Auswirkung von Arsen in Reis: Verbindung zwischen transkriptioneller Regulation und Proteinbiosynthese

Abstract

Zusammenfassung

Die Kontamination von Grundwasser und Mutterboden durch Arsenverbindungen in Staaten wie Bangladesch, Indien, Vietnam, aber auch China oder den USA rückt immer mehr ins Bewusstsein. Studien zeigen, dass die Aufnahme von Arsenverbindungen in Pflanzen ein ernstzunehmendes Problem darstellt [3-6]. Daher sollten Wege gefunden werden, um die Aufnahme von Arsen in Pflanzen, die als Nahrungs- bzw. Futtermittel dienen, zu reduzieren oder gänzlich zu verhindern. Nur so können gesundheitliche Langzeitfolgen für die Konsumenten vermieden oder zumindest abgeschwächt werden [7]. Dazu ist es erforderlich, die Aufnahme- und Verteilungsvorgänge zu ermitteln sowie die Auswirkungen dieses Metalloids auf die Pflanze zu verstehen. Um die hier bestehenden erheblichen Wissenslücken zu schließen, wurden viele Untersuchungen durchgeführt, die sich mit den Bodenbedingungen und deren Einfluss auf die Aufnahme von Arsenverbindungen in Pflanzen beschäftigen. Einen weiteren Schwerpunkt in der Forschung stellen die daran beteiligten Transportproteine dar [3, 8, 9]. Diesen Untersuchungen verdanken wir ein besseres Verständnis sowohl der komplexen Vorgänge, die die Aufnahme der verschiedenen Arsenverbindungen betreffen, als auch der diversen mikrobiologischen Prozesse im Boden. Bodenbedingungen und Mikroorganismen spielen eine entscheidende Rolle für die Löslichkeit und damit die Verfügbarkeit von Mineralien für die Pflanzen [9]. Bisher setzen sich jedoch wenige Untersuchungen mit der molekularen Regulation in der Pflanze auseinander, auch wenn die Tendenz zu solchen Studien stark steigend ist. Untersuchungen des Transkriptoms zeigen schon sehr frühzeitig eine klare Änderung bei verschiedenen Pflanzenarten unter Arsenstress. Im Gegensatz dazu ist das Proteom arsenbehandelter Pflanzen wenig untersucht. Untersuchungen des Proteoms würden einerseits die Transkriptomdaten stützen und andererseits Hinweise auf zusätzliche Regulationsmechanismen auf Proteinebene geben. Dies ist besonders wichtig, da Änderungen im Transkriptom nicht zwangsläufig in Änderungen des Proteoms resultieren [10]. In der vorgelegten Arbeit kam metabolic labeling mit anschließender quantitativer Proteomik zur Anwendung, zusammen mit der Beobachtung von arseninduzierten phänotypischen Veränderungen. Die dadurch gewonnenen Daten wurden mit publizierten Daten aus Proteom-, Metabolom- und Transkriptom-Studien verglichen [11-16], um dadurch ein besseres Verständnis der durch Arsen ausgelösten Mechanismen in der Pflanze zu erlangen. Die quantitativen Untersuchungen des Proteoms zeigten Änderungen in der Menge an Proteinen bei Prozessen wie der Atmungskette, der Glykolyse, epigenetischen Veränderungen, Schwefel-, Redox- und Aminosäurestoffwechsel oder dem Citratzyklus oder bei Enzymen, die diese Stoffwechselwege miteinander verbinden. Dies deutet einen Effekt von Arsenat auf den Energiehaushalt an. Neben einer erhöhten Menge an Produkten der Aminosäuresynthese konnten auch Änderungen von Metaboliten des Redox- und Schwefelstoffwechsels durch vergleichend gemessene Metabolitenanalysen bestätigt werden. Weitere Prozesse, bei denen sich zumindest partielle Veränderungen in Metabolom und Proteom zeigen, sind der Fett-, Hormon- und der Sekundärstoffwechsel. Durch den Vergleich von Langzeit- und Kurzzeitbehandlung und durch das Trennen der Wurzel- und Sprossgewebe ergab sich ein detailliertes Bild der Veränderungen im Proteom. Die Änderungen in den Wurzeln sind z. B. drastischer und vielzähliger als im Spross, was sich auch anhand der unterschiedlich starken Wachstumsreduktion dieser Organe zeigt. Durch den Vergleich der Daten dieser Arbeit mit den in der Literatur verfügbaren Daten aus Studien des Transkriptoms konnte eine Vielzahl dieser Funde bestätigt werden. Einige der in ihrer Abundanz variierenden Proteine sind allerdings in keiner dieser Studien aufgeführt. Daher sind diese Proteomanalysen, in denen eine große Zahl verändert regulierter Proteine identifiziert wurde, ein wichtiger Schritt, um die Abläufe bei einer Arsenintoxikation von Reis besser zu verstehen.