Durchbruch bei Reis-Entgiftung: Nanotech stoppt Cadmium-Transfer
Behandlung mit Molybdän-Partikeln reguliert Transportgene herunter
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Die Verschmutzung durch Cadmium (Cd) ist eine dringende globale Herausforderung für die Landwirtschaft, insbesondere in Regionen, die vom Reisanbau als Grundnahrungsmittel abhängig sind. Selbst bei niedrigen Konzentrationen kann sich Cd auf dem Weg vom Boden über die Pflanzen zum Menschen schnell verbreiten und in lebenswichtigen Organen anreichern, was zu Nierenschäden, Knochenerkrankungen und einem erhöhten Krebsrisiko führt. Da die Bodenverschmutzung aufgrund industrieller Aktivitäten und übermäßiger Verwendung von Düngemitteln weiter zunimmt, ist es für die künftige Ernährungssicherheit von entscheidender Bedeutung, sichere und skalierbare Strategien zur Verringerung des Schwermetalltransfers in Nahrungsmittelpflanzen zu finden.
Um diese Herausforderung zu bewältigen, untersuchte ein Forscherteam unter der Leitung von Dr. Lin Tao zusammen mit Dr. Xuecheng Sun, Dr. Fangbai Li, Dr. Min Yu und Kollegen am International Research Center for Environmental Membrane Biology und der Abteilung für Gartenbau der Universität Foshan in Guangdong, China, wie über das Blattwerk aufgebrachte Molybdän-Nanopartikel (MoNPs) den Cadmiumtransport, die zelluläre Signalübertragung und die Entgiftungsreaktionen in Reis beeinflussen. Ihre Ergebnisse zeigen, wie MoNPs dazu beitragen, Pflanzen vor Metalltoxizität zu schützen, indem sie sowohl molekulare Pfade als auch biochemische Abwehrsysteme verändern. Die Studie, die am 23. Oktober 2025 online in der Fachzeitschrift The Crop Journal veröffentlicht wurde, liefert ein neues mechanistisches Verständnis der durch Nanopartikel unterstützten Stressreduzierung bei Nahrungspflanzen.
"Wir entdeckten, dass über das Blattwerk gespritzte MoNPs Schlüsselgene herunterregulieren, die an der Cadmiumaufnahme und Zellwandmodifikation beteiligt sind, insbesondere solche, die mit dem Cd-Transport und der Pektin-Methylveresterung zusammenhängen", sagt Tao. "Dieser doppelte Regulierungseffekt reduziert die Cd-Akkumulation im Wurzelgewebe erheblich und begrenzt die Menge, die schließlich in die Körner gelangen kann.
"Unsere Arbeit zeigt, dass MoNPs auf den Blättern auf mehreren regulatorischen Ebenen wirken, um den Übergang von toxischen Metallen in essbare Pflanzenorgane zu blockieren", sagt Yu. "Dies stellt eine effiziente, skalierbare Strategie zum Schutz von Reis dar, der in kontaminierten Böden angebaut wird.
Über den Metalltransport hinaus konzentrierte sich die Studie auf den oxidativen Stress - eine wichtige Folge der Cd-Toxizität. Mithilfe detaillierter Bildgebung fand das Team heraus, dass sich Wasserstoffperoxid und Hydroxylradikale, zwei reaktive Sauerstoffspezies (ROS), die schwere Zellschäden auslösen, vor allem in den Streckungs- und Reifungszonen von Reiswurzeln ansammeln, insbesondere an den Verbindungsstellen zwischen benachbarten Zellen. Diese präzise räumliche Kartierung erweitert das grundlegende Wissen darüber, wo und wie sich oxidative Schäden in lebenden Wurzeln bilden.
Eine weitere wichtige Erkenntnis betrifft die Regulierung der Respiratory Burst Oxidase Homologs (RBOHs) - Plasmamembranproteine, die für die ROS-Produktion verantwortlich sind. Unter Cd-Stress zeigten unbehandelte Reispflanzen eine übermäßige RBOH-Ansammlung, die zu gefährlichen ROS-Wellen führte. Die Anwendung von MoNP unterdrückte die OsRBOHs-Genexpression, wodurch die RBOH-Lokalisierung an der Plasmamembran verringert und zerstörerische oxidative Ausbrüche verhindert wurden. Gleichzeitig verbesserten die MoNPs den Ascorbat-Glutathion-Zyklus (ASA-GSH), einen zentralen antioxidativen Abwehrweg, und damit die Fähigkeit der Pflanze, ROS zu neutralisieren. "Durch die Stabilisierung des oxidativen Milieus der Pflanze unterstützen MoNPs ein normales Wachstum, selbst wenn Bodenverunreinigungen vorhanden sind", so Sun.
Die potenziellen Vorteile für die Landwirtschaft sind vielversprechend. Die Blattbehandlung mit MoNP bietet Landwirten eine praktische Lösung mit geringem Aufwand, die sich leicht in bestehende Anbausysteme integrieren lässt. Durch die Kontrolle des Cd-Transports an der Quelle, d. h. an der Wurzelschnittstelle der Pflanze, verringert diese Methode die Übertragung von Toxinen in die Nahrungskette. In Regionen, in denen eine Bodensanierung wirtschaftlich nicht machbar ist, können solche Innovationen zum Schutz der öffentlichen Gesundheit beitragen, indem sie die Cd-Belastung durch die Nahrung verringern.
Mit Blick auf die Zukunft schafft die Forschung auch Grundlagenwissen für den nanotechnologischen Pflanzenschutz gegen verschiedene abiotische Stressfaktoren. "Die Arbeit des Teams zur Kartierung der apoplastischen ROS-Verteilung entlang ganzer Wurzelspitzen ist eine unschätzbare Referenz für Wissenschaftler, die Stresssignale bei Salzgehalt, Trockenheit oder anderen Umweltbelastungen untersuchen", sagt Tao. "Die Erkenntnisse aus dieser Studie könnten eine neue Generation nachhaltiger agronomischer Strategien unterstützen, die darauf abzielen, die Ernteerträge zu schützen und in den nächsten 5-10 Jahren sicherere Lebensmittel zu gewährleisten."
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