Nährstoffversorgung der Pflanze

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1 Nährstoffversorgung der Pflanze II: Schwermetalle als Mikronährstoffe & Schadstoffe Schwermetall-Hyperakkumulation im Wilden Westen modified from: Vorlesung von Hendrik Küpper im Kompaktkurs Pflanzenphysiologie 2013

2 Toxizität und Mangel von Metallen ein globales Problem für Landwirtschaft und Natur Cd-Emission in Flüsse in Europa 2007 Cd-Emission von Europa in den Nordost-Atlantik incl. Nordsee Globaler Zinkmangel Cd-Karte und Trend von (European Environment Agency) Zn-Karte von: Alloway BJ Zinc the vital micronutrient for healthy, high-value crops. Brussels, Belgium: International Zinc Association. green = moderate zinc deficiency; red = severe zinc deficiency

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 Kupfer Allgemeines zu Kupfer Kupfer als essentieller Pflanzen-Nährstoff

12 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.

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

14 Mangan Allgemeines zu Mangan Mangan als essentieller Pflanzen-Nährstoff

15 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

16 Nickel Allgemeines zu Nickel Nickel als essentieller Pflanzen-Nährstoff

17 Urease: Ein Enzym mit Nickel im aktiven Zentrum

18 Zink Allgemeines zu Zink Zink als essentieller Pflanzen-Nährstoff

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

20 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),

21 Schäden durch Metall-Mangel und Metall-Toxizität in Pflanzen --> Aufnahme nicht genügend möglich --> Störung der Genregulation ( z.b. Zn-Finger) --> Störung der Nährstoffaufnahme: kompetitiv oder nicht-kompetitiv hemmend --> Genotoxizität (verschiedene Mechanismen) --> Fehlen aktiver Zentren führt zu direkter Hemmung der Photosynthese --> Oxidativer Stress als Resultat einer Fehlfunktion der Photosynthese und fehlender aktiver Zentren in Entgiftungs-Enzymen --> Substitution aktiver Zentren insbesondere in der Photosynthese --> Oxidativer Stress: direkt und als Resultat von Fehlfunktionen der Photosynthese --> Hemmung der Atmung und anderer relativ unempfindlicher Prozesse z.b. durch Bindung an Thiolgruppen von Enzymen Reviews: Küpper H Kroneck PMH (2005) Metal Ions Biol Syst 44 ch Reviews: Küpper H, Kroneck PMH (2005) Metal Ions Biol Syst 44, ch5, Küpper H, Kroneck PMH (2007) Metal Ions Life Sci 2, Küpper H, Leitenmaier B (2013) Metal Ions Life Sci 11, ch12, Andresen E, Küpper H (2013) Metal Ions Life Sci 11, ch13,

22 Umweltrelevanz von Schwermetall-Toxizität 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.

23 Hemmung der Photosynthese durch nanomolare Schwermetallkonzentrationen -Ceratophyllum demersum behandelt mit natürlichem oder simuliertem Wasser eines oligotrophen Sees mit nur 3 nm Cd 2+ und 300 nm Ni 2+ zeigt schon deutliche Hemmung - Hemmung durch Ni+Cd Kombinations- Behandlung viel särker als durch die einzelne Metalle gleicher Konzentration synergistischer Effekt! Starch accumulation Photosystem 2 activity Andresen E, Opitz J, Thomas G, Stärk H-J, Dienemann H, Jenemann K, Chang C, Küpper H (2013) Aquatic Toxicology ,

24 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

25 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.

26 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 +

27 2.2. 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,

28 2.3.Warum sind Schwermetallchlorophylle untauglich zur Photosynthese? Hauptgründe: Sh Schwermetall-Chlorophylle tllchl h binden, im Gegensatz zu Mg-Chl, axiale Liganden nur schwach (z.b. Zn-Chl) oder gar nicht (Cu-Chl) Antennenkomplexe denaturieren Instabiler S1-Zustand Relaxation absorbierter Energie als Wärme Schwermetallchlorophylle wirken als schwarze Löcher für Anregungsenergie Review: Küpper H, Küpper FC, Spiller M (2006) [Heavy metal]-chlorophylls formed in vivo during heavy metal stress and degradation products formed during digestion, extraction and storage of plant material. In: Chlorophylls and Bacteriochlorophylls: Biochemistry, Biophysics, Functions and Applications (B. Grimm, R. Porra, W. Rüdiger and H. Scheer, eds.), Vol. 25 of series Advances in Photosynthesis and Respiration (Series editor: Govindjee). Kluwer Academic Publishers, Dordrecht; pp

29 Relevanz 3. Oxidativer Stress NICHT klar: Studien mit umweltrelevanten aber toxischen Metal(loid)-Konzentrationen zeigen oft KEINEN oxidativen Stress! Fast alle Studien mit der Schlussfolgerung dass oxidativer Stress ein wichtiger primärer Mechanismus der Metall(oid)-Toxizität sei wurden mit extrem hohen Konzentrationen der toxischen Elemente durchgeführt. Entstehungsmechanismen von reaktiven Sauerstoffspezies bei Metall(oid)-Stress Direkt: katalysiert von redox-aktiven Metall(oid)-Ionen (As 3+, Fe 2+, Cr 3+, Cu + ) wird Wasserstoffperoxid durch die Fenton-Reaktion zu noch reaktiveren Sauerstoffspezies: Indirekt: Fehlfunktion der Photosynthese und Atmung kann reaktive Sauerstoffspezies erzeugen. Dadurch können sogar in vivo redox-inerte Metallionen wie Zn 2+ und Cd 2+ oxidativen Stress bewirken. Review: Küpper H, Kroneck PMH, 2005, Metal ions Life Sci 2, 31-62

30 3. Resistenzmechanismen gegen oxidativen Stress Verstärkte Expression von Enzymen, die reaktive Sauerstoffspezies entgiften (Superoxid-Dismutase+Katalase. Problem: Hemmung der Zn-Aufnahme ( SOD) bei Cd-Stress. Synthese von nicht-enzym-antioxidantien, z.b. Ascorbat und Glutathion Umbau der Zellmembranen, um sie resistenter gegen den Angriff von reaktiven Sauerstoff-Spezies zu machen: - Lipide mit weniger ungesättigten Bindungen - Austausch von Phosphatidylcholin durch Phosphytidyl-Ethanolamin als Lipid- Kopf - Verringerter Anteil von Lipiden und erhöhter Anteil von stabilisierenden Proteinen in der Membran

31 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,

32 5. Allgemeine Resistenz-Mechanismen 5.1. Schwermetall-Entgiftung mit starken Liganden Phytochelatine Binden mit sehr hoher Affinität Cd 2+, andere Metallionen aber wenig Speziell zur Cd 2+ -Bindung synthetisiert von Phytochelatin-Synthase Sind der wichtigste Cd-Resistenzmechanismus in den meisten Pflanzen (außer Hyperakkumulatoren) und vielen Tieren Phytochelatin-Synthase wird von (z.b. durch Cd-Bindung) blockierten Thiolen von Glutathion und ähnlichen Peptiden aktiviert Phytochelatine binden Cd 2+ im Cytoplasma, dann Tranport des Komplexes in die Vakuole. In der Vakuole bilden sich große Phytochelatin-Cd-Aggregate

33 5.2. Schwermetall-Entgiftung durch Kompartimentierung Mechanismen Generell: aktive Transportprozesse gegen den Konzentrationsgradienten Transportproteine beteiligt. Ausschluss aus der Zellen: - in Algen: bei Braunalgen beobachtet - in Wurzeln: siehe Wurzeln Einlagerung in die Vakuole: - Pflanzen-spezifischer Mechanismus (Tiere haben keine Vakuolen...) - sehr wirksam, da die Vakuole keine zu hemmenden Enzyme enthält - spart den Aufwand der Synthese von starken Liganden wie Phytochelatinen - wichtigster Mechanismus in Hyperakkumulatoren Einlagerung in wenig sensitive Gewebe, z.b. Epidermis ohne statt Mesophyll mit Photosynthese

34 Kompartimentierung von Metallen in Blättern Epidermis Vakuole Mesophyll Zn-Verteilung in Blatt von Thlaspi caerulescens (Zn- Hyperakkumulator) Obere Epidermis und Al- Verteilung in altem Blatt von Camellia sinensis leaf (Tee) Zn: Küpper H, Zhao F, McGrath SP (1999) Plant Physiol 119, Al: Carr HP, Lombi E, Küpper H, McGrath SP, Wong MH* (2003) Agronomie 23, Ni: Küpper H, Lombi E, Zhao FJ, Wieshammer G, McGrath SP (2001) J Exp Bot 52 (365), Ni-Verteilung in der Epidermis eines Alyssum bertolonii- Blattes

35 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)