Evolutionäre Anpassung an Schwermetall-verseuchte Böden. Professor Dr. Ute Krämer Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie

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1 Evolutionäre Anpassung an Schwermetall-verseuchte Böden Viano/ CH Professor Dr. Ute Krämer Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie Littfeld/ DE

2 Gliederung Evolution und Anpassung Schwermetalle Evolutionäre Anpassung & Schwermetalle Modellorganismen im Vergleich Molekulare Mechanismen der Schwermetalltoleranz Ökologische Rolle der Schwermetallakkumulation Zusammenfassung 1

3 Evolution Wie kommt es zur Diversität der Pflanzen? Mutation Rekombination (Hybridisierung) Genetische Variation Natürliche Selektion Variation in den Merkmalen Umwelt Ø viele Umweltfaktoren Ø Zeitliche Änderungen Ø Räumliche Unterschiede Evolutionäre Anpassung Charles Darwin ( ) Prof. Dr. Ute Krämer Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie Ruhr-Universität Bochum DNA-Doppelhelix 2

4 Gliederung Evolution und Anpassung Schwermetalle Evolutionäre Anpassung & Schwermetalle Modellorganismen im Vergleich Molekulare Mechanismen der Schwermetalltoleranz Ökologische Rolle der Schwermetallakkumulation Zusammenfassung 3

5 Pflanzliche Nährstoffe und toxische Analoga Makronährstoffe (0.1 to 45% der Trockenmasse) Mikronährstoffe (10-5 to 10-2 % der Trockenmasse) Übergangsmetalle!!! 4

6 Schwermetalle warum Forschungsthema? Blei Quecksilber Cadmium Kupfer Zink Pb Hg Cd Cu Zn Ø Giftige Böden à Phytoremediation 5

7 Schwermetalle: Gefahr für die menschliche Gesundheit Schwermetall-Last Quellen der Cadmiumbelastung Clemens et al. (2013) TIPS 18:

8 Schwermetalle in Umwelt und Nahrung Chronische Cadmium-Exposition (niedrig): Ø Nierenleiden Ø Osteoporose Maximale tolerierbare Aufnahme (European Food Safety Agency EFSA): 125 to 625 g pro Tag Weizen 50 g pro Tag Mohn 50% Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives European Food Safety Authority US Agency for Toxic Substances and Disease Registry Clemens et al. (2013) TIPS 18:

9 Schwermetalle warum Forschungsthema? Blei Quecksilber Cadmium Kupfer Zink Pb Hg Cd Cu Zn Ø Giftige Böden Ø Anreicherung durch Pflanzen und in der Nahrungskette à à Phytoremediation Sicherere Nahrungsmittel 8

10 9

11 Schwermetalle warum Forschungsthema? Blei Quecksilber Cadmium Kupfer Zink Pb Hg Cd Cu Zn Ø Giftige Böden Ø Anreicherung durch Pflanzen und in der Nahrungskette Ø Industrieller Bedarf à à à Phytoremediation Sicherere Nahrungsmittel Phytomining 10

12 Gliederung Evolution und Anpassung Schwermetalle Evolutionäre Anpassung & Schwermetalle Modellorganismen im Vergleich Molekulare Mechanismen der Schwermetalltoleranz Ökologische Rolle der Schwermetallakkumulation Zusammenfassung 11

13 Extremer selektiver Druck auf Schwermetallverseuchten Böden Historisches Pb/Zn-Bergwerk in Littfeld A. thaliana von Samen transplantiert Arabidopsis halleri Normaler Boden (Malmédy) Ø Charakteristische, artenarme Vegetation Ø Überraschend schnelle Evolution Schwermetall-toleranter Rassen Ø in Gräsern innerhalb von 150 Jahren bis zu einer einzigen Generation! Ø Bislang ungeklärt: Wie kann das gehen? verseuchter Boden (Littfeld) Photo nach 3 Wochen Kultivierung J Antonovics, AD Bradshaw, RG Turner (1971) Heavy metal tolerance in plants. Adv. Ecol. Res. 7:

14 Gliederung Evolution und Anpassung Schwermetalle Evolutionäre Anpassung & Schwermetalle Modellorganismen im Vergleich Molekulare Mechanismen der Schwermetalltoleranz Ökologische Rolle der Schwermetallakkumulation Zusammenfassung 13

15 Arabidopsis halleri als Zn-hyperakkumulator, und A. thaliana Arabidopsis halleri Zink-Toleranz 30-fach Cadmium-Toleranz 10-fach basal basal Arabidopsis thaliana Zn-Akkumulation in Blättern 1.5% < 0.01% Verhältnis Konzentration Spross:Wurzel > 1 << 1 Ein eindeutiger Fall von Anpassung: Toleranz als pflanzliche Strategie! 14

16 A. thaliana, A. halleri und A. lyrata sind nahe verwandt A. thaliana A. halleri A. lyrata ~ 5 ~10 ~20 Mya Noccaea Capsella Eutrema Brassica Metall-Hyperakkumulation Salztoleranz/Halophyt Vormals: Thellungiella Thlaspi Ø Sehr hohe Sequenzähnlichkeit der Erbinformation (DNA): Ø A. halleri und A. thaliana (~94% Id.) Ø A. halleri und A. lyrata (~98% Id.) Ø Art Genom- Genetische Chromosomen Größe (Mbp) Sequenz Karte Anzahl A. halleri ~256 ü ü n = 8 A. lyrata ~230 ü * ü n = 8 A. thaliana ~157 ü ü n = 5 Kreuzung möglich Ø Die stabile genetische Transformation von A. halleri ist möglich à Herstellung von gentechnisch veränderten Pflanzen! Prof. Dr. Ute Krämer Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie Ruhr-Universität Bochum *Hu et al. (2011) Nature Genetics 43:

17 Gliederung Evolution und Anpassung Schwermetalle Evolutionäre Anpassung & Schwermetalle Modellorganismen im Vergleich Molekulare Mechanismen der Schwermetalltoleranz Ökologische Rolle der Schwermetallakkumulation Zusammenfassung 16

18 Vom Gen zum Protein Protein Translation mrna AAAA messenger RNA Transkription Promotor Gen 17

19 Warum stellen wir gentechnisch veränderte Pflanzen her? Nur so kann man die Funktion eines Gens nachweisen durch Ø gezieltes Ausschalten eines Gens in einer Pflanze Ø Einbringen eines Gens in eine andere Pflanze pjawohl8-p35ss:: ::intron:: HMA ::pa35s Wildtyp HMA4 HMA4 RNA-Interferenz (RNAi) Linien Wildtyp HMA4 Ef1α RNA gel blot 18

20 Die Rolle von HMA4 in der Cd- und Zn-Toleranz in A. halleri Hydroponische Kultur: Pflanzen wachsen in einer Nährlösung definierter Zusammensetzung Cd Wurzelwachstum (% der Kontrolle) WT HMA4 RNAi Linien 30 µm CdSO 4 * ** ** ** Prof. Dr. Ute Krämer Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie Ruhr-Universität Bochum Zn Wurzelwachstum (% der Kontrolle) mm ZnSO 4 * ** ** WT Hanikenne et al. (2008) Nature 453:391-5; Courbot et al. (2007) Plant Physiol. 144: ;Willems et al. (2007) Genetics 176:

21 Metalltoleranz durch gesteigerten zellulären Export Pflanzenzelle A. thaliana A. halleri A. thaliana Zytoplasma Zn 2+ Zn Vakuole [Zn(II)] [Cd(II)] ATP ADP+P i HMA4 2+ Zn 2+ ZIP Zn2+ Zn Cd Zn 2+ Cd 2+ Zn 2+ Zn 2+ Zn 2+ /Cd 2+ Akkumulation! A. halleri Ø ATP-abhängige Zn/Cd-Pumpe HMA4 ( Heavy Metal ATPase 4 ) Ø Membrantransportprotein molekular identifiziert in Zn/Cd-toleranten Arabidopsis halleri Ø Stark erhöhte HMA4 mrna-mengen in A. halleri (im Vergleich zu A. thaliana) 20

22 Genetische Basis pflanzlicher Schwermetalltoleranz Erhöhte Aktivität des Promotors und Gentriplikation von HMA4 AAAA AAAA AAAA AAAA AAAA AAAA AAAA AAAA AAAA AAAA P AtHMA4 P AhHMA4-1 P AhHMA4-2 P AhHMA4-3 Arabidopsis thaliana Nicht-tolerant Arabidopsis halleri Zn/Cd-tolerant Hanikenne et al. (2008) Nature 453:

23 Gliederung Evolution und Anpassung Schwermetalle Evolutionäre Anpassung & Schwermetalle Modellorganismen im Vergleich Molekulare Mechanismen der Schwermetalltoleranz Ökologische Rolle der Schwermetallakkumulation Zusammenfassung 22

24 Funktion von HMA4: Metall-Hyperakkumulation Arabidopsis halleri native soil Zink-Konzentration im Blatt (µg Zn g -1 DW) HMA4 23

25 Ökologische Funktion der Metall-Hyperakkumulation Kohlrüben- Blattwespe Meerrettichblattkäfer Gefressene Blattfläche (mm 2 ) Leaf A. halleri Zn Cd (µg g -1 DW) Wildtyp 1, HMA4-RNAi Prof. Dr. Ute Krämer Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie Ruhr-Universität Bochum Verteidigung durch Gift! Photos: Bayer CropScience Germany; Kazemi-Dinan et al. (2014) New Phytol. 202:

26 Zusammenfassung Theorie über die Entstehung natürlicher Vielfalt Schwermetalle: Umweltproblematik & mögliche Lösungen durch Pflanzen-basierte Technologien Evolutionäre Anpassung & Schwermetalle Arabidopsis halleri: Schwermetall-tolerant und eine Hyperakkumulatorpflanze Molekulare Mechanismen der Schwermetalltoleranz Ökologische Rolle der Schwermetall-Hyperakkumulation 25

27 Vielen Dank! Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie 26

28 Laborführungen Folgende Lehrbereiche stehen zur Auswahl (Poster im Foyer): Allgemeine und Molekulare Botanik Evolu onsökologie und Biodiversität der Tiere Biophysik Evolu on und Biodiversität der Pflanzen Treffpunkt: Bi e stellen Sie sich vor das Poster des Bereiches, der Sie interessiert. Sie werden dort abgeholt. Start: Uhr Nutzen Sie vorher unbedingt die Möglichkeit Fragen zu stellen. Wir helfen Ihnen gerne und freuen uns auf Ihre Fragen! Tag der offenen Tür Bochum 26. März