Schwermetalle und Pflanzen - einekomplizierte Beziehung (I)

Schwermetall-Hyperakkumulation im Wilden Westenmodified from:

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Konzentration

nur Schadstoff (z.B. Quecksilber) Mikronährstoff (z.B. Kupfer)

Die Dosis macht das Gift - auch bei Schwermetallen!

Schwermetall-Mangel als globales Problem derLandwirtschaft

Aus: Alloway BJ. 2001. Zinc the vital micronutrient for healthy, high-value crops. Brussels, Belgium: International Zinc Association.

grün = moderater Zinkmangel; rot = starker Zinkmangel

Cadmium

Cadmium als Pflanzen-Nährstoff in Thalassiosira weissflogii. A, B: Wachstum der Algen. (Laneand Morel, 2000, PNAS97)

Carboanhydrase von Thalassioria weissflogii:Ein Enzym mit Cadmium im aktiven Zentrum

EXAFS-Spektrum der isolierten Cadmium-Carboanhydrase (Lane et al., 2005, Nature Vol.435)

Größe der Cadmium-Carboanhydrase imVergleich zur normalen Zn-Carboanhydrase(Lane and Morel, 2000, PNAS Vol. 97)

Cadmium-Mangel im Cd/Zn-hyperaccumulatorThlaspi 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

Mechanismen der Eisenaufnahme in Pflanzen:An der Eisenaufnahme beteiligte ProteineIRT-Expression bei Eisenmangel (links) und Eisenzugabe (rechts)

Aus:Connolly et al., 2002, PlantCell 14, 1347-57

Ausgewählte wichtige pflanzliche Enzyme mit Eisen imaktiven Zentrum

Katalase SOD

Cytochrom cCytb6f

Biochemie von Eisen in Eisenzymen

Häm

Wichtige Typenvon Eisen-Schwefel-Clustern

Von: dasher.wustl.edu

Von: www.chem.ox.ac.uk

Symptome und Wirkungsmechanismen von Eisenmangel

Von: Cannabis World. http://www.overgrow.com

Kupfer

Allgemeines zu Kupfer

Kupfer als essentieller Pflanzen-Nährstoff

Tafelbild:Vereinfachtes Schema der

Kupferaufnahmeund

-Verteilung in Pflanzen

Ausgewählte wichtige pflanzliche Enzyme mit Kupfer imaktiven 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

(a)

Ni added to the substrate (mg kg-1)

0 1000 2000 3000 4000

Shoo

t dry

wei

ght (

g)

0

2

4

6

8

10

12

14 Thlaspi goesingenseAlyssum bertoloniiAlyssum lesbiacum

Alyssum lesbiacum

(b)

Ni added to the substrate (mg kg-1)

0 1000 2000 3000 4000

Ni c

once

ntra

tion

(µg

g-1)

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000Thlaspi goesingenseAlyssum bertoloniiAlyssum 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

Mechanismen der Zinkaufnahme in Pflanzen

Wichtige beteiligte Proteine

• ZIP-Transporter

• CDF (cation diffusion facilitator)-Transporter

• CPx-ATPasen: ?

Aus:Guerinot ML, 2000,BBA 1465, 190-8

Aus: Kobae et al., 2004,PlantCellPhysiol 45,

1749-^58

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 aktivenZentrum

Zinkfinger-Motiv

Tyrosin-Phosphatase

Carboanhydrase

Symptome und Wirkungsmechanismen von Zinkmangel

http://www.nrs.mcgill.ca/whalen/nutrient/zinc/Zinc.html

Schwermetalle als Mikronährstoffe

Heavy metals in soil or water

root uptake exclusionmechanisms

root

± root to shoottranslocation

stemepidermis

stemxylem

stemphloem

leaf xylemleaf phloem

photosynthetic cells(e.g. mesophyll cells,stomatal guard cells)

epidermis cells(not present e.g. in Elodea)

vacuoles

cell walls

cell walls vacuole

in the case ofsubmerged

aquatic plants

cyto-plasm

cytoplasm

cell walls

complexation by strong ligands (e.g. phytochelatins)

Küpper H, Kroneck PMH (2004) MIBS 44 (Sigel et al., eds), chapter 5

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