Aufnahme, Akkumulation und Metabolismus von Thioarsenaten in Pflanzen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Halbmetall Arsen ist in Spuren allgegenwärtig in der Umwelt. Verantwortlich dafür sind sowohl natürliche als auch vom Menschen beeinflusste Prozesse. Arsen ist für alle Organismen toxisch und für Menschen als Klasse I-Karzinogen eingestuft. Pflanzen nehmen Arsen über Transporter für essentielle und förderliche Mineralstoffe auf. Deshalb sind pflanzliche Nahrungsmittel eine wesentliche Quelle der chronischen Belastung des Menschen durch Arsen. Verschiedene anorganische und organische Arsen-Formen sind in der Umwelt präsent. Dabei gelten Arsenat und Arsenit als die wichtigsten. Arsen kann außerdem durch in der Rhizosphäre von Pflanzen lebende Bakterien methyliert werden und in Pflanzen akkumulieren. Wir hatten entdeckt, dass auch thiolierte, also Schwefel enthaltende Arsen-Formen unter den reduzierenden Bedingungen überfluteter Reisfelder vorkommen. Diese Thioarsenate werden durch die bisher etablierten Analysemethoden nicht erfasst, obwohl sie einen erheblichen Anteil des Gesamtarsens unter verschiedenen Feldbedingungen repräsentieren. In einer Pilotstudie konnten wir zeigen, dass Thioarsenate von Pflanzen aufgenommen werden und dort toxisch wirken. In Anbetracht der Bedeutung der Arsen-Akkumulation für die Nahrungsmittelsicherheit ergibt sich aus diesen beiden Beobachtungen, dass ein mechanistisches Verständnis der Interaktion von Thioarsenaten mit Pflanzen dringend erforderlich ist. Das Projekt hatte zum Ziel, die Mechanismen der Aufnahme von Thioarsenaten in Pflanzen, ihren Metabolismus, die Mobilität von aus Thioarsenaten entstehenden Arsen-Formen zwischen pflanzlichen Geweben und schließlich den Beitrag von Thioarsenat-Exposition für die Arsen-Belastung von Nahrungspflanzen aufzuklären. Die beiden untersuchten Modellsysteme waren Reis, welcher auch der Zielorganismus in Bezug auf Nahrungsmittelsicherheit ist, und Arabidopsis thaliana, die Pflanzenart, welche viele der bisherigen Durchbrüche im Verständnis von Arsen-Transport und -Metabolismus ermöglicht hat. Unser Projekt hat wichtige Einsichten in die Interaktion von Thioarsenaten und Pflanzen erbracht. Am wichtigsten ist wohl die Erkenntnis, dass Dimethylmonothioarsenat (DMMTA), ein – wie durch Arbeiten an humanen Zellen und unsere eigenen Experimente mit Pflanzen gezeigt – hochtoxisches Thioarsenat, effizient von Pflanzen aufgenommen wird und innerhalb der Pflanze mobil ist. Zudem kann DMMTA in der Pflanze aus weniger problematischen methylierten As-Formen wie Dimethylarsenat (DMA) gebildet werden, sehr wahrscheinlich in Reaktionen mit reduziertem Schwefel. Die Mobilität von DMMTA ist zumindest teilweise dadurch zu erklären, dass es dem wichtigsten Entgiftungsmechanismus, der Bildung von Phytochelatinen, entgeht. Dadurch erreicht DMMTA sogar das Reiskorn. Dies gilt für kommerziell angebauten Reis aus praktisch allen Anbaugebieten der Welt. Das sich daraus ergebende Risiko für die Nahrungsmittelsicherheit haben wir in wissenschaftlichen Publikationen und durch direkte Interaktion mit zuständigen Behörden und Institutionen kommuniziert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Iron Plaque at Rice Roots: No Barrier for Methylated Thioarsenates. Environmental Science & Technology, 53(23), 13666-13674.
Kerl, Carolin F.; Ballaran, Tiziana Boffa & Planer-Friedrich, Britta
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Methylated Thioarsenates and Monothioarsenate Differ in Uptake, Transformation, and Contribution to Total Arsenic Translocation in Rice Plants. Environmental Science & Technology, 53(10), 5787-5796.
Kerl, Carolin F.; Schindele, Ruth Alina; Brüggenwirth, Lena; Colina, Blanco Andrea E.; Rafferty, Colleen; Clemens, Stephan & Planer-Friedrich, Britta
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Safer food through plant science: reducing toxic element accumulation in crops. Journal of Experimental Botany, 70(20), 5537-5557.
Clemens, Stephan
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Detection of Thioarsenates in Rice Grains and Rice Products. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 69(7), 2287-2294.
Colina, Blanco Andrea E.; Kerl, Carolin F. & Planer-Friedrich, Britta
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Dimethylated Thioarsenates: A Potentially Dangerous Blind Spot in Current Worldwide Regulatory Limits for Arsenic in Rice. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 70(31), 9610-9618.
Planer-Friedrich, Britta; Kerl, Carolin F.; Colina, Blanco Andrea E. & Clemens, Stephan
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Dimethylmonothioarsenate Is Highly Toxic for Plants and Readily Translocated to Shoots. Environmental Science & Technology, 56(14), 10072-10083.
Pischke, Erik; Barozzi, Fabrizio; Colina, Blanco Andrea E.; Kerl, Carolin F.; Planer-Friedrich, Britta & Clemens, Stephan
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In Planta Arsenic Thiolation in Rice and Arabidopsis thaliana. Environmental Science & Technology, 57(51), 21846-21854.
Colina, Blanco Andrea E.; Pischke, Erik; Higa, Mori Alejandra; Kerl, Carolin F.; Clemens, Stephan & Planer-Friedrich, Britta
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Widespread occurrence of dimethylmonothioarsenate (DMMTA) in rice cakes: Effects of puffing and storage. Food Chemistry, 436, 137723.
Colina, Blanco Andrea E.; Higa, Mori Alejandra & Planer-Friedrich, Britta
