Mögliche Beiträge der Molekularbiologie zur Optimierung der Phytosanierungskapazität von Brassica juncea

Aufgrund der Eigenschaft von Brassica juncea Schwermetalle zu akkumulieren, eignet sich diese Pflanze potentiell zum Einsatz in der Phytosanierung. Im April 1998 ist eine Marktstudie erschienen, die unterschiedliche Phytosanierungstechnologien und ihre kommerzielle Anwendung in den Vereinigten Staaten von Amerika beschreibt. Es gibt eine Reihe von Voraussetzungen, die für eine erfolgreiche Phytosanierung schwermetallkontaminierter Böden erfüllt sein müssen. Dazu gehören neben der Verfügbarkeit der Metallionen für die Pflanze ihre Aufnahme in die Wurzel, die Detoxifizierung des Metallions und sein Transport in die oberirdischen, erntbaren Teile der Pflanze, wo sie in einer unschädlichen Form abgelagert werden. An die Pflanze selbst wird u. a. die Anforderung gestellt hohe Konzentrationen der Schwermetallionen zu tolerieren und über entsprechende Detoxifizierungsmechanismen zu verfügen, die eine Hypertoleranz erlauben. Entsprechend der Komplexität aller Faktoren, die, unabhängig von agrar- und verfahrenstechnischen Überlegungen, an einer erfolgreichen Umsetzung des Phytosanierungskonzeptes beteiligt sind, gibt es zahlreiche Ebenen auf denen schwermetallakkumulierende Pflanzen molekularbiologisch optimiert werden können.

1. Erhöhung des Detoxifizierungspotentials

Die Entwicklung von Optimierungsstrategien kann den Entgiftungsweg selbst zum Ziel haben, z. B. durch gentechnische Veränderungen, die ein einzelnes Schlüsselenzym betreffen. Dazu zwei Beispiele, die durch eine einfache Manipulation, die Überexpession eines einzelnen Enzyms, zum entsprechenden Erfolg führten:

a) Die konstitutive Überexpression der ATP-Sulfurylase aus Arabidopsis in B. juncea führt zu einer erhöhten Selenaufnahme, -reduktion und -toleranz der Pflanzen .

b) Bakterien können Hg2+-Ionen zu elementarem Quecksilber reduzieren. Diese Reaktion wird durch die NADPH-abhängige Quecksilber-Reduktase katalysiert. Eine modifizierte Form des bakteriellen Gens wurde in A. thaliana eingeführt , was zu einer erhöhten Resistenz der Transformanten gegenüber HgCl2 und die Produktion großer Mengen von flüchtigem Hg0 zur Folge hatte. Obwohl der Sinn von Pflanzen, die Quecksilberdampf ausströmen, im Einsatz zur Sanierung kontaminierter Böden fragwürdig ist, zeigt dieses Beispiel, daß das Entgiftungspotential spezifischer Stoffwechselwege aus anderen Organismen prinzipiell zur Phytosanierung genutzt werden kann.

Die Entgiftung von Cd2+-Ionen ist wesentlich komplizierter als die oben aufgeführten Beispiele der Schwermetalldetoxifizierung. Cd2+ wird nicht durch einfache chemische Modifikation bzw. Reduktion, sondern durch die Komplexierung mit Phytochelatinen in eine für die Pflanze unschädliche Form gebracht. Dazu ist eine komplexe Stoffwechselleistung notwendig, die eng an den S-Metabolismus der Pflanze angebunden ist. Die Ergebnisse aus den molekularphysiologischen Untersuchungen zur Regulation der Expression von g-ECS und GSHS zeigen, daß diese Enzyme unter Cd2+-Schwermetallionenstress in B. juncea koordiniert hochreguliert werden. Die Transkriptmengen für ATP-Sulfurylase und APS-Reduktase nehmen nach einer 48-stündigen Exposition mit 25 µM Cd2+ in den Blättern und der Wurzel von B. juncea ebenfalls stark zu. Die Cotransformation von B. juncea mit unterschiedlichen Kombinationen der homologen Schlüsselenzyme in Form einer Genkassette (unter der Regulation verschiedener Promotoren) könnte zu einer starken Erhöhung der Cd2+-Akkumulation dieser Transformanten führen. Hinweise hierfür gibt das Ergebnis einer kürzlich erschienenen Arbeit: die Überexpression der bakteriellen GSHS in B. juncea führt zu einer erhöhten Cd2+-Toleranz von Keimlingen und reifen Pflanzen und zu einer ca. 3-fach höheren Cd2+- Akkumulation im Sproß der Transformanten. Erst die genaue Kenntnis der molekularen Regulation des Cd2+-Detoxifizierungsweges, zu der die vorliegende Arbeit einen Betrag leisten sollte, erlaubt die Entwicklung von Optimierungsstrategien zum Einsatz von B. juncea in der Phytosanierung.

2. Vergrößerung des Deponie-/Akkumulationsraumes

Für B. juncea wurde demonstriert, daß in den Blattrichomen Cd2+-Ionen ca. 400-fach höher konzentriert werden als im übrigen Blattgewebe. Andererseits konnte für A. thaliana gezeigt werden, daß die Cotransformation mit TTG und GL1 (zwei Gene, die Transfaktoren kodieren) die Trichombildung am Blatt in starkem Maße fördert. Es ist denkbar, daß über Coexpression von TTG und GL1 die Kapazität der Blätter entsprechender B. juncea Transformanten für die Cd2+-Akkumulation deutlich verbessert werden kann.

3. Verzögerung der SMI-induzierten Seneszenz

Untersuchungen an B. juncea in Hydrokultur (25 µM Cd2+) haben gezeigt, daß der phytotoxische Effekt von Cd2+ schon nach ca. 4 Tagen zu einer signifikanten Verminderung der Transpirationsrate und des Wachstums der Pflanzen führt. Der Versuch der vorzeitig eingeleiteten Seneszenz und der damit verbundenen Reduktion der Transpirationsrate durch exogene Gabe von Cytokinin entgegen zu wirken scheiterte: Die exogene Gabe von 6' BAP (ein synthetisches Cytokinin) hatte negative Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum und die Cd2+-Akkumulation. Selbst bei sehr niedrigen Cytokininkonzentrationen (0,02 µM) war die Cd2+-Akkumulation stark reduziert, höhere Konzentrationen exogenen Cytokinins waren für die Pflanzen toxisch . Diese Ergebnisse zeigen wie schwierig es ist, das hochgradig regulierte hormonelle System der Pflanze durch exogene Applikation von Hormonanaloga zu manipulieren - ein Ansatz der zwangsläufig zu pleiotropen Effekten führen muß. Eine biotechnologische Lösung des Problems wäre ein selbstregulierendes System, daß sich an endogenen Faktoren flexibel anpaßt. In einem transgenen Ansatz konnte gezeigt werden, daß durch die autoregulierte Synthese von Cytokinin die Blattseneszenz in A. thaliana verzögert wird. Dazu wurde ein Seneszenz-spezifischer Promotor mit dem Gen für die Isopentenyl-Transferase fusioniert und in A. thaliana eingeführt. Dieses Enzym katalysiert den regulierenden Schritt der Cytokininsynthese. Sobald durch Seneszenz bedingte Signale in der Pflanze auftreten, wird der hochspezifische Promotor aktiviert, was zu einer Produktion von Cytokinin führt. Das Hormon seinerseits inhibiert die Seneszenz der Pflanze, was zu einer Attenuation des Seneszenz-spezifischen Promotors führt und einer Überproduktion von Cytokinin entgegenwirkt.

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