Significance of nickel for plant growth and metabolism

Abstract

Ni is the most recent candidate to be added to the list of 13 essential mineral elements for higher plants although failure to complete the life cycle in the absence of Ni has only been demonstrated in a few plant species. Ni is considered an essential element primarily because of its function as an irreplaceable component of urease which is responsible for the hydrolysis of urea N, and which seems to be the only proven nutritional function of Ni in higher plants. For production of full urease activity and growth on urea N a critical deficiency level of around 100 μg kg—1 DW seems appropriate, while plants depending on mineral N may have a lower Ni requirement. Ni has also other effects on plant growth, of which the phytosanitary action is possibly most significant in the field. The incorporation of Ni into urease apoprotein requires the active participation of several accessory proteins, and mutations in genes coding the accessory proteins as well as the urease apoprotein have been exploited to characterise aspects of urease activation. The mobility of Ni within the plant, as compared to other heavy metals, is usually high, although little is known of the uptake mechanisms and the form of transported Ni under Ni-deprived conditions. This as well as other effects of Ni that cannot be related to its structural component of urease, remain to be elucidated. Die Bedeutung von Nickel für das Wachstum und den Stoffwechsel von Pflanzen Ni ist der jüngste Kandidat für die Liste der bisher 13 essentiellen mineralischen Nährelemente höherer Pflanzen, obwohl der Beweis für seine Notwendigkeit zur Vollendung des Lebenszyklus einer Pflanze erst bei wenigen Arten gelang. Die Essentialität von Ni begründet sich insbesondere auf dessen Funktion als unersetzlicher Bestandteil des Enzyms Urease, welches die Hydrolyse von Harnstoff katalysiert. Dies ist die bislang einzige nachgewiesene Funktion von Ni in der höheren Pflanze. Hinsichtlich des Wachstums harnstoffernährter Pflanzen und der Ureaseaktivität konnte ein kritischer Gehalt von etwa 100 μg kg—1 TM abgeleitet werden, während Pflanzen, die mineralischen N erhalten, einen wesentlich geringeren Ni-Bedarf haben. Ni hat noch weitere Effekte auf das Pflanzenwachstum, von denen die phytosanitären Wirkungen unter Feldbedingungen sicherlich die wichtigsten sind. Der Einbau von Ni in die Ureaseapoproteine erfordert die aktive Beteiligung mehrerer akzessorischer Proteine und Mutationen der Gene, die diese akzessorischen Proteine und die Ureasestrukturgene kodieren, wurden erfolgreich zur Aufklärung zahlreicher Aspekte der Ureaseaktivierung eingesetzt. Die innerpflanzliche Mobilität von Ni ist, verglichen mit anderen Schwermetallen, normalerweise relativ hoch, doch liegen nur wenige Informationen über die Ni-Aufnahme und transportierten Ni-Spezies bei niedrigem Ni-Angebot vor. Diese und andere Aspekte der Ni-Ernährung, die nicht auf dessen strukturelle Bedeutung in der Urease zurückgeführt werden können, harren ihrer Untersuchung.