Basel – Wenn Kulturpflanzen auf arsenhaltigen Böden wachsen, sammelt sich das giftige Element in der Nahrungskette an. Eine Studie mit Beteiligung der Universität Basel hat nun einen Mechanismus nachgewiesen, mit dem Maispflanzen die Aufnahme von Arsen reduzieren: Dafür verantwortlich ist ein spezieller Wirkstoff, den Wurzeln in den Boden abgeben.
Arsen ist ein giftiges Halbmetall natürlichen Ursprungs. 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 Arsen von Natur aus in überdurchschnittlich hohen Konzentrationen vorkommt – etwa in den Böden des Dörfchens Liesberg im Kanton Baselland.
«Das spezielle Problem für Pflanzen ist, dass Arsen sich chemisch ähnlich verhält wie Phosphor», sagt Prof. Dr. 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. Das schadet auf Dauer der Gesundheit: Eine zu hohe Belastung mit Arsen führt beim Menschen beispielsweise zu neurologischen Einschränkungen und ist krebserregend.
Wurzeln geben Gegengift ab
Doch wie das Team von Schläppi nun im Fachjournal «PNAS» berichtet, weiss sich Mais gegen Arsen zu wehren – und zwar durch sogenannte Benzoxazinoide. 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, welche auch über die Wurzeln in den Boden abgegeben werden. «Es gab Hinweise darauf, dass Mais im Vergleich mit anderen Pflanzenarten weniger Arsen aufnimmt», so Schläppi.
Um diese Vermutung zu testen, kultivierten die Forschenden Maispflanzen einmal auf einem arsenfreien Boden und einmal auf einem Boden mit hohem Arsengehalt. Das gleiche Experiment führten sie parallel auch mit Maispflanzen durch, die aufgrund eines Gendefekts keine Benzoxazinoide herstellen konnten. Die Experimente führte Schläppi in Zusammenarbeit mit den Forschungsgruppen von Prof. Dr. Adrien Mestrot und Prof. Dr. Matthias Erb von der Universität Bern durch.
Arsen entschärfen
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. Wenn die Forschenden dem arsenhaltigen Boden Benzoxazinoide beimischten, so waren auch die mutierten Pflanzen vor Arsen geschützt. «Dies lieferte den endgültigen Beweis, dass das Vorhandensein von Benzoxazinoiden im Boden die Aufnahme von Arsen in die Pflanzen vermindert», so Schläppi.
Im nächsten Schritt wollten die Forschenden 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.» (Universität Basel/mc/ps)
Originalpublikation
Veronica Caggìa et al.
Root-exuded specialized metabolites reduce arsenic toxicity in maize.
PNAS (2024), doi: 10.1073/pnas.2314261121
Forschungsgruppe Prof. Dr. Klaus Schläppi
Universität Basel