins (MTs) cysteine-rich peptides plants, some animals, some microorganisms enzymatically synthesized peptides (PC synthase) ( -EC) n G (n=2-5) early classification: class III MT present classification: phytochelatins heavy metal inducible (metal blocked GSH as substrate for PC biosynthesis), heavy metal binding essential for heavy metal detoxification (Cd II,As V ) partial incorporation of sulfide metal-pc complexes sequestered to vacuole proposed: metal homeostasis, Fe or S metabolism cysteine-rich small proteins MTs: nearly all species gene encoded class II MT (wheat), MT-like family 15 MTs (p1, p2, p3, pec, p2v, p21) sometimes metal inducible and by other stresses function??? (diversity of MT types suggests diversity of functions) AC-V, HS 2014, E. Freisinger 69 Phytochelatine: Biosynthesis Cd 2+ X AC-V, HS 2014, E. Freisinger 70