Giftiges Arsen sammelt sich bei Pflanzen zunächst im Zellkern. Das zeigt eine Röntgenuntersuchung der Wasserpflanze Raues Hornblatt (Ceratophyllum demersum) an DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III. Schon bei vergleichsweise geringer Konzentration überschwemmt das Arsen auch die Vakuole, einen mit Flüssigkeit gefüllten Hohlraum, der nahezu den gesamten Innenraum der Zelle einnimmt. Das haben Forscher um Prof. Hendrik Küpper von der Tschechischen Akademie der Wissenschaften und der Südböhmischen Universität in Budweis (Tschechien) in einem Projekt herausgefunden, das Dr. Seema Mishra (jetzt am National Botanical Research Institute in Lucknow, Indien) in Küppers Gruppe etabliert hatte. Die Forscher berichten im Fachblatt „Journal of Experimental Botany“ über ihre Ergebnisse.

Das hochgiftige Arsen ist weltweit ein wachsendes Umwelt- und Gesundheitsproblem. Durch menschliche Aktivitäten steigt die Arsenkonzentration in Böden, und in vielen Ländern – insbesondere auf dem indischen Subkontinent – ist die Arsenkonzentration im Grundwasser problematisch. Dort ist Arsen natürlicherweise im Boden vorhanden, wurde aber durch Brunnenbohrungen und andere Eingriffe des Menschen in den Boden in den vergangenen Jahrzehnten viel mobiler und so ins Trinkwasser ausgewaschen. Bei Menschen kann Arsen unter anderem zu Krebs, Absterben ganzer Körperregionen sowie akutem Nieren- und Kreislaufversagen führen. Auch für Pflanzen ist das Halbmetall giftig. Es wird vom selben Transportmechanismus aufgenommen wie das lebenswichtige Phosphor und hemmt schon weit unterhalb der tödlichen Dosis das Pflanzenwachstum und damit den Ertrag von Nutzpflanzen.

„Außerdem essen natürlich auch Menschen Pflanzen und verfüttern sie an Nutztiere, so dass sich das Arsen anreichert und am Ende irgendwann beim Menschen landet“, erläutert Küpper das Problem. „Mit unserer Analyse wollten wir genauer untersuchen, wie die Arsenvergiftung in Pflanzen abläuft“, ergänzt Ko-Autor Dr. Gerald Falkenberg von DESY, Leiter der Messstation P06, an der die Versuche stattfanden. Die Ergebnisse könnten etwa dazu beitragen, Pflanzen gezielt so zu züchten, dass sie nicht mehr so viel Arsen aufnehmen.

Bisherige Untersuchungen an Pflanzen haben Küpper zufolge meist bei viel zu hohen Arsenkonzentrationen stattgefunden. „Pflanzenphysiologisch ist bereits eine Konzentration von einem Mikromol pro Liter relevant, das sind rund 75 millionstel Gramm Arsen pro Liter. Experimentiert wurde aber nicht selten mit bis zu 250 Mikromol pro Liter – da geschehen ganz andere Dinge“, erläutert der Biologe. „Wir wollten wissen, was bei ökologisch und physiologisch relevanten Konzentrationen passiert.“

Das Raue Hornblatt ist nach Worten der Forscher für Metalle eine Indikator-Art, deren Untersuchung sich meist gut auf andere Arten übertragen lässt. Die Forscher setzten die untersuchte Pflanze Arsenkonzentrationen von einem und fünf Mikromol pro Liter aus und durchleuchteten anschließend mit dem fein gebündelten Röntgenstrahl von PETRA III die Blätter. „Mit PETRA III konnten wir zum ersten Mal in die einzelnen Pflanzenzellen hineinsehen“, berichtet Küpper. „So konnten wir das Arsen in der Zelle genauer lokalisieren – schließlich ist es nicht egal, ob es etwa in der Zellwand sitzt oder in der Vakuole.“

Eine Konzentration von einem Mikromol Arsen pro Liter Wasser ist für die Pflanze noch tolerabel. Die Pflanze lagert das Gift dabei zunächst in der Blatthaut, der Epidermis. „Überraschenderweise stellen wir fest, dass sich das Arsen zunächst in den Zellkernen sammelt“, berichtet Küpper. Erst wenn die Konzentration auf fünf Mikromol pro Liter steigt, was die Pflanze nicht dauerhaft überleben kann, findet sich das Arsen in der Vakuole und damit quasi in der gesamten Zelle.

„Damit ist die Kapazität der Epidermis erschöpft, die Pflanze kann nicht mehr entgiften, jetzt geht es ans Eingemachte“, beschreibt Küpper. Das Arsen wandert nun auch in das sogenannte Mesophyll, das Grundgewebe der Blätter, wo die Photosynthese stattfindet, die Pflanze Licht aufnimmt und Zucker produziert. Diese Änderung der Verteilung ist in der Röntgentomographie der Blätter deutlich zu sehen.

Die Untersuchung zeigt auch, dass Arsen solche Enzyme schädigt, die den für die Photosynthese nötigen grünen Pflanzenfarbstoff Chlorophyll bilden. Arsen beeinträchtigt zuerst die Photosynthese, was nicht an einem Abbau von Chlorophyll liegt, sondern an einer Beeinträchtigung der Produktion des Farbstoffs, wie Küpper betont.

In künftigen Untersuchungen wollen die Forscher nun herausfinden, was das Arsen im Zellkern bewirkt. „Vermutlich gibt es Erbgutschäden“, erläutert Küpper. So könnte Arsen im Erbgut den Phosphor ersetzen. Während die jetzige Röntgenuntersuchung zeigt, dass Arsen bereits bei niedrigen Konzentrationen im Zellkern angereichert wird, planen die Forscher, in weiteren Experimenten die chemische Bindung des Arsens im Zellkern im Vergleich zu anderen Orten der Zelle zu untersuchen.

 

Originalarbeit:
Analysis of sub-lethal arsenic toxicity to Ceratophyllum demersum: Subcellular distribution of arsenic and inhibition of chlorophyll biosynthesis; Seema Mishra, Matthias Alfeld, Roman Sobotka, Elisa Andresen, Gerald Falkenberg, Hendrik Küpper; „Journal of Experimental Botany“, 2016; DOI: 10.1093/jxb/erw238