Eine neue Studie zeigt, wie Uran Pflanzen vergiftet – Erkenntnisse, die dazu beitragen könnten, uranbelastete Böden mithilfe von Pflanzen zu sanieren. Die Forschung von Xi Chen und Kollegen wurde veröffentlicht in Umwelt- und experimentelle Botanik, gefunden Uran stört den Stickstoffstoffwechsel und die Proteinfaltung in Pflanzenzellen.Dies liefert Erkenntnisse darüber, warum das Schwermetall das Pflanzenwachstum hemmt. Das Verständnis dieser toxischen Wirkungen kann helfen, Pflanzen zu identifizieren, die Uran besser tolerieren und sich für die Phytosanierung eignen – also die Nutzung von Pflanzen als lebende Schwämme, um Schadstoffe aus kontaminierten Böden und Gewässern aufzunehmen und zu entfernen.
Die Forscher untersuchten die Auswirkungen von Uran auf Radieschen und Saubohnen. Sie fanden heraus, dass die Uran-Exposition schwerwiegendere Auswirkungen auf das Wachstum von Ackerbohnenpflanzen hatte Rettich Pflanzen, was darauf hindeutet, dass Rettich eine höhere Toleranz gegenüber dem Schwermetall aufweist. Ein Grund lag darin, wie die Pflanzen mit Stickstoff umgingen.
Die Forscher fanden heraus, dass Uran die Stickstoffaufnahme in Rettich steigert, indem es die Aktivität eines Schlüsselenzyms namens Nitratreduktase steigert, das Pflanzen bei der Stickstoffverarbeitung unterstützt. Aber in Saubohnen beeinträchtigte Uran die Stickstoffverarbeitung, indem es die Aktivität der Nitratreduktase und eines anderen stickstoffbezogenen Enzyms namens Glutaminsynthetase herabsetzte.
Uran verursachte auch Stress für eine wichtige Pflanzenzelle Struktur namens endoplasmatisches Retikulum, die in beiden Pflanzen an der Proteinproduktion beteiligt ist. Das endoplasmatische Retikulum ist für die Faltung und Verarbeitung von Proteinen verantwortlich, damit diese die richtige Form und Funktion haben. Uran verursachte eine Fehlfaltung von Proteinen im endoplasmatischen Retikulum und löste so die Qualitätskontrollsysteme der Pflanzenzellen aus, die versuchen, defekte Proteine neu zu falten oder zu entsorgen. Allerdings Rettich Pflanzen könnten effektiver damit umgehen mit der durch Uran verursachten Proteinfehlfaltung durch den Ausbau von Systemen, die missgebildete Proteine identifizieren und zerstören.
Uran ist ein Schwermetall, das den Boden und das Grundwasser rund um Bergbau- und Nuklearstandorte verunreinigen kann. Obwohl Pflanzen brauchen nicht Um Uran wachsen zu lassen, können einige Arten über ihre Wurzeln Uran aus kontaminierten Standorten aufnehmen und anreichern. Dies hat zu einem Interesse am Einsatz von Pflanzen zur Sanierung uranverseuchter Gebiete durch einen Prozess namens Phytoremediation geführt. Allerdings ist Uran für die meisten Pflanzen giftig, bremst ihr Wachstum und vereitelt die Aufräumarbeiten. Durch das Verständnis der toxischen Wirkung von Uran in Pflanzen hoffen Wissenschaftler, urantolerante Pflanzen zu identifizieren und zu entwickeln Pflanzenarten zur Verbesserung der Phytoremediation.
Um die toxischen Wirkungen von Uran aufzudecken, bauten die Forscher Radieschen an Saubohne Pflanzen hydroponisch in Nährlösungen. Nachdem die Pflanzen zehn Tage lang wachsen konnten, setzten sie sie drei Tage lang einer Urankonzentration von 10 Mikromol pro Liter aus.
Die Experimente ergaben, dass sich Uran in höheren Konzentrationen anreicherte Rettich Wurzeln, hemmte jedoch das Wachstum bei Saubohnen stärker, was eine geringere Biomasse und eine Wurzelbräunung zur Folge hatte. Bei der Analyse des Stickstoffgehalts stellte das Team fest, dass Uran den Gehalt an assimilierten Stickstoffverbindungen in Radieschen erhöhte, in Saubohnen jedoch verringerte. Passend zu diesem Muster erhöhte sich die Aktivität des Schlüsselenzyms des Stickstoffstoffwechsels, Nitratreduktase, in mit Uran behandelten Radieschen um fast das Dreifache, sank jedoch in Saubohnen um über 3 %.
Beim Blick in Pflanzenzellen entdeckten die Forscher, dass Uran eine Fehlfaltung von Proteinen in den Zellen verursachte endoplasmatisches Retikulum, ein Organell, das an der Verarbeitung von Proteinen beteiligt ist. Radieschenpflanzen könnten jedoch effektiver mit diesen missgebildeten Proteinen umgehen, indem sie Proteinentsorgungssysteme aktivieren – XNUMX verwandte Gene wurden in Radieschen hochreguliert, während zehn Gene herunterreguliert wurden. Im Vergleich dazu waren in Saubohnen nur neun Gene hochreguliert, während zwölf herunterreguliert waren. Diese überlegene Proteinqualitätskontrolle im Rettich ermöglicht es ihm wahrscheinlich, Uranstress besser zu bewältigen als Saubohnen.
Die Ergebnisse von Chen und Kollegen haben gezeigt, wie Uran das Pflanzenwachstum auf molekularer Ebene hemmt, indem es wichtige Stickstoffassimilations- und Proteinproduktionsprozesse stört. Diese Entdeckungen ebnen den Weg für eine optimale Anpassung Phytosanierung Pflanzen, die den toxischen Auswirkungen von Uran standhalten können. Solche speziell gezüchteten „Superpflanzen“ könnten eine umweltfreundliche Sanierungslösung für die Sanierung uranverseuchter Böden und des Grundwassers darstellen.
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Chen, X., Dang, Y.-X., Li, Q.-L., Li, W., Xie, M.-T., Wang, M.-X., Tao, M.-F., Zhao, S.-S., Lai, J.-L. und Wu, G. (2023) „Uran beeinflusst den Stickstoffstoffwechsel und die Proteinhomöostase des endoplasmatischen Retikulums in Pflanzen." Umwelt- und experimentelle Botanik, 213(105444), p. 105444. Erhältlich unter: https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2023.105444.
