Verbesserung der Phytoextraktionseffizienz von Salix caprea

Schwermetallkontaminierte Böden sind ein brisantes weltweites Problem für die Landwirtschaft und Gesundheit von Mensch und Tier. Obwohl Schwermetalle auch für Pflanzen schädlich sind, findet man einige Arten, die an kontaminierte Böden angepasst sind und z.B. Cadmium (Cd) und Zink (Zn) aus kontaminierten Böden aufnehmen und in hohen Konzentrationen in Blättern speichern. Diese Pflanzen können für eine vielversprechende, kostengünstige und nachhaltige Bodensanierungstechnologie, die Phytoextraktion, einsetzt werden. Alleine in Österreich gibt es vermutlich ca. 30.000 belastete Standorte, die durch Phytosanierung gesäubert werden könnten. In einem Vorprojekt haben wir schnellwüchsige Weiden (Salix caprea) aus kontaminierten und nicht- kontaminierten Standorten auf Ihre Fähigkeit untersucht, Cd und Zn zu tolerieren, und in hohen Konzentrationen in Blättern zu akkumulieren. Unsere S. caprea Isolate unterschieden sich bis zu 14fach in Bezug auf die Blattbiomasse und deren Schwermetallkonzentration. Auf der Suche nach den molekularen Ursachen dieser außerordentlichen physiologischen Aktivität konnten Gene identifiziert werden, die fast ausschließlich in den Isolaten aktiviert wurden, die Cd und Zn ausgesetzt waren und besonders hohe Konzentrationen dieser Schwermetalle in den Blättern aufwiesen. Dieses multidisziplinäre Projekt untersucht das Wurzelwachstumsverhalten der unterschiedlichen S. caprea Isolate auf kontaminierten und nicht-kontaminierten Böden, deren morphologische Besonderheiten sowie die subzelluläre Lokalisation der Schwermetalle. Weiterhin soll die Funktion von Genen, die vermutliche eine Rolle in der Cd und Zn Akkumulation eine Rolle spielen genauer untersucht werden. Die erwarteten Ergebnisse des Projektes sind: i) ein besseres Verständnis der Mechanismen der erhöhten Toleranz und Akkumulation bei S. caprea, ii) Einblick in die Wirkungsweise der entsprechenden Gene und deren Produkte und iii) die Auslotung der Übertragbarkeit der Hyperakkumulatonseigenschaften auf andere Pflanzen. Die genaue Kenntnis der genetischen und biologischen Prozesse soll letztlich dazu beitragen, Kriterien für die Auswahl der effizientesten Pflanzen zu etablieren und den Phytosanierungsprozess für die kommerzielle Nutzung zu optimieren.

Schwermetallkontaminierte Böden sind ein brisantes weltweites Problem für die Landwirtschaft und Gesundheit von Mensch und Tier. Obwohl Schwermetalle auch für Pflanzen schädlich sind, sind einige Arten an kontaminierte Böden angepasst und speichern in hohen Konzentrationen z.B. Cadmium (Cd) und Zink (Zn) in oberirdischen Organen. Diese Pflanzen können für eine nachhaltige Bodensanierungstechnologie, die Phytoextraktion, einsetzt werden. Ziel des Projektes war es, schnellwüchsige Weiden (Salix caprea) aus kontaminierten und nicht-kontaminierten Standorten zu vergleichen, und anatomische Unterschiede sowie Gene zu identifizieren, die bei chronischen Cd und Zn Belastung induziert bzw. nur in einem guten Akkumulator exprimiert werden.Um herauszufinden, ob S. caprea Schwermetalle in Böden vermeiden oder aufspüren, wurden Wurzelwachstumswahlversuche durchgeführt. Diese zeigten, dass die Wurzel-masseverteilung und die Metallaufnahmen im Spross bei homogener und heterogener Metallbelastung gleich sind und die Extraktionseffizienz für Cd und Zn auch bei heterogener Verteilung dieser Schwermetalle im Boden nicht beeinträchtigt wird.Die Methode der gewebespezifischen Analyse der Schwermetallakkumulation hat sich, nach der Etablierung eines neuen Fixierungsprotokols als sehr erfolgreich herausgestellt und zeigte signifikane Unterschiede zwischen guten und schlechteren Schwermetall-akkumulatoren. Interessant war die Entdeckung von Ca und Si reichen Kristallen in Blättern und Stämmen der Schwermetall exponierten Pflanzen. Auch die Entwicklung von apoplastischen Barrieren in den Wurzel dieser Pflanzen war unterschiedlich und weist darauf hin, dass die Pflanzen von kontaminierten Standorten sich auch durch vererbbare anatomische Unterschiede an die Schwermetallbelastung adapiert haben. Expressions-analysen in Blättern identifizierten 213 Gene, die bei längerer Schwermetallbelastung aktiver sind. Es war auffällig, dass einige in der Zellwand bzw. außerhalb der Zelle ihre Funktion haben könnten. Da die Zellwand als Schwermetallendlager einen neuen Aspekt darstellt, wurden funktionelle Analysen mit drei dieser Gene bzw. Genprodukte initiiert. Für zwei dieser Gene zeigte sich, dass sie tatsächlich die Reaktion der Pflanze auf Schwermetalle und deren Aufnahme in die oberirdischen Organe verändern. Das Erstaunen war noch größer, als sich herausstellte, dass seines dieser Proteine Schwermetalle bindet eine Eigenschaft, die von kommerziellen Interesse sein könnte, und die Universität für Bodenkultur veranlasste, eine Patenteinreichung zu initiieren. Dieses interdisziplinäre Projekt zeigte, dass die Analyse von S. caprea zur Aufklärung der molekularen Mechanismen der Pflanzenadaptation auf schwermetallkontaminierten Böden neue Erkenntnisse bringt und längerfristig dazu beitragen wird, Phytosanierungsprozesse zu verbessern, aber auch unerwartete Eigenschaften von Genprodukten aufzuspüren. Eine Fortsetzung des Projekts wurde im Juni 2013 beim FWF beantragt.