Identifizierung und Charakterisierung von Hyperakkumulationsfaktoren bzw. schwermetallregulierten Genen in Arabidopsis halleri und Arabidopsis thaliana

Abstract

Die Hyperakkumulation von Zink und Cadmium ist eine konstitutive Eigenschaft des Metallophyten Arabidopsis halleri. Diese Pflanze unterscheidet sich in dieser Eigenschaft sehr stark von ihrer nahen Verwandten Arabidopsis thaliana. Aus diesem Grund sollten mittels "Arabidopsis genome arrays" (Affymetrix, Santa Clara, USA) Gene identifiziert werden, die unter Kontrollbedingungen (= kein Schwermetallstreß) in den Wurzeln von A. halleri höher exprimiert werden, als in den Wurzeln von A. thaliana. Letztendlich konnten 72 Gene identifiziert werden, die in A. halleri stärker exprimiert werden. Für mindestens sechs Gene war es möglich, aufgrund der Annotierung, eine Verbindung zur Metall-homöostase zu postulieren. Die beiden interessantesten Mitglieder dieser Gruppe sind zum einen die Nicotianamin-Synthase 2, die den stärksten gemessenen Expressionsunterschied zeigte und zum anderen der putative Zn2+/Cd2+-Transporter ZIP9. Darüber hinaus konnten noch weitere (putative) Schwermetall-Transporter (ZIP4, NRAMP3, HMA3), sowie die O-Acetylserin-(thiol)-Lyase A2 identifiziert werden. Das höhere Expressionsniveau in den Wurzeln von A. halleri konnte für alle diese Gene mittels RT-PCR bestätigt werden. Die heterologe Expression der AtNAS2 in der zinksensitiven Schizosaccharomyces pombe- Mutante Δzhf führte zu einer gesteigerten Zinktoleranz, wodurch - nach unserem Wissen - der erste Beweis für eine in vivo Zn2+-Bindung von Nicotianamin erbracht wurde. Dieses Ergebnis und die höhere Protein- bzw. NA-Konzentration in Wurzeln von A. halleri läßt die Vermutung zu, daß es sich bei NA um einen potentiellen Hyperakkumulationsfaktor handelt. Neben dem konstitutiven Vergleich wurden die hydroponisch kultivierten Pflanzen mit Cd2+ und Cu2+ gestresst und ebenfalls einer Microarray-Analyse unterzogen. Dadurch war es möglich, eine cadmium- bzw. kupferspezifische Metallantwort zu identifizieren.

Zinc and cadmium hyperaccumulation is a constitutive trait of Arabidopsis halleri. Moreover it is a close relative of Arabidopsis thaliana, which is not able to hyperaccumulate these metals. Therefore one aspect of these thesis was the identification of genes, which are higher expressed in roots of A. halleri. To reach this goal both species were analysed using "Arabidopsis genome arrays" (Affymetrix, Santa Clara, USA). At the end 72 genes could be identified, which are higher expressed in roots of A. halleri. For at least six genes a direct connection to the metal homeostasis network was known (from literature or databases). These six genes were: nicotianamine-synthase 2, ZIP9, ZIP4, Nramp3, HMA3 and OAS-TL A2. The higher expression level in the roots of A. halleri was confirmed for all genes by RT-PCR independently. Heterologous expression of AtNAS2 in the zinc hypersensitive Schizosaccharomyces pombe mutant Δzhf led to an increased zinc tolerance. These results, together with a higher protein- and nicotianamine (NA)-level in the roots of A. halleri confirm the hypothesis, that NA is a potential hyperaccumulation factor. Besides the constitutive comparison plants were also treated with cadmium and copper and further analysed by microarray in order to identify metal regulated genes. At the end the identification of both cadmium and copper-specific gene responses was possible.