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Heavy metal tolerance and localization in the moss Physcomitrella patens

Sassmann, Stefan (2010) Heavy metal tolerance and localization in the moss Physcomitrella patens.
Diplomarbeit, Universität Wien. Fakultät für Lebenswissenschaften
BetreuerIn: Lichtscheidl, Irene

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URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-29097.49052.792969-3
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Abstract in 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 in Englisch

Bryophytes, heavy metal tolerance, heavy metal resistance, heavy metal uptake, Physcomitrella patens

Abstract in 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.

Schlagwörter in Deutsch

Bryophyten, Schwermetalltoleranz, Schwermetallresistenz, Schwermetallaufnahme, Physcomitrella pantens

Dokumentenart: Hochschulschrift (Diplomarbeit)
AutorIn: Sassmann, Stefan
Titel: Heavy metal tolerance and localization in the moss Physcomitrella patens
Umfangsangabe: 79 S. : Ill., graph. Darst.
Institution: Universität Wien
Fakultät: Fakultät für Lebenswissenschaften
Publikationsjahr: 2010
Sprache: eng ... Englisch
BetreuerIn: Lichtscheidl, Irene
BeurteilerIn: Lichtscheidl, Irene
Klassifikation: 42 Biologie > 42.41 Pflanzenphysiologie
42 Biologie > 42.15 Zellbiologie
42 Biologie > 42.52 Bryophyta
42 Biologie > 42.90 Ökologie: Allgemeines
AC-Nummer: AC08109513
Dokumenten-ID: 9121
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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