Steffi Rau

Physiologisch-biochemische Charakterisierung schwermetallinduzierter Reaktionen in Fontinalis antipyretica Hedw.

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 09.10.2002

Abstract
Aquatische Moose sind ausgezeichnete Bioindikatoren für die Anzeige von Wassergüteklassen und können als Schwermetallakkumulatoren operieren. Ziel dieser Arbeit war die physiologisch-biochemische Charakterisierung schwermetallinduzierter Reaktionen von Fontinalis antipyretica unter Berücksichtigung proteinchemischer, zellulärer, physiologischer und genomischer Aspekte.
Anhand von Chlorophyllfluoreszenzmessungen wurde eine Schädigung des Elektronentransportes im PS II wie folgt ermittelt: Cu(II) >> Cd(II). Pb(II)- und Zn(II)-Belastungen zeigten bis 100 然 keine nachweisbaren Effekte auf die Vitalität. Experimente zur intrazellulären Aufnahme von Cu(II), Cd(II), Pb(II) und Zn(II) wiesen eine spezifische Abhängigkeit gegenüber der Schwermetallkonzentration des Mediums und der Inkubationszeit nach. Im Konzentrationsbereich von 25 然-100 然 lag folgende Priorität vor: Cu(II) > Pb(II) > Zn(II) > Cd(II).
Infolge der intrazellulären Cu(II)-Aufnahme wurde die Kompartimentierung des Cu aus dem Zytoplasma in die Plastiden und die Vakuole nachgewiesen. Mögliche Cu-Bindungspartner stellen im Zytoplasma die SH-Gruppen und in den Vakuolen anorganisches Phosphat dar.
Immunologische Untersuchungen zeigten eine konstitutive Expression Metallothionein p2-homologer Antigene, die nach einer dreitätigen Schwermetallbelastung spezifisch reprimiert wurde: Cd(II) > Zn(II) > Cu(II) > Pb(II). Weiterhin erfolgte der Nachweis einer Cd(II)- und Cu(II)-induzierten Hitzeschockantwort.
Infolge der 50 然 Cu(II)-Belastung deutet die verstärkte Biosynthese des Glutamins/Glutaminsäure und des Cysteins, als GSH-Precursor, auf eine Metallchelatorfunktion hin. Eine wesentliche Rolle der organischen Säuren und der phenolischen Verbindungen in der Schwermetallhomöostase konnte ausgeschlossen werden.
Aus genomischer DNA von Fontinalis antipyretica wurde eine Metallothionein p1-homologe Sequenz isoliert und bietet als Sonde ideale Voraussetzungen zur Klärung der Regulation Metallothionein-ähnlicher Gene unter Schwermetalleinfluss.

Aquatic mosses are excellent bioindicators which show the grades of water quality and can operate as heavy metal accumulators. The object of this work was the physiological-biochemical characterization of heavy metal induced reaction of Fontinalis antipyretica considering proteinchemical, cellular, physiological and genomic aspects.
The following damage in transport of electrons in PS II: Cu(II)>> Cd(II]) was detected by chlorophyll fluorescence measurements. Loads of Pb(II) and Zn(II) up to 100 然 had no detectable effects on the vitality. Experiments regarding the intracellular absorption of Cu(II), Cd(II), Pb(II) and Zn(II) showed a specific dependence on the heavy metal concentration of the medium and on the incubation period.
The following priority was found within the range of concentration from 25 然 to 100 然: Cu(II) > Pb(II) > Zn(II) > Cd(II).
The compartmentation of Cu from the cytoplasm into the plastids and into the vacuole was detected due to the intracellular absorption of Cu(II). Potential Cu-bond partners are the SH-groups in the cytoplasm and the anorganic phosphate in the vacuole.
Immunological investigations showed a constitutive expression of Metallothionein p2 homologous antigen, which was decreased specifically after a heavy metal loading for a period of three days.
Furthermore a Cd(II), Cu(II) induced heat shock reply was proved.
Due the Cu(II) load of 50 然 the increased biosynthesis of the glutamic acid and of cystein, a GSH-precursor, indicates the function as a metal chelator.
An essential role of organic acids and phenolic bonds in the heavy metal homeostasis could be ruled out. A Metallothionein p1 homologous sequence was isolated from a genomic DNA of Fontinalis antipyretica and serving as a probe this sequence offers ideal pre-conditions to the clarify the regulation of genes similar to Metallothionein under heavy metal influence.

Keywords:
aquatische Moose, Fontinalis antipyretica, Schwermetallstress, Vitalität, Metallothionein, Metabolismus, zelluläre Kompartimentierung, Protein

aquatic mosses, Fontinalis antipyretica, heavy metal stress, vitality, metallothionein, metabolism, cellular compartmentation, protein

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis, Abkürzungsverzeichnis (I-VIII)
1. Einleitung und Problemstellung (1-15)
2. Material und Methoden (16-48)
3. Ergebnisse (49-91)
4. Diskussion (92-117)
5. Zusammenfassung (118-120)
6. Literaturverzeichnis (121-138)
7. Anhang (139-152)