Forscher entdecken, dass Mais die Arsentoxizität im Boden reduziert

Wenn Pflanzen in arsenverseuchten Böden wachsen, reichert sich dieses giftige Element in der Nahrungskette an. Eine Studie unter Beteiligung der Universität Basel hat nun einen Mechanismus entdeckt, mit dem Maispflanzen die Arsenaufnahme reduzieren: Der Schlüsselfaktor ist ein spezieller Stoff, der von den Wurzeln in den Boden abgegeben wird.

Arsen ist ein giftiges Metalloid natürlichen Ursprungs. Mit Arsen kontaminierte Böden und Gewässer kommen auf der ganzen Welt vor, insbesondere in südostasiatischen Ländern wie Bangladesch, Vietnam und China. Zudem gibt es in der Schweiz einige natürliche Brennpunkte, an denen Arsen in überdurchschnittlichen Konzentrationen vorkommt. Ein Beispiel ist der Boden am Liesberg im Kanton Baselland.

„Das besondere Problem für Pflanzen besteht darin, dass sich Arsen chemisch ähnlich wie Phosphor verhält“, sagt Professor Klaus Schlaeppi vom Departement Umweltwissenschaften der Universität Basel. Phosphor ist ein wichtiger Nährstoff, den Pflanzen über spezielle Transportkanäle in ihren Wurzeln aufnehmen. „Über diese Kanäle gelangt das Arsen in die Pflanzen.“

Dadurch reichert sich immer mehr Giftstoff in der Biomasse an und gelangt in die Nahrungskette. Dies wirkt sich auf lange Sicht negativ auf die menschliche Gesundheit aus. Eine hohe Arsenbelastung kann beispielsweise neurologische Schäden und Krebs verursachen.

Wurzeln setzen ein Gegenmittel frei

Aber wie es Schläppis Team nun getan hat gemeldet im Tagebuch PNAS, Mais reduziert die Arsentoxizität durch Verbindungen, die als Benzoxazinoide bekannt sind. Diese Stoffe werden von den meisten Pflanzen der botanischen Gruppe der Gräser produziert, zu denen auch Mais und Weizen gehören. Mais produziert besonders große Mengen an Benzoxazinoiden, die auch über das Wurzelsystem in den Boden abgegeben werden.

„Es gab bereits Hinweise darauf, dass Mais weniger Arsen aufnimmt als andere Pflanzenarten“, sagt Schlaeppi.

Um diese Hypothese zu testen, bauten die Forscher Maispflanzen auf zwei Bodenarten an: ohne Arsen und mit hohem Arsengehalt. Das gleiche Experiment führten sie parallel mit Maispflanzen durch, die aufgrund eines genetischen Defekts keine Benzoxazinoide produzieren können. Schlaeppi führte diese Experimente in Zusammenarbeit mit den Forschungsgruppen von Professor Adrien Mestrot und Professor Matthias Erb an der Universität Bern durch.

Milderung der Arsentoxizität

Das Ergebnis war eindeutig: Benzoxazinoide produzierender Mais wuchs im arsenhaltigen Boden besser und reichert deutlich weniger Arsen in seiner Biomasse an als der Mais, der keine Benzoxazinoide ausstrahlt.

Als die Forscher Benzoxazinoide in den arsenhaltigen Boden mischten, wurden auch die mutierten Pflanzen vor der Arsentoxizität geschützt. „Damit war der Beweis erbracht, dass die Anwesenheit von Benzoxazinoiden im Boden die Arsenaufnahme in Pflanzen verringerte“, sagt Schlaeppi.

Als nächstes wollten die Forscher den zugrunde liegenden Mechanismus finden, der diesen Effekt verursacht. Analysen des Wurzelmikrobioms zeigten, dass Bakterien und Pilze nicht beteiligt waren. Chemische Bodenanalysen zeigten jedoch, dass bei Anwesenheit von Benzoxazinoiden eine besonders giftige Form von Arsen verschwand.

„Das deutet darauf hin, dass die Benzoxazinoide Arsen so umwandeln, dass es nicht mehr über die Wurzel aufgenommen werden kann“, sagt sie. Um welche chemischen Prozesse es sich dabei handelt, ist derzeit noch unklar.

Weitere Experimente zeigten, dass die positive Wirkung der Benzoxazinoide im Boden noch lange anhielt: Auch eine zweite Maisgeneration profitierte noch von der Benzoxazinoide-Ausscheidung der ersten Generation.

„Eine Anwendung dieser Erkenntnisse wäre, an arsenbelasteten Standorten Pflanzensorten anzubauen, die mehr Benzoxazinoide freisetzen“, sagt Schlaeppi. Hyperemittierende Pflanzen könnten durch klassische Züchtung oder gezielte genetische Veränderungen erzeugt werden. „So könnten wir sicherer sein, dass weniger Arsen in die Nahrungskette gelangt.“