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Eisenmangel macht Pflanzen erfinderisch

Schwermetalle finden sich im Erdreich in ganz unterschiedlichen Konzentrationen. Einige sind als Spurenelemente für den Pflanzenstoffwechsel lebensnotwendig, andere hingegen bereits in geringsten Mengen toxisch. Wissenschaftler an der Universität Hohenheim erforschen jetzt die Mechanismen, mit denen die Pflanzen sich an die jeweilige Bodensituation anpassen.

Müdigkeit und Blässe zählen zu den typischen Symptomen einen Eisenmangels bei Menschen - denn das lebenswichtige Spurenelement, das mit der Nahrung aufgenommen wird, ist Bestandteil zahlreicher Enzyme, darunter jener, die an der Blutbildung beteiligt sind. Aber auch Pflanzen leiden, wenn das Erdreich, in dem ihre Wurzeln stecken, sie nicht ausreichend mit Eisen versorgt. Gelb gefärbte Blätter und ein vermindertes Wachstum sind die Folge. Doch während Menschen ihren Mangel zur Not durch die Einnahme von Eisentabletten ausgleichen können, müssen Pflanzen sich auf andere Weise behelfen.
Prof. Dr. Nicolaus von Wirén erforscht den Eisenstoffwechsel von Pflanzen. (Foto: privat)
„Eine Möglichkeit besteht darin, dass die Pflanzen ihre Aufnahmekapazität für Eisen deutlich erhöhen“, berichtet Professor Dr. Nicolaus von Wirén vom Institut für Pflanzenernährung an der Universität Hohenheim. Aber das ist gar nicht so einfach. Das im Boden vorkommende Eisen liegt vorwiegend in wasserunlöslicher Form vor und muss von den Pflanzen erst chemisch modifiziert werden, bevor es in die Zellen transportiert werden kann. „Um eine Lösung für dieses Problem zu finden, entwickelten die Pflanzen im Laufe der Evolution zwei grundlegende Mechanismen“, erklärt von Wirén. Beide besitzen allerdings ein paar Schwachpunkte, die vor allem bei Mangelzuständen zum Tragen kommen.

Evolution kreiert zwei Strategien zur Eisenaufnahme

Bei der im Pflanzenreich am häufigsten genutzten Strategie geben die Wurzeln direkt ins Erdreich Protonen ab. „Dadurch kommt es zu einer Ansäuerung des von der Wurzel beeinflussten Bodens, und das bewirkt, dass das Eisen sehr viel besser in Lösung gehen kann“, berichtet von Wirén. Nach einem enzymatischen Zwischenschritt wird das modifizierte Schwermetall mit Hilfe eines speziellen Transportproteins schließlich ins Zellinnere befördert, wo es bei zahlreichen Stoffwechselprozessen als Co-Faktor benötigt wird. Registriert die Pflanze einen Eisenmangel, veranlasst sie über fein abgestimmte Signaltransduktionswege eine vermehrte Bildung des Transportproteins. „Allerdings ist dieser Eisen-Transporter nicht sehr spezifisch und befördert letztlich auch andere Schwermetalle ins Pflanzeninnere“, weiß von Wirén. Vor allem die Aufnahme von Cadmium stellt in der Landwirtschaft ein großes Problem dar. Das Schwermetall ist nämlich bereits in sehr niedrigen Konzentrationen giftig – und zwar nicht nur für die jeweilige Pflanze. Man nimmt an, dass Cadmium, wenn es über die Nahrungskette in den Menschen gelangt, in hohem Maße krebserregend wirkt.
Die Gräser, die evolutionsgeschichtlich eine deutlich jüngere Pflanzenfamilie darstellen, entwickelten schließlich eine andere Strategie, um ihren Eisenbedarf zu decken. „Die Gräser, zu denen einige der wichtigsten Nutzpflanzen wie Mais, Weizen und Reis gehören, können sogenannte Phytosiderophore ausscheiden“, erläutert von Wirén. Phytosiderophore bilden mit dem Eisen einen neutralen Komplex, der dann über ein spezifisches Transportsystem in die Wurzelzellen aufgenommen wird. Von Wirén selbst hat vor ein paar Jahren zur Identifizierung dieses Transportwegs beigetragen – heute wird dieses Wissen bereits biotechnologisch genutzt. „Japanische Arbeitsgruppen haben jetzt einen Reis patentiert, der vermehrt Phytosiderophore bildet und deshalb auch an Standorten mit geringer Eisen-Verfügbarkeit hervorragend wächst“, berichtet von Wirén.
Unterschiedliche Strategien und Empfindlichkeiten: Während die kleinwüchsigen Erdnuss-Pflanzen aufgund eines Eisenmangels gelbgefärbte Blätter haben, zeigt das Gras in der Bildmitte weiterhin ein sattes Grün. (Foto: Römheld / Universität Hohenheim)
Unterschiedliche Strategien und Empfindlichkeiten: Während die kleinwüchsigen Erdnuss-Pflanzen aufgund eines Eisenmangels gelbgefärbte Blätter haben, zeigt das Gras in der Bildmitte weiterhin ein sattes Grün. (Foto: Römheld / Universität Hohenheim)

Eisenaufnahme verbessert die Cadmium-Toleranz

Die Phytosiderophore können aber nicht nur Eisen binden, sondern bewerkstelligen auch die Aufnahme einiger anderer Spurenelemente wie Zink, Mangan und Kupfer – ein Phänomen, das vor allem bei Eisenmangel beobachtet wird. „Mit Cadmium bilden die Phytosiderophore ebenfalls einen Komplex. Wir konnten aber nachweisen, dass dieser nicht ins Pflanzeninnere transportiert wird“, berichtet von Wirén. Das toxische Schwermetall gelangt also auf anderem Wege in die Wurzeln - trotzdem führt seine Anwesenheit zu einer vermehrten Freisetzung von Phytosiderophoren. Von Wirén vermutet, dass das Cadmium mit der Bestimmung des intrazellulären Eisengehalts interferiert: „Dadurch empfinden die Pflanzen ein stärkeres Eisendefizit als tatsächlich vorhanden.“ Ein Defizit, das sie durch die Bildung von Phytosiderophoren zu kompensieren versuchen.

Von Wirén konnte auch zeigen, dass die Gräser bei gleichzeitigem Eisenmangel weit weniger sensibel auf Cadmium reagieren. Möglicherweise handelt es sich hier um einen Toleranzmechanismus, der den Pflanzen das Überleben auf kontaminierten Böden ermöglicht. Eine Frage, die den Wissenschaftler natürlich brennend interessiert, und auf die er vielleicht schon bald eine Antwort geben kann. „Wir haben zum Thema Eisenversorgung in Pflanzen gerade erst ein neues europäisches Kooperationsprojekt bewilligt bekommen“, freut sich von Wirén. Der Name des Projekts ist treffend gewählt: Hot Iron – Heißes Eisen.

sb - 02.11.08
© BIOPRO Baden-Württemberg GmbH
Weitere Informationen:
Universität Hohenheim
Institut für Pflanzenernährung
Prof. Dr. Nicolaus von Wirén
Fruwirthstr. 20
70593 Stuttgart
Tel.: 0711 459-22344
Fax: 0711 459-23295
E-Mail: vonwiren@uni-hohenheim.de
Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/eisenmangel-macht-pflanzen-erfinderisch