Metall-Detoxifizierung durch Silizium in Silene und Arabidopsis

Abstract

Pflanzen, die in der Lage sind, auf schwermetallhaltigen Böden zu wachsen, enthalten ungewöhnlich hohe Mengen an Silizium. Einige Befunde sprechen dafür, dass Silizium eine Funktion bei der Schwermetallentgiftung hat. Anhand von Zellkulturen (Silene cucubalus, Silene jenisseensis) und Hydrokulturen (Arabidopsis thaliana, Arabidopsis halleri) wurden mögliche Zusammenhänge zwischen Schwermetalltoleranz, Si-Aufnahme und Si-Speicherung herausgearbeitet. Auf die Toleranz gegenüber Cu in Silene jenisseensis und Arabidopsis halleri scheint Si keinen Einfluss zu besitzen. Sensitive und tolerante Pflanzen zeigen in Gegenwart erhöhter Si-Vorkommen keine Unterschiede. An der Toleranz gegenüber Zn in Silene jenisseensis und Arabidopsis halleri könnte Si zumindest zum Teil beteiligt sein. Dabei wird ein Teil des in den Wurzeln aufgenommenen Zinks vermutlich als Zn-Silikat festgelegt. Im Spross bleibt ein Teil des transportierten Zinks extrazellulär. Ein Teil des in die Zelle aufgenommenen Zinks wird als Zn-Silikate festgelegt. Hauptspeicherort des Zinks ist die Vakuole. Dabei könnte Zn, neben dem Transport über den Tonoplasten, auch direkt über endocytotische Vesikel in die Vakuole gelangen. An der endgültigen Speicherung von Zn ist Si nicht beteiligt. Si trägt vermutlich durch die Bildung von Zn-Silikat, das als vorübergehender Puffer wirkt, dazu bei, dass toxische Schwermetallionen in sensiblen Kompartimenten verhindert werden. Die Bedeutung von organischen Säuren und phenolischen Verbindungen bei der Schwermetalltoleranz wird diskutiert. Die gezeigten Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass in Silene jenisseensis und Arabidopsis halleri verschiedene Mechanismen für die Toleranz gegenüber unterschiedlichen Metallen verantwortlich sind. Dabei scheint Si zum Teil involviert zu sein.

Plants growing on heavy metal polluted soil show an unusual high accumulation of Si. There is evidence that Si is involved in heavy metal detoxification. The aim of this thesis was to investigate if there is a correlation between uptake and accumulation of Si and heavy metal tolerance, using cell cultures of Silene cucubalus and Silene jenisseensis and hydroponic cultures of Arabidopsis thaliana and Arabidopsis halleri. Cu tolerance in Silene jenisseensis and Arabidopsis halleri seems to be unaffected by Si, whereas on Zn tolerance Si could be least partly involved. In the roots Zn is partly bound as Zn-silicate. A part of the transported Zn remains extracellular in the shoots. A part of the Zn is taken up by the cell and stored as Zn-silicate in the cytoplasm. The main storage compartment for Zn is the vacuole. Furthermore, a second Zn uptake mechanism was found. Pinocytotic vesicles enable a direct translocation of Zn from extracellular compartments into the vacuole. Si is not involved in the final storage of Zn. The function of organic acids and phenolic compounds with heavy metal tolerance is discussed. All of this leads to the conclusion, that various mechanism are responsible for the tolerance against different metals in Silene jenisseensis and Arabidopsis halleri. Si seems to be involved at least to some extent.