Pflanzenforschung für Lebensmittelsicherheit So wehrt sich Mais gegen Arsen im Boden

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Kulturpflanzen wie Mais reichern natürlicherweise Arsen aus Böden an. Doch sie sind dem giftigen Schwermetall nicht wehrlos ausgesetzt. Wie Forscher nun zeigen, sondern Maispflanzen eine Art Gegengift über ihre Wurzeln ab und vermindern so die Arsenaufnahme.

Das giftige Halbmetall Arsen gibt es natürlicherweise in Böden und Gewässer überall auf der Welt, besonders betroffen sind Länder in Südostasien wie Bangladesch, Vietnam oder China. Aber auch in der Schweiz gibt es einzelne Hotspots, an denen Arsen von Natur aus in überdurchschnittlich hohen Konzentrationen vorkommt – etwa in den Böden des Dörfchens Liesberg im Kanton Baselland.

„Das spezielle Problem für Pflanzen ist, dass Arsen sich chemisch ähnlich verhält wie Phosphor“, sagt Prof. Dr. Klaus Schläppi vom Departement Umweltwissenschaften der Universität Basel. Phosphor ist ein wichtiger Nährstoff, den Pflanzen über spezielle Transportkanäle mit den Wurzeln aufnehmen. „Durch diese Kanäle schmuggelt sich das Arsen in die Pflanzen hinein.“ So sammelt sich immer mehr von dem giftigen Stoff in der Biomasse an und gelangt in die Nahrungskette. Wenn der Mensch solche arsenhaltigen Pflanzen – etwa Reis- oder Maissorten – zu sich nimmt, verursacht das auf Dauer Probleme: Eine zu hohe Belastung mit Arsen führt beim Menschen beispielsweise zu neurologischen Einschränkungen und ist krebserregend.

Grundnahrungsmittel mit weniger Giftstoff

Reispflanze sperrt Arsen in ihren Wurzeln aus

Das Experiment: Verschiedene Maispflanzen auf arsenhaltigen Böden verglichen

Doch wie das Team von Schläppi nun berichtet, weiß sich zumindest Mais gegen Arsen zu wehren – und zwar durch so genannte Benzoxazinoide. Diese Substanzen werden von den meisten Pflanzen der botanischen Gruppe der Gräser, zu denen auch Mais und Weizen gehören, produziert. Mais produziert besonders viele Benzoxazinoide, welche auch über die Wurzeln in den Boden abgegeben werden. „Es gab Hinweise darauf, dass Mais im Vergleich mit anderen Pflanzenarten weniger Arsen aufnimmt“, sagt Schläppi.

Um diese Vermutung zu testen, kultivierten die Forschenden Maispflanzen einmal auf einem arsenfreien Boden und einmal auf einem Boden mit hohem Arsengehalt. Das gleiche Experiment führten sie parallel auch mit Maispflanzen durch, die aufgrund eines Gendefekts keine Benzoxazinoide herstellen konnten. Die Experimente führte Schläppi in Zusammenarbeit mit den Forschungsgruppen von Prof. Dr. Adrien Mestrot und Prof. Dr. Matthias Erb von der Universität Bern durch.

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Das Resultat: Mais sondert Abwehrstoff gegen Arsen in Boden ab

Das Resultat war eindeutig: Der Wildtyp-Mais, der Benzoxazinoide produzierte, wuchs auf arsenhaltigen Böden besser und sammelte deutlich weniger Arsen in seiner Biomasse an als der Mais, der keine Benzoxazinoide absonderte. Wenn die Forschenden dem arsenhaltigen Boden Benzoxazinoide beimischten, so waren auch die mutierten Pflanzen vor Arsen geschützt. „Dies lieferte den endgültigen Beweis, dass das Vorhandensein von Benzoxazinoiden im Boden die Aufnahme von Arsen in die Pflanzen vermindert“, erklärt Schläppi.

Im nächsten Schritt wollten die Forschenden herausfinden, auf welchem Mechanismus dieser Effekt beruht. Analysen des Mikrobioms der Wurzeln deuteten darauf hin, dass Bakterien und Pilze nicht daran beteiligt sind. Chemische Bodenanalysen zeigten aber, dass in Anwesenheit von Benzoxazinoiden eine besonders giftige Form von Arsen aus dem Boden verschwindet. „Wir vermuten deshalb, dass Benzoxazinoide das Arsen so umwandeln, dass es nicht mehr durch die Wurzel aufgenommen werden kann.“ Welche chemischen Prozesse dabei ablaufen, ist im Moment allerdings noch unklar.

Schutzeffekt bleibt sogar für die Folgegeneration erhalten

Weitere Versuche zeigten, dass der positive Effekt von Benzoxazinoiden im Boden lange anhält: Auch eine zweite Generation an Mais profitierte noch von den Benzoxazinoid-Ausscheidungen der ersten Generation und akkumulierte weniger Arsen.

„Eine Anwendung dieser Erkenntnisse wäre der Anbau von Pflanzenlinien, die besonders viel Benzoxazinoide abgeben, an den durch Arsen kontaminierten Standorten“, sagt Schläppi. Eine Züchtung von hyper-ausscheidenden Pflanzen wäre durch klassische Kreuzungen oder durch gezielte genetische Veränderungen möglich. „Dann hätten wir eine höhere Sicherheit, dass weniger Arsen in die Nahrungskette gelangt.“

Originalpublikation: Veronica Caggìa et al.: Root-exuded specialized metabolites reduce arsenic toxicity in maize, PNAS, Vol. 121, No. 13 (2024); DOI: 10.1073/pnas.2314261121

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