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In Vitro Kultur des Metallophyten Thlaspi caerulescens

Kulturmedien und Applikation toxischer Schwermetalle

Sandra Gerstmann

Art der Arbeit

Masterarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Betreuer*in

Irene Lichtscheidl

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DOI

10.25365/thesis.9261

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29059.44942.246866-6

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Thlaspi caerulescens toleriert und hyperakkumuliert Schwermetalle wie Zink, Nickel, Blei und Cadmium. Es ist daher in der Lage, Habitate zu besiedeln, die soviel Schwermetalle enthalten, dass sie für "normale" Pflanzen toxisch sind. Die Schwermetalle werden im Spross angereichert, wobei die Metallgehalte nichtakkumulierender Pflanzen bis zu dreihundertfach überschritten werden und das achtfache der Metallkonzentration des Bodens erreicht wird. In der biologischen Forschung wird T. caerulescens daher als Modellsystem zur Untersuchung von Schwermetallresistenz und ‐akkumulation eingesetzt. Die in vitro – Kultur ist ein essentielles Werkzeug für die moderne Pflanzenwissenschaft, da ganze Pflanzen, Organe und sogar isolierte Einzelzellen unter kontrollierten Bedingungen kultiviert und definierten Stresslevels ausgesetzt werden können. Dennoch wurde für T. caerulescens noch kein standardisiertes Kultivierungsprotokoll etabliert. Im Rahmen dieser Masterarbeit wurde ein optimiertes in vitro Kultivierungsprotokoll erstellt, in dem die folgenden Parameter modifiziert wurden: Oberflächensterilisation der Samen, Aufhebung der Keimhemmung sowie Optimierung des Nährmediums für Keimung und Subkultivierung. Die Bioverfügbarkeit von Zink, Blei, Nickel und Arsen im Medium wurde in unterschiedlichen Medientypen getestet, wobei verschieden Anionen als Gegenion verwendet wurden. Schwermetallkonzentrationen wurden mittels Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) und Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP‐MS) evaluiert, Arsen wurde mittels Neutronenaktivierungsanalyse quantifiziert. Die Reaktion steriler Pflanzen auf ZnEDTA und ZnSO4 wurde untersucht und mit Daten vom natürlichen Standort verglichen. Das optimierte Protokoll beinhaltet ein Brechen der Keimruhe mit Hilfe von Gibberelinsäure, eine Oberflächensterilisation der Samen mit H2O2, Samenkeimung auf halbkonzentriertem Murashige & Skoog Medium (MS/2) und Subkultivierung auf vollkonzentriertem Medium nach Nitsch & Nitsch (1N) mit 1% Agar‐ und Saccharosegehalt bei einem pH‐Wert von 4,8 ohne Hormonanwendung.Die Wasserextrahierbarkeit der Schwermetalle aus den halbfesten Kulturmedium war hoch (≥50%) für alle Verbindungen und Konzentrationen von Zink, Nickel und Arsen, sowie für 20mM Blei, jedoch niedrig (<50%) für 2 mM Blei. Die Schwermetalle in Flüssigkultur mit Faltenfilter zeigten eine Verfügbarkeit <50%, mit Ausnahme von Nickel und 20mM Blei, sowie 20 mM Arsenat. T. caerulescens tolerierte Zinkstress auf Agar, zeigte aber ein rasches Absterben in Flüssigkultur. Wachstumsraten der Kontrolle und der ZnSO4‐Ansätze waren ähnlich, jedoch stark reduziert auf ZnEDTA‐Agar und Flüssigkultur. 10 mM ZnSO4 wurde in vitro in ähnlichen Mengen akkumuliert wie am natürlichen Standort. Der Zusatz von EDTA im Medium inhibierte die Zinkaufnahme, ähnlich wie die Situation in Erde.

Abstract

(Englisch)

Thlaspi caerulescens (Brassicaceae) tolerates and even hyperaccumulates heavy metals like zinc, nickel, lead and cadmium. It therefore can colonize metal rich habitats that are toxic for "normal" plants, and it even accumulates heavy metals in its shoot so that they become enriched up to 300 times compared to nonaccumulating plants or eight times compared to the soil, respictively.Therefore, T. caerulescens is used as a model system to study heavy metal resistance and accumulation. In vitro culture and micropropagation is an essential tool for modern plant science, as plants, organs and even isolated cells can becultivated under controlled conditions and exposed to defined levels of stress. For T. caerulescens however, no standardized cultivation protocol has been established so far. Within the scope of this master thesis, an optimised cultivation protocol has been developed and the following parameters were modified: Surface sterilisation of seeds, breaking seed dormancy and optimisation of the nutrient media for germination and subcultivation. The bioavailability of zinc, lead, nickel and arsenic in the media was tested using different anions in various supporting agents. Heavy metal concentrations were measured using Atomic Absorption Spectroscopy (AAS) and Inductive Coupled Plasma Mass Spectroscopy (ICP‐MS), arsenic was determined via Instrumental Neutron Activation Analysis. The reactions of sterile plants towards ZnEDTA and ZnSO4 were studied and compared to data from the natural habitat. The optimised protocol includes breaking of seed dormancy using Gibberelic Acid, surface sterilisation of seeds with H2O2, germination on half concentrated Murashige & Skoog medium (MS/2) and subcultivation on Nitsch & Nitsch medium (1N) containing 1% agar, 1% sucrose at pH 4.8 and no additional hormons. Water extractability of heavy metals from semisolid cultivation medium was high (≥ 50%) for all species and concentrations of zinc, nickel and arsenic as well as for 20mM lead, but low (<50%) for 2 mM lead. Heavy metals in liquid culture with folded filter showed an availability <50% except for nickel and 20mM lead and 20 mM arsenate, respectively.T. caerulescens tolerated zinc stress on agar, but died quickly in liquid culture. Growth rates were similar in the control and on ZnSO4 on agar, but strongly reduced on ZnEDTA on agar and in liquid culture. Zinc was taken up in similar amounts on 10mM ZnSO4 as at the natural site. The addition of EDTA to the medium inhibited zinc uptake similar to the situation on soil.

Autor*innen

Sandra Gerstmann

Haupttitel (Deutsch)

In Vitro Kultur des Metallophyten Thlaspi caerulescens

Hauptuntertitel (Deutsch)

Kulturmedien und Applikation toxischer Schwermetalle

Paralleltitel (Englisch)

In vitro culture of the Metallophyte Thlaspi caerulescens: Culture Media and Application of Toxic Heavy Metals

Publikationsjahr

2010

Umfangsangabe

141 S.

Sprache

Deutsch

Beurteiler*in

Irene Lichtscheidl

Klassifikationen

42 Biologie > 42.15 Zellbiologie ,

42 Biologie > 42.41 Pflanzenphysiologie ,

42 Biologie > 42.90 Ökologie: Allgemeines

AC Nummer

AC08083688

Utheses ID

8352

Studienkennzahl

UA | 066 | 832 | |

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