02.04.2004

Forschung Projekte

Auswirkung einer erhöhten Glutathion-Synthese in transgenen Pappeln auf Pilze und Bakterien

(2000 – 2003) Albert-Ludwigs-Universität, Institut für Forstbotanik und Baumphysiologie, Professur für Baumphysiologie, Freiburg

Thema

Gentechnisch veränderte Pappeln können möglicherweise in Zukunft eingesetzt werden, um Schwermetall-belastete Böden zu entgiften.

Das Tripeptid Glutathion spielt in Pflanzenzellen eine wichtige Rolle bei der Stressabwehr und bei der Entgiftung von Schadstoffen und Schwermetallen. Erste Laboruntersuchungen zeigen eine besondere Fähigkeit von Wildtyp-Pappeln zur Anreicherung von Cadmium. Diese Fähigkeit wird durch die erhöhte Bildung von Glutathion weiter verstärkt. Die entscheidende Bedeutung des Glutathions beruht dabei auf der Rolle als Vorläufersubstanz der Phytochelatine, die letztlich das Cadmium binden. Phytochelatine sind kleine Schwermetall-bindende Peptide, die aus dem Grundbaustein Glutathion hergestellt werden. Die Anzahl der verwendeten Glutathion-Einheiten kann zwischen zwei und elf liegen. Pflanzen ohne die Fähigkeit zur Bildung von Phytochelatinen sind Cadmium-empfindlich.

Aber – wie wirkt sich der veränderte Glutathion-Stoffwechsel auf Wachstum und Entwicklung der Pappeln aus? Und – werden die mit den Pappelwurzeln assoziierten Mykorrhizapilze und Bakterienpopulationen durch die genetische Modifikation der Pappeln beeinflusst?

Zusammenfassung

Die gentechnische Veränderung – in diesem Fall die Überexpression der γ-Glutamylcystein-Synthetase, die entscheidend zur verstärkten Bildung von Glutathion führt – erwies sich im zweijährigen Versuchszeitraum als stabil.

Zwischen den transgenen und nicht-transgenen Linien (Wildtypen) waren keine maßgeblichen Unterschiede hinsichtlich ihres Wachstums, ausgewählter physiologischer Parameter und des Mykorrhizierungsgrades ihrer Wurzeln festzustellen.

Die gentechnische Veränderung der Pappeln hatte auch keinen Einfluss auf die Zellzahl ausgewählter Bakterienpopulationen im Wurzelraum.

Versuchsbeschreibung

Zwei verschiedene transgene Pappel-Linien wurden im Gewächshaus unter Freiland-nahen Bedingungen mit Wildtyp-Pappeln verglichen. Während die eine transgene Pappel-Linie das Transgen im Cytosol, dem flüssigen Bestandteil des Cytoplasmas, exprimiert (Variante A), wird es bei der anderen Linie in den Plastiden exprimiert (Variante B).

Bei dem in die Pflanzen eingeführten Genprodukt handelt es sich um die γ-Glutamylcystein-Synthetase aus dem Bakterium Escherichia coli, ein Enzym, das entscheidend zur verstärkten Bildung von Glutathion beiträgt.

Die Pappeln wurden in Kulturgefäßen mit verschiedenen Substraten gehalten. In einigen Gefäßen war das Bodensubstrat mit Mykorrhizapilzen, also Pilzen, die mit den Baumwurzeln eine Symbiose eingehen, versetzt. Neben verschiedenen Messungen zum Wachstum der Pappeln wurde der Grad der Mykorrhizierung der Wurzeln, die Entwicklung der Pilzhyphen im Bodensubstrat und der Besiedlungsgrad des Wurzelraums mit Bakterien (Nitrifizierer und Denitrifizierer) bestimmt.

Schwermetalle wie Cadmium rufen in Pflanzen oxidativen Stress (durch die Bildung von H2O2) hervor. Glutathion sowie weitere Verbindungen und zentrale Enzyme des antioxidativen Stoffwechsels spielen dagegen eine wichtige Rolle bei der Stressabwehr. Hier sollte untersucht werden, inwiefern die gentechnische Veränderung Auswirkungen auf diese Stoffwechselprodukte und Enzyme hat.

Alle Untersuchungen wurden mit Cadmium-freiem und Cadmium-angereichertem Bodenmaterial durchgeführt. Der Versuchszeitraum erstreckte sich über zwei Jahre.

Ergebnisse

Die Überexpression der γ-Glutamylcystein-Synthetase erwies sich im Versuchszeitraum als stabil. Die Glutathiongehalte der Wurzeln lagen in den Pappeln der Variante A in allen Proben zwei bis drei mal höher als in den Wurzeln der Wildtyp-Pflanzen. Auch die γ-Glutamylcystein-Werte waren in diesen Pappeln erhöht. Die Pappeln der Variante B zeigten in den Wurzeln Glutathiongehalte, die vergleichbar waren mit denen der Wildtyppflanzen.

Beeinflussung des Wachstums, physiologischer Parameter und der Mykorrhizierung der Wurzeln

Biometrische Parameter, antioxidative Stoffwechselprodukte und Enzyme sowie der Mykorrhizierungsgrad waren in den transgenen Pappeln nicht maßgeblich verändert.

Besiedlungsgrad des Wurzelraums mit Bakterien

Die Zellzahlen von Bodenbakterien (Nitrifizierer und Denitrifizierer) wurden von der Anwesenheit des Transgens nicht beeinflusst.

Vergleichende Untersuchungen mit Cadmium-freiem und Cadmium-angereichertem Bodenmaterial

Der Mykorrhizierungsgrad der Pappelwurzeln bei transgenen wie nicht-transgenen Linien war erwartungsgemäß in Anzuchtmedien mit erhöhten Cadmiumgehalten geringer. Die Glutathiongehalte in den Pappelwurzeln waren bei transgenen wie nicht-transgenen Linien bei Cadmiumanreicherung des Bodens erhöht.