Auch bei Pflanzen gilt: Stress ist nicht gleich Stress

Schwermetalle können bei Pflanzen sehr unterschiedliche Stressreaktionen auslösen. Dieser Nachweis gelang jetzt einem Team des Campus Vienna Biocenter mit Unterstützung des Wissenschaftsfonds FWF. Die unmittelbar vor der Veröffentlichung stehenden Ergebnisse sind eine wichtige Grundlage für das Verständnis, wie Pflanzen mit zunehmenden Schwermetall-Konzentrationen in den Böden fertig werden – und wie diese Fähigkeit nutzbringend eingesetzt werden kann.

Widrige Umweltbedingungen verursachen für Pflanzen enormen Stress. Als sesshafte Lebewesen sind sie diesen Umständen bedingungslos ausgeliefert. Damit sie trotzdem wachsen und gedeihen können, haben sie ein umfassendes Portfolio an Stressreaktionen entwickelt. Wie fein die Pflanzen dabei differenzieren können, belegen die jüngsten Arbeiten von Prof. Heribert Hirt und Dr. Claudia Jonaks Team am Campus Vienna Biocenter.

Schwermetall – leicht unterschieden

In der Natur kommen Schwermetalle in geringen Konzentrationen im Boden vor und stellen so keine Schwierigkeit für Pflanzen dar. Hohe Konzentrationen, wie sie zunehmend durch Umweltbelastungen auftreten, wirken hingegen toxisch. Prof. Hirt und seine KollegInnen verglichen nun erstmals die genauen Reaktionen von Pflanzen auf hohe Konzentrationen verschiedener Schwermetalle. Dazu Prof. Hirt: „Bereits unsere ersten Messungen zeigten, dass die Schwermetalle die Aktivierung von vier verschiedenen Enzymen hervorrufen, die eine ganz zentrale Rolle bei pflanzlichen Stressreaktionen haben. Diese Enzyme sind so genannte MAPKs.“ MAPKs ist die Abkürzung für „mitogen-activated protein kinases“, einer Klasse von molekularen Schaltern, die von zentraler Bedeutung für die Steuerung der Genexpression sind.

Eine interessante Entdeckung machte das Team, als es die Aktivitäten der Enzyme im Detail analysierte. Dabei stellte es fest, dass unterschiedliche Schwermetalle zwar die gleichen vier Enzyme aktivieren, jeweils aber mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. So erfolgte durch Kupfer eine Aktivierung sehr schnell; durch Cadmium aber im Verhältnis dazu deutlich langsamer. „Die Aktivierung einzelner MAPKs durch Kupfer erfolgte bereits nach 5-10 Minuten, während vergleichbare Effekte durch Cadmium erst 20 Minuten später verursacht wurden. Diese Differenz ist zwar für die Fähigkeit der Pflanze, mit dem Stress fertig zu werden, nicht so ausschlaggebend, deutet aber darauf hin, dass unterschiedliche Stressreaktionen stattfinden“, erläutert Prof. Hirt die Ergebnisse. Obwohl die genaue Ursache für diese Zeitdifferenz noch unbekannt ist, hat Prof. Hirt bereits eine Hypothese erstellt, die er in weiteren Arbeiten testen wird.

Radikaler Sauerstoff stresst

Grundlage dieser Hypothese ist die Tatsache, dass sowohl Kupfer als auch Cadmium zur Produktion von schädlichen Sauerstoffradikalen in der Pflanze führen. Diese Radikale können die MAPKs direkt aktivieren – im Gegensatz zu Schwermetallen. Weiter führt Prof. Hirt aus: „Zu viel Kupfer verursacht die unmittelbare Produktion von Sauerstoffradikalen, während Cadmium erst auf Umwegen zu deren Produktion führt. Die Ursache für diesen Unterschied ist, dass Kupfer in geringen Konzentrationen an verschiedenen lebensnotwendigen Prozessen in der Pflanzenzelle beteiligt ist. Erst durch ein Zuviel an Kupfer entstehen Sauerstoffradikale. Im Gegensatz dazu ist Cadmium aber an keinem uns bekannten Stoffwechselprozess beteiligt. Seine Schädlichkeit beruht auf der Verdrängung anderer stoffwechselaktiver Metalle, ohne deren Funktion zu übernehmen. Das führt in der Folge zwar auch zur Produktion von Sauerstoffradikalen, doch dauert dieser indirekte Vorgang einfach länger.“ Aber Prof. Hirt merkt auch an, dass die durch Schwermetalle provozierte Aktivierung von MAPKs auch durch andere Stoffe als Sauerstoffradikale verursacht werden könnte. Weitere Experimente werden nun diese Vorgänge genau klären.

Ein besseres Verständnis der Pflanzenreaktionen auf hohe Schwermetallkonzentrationen kann mittelfristig wichtige Bedeutung für unsere Umwelt haben. Zum einen mag es so möglich werden, Pflanzen zu züchten, die eine bessere Überlebenschance auf Böden haben, die mit Schwermetallen belastet sind. Noch attraktiver sind aber die Möglichkeiten der so genannten Phytoremediation – einer Technik, bei der Pflanzen die Schwermetalle aus dem Boden binden und auf diese Weise belastete Böden langsam wieder säubern.