Mit Mais gegen Arsen im Boden
Wachsen Kulturpflanzen auf arsenhaltigem Grund, sammelt sich das giftige Halbmetall in der Nahrungskette an. Allerdings können Maispflanzen die Aufnahme des Stoffs reduzieren, sie geben einen speziellen Wirkstoff in den Boden ab. - Dies zeigt eine Studie mit Beteiligung der Universität Basel.
Mit Arsen belastete Böden und Gewässer gibt es überall auf der Welt, besonders betroffen sind Länder in Südostasien wie Bangladesch, Vietnam oder China. Aber auch in der Schweiz gibt es einzelne Hotspots, an denen das giftige Halbmetall von Natur aus in überdurchschnittlich hohen Konzentrationen vorkommt – zum Beispiel in den Böden des Dörfchens Liesberg im Kanton Baselland.
Arsen verhält sich ähnlich wie Phosphor
«Das spezielle Problem für Pflanzen ist, dass Arsen sich chemisch ähnlich verhält wie Phosphor», erklärt Klaus Schläppi vom Departement Umweltwissenschaften der Universität Basel. Phosphor ist ein wichtiger Nährstoff, den Pflanzen über spezielle Transportkanäle mit den Wurzeln aufnehmen. «Durch diese Kanäle schmuggelt sich das Arsen in die Pflanzen hinein.» So sammelt sich immer mehr von dem giftigen Stoff in der Biomasse an und gelangt in die Nahrungskette. Auf Dauer schadet dies der Gesundheit: So führt eine zu hohe Belastung mit Arsen beim Menschen etwa zu neurologischen Einschränkungen und ist krebserregend.
Allerdings nehmen nicht alle Pflanzen den schädlichen Stoff auf: Mais kann sich dank sogenannten Benzoxazinoide gegen Arsen wehren. Dies berichtet das Team von Schläppi nun im Fachjournal «PNAS» berichtet. Diese Substanzen werden von den meisten Pflanzen der botanischen Gruppe der Gräser, zu denen auch Mais und Weizen gehören, produziert. Mais produziert besonders viele Benzoxazinoide, die auch über die Wurzeln in den Boden abgegeben werden. «Es gab Hinweise darauf, dass Mais im Vergleich mit anderen Pflanzenarten weniger Arsen aufnimmt», erklärt Schläppi.
Um diese Vermutung zu erhärten, kultivierte das Team einmal auf einem arsenfreien Boden und einmal auf einem Boden mit hohem Arsengehalt Maispflanzen. Dasselbe Experiment wurde parallel auch mit Maispflanzen durchgeführt, die aufgrund eines Gendefekts unfähig sind, Benzoxazinoide herzustellen. Die Experimente führte Schläppi in Zusammenarbeit mit den Forschungsgruppen von Adrien Mestrot und Matthias Erb von der Universität Bern durch.
Der positive Effekt von Benzoxazinoiden im Boden hält lange an
Das Resultat war eindeutig: Der Wildtyp-Mais, der Benzoxazinoide produzierte, wuchs auf arsenhaltigen Böden besser und sammelte deutlich weniger Arsen in seiner Biomasse an als der Mais, der keine Benzoxazinoide absonderte. Mischten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dem arsenhaltigen Boden Benzoxazinoide bei, waren auch die mutierten Pflanzen vor Arsen geschützt. Schäppi dazu: «Dies lieferte den endgültigen Beweis, dass das Vorhandensein von Benzoxazinoiden im Boden die Aufnahme von Arsen in die Pflanzen vermindert.»
In einem nächsten Schritt wollte man herausfinden, auf welchem Mechanismus dieser Effekt beruht. Analysen des Mikrobioms der Wurzeln deuteten darauf hin, dass Bakterien und Pilze nicht daran beteiligt sind. Chemische Bodenanalysen zeigten aber, dass in Anwesenheit von Benzoxazinoiden eine besonders giftige Form von Arsen aus dem Boden verschwindet. «Wir vermuten deshalb, dass Benzoxazinoide das Arsen so umwandeln, dass es nicht mehr durch die Wurzel aufgenommen werden kann.» Welche chemischen Prozesse dabei ablaufen, ist im Moment allerdings noch unklar.
Weitere Versuche zeigten, dass der positive Effekt von Benzoxazinoiden im Boden lange anhält: Auch eine zweite Generation an Mais profitierte noch von den Benzoxazinoid-Ausscheidungen der ersten Generation und akkumulierte weniger Arsen. «Eine Anwendung dieser Erkenntnisse wäre der Anbau von Pflanzenlinien, die besonders viel Benzoxazinoide abgeben, an den durch Arsen kontaminierten Standorten», sagt Schläppi. Eine Züchtung von hyper-ausscheidenden Pflanzen wäre durch klassische Kreuzungen oder durch gezielte genetische Veränderungen möglich. «Dann hätten wir eine höhere Sicherheit, dass weniger Arsen in die Nahrungskette gelangt.» (mgt/mai)
Quelle: Kilom691, Prof. Dr. Otto Wilhelm Thomé Flora von Deutschland, Österreich und der Schweiz 1885, Gera, Deutschland, gemeinfrei
Pflanze mit reinigenden Qualitäten: Mais. Illustration aus "Flora von Deutschland, Österreich und der Schweiz " von Prof. Dr. Otto Wilhelm Thomé, erschienen um 1885.
