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Heavy metal tolerance and localization in the moss Physcomitrella patens
Stefan Sassmann
Art der Arbeit
Diplomarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Betreuer*in
Irene Lichtscheidl
DOI
10.25365/thesis.9121
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29097.49052.792969-3
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Bryophyten werden in der Literatur als generell resistent gegen erhöhten abiotischen Stress
beschrieben. Spezialisten unter den Moosen wie Mielichhoferia elongata sind bekannt dafür,
erhöhte Schwermetallbelastung an natürlich oder menschlich verursachten
Schwermetallstandorten zu tolerieren. Physcomitrella patens gilt als Modellorganismus,
dessen Genom sequenziert ist. Bislang sind keine Schwermetallresistenten Ökotypen von P.
patens bekannt und da es an natürlich belasteten Schwermetallstandorten nicht vorkommt,
wird es als sensitives Moos angesehen. P. patens wurde unter in steriler Kultur auf
abgestuften Konzentrationen von Cu-EDTA, CuCl2, Zn-EDTA, ZnCl2 und CdCl2, ausgehend von
0.1 μM für CdCl2 und bis zu 100 mM für Zink und Kupfer, ausgesetzt.
Klassische Resistenztests zeigten eine hohe Resistenz von P. patens gegenüber den
verwendeten Schwermetallen Kupfer und Zink, welche sogar jene bekannter
Schwermetallspezialisten einstellte oder sogar übertraf. Mit einer
Wachstumskontrollversuchen konnte diese Resistenz bestätigt werden. In geringen
Konzentrationen wurden sogar leicht positive Effekte der Schwermetalle im
Biomassezuwachs festgestellt. Untersuchungen mit dem Rasterelektronenmikroskop und
Energiedispersive Röntgenspektroskopie (REM-EDX) bestätigten eine Aufnahme von Kupfer
und Zink in Blattzellen von P. patens. Für Cadmium wurde jedoch eine tödliche
Konzentration für das Moos erreicht, die unter der Messgrenze des Gerätes lag. Mit der
Verwendung von Fluoreszenzfarbstoffen im Konfokalmikroskop (CLSM) konnte zum ersten
Mal nachgewiesen werden, dass die Zunahme der Fluoreszenz mit der
Schwermetallkonzentration korreliert. Zink war außerdem in kleinen Vesikeln, in der Vakuole
sowie in der Zellwand enthalten.
Zur weiteren Lokalisation der Schwermetalle auf intrazellulärem Niveau wurde
Transmissions-Elektronenmikroskopie und Elektronenenergieverlust-Spektroskopie (TEMEELS)
verwendet. Erste Ergebnisse zeigten elektrondichte Niederschläge in der Vakuole und
nahe der Zellwand. Stärkekörner fehlten in den Chloroplasten jener Zellen, welche in
höheren Konzentrationen als 1 mM Kupfer- und Zink-EDTA gewachsen waren. EELSMessungen
ergaben kleine Peaks für Kupfer und Zink in den Chloroplasten.
Mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) Analyse konnte in P. patens ein
erhöhter und mit zunehmender Schwermetallkonzentration korrelierender Gehalt an
Benzoesäure, ein Stress-Metabolit und Vorstufe von Salicylsäure, gemessen werden.
Abstract
(Englisch)
Bryophytes are generally considered to be highly resistant to abiotic stress and
specialist mosses like Mielichhoferia elongata are known to tolerate high levels of
heavy metal contamination on natural- or antropogenous heavy metal sites.
However, no such ecotype is known for Physcomitrella patens the model organism for
bryophytes with its genome fully sequenced; therefore it was considered a heavy
metal sensitive moss. In the present study P. patens was cultivated in vitro and
exposed to graded heavy metal solutions of Cu-EDTA, CuCl2, Zn-EDTA, ZnCl2 and
CdCl2, ranging from 0.1 μM for CdCl2 and up to 100 mM for zinc and copper EDTA.
Classical resistance experiments indicated a high resistance to copper and zinc, even
higher than of the specialist moss M. elongata. Further tests confirmed this high
tolerance to heavy metals and at low concentrations, a slightly positive effect in
biomass accumulation could be observed in P. patens.
Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) on a scanning electron microscope (SEM)
confirmed an accumulation of zinc and copper in the leaf tissue. Cadmium could not
be detected using this method; it seemed to be lethal at concentrations beneath the
detection limit of the instrument used.
For the first time, using fluorescent dyes in a confocal laser scanning microscope
(CLSM), it could be shown here that the uptake of zinc is in correlation to rising heavy
metal concentrations. Zinc-containing vesicles as well as zinc accumulations in the
vacuole and the cell wall could be observed.
To further determine the localisation of the heavy metals within the cell, an approach
was used that combines transmission electron microscopy (TEM) and the electron
energy loss spectroscopy (EELS) used. First micrographs showed electron dense
precipitations in the vacuole and surrounding the chloroplasts, as well as the lack of
starch grains in the cells grown above 1 mM zinc- or copper- EDTA. Small copper and
zinc peaks could be detected in the chloroplasts.
The analyses of P. patens gametophytes by high performance liquid chromatography
(HPLC) displayed the stress induced production of benzoic acid, a common stress
response metabolite and precursor of salicylic acid corresponding linearly to rising
heavy metal concentrations.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Bryophytes heavy metal tolerance heavy metal resistance heavy metal uptake Physcomitrella patens
Schlagwörter
(Deutsch)
Bryophyten Schwermetalltoleranz Schwermetallresistenz Schwermetallaufnahme Physcomitrella pantens
Autor*innen
Stefan Sassmann
Haupttitel (Englisch)
Heavy metal tolerance and localization in the moss Physcomitrella patens
Paralleltitel (Deutsch)
Schwermetalltoleranz und Lokalisation im Moos Physcomitrella patens
Publikationsjahr
2010
Umfangsangabe
79 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Irene Lichtscheidl
AC Nummer
AC08109513
Utheses ID
8223
Studienkennzahl
UA | 444 | | |