Evolutionäre Anpassung an Schwermetall-verseuchte Böden · Extremer selektiver Druck auf...

Professor Dr. Ute Krämer Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie

Evolutionäre Anpassung an Schwermetall-verseuchte Böden

Viano/ CH Littfeld/ DE

Gliederung

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

1 Prof. Dr. Ute Krämer | Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie | Ruhr-Universität Bochum

Evolution

Wie kommt es zur Diversität der Pflanzen?

Mutation Rekombination (Hybridisierung)

Genetische Variation

Variation in den Merkmalen

Natürliche Selektion

Umwelt Ø  viele Umweltfaktoren Ø  Zeitliche Änderungen Ø  Räumliche Unterschiede

Evolutionäre Anpassung

http://de.wikipedia.org/wiki/Doppelhelix DNA-Doppelhelix

Charles Darwin (1809 - 1882)

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Prof. Dr. Ute Krämer Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie Ruhr-Universität Bochum

Gliederung



Pflanzliche Nährstoffe und toxische Analoga

Mikronährstoffe (10-5 to 10-2 % der Trockenmasse)

Makronährstoffe (0.1 to 45% der Trockenmasse)

„Übergangsmetalle“

!

! !


Schwermetalle – warum Forschungsthema?

Blei Quecksilber Cadmium Kupfer Zink

Pb Hg Cd Cu Zn

Ø  Giftige Böden à  Phytoremediation


Schwermetall-Last

Schwermetalle: Gefahr für die menschliche Gesundheit

Clemens et al. (2013) TIPS 18:92-99

Quellen der Cadmiumbelastung

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Ruh

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Schwermetalle in Umwelt und Nahrung

Clemens et al. (2013) TIPS 18:92-99

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%

US Agency for Toxic Substances and Disease Registry

Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives

European Food Safety Authority




Pb Hg Cd Cu Zn

Ø  Giftige Böden

Ø  Anreicherung durch Pflanzen und in der Nahrungskette

à  Phytoremediation

à  Sicherere Nahrungsmittel


http://de.wikipedia.org/wiki/Nickel-Cadmium-Akkumulator




Pb Hg Cd Cu Zn

Ø  Giftige Böden

Ø  Anreicherung durch Pflanzen und in der Nahrungskette

Ø  Industrieller Bedarf

à  Phytoremediation

à  Sicherere Nahrungsmittel

à  Phytomining 10 Prof. Dr. Ute Krämer | Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie | Ruhr-Universität Bochum

Gliederung



Extremer selektiver Druck auf Schwermetall-verseuchten Böden

Arabidopsis halleri

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?

Historisches Pb/Zn-Bergwerk in Littfeld A. thaliana von Samen transplantiert

“Normaler Boden” (Malmédy)

verseuchter Boden (Littfeld) Photo nach 3 Wochen Kultivierung

J Antonovics, AD Bradshaw, RG Turner (1971) Heavy metal tolerance in plants. Adv. Ecol. Res. 7: 1-85.


Gliederung



Arabidopsis halleri als Zn-hyperakkumulator, und A. thaliana

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Zink-Toleranz 30-fach basal

Cadmium-Toleranz 10-fach basal

Zn-Akkumulation in Blättern 1.5% < 0.01%

Verhältnis Konzentration Spross:Wurzel > 1 << 1

Arabidopsis halleri

Arabidopsis thaliana

Ein eindeutiger Fall von Anpassung: Toleranz als pflanzliche Strategie!

Prof. Dr. Ute Krämer | Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie | Ruhr-Universität Bochum

§http://phytozome.jgi.doe.gov/pz/portal.html#!info?alias=Org_Ahalleri *Hu et al. (2011) Nature Genetics 43: 476-81

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

Brassica

Mya

~5

~10

~20

Eutrema‡

Capsella

A. lyrata A. halleri

A. thaliana

Noccaea‡

Metall-Hyperakkumulation Salztoleranz/Halophyt

A. thaliana, A. halleri und A. lyrata sind nahe verwandt

Vormals: ‡Thellungiella ‡Thlaspi Ø  Die stabile genetische Transformation von A. halleri ist möglich

à Herstellung von gentechnisch veränderten Pflanzen!

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Gliederung



Promotor Gen

AAAA mRNA „messenger RNA“

Transkription

Translation

Protein

http://de.wikipedia.org/wiki/Protein

Vom Gen zum Protein


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

HMA4

Ef1α

Wild

typ

Wild

typ

3.1.

1

4.2.

1

5.4.

2

6.5.

1

HMA4 RNA-Interferenz (RNAi) Linien

pJawohl8-p35SS:: 2997-2540 ::intron:: HMA42540-2997 ::pA35S

RNA gel blot

HMA4

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Hanikenne et al. (2008) Nature 453:391-5; Courbot et al. (2007) Plant Physiol. 144:1052-65;Willems et al. (2007) Genetics 176:659-74

WT HMA4 RNAi Linien

0�10�20�30�40�50�60�70�80�90�

**� **� **�

*�

30 µM CdSO4�

Wur

zelw

achs

tum

(% d

er K

ontr

olle

)

Cd

Wur

zelw

achs

tum

(% d

er K

ontr

olle

)

0�10�20�30�40�50�60�70�

WT 3.1.1 4.2.1 5.4.2 6.5.1

1.5 mM ZnSO4�

**�**�

*�

Zn

Die Rolle von HMA4 in der Cd- und Zn-Toleranz in A. halleri

Hydroponische Kultur: Pflanzen wachsen in einer Nährlösung definierter Zusammensetzung

19


Metalltoleranz durch gesteigerten zellulären Export

Pflanzenzelle

Vakuole

Zytoplasma

ZIP Zn2+

HMA4 Zn2+

ADP+Pi

Zn2+ Zn2+ Zn2+

Zn2+

Zn2+

Zn2+

Zn2+

ATP

Cd2+

/Cd2+

[Zn(II)] [Cd(II)]

A. thaliana A. halleri A. thaliana

Akkumulation!

A. halleri

Cd2+

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)

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Genetische Basis pflanzlicher Schwermetalltoleranz

Erhöhte Aktivität des Promotors und Gentriplikation von HMA4

Arabidopsis halleri Arabidopsis thaliana Nicht-tolerant Zn/Cd-tolerant

AAAA

P

AAAA

AAAA

AAAA

AAAA

AAAA

AAAA

AAAA

AAAA

AAAA

AhHMA4-1 P P P AtHMA4 AhHMA4-2 AhHMA4-3

Hanikenne et al. (2008) Nature 453: 391-5


Gliederung



Funktion von HMA4: Metall-Hyperakkumulation

Zink

-Kon

zent

ratio

n im

Bla

tt (µ

g Zn

g-1

DW

) HMA4

nativ

e so

il

Arabidopsis halleri


Leaf

A. halleri Zn Cd

(µg g-1 DW)

Wildtyp 1,000 18

HMA4-RNAi 400 1

Photos: Bayer CropScience Germany; Kazemi-Dinan et al. (2014) New Phytol. 202: 628-39

“Kohlrüben-Blattwespe”

“Meerrettichblattkäfer”

Ökologische Funktion der Metall-Hyperakkumulation

Gef

ress

ene

Bla

ttflä

che

(mm

2 )

Verteidigung durch Gift! 24


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


Vielen Dank!

Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie


Laborführungen

Tag der offenen Tür | Bochum | 26. März 2015

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: 12.45 Uhr Nutzen Sie vorher unbedingt die Möglichkeit Fragen zu stellen. Wir helfen Ihnen gerne und freuen uns auf Ihre Fragen!

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