Mit Farn gegen Arsen

Der Farn Pteris vittata ist ein wahrer Überlebenskünstler. Im Gegensatz zu anderen Pflanzen kann der Farn eine bis zu tausendfach höhere Bodenkonzentration des Umweltgifts Arsen aushalten. Diese seit langem bekannte Eigenschaft des Farns versuchte nun ein Forscherteam auf molekularer Ebene aufzuklären und damit nutzbar zu machen.

In geringen Mengen lässt sich das weltweit vorkommende Schwermetall Arsen nahezu überall im Erdboden und auch im Grundwasser nachweisen. Arsen ist in bestimmten Dosen für die meisten Lebewesen tödlich, beim Menschen kann der regelmäßige Kontakt mit Arsen Krebserkrankungen verursachen. Wo verseuchte Wasserquellen oder Böden nachgewiesen werden, versucht man mit meist langwierigen und kostenintensiven Dekontaminationsverfahren das Schwermetall zu entfernen. 

Neben den „technischen Säuberungsarbeiten“ gibt es allerding noch eine „pflanzliche Alternative“. Manche Pflanzen sind arsentolerant. Sie ziehen das giftige Schwermetall aus Wasser oder Böden. Über besonders viel Aufnahmekapazität verfügt der bis zu 1,5m große und im Südosten der USA wachsende gebänderte Saumfarn (Pteris vittata). Die Pflanze zieht das Arsen aus den Böden und reichert es vermutlich zum Schutz vor Fraßfeinden in seinen Blättern an. Der Farn hat einen regelrechten „Heißhunger“ auf Arsen. Er ist in der Lage, bis zu 5% seiner Trockenmasse von diesem Halbmetall aufzunehmen. Das ist auch der Grund, warum man die schnellwachsende Pflanze zur biologischen Säuberung arsenkontaminierter Böden einsetzt.

Dieser einzigartigen Fähigkeit ist nun ein US-Forscherteam von der Purdue University in West Lafayette auf der Spur. Aufgrund der fehlenden Sequenzierung des Farn-Genoms mussten die Forscher auf die altbewährte „Versuch-und-Irrtum“-Methode zurückgreifen. Die Wissenschaftler verpflanzten Tausende von unterschiedlichen Pteris-vittata-Genen in eine ebenso große Anzahl von Hefezellen. Um zu erkennen, wo das „gewünschte Gen“ verpflanzt wurde, wurden anschließend die Hefezellen dem giftigen Schwermetall ausgesetzt. Folgerichtig überlebten diejenigen Hefezellen die „Arsen-Attacke“, in denen das gesuchte Gen verpflanzt wurde.

Die Wissenschaftler konnten das für die Toleranz zuständige zusätzliche Gen des Farns identifizieren und erkannten, dass das Gen ein Eiweiß produziert, das auf der Zelloberfläche als eine nach außengerichtete Pumpe, ein sogenannter Efflux-Transporter, fungiert. Das Arsen wird dadurch unmittelbar aus sämtlichen Pflanzenzellen herausgezogen und in die Blätter transportiert. Dadurch wird gewährleistet, dass das giftige Schwermetall keine überlebenswichtigen Pflanzenzellen schädigt.

Laut dem Forscherteam steckt in den Erkenntnissen enormes Potenzial. Beispielsweise sind viele Reisfelder in asiatischen Ländern mit Arsen belastet. Durch eine mögliche Verpflanzung des Farn-Gens könnten Reispflanzen das giftige Schwermetall in den Wurzeln speichern. sodass die Reiskörner unbelastet bleiben würden und Arsen nicht mehr über das Grundnahrungsmittel Reis in die menschliche Nahrungskette gelangen würde.

Vor diesem Schritt des Gentransfers in Kulturpflanzen ist geplant, das Gen in das Genom der Modellpflanze Arabidopsis, der Ackerschmalwand einzubauen. Erst dann wird sich zeigen, inwieweit sich andere Pflanze mit dem „Farn-Schutzmechanismus“ ausstatten lassen.