Title (eng)
Physcomitrella patens and heavy metal stress
Parallel title (deu)
Physcomitrella patens und Schwermetallstress
Author
Stefan Sassmann
Advisor
Irene Lichtscheidl-Schultz
Assessor
Robyn Overall
Ursula Lütz-Meindl
Abstract (deu)
Erhöhter Metalleintrag durch menschliche Aktivitäten ist ein weltweites Umweltproblem. Einmal im Substrat belasten diese Metalle den ansonsten fruchtbaren Boden auf Dauer. Metallstandorte wie z.B. Bergbauhalden unterliegen außerdem verstärkter Erosion, wodurch Schwermetalle abgetragen oder ins Grundwasser gelangen können. Studien über Toleranz und Eignung spezieller Pflanzenarten für Biomonitoring und Phytoremediation sind daher von zunehmender Wichtigkeit. Obwohl viele Metalle essentielle Nährstoffe sind, wirken sie im Überschuss giftig. Andere Metalle sind nicht essentiell und wirken immer toxisch. Metalle kommen natürlicherweise in der Erdkruste vor; der Metallgehalt in Böden und anderen Substraten unterliegt jedoch starken Schwankungen. Pflanzen haben daher Metallaufnahme- und Homäostasemechanismen entwickelt. Trotzdem können nur wenige spezialisierte Arten die toxischen Bedingungen an metallreichen Standorten ertragen, sodass die weniger kompetitiven Bryophyten in diesen ökologischen Nischen zu gedeihen vermögen. Dies führte sogar zu der Annahme, dass Moose generell metalltolerant seien.
Zusätzlich zum Metallstress sind Pflanzen an Metallstandorten vielen verschiedenen weiteren Stressfaktoren ausgesetzt. Dies erschwert Aussagen zur spezifischen Auswirkung des jeweiligen Faktors. Daher wurde in dieser Doktorarbeit das Modellmoos Physcomitrella patens unter kontrollierten Umweltbedingungen gezogen. Wir verwendeten Zellen des filamentösen Protonema und des beblätterten Gametophors um die Auswirkungen der Metalle Kupfer, Zink und Kadmium zu untersuchen. Da diese Metallkationen nie ohne zugehörige Anionen vorkommen, wurde der Einfluss von Chloriden, Sulfaten und Ethylendiaminteraessigsäure Salzen (EDTA) ebenfalls untersucht.
Die Metalltoleranz von P. patens wurde zytologisch ermittelt und zeigte absteigende Giftigkeit in der Reihenfolge „Kadmium > Kupfer > Zink“. Des Weiteren verhielt sich die Giftigkeit in Bezug auf die Anionen wie „Chloride = Sulfate > EDTA“. Modellierung der Metall Speziation mittels Visual MINTEQ zeigte auf, dass die freien Metallionen der entscheidende Einzelfaktor für die Giftwirkung sind. Trotz der hohen Wasserlöslichkeit von EDTA-Komplexen zeigen diese die niedrigsten Konzentrationen an den freien Cu2+- und Zn2+- Ionen und sind folglich am wenigsten giftig.
Die Metallaufnahme der Protonemata und der Gametophoren von P. patens wurde im Rasterelektronenmikroskop in Kombination mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie gemessen. Hier beobachteten wir Unterschiede in der Aufnahme von Kupfer und Zink, sowie wiederum eine starke Anionenabhängigkeit. Obwohl in höheren Metall-EDTA-Konzentrationen die Aufnahmeraten nicht ganz der Berechnung entsprachen, ist auch die Metallaufnahme klar vom Gehalt an freien Metallionen im Medium abhängig.
Im Gegensatz zum Wachstum des filamentösen Protonema, konnte das Wachstum des beblätterten Gametophor bereits bei niedrigeren Metallkonzentrationen negativ beeinflusst sein. Dies erlaubte die Entwicklung eines Verhältnismodells von Gametophor zu Protonema (G : P) in Abhängigkeit des jeweiligen Metallstresses. Wieder erklärte der Gehalt an freien Metallionen die Wachstumshemmung besser als die gesamte Metallkonzentration im Medium. Das Stressniveau der Zellen wurde mittels Fluoreszenzfärbung von stressinduzierten reaktiven Sauerstoffspezies visualisiert. In den metallexponierten Zellen wurde ein erhöhter H2O2 Gehalt festgestellt, welcher ein feineres Bild der Metallauswirkung als die Toleranztests lieferte.
Die Toleranztests zeigten generell weder eine spezielle Sensitivität noch eine besonders hohe Toleranz von P. patens, sondern eine stark anionabhängige Metalltoleranz. Die freie Metallionenkonzentration lieferte überlegene Erklärungen zu den Effekten von Schwermetallen in allen Bereichen, angefangen von der Metallaufnahme einzelner Zellen bis zu Veränderungen im Wachstumsverhalten ganzer Moospflanzen.
Abstract (eng)
Increased metal deposition by human activities is a worldwide problem, since these metals can permanently pollute otherwise fertile soils. On one hand, many metals are essential nutrients for life but on the other hand, toxic in excess concentrations. Other metals are non-essential and always toxic. Metals occur naturally in soils and other substrates in varying amounts; consequently plants developed metal uptake and homeostasis mechanisms. Nonetheless, metal rich sites such as spoil heaps are populated only by a few specialized plant species that are able to tolerate toxic condition of the soil. Those loosely covered sites allow less competitive bryophytes to thrive in this highly specific niches which led to the general assumption that mosses are generally metal tolerant. However, mine spoil heaps are subject to increased erosion and may leak heavy metals into ground and surface waters, thereby threatening people and environment. As a consequence, studies on plant tolerance and suitability of plants for biomonitoring and phytoremediation are gaining importance.
Plants on such metal sites are exposed to many different stress factors in addition to metal stress complicating statements on the respective effects. In this PhD thesis, the moss model Physcomitrella patens (Funariaceae) was grown under controlled environmental conditions. We studied cells of filamentous protonemata and leafy gametophores to investigate the effects of three important metals: copper, zinc and cadmium. Since metal cations never occur without corresponding anions, the contribution of three different anions, i.e. chloride, sulfates, and ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), were considered as well.
Metal tolerance evaluated by cytoplasmic tests for P. patens showed decreasing toxicity in the order “cadmium > copper > zinc”. Furthermore, toxicity decreased in the order “chloride = sulfate > EDTA”. Modelling metal speciation with Visual MINTEQ revealed that free metal ions were the most important single factor for metal toxicity. Despite their high water solubility, EDTA-chelates showed the lowest free metal ion concentrations (for Cu2+ and Zn2+) and therefore the lowest toxicity.
Metal uptake in P. patens protonemata and gametophores was analyzed by X-ray microanalysis in a scanning electron microscope. Again, we observed differences in the uptake of copper and zinc and a strong influence of the anion. Free metal concentration clearly influenced metal uptake as well, though in high metal-EDTA concentrations uptake rates were higher than predicted by the estimated free metal ion concentration of the model.
Our investigations showed that growth of leafy gametophores was affected stronger by lower metal concentrations than the growth of the filamentous protonemata allowing for the development of a ratio model of gametophore to protonema (G : P). Once more, the amount of free metal cations explained growth inhibition better than total metal concentration. The stress level of the cells was visualized by fluorescent staining of stress induced reactive oxygen species. In metal treated cells, we observed increased levels of H2O2 providing a more detailed insight than the tolerance tests.
In conclusion, tolerance tests of P. patens revealed neither special sensitivity nor high tolerance towards the tested metals per se but tolerance was strongly anion dependent. Free metal ion concentrations provided superior explanations on the effects of heavy metals on all levels, from the metal uptake of single cells to changes in growth patterns in tissues and whole plants.
Keywords (eng)
metal stressPhyscomitrella patensfree metal ionsmetal uptakemetal toleranceG:P-Ratiogrowth analysesmetal availabilityenergy-dispersive X-ray spectroscopy
Keywords (deu)
SchwermetallstressPhyscomitrella patensFreie MetallionenMetallaufnahmeMetalltoleranzG:P-RatioWachstumsanalyseMetallverfügbarkeitenergiedispersiver Röntgenspektroskopie
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1320668
rdau:P60550 (deu)
127 S. : Ill.
Number of pages
127
Association (deu)
Title (eng)
Physcomitrella patens and heavy metal stress
Parallel title (deu)
Physcomitrella patens und Schwermetallstress
Author
Stefan Sassmann
Abstract (deu)
Erhöhter Metalleintrag durch menschliche Aktivitäten ist ein weltweites Umweltproblem. Einmal im Substrat belasten diese Metalle den ansonsten fruchtbaren Boden auf Dauer. Metallstandorte wie z.B. Bergbauhalden unterliegen außerdem verstärkter Erosion, wodurch Schwermetalle abgetragen oder ins Grundwasser gelangen können. Studien über Toleranz und Eignung spezieller Pflanzenarten für Biomonitoring und Phytoremediation sind daher von zunehmender Wichtigkeit. Obwohl viele Metalle essentielle Nährstoffe sind, wirken sie im Überschuss giftig. Andere Metalle sind nicht essentiell und wirken immer toxisch. Metalle kommen natürlicherweise in der Erdkruste vor; der Metallgehalt in Böden und anderen Substraten unterliegt jedoch starken Schwankungen. Pflanzen haben daher Metallaufnahme- und Homäostasemechanismen entwickelt. Trotzdem können nur wenige spezialisierte Arten die toxischen Bedingungen an metallreichen Standorten ertragen, sodass die weniger kompetitiven Bryophyten in diesen ökologischen Nischen zu gedeihen vermögen. Dies führte sogar zu der Annahme, dass Moose generell metalltolerant seien.
Zusätzlich zum Metallstress sind Pflanzen an Metallstandorten vielen verschiedenen weiteren Stressfaktoren ausgesetzt. Dies erschwert Aussagen zur spezifischen Auswirkung des jeweiligen Faktors. Daher wurde in dieser Doktorarbeit das Modellmoos Physcomitrella patens unter kontrollierten Umweltbedingungen gezogen. Wir verwendeten Zellen des filamentösen Protonema und des beblätterten Gametophors um die Auswirkungen der Metalle Kupfer, Zink und Kadmium zu untersuchen. Da diese Metallkationen nie ohne zugehörige Anionen vorkommen, wurde der Einfluss von Chloriden, Sulfaten und Ethylendiaminteraessigsäure Salzen (EDTA) ebenfalls untersucht.
Die Metalltoleranz von P. patens wurde zytologisch ermittelt und zeigte absteigende Giftigkeit in der Reihenfolge „Kadmium > Kupfer > Zink“. Des Weiteren verhielt sich die Giftigkeit in Bezug auf die Anionen wie „Chloride = Sulfate > EDTA“. Modellierung der Metall Speziation mittels Visual MINTEQ zeigte auf, dass die freien Metallionen der entscheidende Einzelfaktor für die Giftwirkung sind. Trotz der hohen Wasserlöslichkeit von EDTA-Komplexen zeigen diese die niedrigsten Konzentrationen an den freien Cu2+- und Zn2+- Ionen und sind folglich am wenigsten giftig.
Die Metallaufnahme der Protonemata und der Gametophoren von P. patens wurde im Rasterelektronenmikroskop in Kombination mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie gemessen. Hier beobachteten wir Unterschiede in der Aufnahme von Kupfer und Zink, sowie wiederum eine starke Anionenabhängigkeit. Obwohl in höheren Metall-EDTA-Konzentrationen die Aufnahmeraten nicht ganz der Berechnung entsprachen, ist auch die Metallaufnahme klar vom Gehalt an freien Metallionen im Medium abhängig.
Im Gegensatz zum Wachstum des filamentösen Protonema, konnte das Wachstum des beblätterten Gametophor bereits bei niedrigeren Metallkonzentrationen negativ beeinflusst sein. Dies erlaubte die Entwicklung eines Verhältnismodells von Gametophor zu Protonema (G : P) in Abhängigkeit des jeweiligen Metallstresses. Wieder erklärte der Gehalt an freien Metallionen die Wachstumshemmung besser als die gesamte Metallkonzentration im Medium. Das Stressniveau der Zellen wurde mittels Fluoreszenzfärbung von stressinduzierten reaktiven Sauerstoffspezies visualisiert. In den metallexponierten Zellen wurde ein erhöhter H2O2 Gehalt festgestellt, welcher ein feineres Bild der Metallauswirkung als die Toleranztests lieferte.
Die Toleranztests zeigten generell weder eine spezielle Sensitivität noch eine besonders hohe Toleranz von P. patens, sondern eine stark anionabhängige Metalltoleranz. Die freie Metallionenkonzentration lieferte überlegene Erklärungen zu den Effekten von Schwermetallen in allen Bereichen, angefangen von der Metallaufnahme einzelner Zellen bis zu Veränderungen im Wachstumsverhalten ganzer Moospflanzen.
Abstract (eng)
Increased metal deposition by human activities is a worldwide problem, since these metals can permanently pollute otherwise fertile soils. On one hand, many metals are essential nutrients for life but on the other hand, toxic in excess concentrations. Other metals are non-essential and always toxic. Metals occur naturally in soils and other substrates in varying amounts; consequently plants developed metal uptake and homeostasis mechanisms. Nonetheless, metal rich sites such as spoil heaps are populated only by a few specialized plant species that are able to tolerate toxic condition of the soil. Those loosely covered sites allow less competitive bryophytes to thrive in this highly specific niches which led to the general assumption that mosses are generally metal tolerant. However, mine spoil heaps are subject to increased erosion and may leak heavy metals into ground and surface waters, thereby threatening people and environment. As a consequence, studies on plant tolerance and suitability of plants for biomonitoring and phytoremediation are gaining importance.
Plants on such metal sites are exposed to many different stress factors in addition to metal stress complicating statements on the respective effects. In this PhD thesis, the moss model Physcomitrella patens (Funariaceae) was grown under controlled environmental conditions. We studied cells of filamentous protonemata and leafy gametophores to investigate the effects of three important metals: copper, zinc and cadmium. Since metal cations never occur without corresponding anions, the contribution of three different anions, i.e. chloride, sulfates, and ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), were considered as well.
Metal tolerance evaluated by cytoplasmic tests for P. patens showed decreasing toxicity in the order “cadmium > copper > zinc”. Furthermore, toxicity decreased in the order “chloride = sulfate > EDTA”. Modelling metal speciation with Visual MINTEQ revealed that free metal ions were the most important single factor for metal toxicity. Despite their high water solubility, EDTA-chelates showed the lowest free metal ion concentrations (for Cu2+ and Zn2+) and therefore the lowest toxicity.
Metal uptake in P. patens protonemata and gametophores was analyzed by X-ray microanalysis in a scanning electron microscope. Again, we observed differences in the uptake of copper and zinc and a strong influence of the anion. Free metal concentration clearly influenced metal uptake as well, though in high metal-EDTA concentrations uptake rates were higher than predicted by the estimated free metal ion concentration of the model.
Our investigations showed that growth of leafy gametophores was affected stronger by lower metal concentrations than the growth of the filamentous protonemata allowing for the development of a ratio model of gametophore to protonema (G : P). Once more, the amount of free metal cations explained growth inhibition better than total metal concentration. The stress level of the cells was visualized by fluorescent staining of stress induced reactive oxygen species. In metal treated cells, we observed increased levels of H2O2 providing a more detailed insight than the tolerance tests.
In conclusion, tolerance tests of P. patens revealed neither special sensitivity nor high tolerance towards the tested metals per se but tolerance was strongly anion dependent. Free metal ion concentrations provided superior explanations on the effects of heavy metals on all levels, from the metal uptake of single cells to changes in growth patterns in tissues and whole plants.
Keywords (eng)
metal stressPhyscomitrella patensfree metal ionsmetal uptakemetal toleranceG:P-Ratiogrowth analysesmetal availabilityenergy-dispersive X-ray spectroscopy
Keywords (deu)
SchwermetallstressPhyscomitrella patensFreie MetallionenMetallaufnahmeMetalltoleranzG:P-RatioWachstumsanalyseMetallverfügbarkeitenergiedispersiver Röntgenspektroskopie
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1320669
Number of pages
127
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