Land Kolonialisierung durch Konjugierende Grünalgen

Konjugierende Grünalgen (Zygnematophyceae) werden als die engsten Verwandten der Landpflanzen (Embryophyta) betrachtet. Einige Vertreter dieser Gruppe wachsen in aeroterrestrischen Lebensräumen, was zur Kolonialisierung von Land beitrug. In polaren und alpinen Lebensräumen dominieren filamentöse Vertreter der Zygnematophyceae, die relativ viel Biomasse produzieren. Deshalb stellen diese Organismen ideale Modelle dar, um Stess-Toleranz, die für die Besiedelung von Land erforderlich ist, zu studieren. Das zentrale Ziel dieses Projektes liegt darin, Anpassungsstrategien zu verstehen, die Pflanzen das Leben an Land ermöglicht haben. Es ist bekannt, dass Zygenematophyceae die Fähigkeit besitzen, speziell angepasste stresstolerante Dauerstadien aus vegetativen Zellen zu bilden, die als Akineten bezeichnet werden. In diesem Projekt sollen natürlich auftretende Stress-Szenarien (Austrocknung, Gefrieren, UV Stress) unter Laborbedingungen vereinfacht und kontrollierbar simuliert werden. Als Untersuchungsobjekte sind Vertreter der Gattungen Zygnema, Zygnemopsis und Zygogonium vorgesehen. Die tschechischen Projektpartner werden Algenstämme durch Multi-Gen-Phylogenie charakterisieren und diese dem Austrocknungs- und Gefrierstress aussetzen. Die österreichischen Projektpartner werden Experimente mit UV-Stress durchführen und die biochemischen Komponenten und deren durch Stress hervorgerufene Veränderungen mittels eines Metabolomics-Ansatzes untersuchen. Darüber hinaus sollen die Zellwände durch immunologische Methoden untersucht werden. Dabei soll ein spezieller Focus auf Polymere gelegt werden, die als Weichmacher von Zellwänden fungieren können, was besonders im Zusammenhang mit der Austrocknungstoleranz von Bedeutung ist. Zum ersten Mal sollen auch die spektralen Eigenschaften auf subzellulärem Niveau durch sogenanntes Hyperspectral imaging untersucht werden eine Technik, die das spektrale Abbilden von den untersuchten Zellen in einem Bereich von 250 950 nm erlaubt. Dies trägt zu einem weiteren Verständnis der-UV Toleranz bei und verbindet die biochemischen mit den strukturellen Befunden. Die komplementären Expertisen der tschechischen und österreichischen Projektpartner werden zu einem Mehrwert in diesem bilateralen Projekt führen. Die erzielten Ergebnisse werden neue Einsichten in Überlebensstrategien von Zygnematophyceae bringen und sollen sowohl in einem evolutionären als auch im Zusammenhang des Global change betrachtet werden.

Dieses bilaterale Projekt untersuchte konjugierende Grünalgen (Zygnematophyceae) welche derzeit als nächste Verwandte zu den Landpflanzen (Embryophyta) betrachtet werden. Diese fadenförmigen Algen wachsen in aeroterrestrischen Habitaten und erlaubten die Kolonialisierung von Land. Die Gattung Zygnema sp. aus polaren und alpinen Gebieten wurde untersucht um ihre phylogenetische Variabilität, ihre Stresstoleranz gegenüber natürlich vorkommende abiotische Stressoren (Austrocknung, gefrieren, ultraviolette Strahlung) zu verstehen. Die genetische Variabilität von Zygnema sp. wurde nach einer gemeinsamen Expedition des österreichischen und tschechischen Forschungspartners genauer untersucht. 12 verschiedene arktische Genotypen wurden mit den molekularen und morphologischen Daten beschrieben. Zygosporen, die nach sexuellen Vorgängen gebildet werden sind sehr selten, aber vegetative Fäden können auch Dauerstadien ausbilden, die Akineten genannt werden. Diese Akineten wurden auf ihre Metaboliten Zusammensetzung, und die Verschiebung der vorhandenen Fettsäuren untersucht. Besonders Ölsäure und Linolsäure wurden in diesen Akineten angereichert, während Metaboliten die mit dem Primärstoffwechsel in Zusammenhang gebracht werden, reduziert wurden. Austrocknungsstress führte zur Veränderungen des Transkriptoms, eine wesentlich stärkere Transkript-Regulierung wurde in jungen Kulturen im Vergleich zu Akineten beobachtet, welches einen Akklimatisierungsprozess nahelegt. Bei UV Bestrahlung in einem Sonnensimulator zeigten besonders junge Zellen eine flexible Anpassung. Bei Kälteexperimenten reagierten junge Zellen sehr stark auf einfrieren bei -8C, und konnten sich nicht davon erholen. Im Gegensatz dazu tolerierten Akineten ein einfrieren bis -26C und waren danach noch physiologisch aktiv. In einem kombinierten Transkriptom- und Metaboliten Profiling von Zygnema sp. Feldproben aus Spitzbergen wurde eine Zonierung einer natürlichen Algenmatte beobachtet, wobei die oberen Schichten eine wesentlich höhere Transkript-Regulation zeigten als die geschützten, unteren Schichten. Stress-regulierte Metaboliten waren in den oberen Schichten angereichert, welches ein Überleben unter exponierten Bedingungen erlaubte. Die komplementären Expertisen der österreichischen und tschechischen Forschungspartner ermöglichten verschiedene Aspekte der Zellphysiologie und Struktur in Zygnematophyceen zu untersuchen. Unsere Experimente zeigten, dass diese Algengruppe sehr gut auf extreme Umweltbedingungen vorbereitet sind, was ihnen die Möglichkeit gegeben hat das Land zu besiedeln und letztendlich zur Entwicklung aller Landpflanzen geführt hat.