Hyperakkumulatoren sind Pflanzenarten, die in Böden mit großen Mengen giftiger Metalle gedeihen, indem sie spezielle Entgiftungsstrategien anwenden. Diese seltenen Arten können Metall(oide) in ihren Blättern in deutlich höheren Konzentrationen ansammeln als Arten, die in nichtmetallhaltigen Böden wachsen.

In einer neuen Studie, veröffentlicht in der Annals of Botanyhaben Wissenschaftler erforscht die bemerkenswerte Fähigkeit zweier Metallophytenarten, Viola dreifarbig subsp. mazedonisch und Arsenveilchen, um auf dem verlassenen Allchar-Minengelände zu wachsen der Republik Nordmazedonien, wo der Boden extreme Arsen- und Thalliumwerte aufweist. Dies ist die erste Studie, die sich experimentell mit der Verteilung von Arsen und Thallium im Gewebe dieser Arten befasst.

„Wir kultivierten V. Tricolor subsp. mazedonisch und V. arsenica in Hydrokultur und behandelten die Pflanzen mit As [Arsen] und Tl [Thallium]“, schreiben Jakovljević et al. „Dies ermöglichte uns die Durchführung einer synchrotronbasierten Mikro-Röntgenfluoreszenzanalyse (µXRF) an hydratisierten Proben, um die Verteilung von As und Tl auf Gewebe- und Zellebene zu bestimmen.“

Das Verständnis der Aufnahme von Arsen und Thallium ist besonders wichtig, da sie chemische Ähnlichkeiten mit essentiellen Elementen aufweisen, die für das Pflanzenwachstum benötigt werden. Die Aufnahme von monovalentem Thallium (Tl⁺) wird angenommen, dass es die Aufnahme, Verteilung und den Stoffwechsel von Kaliumionen (K⁺), während Arsenat (AsO₄^3-) ist bekannt, dass es mit Phosphat PO interferiert₄^3- da es sich um chemische Analoga handelt.

Jakovljević et al untersuchten die Überlebensstrategien von zwei Bratsche Arten, die ungewöhnlich große Mengen giftigen Arsenerzes und Thalliums in einem für hohe Konzentrationen beider Stoffe bekannten Bergwerk vertragen. Frühere Berichte zeigten, dass diese hyperakkumulierenden Arten Thallium in ihren Blättern und Arsen in ihren Wurzeln oder Samen ansammeln. Dies deutet darauf hin, dass die Pflanzen unterschiedliche Toleranzmechanismen nutzen, die für jedes Metall spezifisch sind. Dies wurde von Jakovljević et al. bestätigt, aber sie fanden zusätzlich heraus, dass V. Tricolor subsp. mazedonisch und V. arsenica haben unterschiedliche Thallium-Toleranzmechanismen entwickelt, die davon abhängen, wo die Pflanzen das giftige Metall binden.

Zum Testen der Bratsche Arten wurden in Hydrokulturen mit steigenden Konzentrationen jedes Metalls angebaut. Vor der chemischen Analyse wurde das Spross- oder Wurzelmaterial der Pflanze getrocknet und zu einem feinen Pulver gemahlen. Jakovljević et al. maßen die Konzentrationen von Arsen und Thallium in den Wurzeln und Sprossen der beiden Arten und stellten auch fest, ob das Thallium die Kaliumaufnahme beeinträchtigte.

Während beide Arten hohe Konzentrationen von Thallium in einer linearen, dosisabhängigen Weise anreicherten, V. Tricolor subsp. mazedonisch Thallium akkumulierte sich hauptsächlich in seinen Wurzeln und V. arsenica Thallium wurde vorwiegend in den reifen Blättern, einschließlich des Gefäßsystems, angesammelt. Darüber hinaus V. arsenica tolerierte Thallium ohne Verringerung der Kaliumaufnahme, aber V. Tricolor subsp. mazedonisch Dies war nicht der Fall. Beide Arten schlossen Arsen aus ihrem Sprossgewebe aus und behielten das giftige Metall in ihren Wurzeln.

„Bemerkenswerterweise können diese Tl-Hyperakkumulatorarten ein normales Wachstum aufrechterhalten, selbst wenn sie auf offensichtlich extrem giftigen Böden wachsen“, schreiben Jakovljević et al. „Diese Pflanzenarten haben eine Hypertoleranz gegenüber übermäßigen Konzentrationen von Metallen oder Halbmetallen im Boden entwickelt, indem sie entweder Metall(oide) ausschließen (durch stark eingeschränkte Aufnahme oder Speicherung im Wurzelbereich) oder, seltener, Metall(oide) in den oberirdischen Trieben ansammeln.“

Diese Ergebnisse können nun dazu genutzt werden, besser zu verstehen, wie die Ausschluss- und Retentionsmechanismen in Bratsche Artenfunktion und legen vielleicht eine Grundlage für die Nutzung von Bratsche Arten in der Phytoremediation.

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Jakovljević, K., Salinitro, M., Andonovska, KB, Mišljenović, T., Brueckner, D. und van der Ent, A. (2025) „Surviving Allchar: Arsen- und Thalliumtoleranz und -verteilung in Viola-Metallophyten“, Annals of Botany, (mcaf166). Verfügbar unter: https://doi.org/10.1093/aob/mcaf166

Titelbild: Viola dreifarbig ssp. mazedonisch in Griechenland durch Konrad und Roland Greinwald / iNaturalist. CC-BY-NC