Professor Dr. Ute Krämer Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie Evolutionäre Anpassung an Schwermetall-verseuchte Böden Viano/ CH Littfeld/ DE
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
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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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Gliederung
Evolution und Anpassung Schwermetalle Evolutionäre Anpassung & Schwermetalle Modellorganismen im Vergleich Molekulare Mechanismen der Schwermetalltoleranz Ökologische Rolle der Schwermetallakkumulation Zusammenfassung
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Pflanzliche Nährstoffe und toxische Analoga
Mikronährstoffe (10-5 to 10-2 % der Trockenmasse)
Makronährstoffe (0.1 to 45% der Trockenmasse)
„Übergangsmetalle“
!
! !
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Schwermetalle – warum Forschungsthema?
Blei Quecksilber Cadmium Kupfer Zink
Pb Hg Cd Cu Zn
Ø Giftige Böden à Phytoremediation
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Schwermetall-Last
Schwermetalle: Gefahr für die menschliche Gesundheit
Clemens et al. (2013) TIPS 18:92-99
Quellen der Cadmiumbelastung
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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
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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 Phytoremediation
à Sicherere Nahrungsmittel
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http://de.wikipedia.org/wiki/Nickel-Cadmium-Akkumulator
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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 Phytoremediation
à Sicherere Nahrungsmittel
à Phytomining 10 Prof. Dr. Ute Krämer | Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie | Ruhr-Universität Bochum
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Evolution und Anpassung Schwermetalle Evolutionäre Anpassung & Schwermetalle Modellorganismen im Vergleich Molekulare Mechanismen der Schwermetalltoleranz Ökologische Rolle der Schwermetallakkumulation Zusammenfassung
11 Prof. Dr. Ute Krämer | Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie | Ruhr-Universität Bochum
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.
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Gliederung
Evolution und Anpassung Schwermetalle Evolutionäre Anpassung & Schwermetalle Modellorganismen im Vergleich Molekulare Mechanismen der Schwermetalltoleranz Ökologische Rolle der Schwermetallakkumulation Zusammenfassung
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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!
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§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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Promotor Gen
AAAA mRNA „messenger RNA“
Transkription
Translation
Protein
http://de.wikipedia.org/wiki/Protein
Vom Gen zum Protein
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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
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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
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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
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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
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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
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Vielen Dank!
Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie
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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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