Schwermetalle und Pflanzen - eine komplizierte Beziehung (I) Schwermetall-Hyperakkumulation im Wilden Westen modified from:
Die Dosis macht das Gift - auch bei Schwermetallen! hemmend Effekt förderlich nur Schadstoff (z.b. Quecksilber) Mikronährstoff (z.b. Kupfer) Konzentration
Schwermetall-Mangel als globales Problem der Landwirtschaft grün = moderater Zinkmangel; rot = starker Zinkmangel Aus: Alloway BJ. 2001. Zinc the vital micronutrient for healthy, high-value crops. Brussels, Belgium: International Zinc Association.
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 P680 WSC 4 e - Fe cyt b 559, cyt c 550 Q A Q B 2 H 2 O O 2 + 4 H + PQ electron transport Cyt b6/f complex Ca 2+ Cu +/2+ Mn 3+/4+ PC P700* A 0, A 1 F x F A, F B Fd 4 h ν Chl Chl Chl EET P700
Mechanismen der Metal-Aufnahme in Pflanzen: Aufnahme in die Wurzel und intrazelluläre Verteilung Beispiel: Eisen- un Zink-Aufnahem in Brassicaceae root uptake intracellular distribution From: Colangelo EP, Guerinot ML, 2006, CurrOpinPlantBiol9:322-330 4 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)
Mechanismen der Metall-Aufnahme+Verteilung in Pflanzen (I) CPx-typ (=P 1B -typ) ATPasen Aufgrund von Expressionsstudien vermutete Funktionen Translokation in das Wurzelxylem, d.h. aus den Zellen heraus ( z.b. HMA4) Xylementladung im Sproß Intrazelluläre Metal-Sequestrierung z.b. in der Vakuole (vermutet!) Transport in die Chloroplasten, in den Chloroplasten in die Thylakoide Transport in den Golgi-Apparat From: Williams LE, Mills RF, 2005, TrendsPlantSci10, 491-502 From: Argüello JM et al., 2007, Biometals, DOI 10.1007/s10534-006-9055-6
Mechanismen der Metall-Aufnahme+Verteilung in Pflanzen (I) CPx-typ (=P 1B -typ) ATPasen From: Williams LE, Mills RF, 2005, TrendsPlantSci 10, 491-502 Sequenz-Charakteristika Vorherhesagte Struktur (Nur A, P, und N-domain kristallisiert vom bakteriellen Proteinen) CPx-Motiv in der 6ten vorhergesagten Transmembranhelix ( Name!) Variable Anzahl von Transmembranhelices EXTREM VIELE Histidine und Cysteine in der Sequenz ( z.b. 58 Cys in TcHMA4) Vermutliche Metallbindestelle am N-Terminus (Im Cytoplasma?) Histidin-Wiederholung at C-terminus (im Cytoplasma?)
Mechanismen der Metall-Aufnahme+Verteilung in Pflanzen (II) ZIP-Transporter Wahrscheinliche Funktionen (angedeutet durch Expressionsstudien) Aufnahme von Metallen in Zellen über die Cytoplasmamembran Kommen in allen Eukaryoten vor From:Guerinot ML, 2000, BBA 1465, 190-8 Struktur vorhergesagt aus der Sequenz meist 8 Transmembranhelices, eine lange variable region, der Vorhersage zufolge im Cytoplasma 309-476 Aminosäuren From:Pence NS et al., 2000, PNAS 97, 4956-60 Aus Hefe-Expressionsstudien ermittelte Charakteristika Hohe Affinität und sättigbare Kinetik für selektiertes Metall (z.b. Zn in ZNT1) Weniger hohe Affinität für verwandte andere Metalle (z.b. Cd in ZNT1)
Mechanismen d. Metall-Aufnahme+Verteilung in Pflanzen (III) Natural resistance associated macrophage proteins (Nramps) Vermutliche Funktionen (aus Expressionsstudien geschlossen) Wurden entdeckt in der Immunantwort von Tieren ( Name!) Vorhanden in allen Eukaryoten, incl. des Menschen, Pflanzen und Pilzen Spielen vermutlich eine Rolle bei der Metallaufnahme in die Zellen und auch bei der Metallverteilung innerhalb der Zellen. From: Nevo Y, Nelson N, 2006, BBA 1763, 609-620
Mechanismen d. Metall-Aufnahme+Verteilung in Pflanzen (III) Natural resistance associated macrophage proteins (Nramps) Vermutlicher Mechanismus Protonen-Symport mit dem elektrochemischen Gradienten treibt die Metall-Translokation gegen den Gradienten umstritten, andere Studien schlagen Protonen- Metall Antiport vor... Metallbindung induziert die Protonenbindung From: Nevo Y, Nelson N, 2006, BBA 1763, 609-620
Mechanismen d. Metall-Aufnahme+Verteilung in Pflanzen (IV) cation diffusion facilitator (CDF)-Transporter From: Kobae et al., 2004, PlantCellPhysiol 45, 1749-58 From: Blaudez D et al., 2003, PlantCell 15, 2911-28 Funktionen geschlossen aus Expressionsstudien (Lokalisation und Überexpressions/Knockout-Phänotypen) Metall-Entgiftung Einlagerung der Metalle in intrazelleluläre kompartimente (v.a. Vakuole)
Mechanismen d. Metall-Aufnahme+Verteilung in Pflanzen (IV) cation diffusion facilitator (CDF)-Transporter From: Kobae et al., 2004, PlantCellPhysiol 45, 1749-58 Sequenz-Characteristika Vorhergesagte Struktur VIELE Histidine 6 Transmembranhelices Vermutliche Metallbindedomäne am N-Terminus (im Cytoplasma?) Wahrscheinliche Metalbindende Histidin-Wiederholung im Loop (im Cytoplasma?)
Cadmium Cadmium als Pflanzen-Nährstoff in Thalassiosira weissflogii. A, B: Wachstum der Algen. (Lane and Morel, 2000, PNAS97)
Carboanhydrase von Thalassioria weissflogii: Ein Enzym mit Cadmium im aktiven Zentrum Größe der Cadmium-Carboanhydrase im Vergleich zur normalen Zn-Carboanhydrase (Lane and Morel, 2000, PNAS Vol. 97) EXAFS-Spektrum der isolierten Cadmium- Carboanhydrase (Lane et al., 2005, Nature Vol. 435)
Cadmium-Mangel im Cd/Zn-hyperaccumulator Thlaspi caerulescens Mit 10 µm Cadmium in der Nährlösung --> gesunde Pflanzen Ohne Cadmium in der Nährlösung --> Schaden durch Insektenbefall Küpper H, Kroneck PMH (2004) MIBS 44 (Sigel et al., eds), chapter 5
Eisen Eisen an der Ozeanoberfläche (oben) und in 1000m Tiefe (unten) Von: www-paoc.mit.edu
Mechanismen der Eisenaufnahme in Pflanzen: Strategien der Eiseneffizienz Nicotianamin
Ausgewählte wichtige pflanzliche Enzyme mit Eisen im aktiven Zentrum Katalase SOD Cytochrom c Cyt b6f
Biochemie von Eisen in Eisenzymen Häm Wichtige Typen von Eisen- Schwefel- Clustern Von: dasher.wustl.edu Von: www.chem.ox.ac.uk
Eisen-Schwefel-Cluster im PSIRZ Funktion des PSIRZ: Primäre Ladungstrennung: 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 -1000 mv +430 mv From: Nelson N, Yocum CF, 2006, AnnRevPlantBiol 57, 521-65
Symptome und Wirkungsmechanismen von Eisenmangel Von: Cannabis World. http://www.overgrow.com
Kupfer Allgemeines zu Kupfer Kupfer als essentieller Pflanzen-Nährstoff
Metallothioneins: storage and transport proteins From: Prohaska JR, Gybina AA, 2004, JNutrition134, 1003-6 MTs of type I und II bind Cu + with high affinity and seem to be involved in its detoxification. BUT: Main role of MTs in plants seems to be Metal-distribution during the normal (nonstressed) metabolism, while in animals they are more involved in detoxification and also (mainly?) bind Zn 2+
Copper delivery inside cellular compartments From: OHalloran TV, Culotta VC, 2000, JBC275, 25057-60 characterisation fashionable theme since the 1990 s, numerous reviews since 2000, 6 reviews on 2 chaperones by Rosenzweig and O Halloran, with mostly identical figures in 4 reviews 2000+2001 confusing large number of names for homologous proteins in different organisms REALITY: just 3 really different (non-homologous) Cu-chaperones are well known, some more proteins are postulated to be Cu-chaperones
Ausgewählte wichtige pflanzliche Enzyme mit Kupfer im aktiven Zentrum Plastocyanin Multi-Kupfer-Oxidasen, z.b. Laccasen
Symptome und Wirkungsmechanismen von Kupfermangel http://www.nrs.mcgill.ca/whalen/nutrient/copper/copper.html
Nickel Allgemeines zu Nickel Nickel als essentieller Pflanzen-Nährstoff
Urease: Ein Enzym mit Nickel im aktiven Zentrum
Nickelmangel in Ni-Hyperakkumulatoren Shoot dry weight (g) 10 8 6 4 2 (a) 14 Thlaspi goesingense 12 Alyssum bertolonii Alyssum lesbiacum Ni concentration (µg g -1 ) (b) 30000 25000 20000 15000 10000 5000 Thlaspi goesingense Alyssum bertolonii Alyssum lesbiacum 0 0 1000 2000 3000 4000 0 0 1000 2000 3000 4000 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), 2291-2300
Zink Allgemeines zu Zink Zink als essentieller Pflanzen-Nährstoff
Zinkeffizienz 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), 341-350.
Ausgewählte wichtige pflanzliche Enzyme mit Zink im aktiven Zentrum Carboanhydrase Zinkfinger-Motiv Tyrosin-Phosphatase
Alle Folien meiner Vorlesungen im Internet unter http://www.uni-konstanz.de /FuF/Bio/kuepper/Homepage /AG_Kuepper_education.html weiterführende Literatur als pdf auf Anfrage