Zelluläre Anpassungen von Algen in Schnee und Eis

Weite Regionen der Welt sind mit Schnee und Eis bedeckt, doch die Erforschung der dort lebenden Organismen wird erst seit wenigen Jahrzehnten intensiver vorgenommen. Photosynthetisch aktive Organismen in den kalten Zonen der Polargebiete und der Hochgebirge beschränken sich bei höheren Pflanzen auf vergleichsweise relativ wenige Spezies. Wesentlich besser adaptiert, und daher in größerem Artenreichtum vorkommend, sind Flechten und Algen, die auf Schnee, Eis und Permafrostböden wachsen. "Roter" oder "Grüner" Schnee als Erscheinung des Sommers in alpinen oder polaren Schneefeldern zeigt die Massenentwicklung von vorwiegend einzelligen Algen an. Sie gehören oft zu den Gattungen Chlamydomonas und Chloromonas (Chlorophyta, Volvocales). Allerdings ist die genaue Taxonomie der Schnee- und Eisalgen kaum bearbeitet und daher derzeit sehr unsicher. Chlamydomonas nivalis, die Art des "typischen" Roten Schnee, kommt meist als Zysten mit sehr dicken Zellwänden und intensiver Akkumulation von Sekundärcarotinoiden ("Hämatochrom") vor. Wir konnten vor kurzem diese Sekundärcaroti- noide, die mit Fettsäuren verestert sind, trennen und identifizieren. Grüner Schnee beruht auf der Ansammlung meist von Koliella oder anderen grünen Chlamydomonaceen. Während wir im Rahmen des Projektes noch einige Aspekte des Roten Schnees behandeln wollen, wie die Art-Identifizierung mit Hilfe von Molekularbiologie, und den Kohlehydratmetabolismus, soll der Schwerpunkt nun in der Untersuchung von Kälte-adaptierten Algen liegen, die keine Schutzmechanismen wie massive Zellwand und Carotinoide haben. Ihre Art der Stressanpassung muss unterschiedlich sein. Wir haben erste, vielversprechende Untersuchungen mit derartigen Algen begonnen: Klebsormidium sp. (maritime Antarktis) und Mesotaenium berggrenii aus dem blanken Eis alpiner Gletscher. Weitere grüne Schneealgen kommen hinzu. Das Ziel der Arbeiten liegt in einem besseren Verständnis der Mechanismen von Adaption oder Stressvermeidung, die ein Überleben möglich machen. Dazu soll untersucht werden: Temperatur-Adaption: welche Substanzen dienen dem Gefrierschutz (wie Zucker u.a. Polyole)? Wie reagieren die Enzyme bei erhöhter Temperatur? Adaption an Lichtstress: Schneealgen müssen z.T. sehr starkem Licht standhalten; andere bevorzugen schwächeres Licht im tieferen Schnee. Welche Anpassungen zeigen die Plastiden in Struktur und Physiologie? Sekundärmetabolite: Viele Schneealgen bilden Sekundärstoffe. Sind darin unbekannte Verbindungen, die dem UV- Schutz dienen können, wie das von uns entdeckte Cryoxanthin (13Z cis-Astaxanthin)? Alpiner/polarer Vergleich: wie unterscheiden sich die Adaptionsstrategien bei cryophilen Algen im Vergleich Hochgebirge / polare Herkünfte? Die solare Strahlung unterscheidet sich erheblich, auch sind die Nährstoffgehalte im Schnee sehr unterschiedlich zwischen diesen Ökosystemen. Identifizierung der Arten: wir wollen die bestehende Kooperation mit Dr. Th. Leya zur molekularbiologischen I- dentifizierung der Algenspezies fortsetzen, da es sich gezeigt hat, dass die auf mikroskopischen Beobachtungen beruhenden Bezeichnungen der Arten oft heute nicht mehr stimmen. Es ist von großem, nicht nur wissenschaftlichen, Interesse die Ökophysiologie der Schneealgen zu verstehen. Sie haben sich an eine sehr harte Umwelt angepaßt, die charakterisiert ist durch tiefe Temperaturen, Gefrier-Tau- Zyklen, Nährstoffarmut und u.U. Lichtstress. Diejenigen Algenspezies, die keine Schutzpigmente besitzen, sind hier von besonderem Interesse.

Weltweit sind riesige Gebiete mit Schnee und Eis bedeckt, doch die Erforschung der dort lebenden pflanzlichen Organismen wird erst seit wenigen Jahrzehnten intensiver durchgeführt. Photosynthetisch aktive Organismen in den Polargebieten und den kalten Zonen der Hochgebirge beschränken sich auf relativ wenige Spezies bei höheren Pflanzen. Besser adaptiert und artenreicher kommen Algen vor, die auf Schnee und Eis leben. "Roter" oder "Grüner" Schnee in alpinen oder polaren Schneefeldern zeigt die Massierung von meist einzelligen Algen an. Sie gehören oft zu den Familien Chlamydomonas und Chloromonas (Chlorophyta, Volvocales). Chlam. nivalis - Algen, der "typische" rote Schnee, kommen meist als Cysten mit sehr dicken Zellwänden und Akkumulation von Sekundärcarotinoiden vor. Wir konnten diese Sekundärcarotinoide identifizieren. Sie dienen dem Schutz der Zellen vor hoher Sonnenstrahlung, auch, wie wir nachweisen konnten, im UV-Bereich. UV-Simulations-studien bestätigten diese Befunde. Ein zweiter Schwerpunkt der Arbeiten lag im Verständnis der Kälte- und Frostresistenz von Schnee - und Eisalgen. Durch Weiterentwicklung von Trennverfahren für seltene lösliche Kohlenhydrate gelang es, bei mehreren Arten die Zucker aufzuklären. Neben einigen häufig anzutreffenden Stoffen wie Glucose traten Zuckeralkohole auf; die Hauptkomponente aber war Glycerin. Damit erklärt sich eine mögliche Gefrierpunkts- erniedrigung des Cytoplasmas sowie ein Schutz von Proteinen durch die Polyol-Natur dieser Stoffe. Ein dritter Schwerpunkt lag in der Untersuchung der Streßanpassung typischer Eisalgen. Ausgewählte Vertreter waren Ancylonema spec. aus der Hocharktis, Klebsormidium spec (maritime Antarktis) und Mesotaenium berggrenii (alpine Gletscher), die nur auf Gletschereis leben. Bei diesen Arten zeigten Messungen ebenfalls, daß die Photosynthese bei Temperaturen zwischen 0C und +15C gut funktioniert und auch hohe Lichtintensitäten verträgt - was bei den polaren Algen, adaptiert an niedrigen Sonnenstand, nicht selbstverständlich ist. Die Eisalgen besitzen große Vakuolen, die mit braun-violettem Saft gefüllt ist. Eine zentrale Aufgabe war es, die Zusammensetzung dieses Saftes zu klären und chemisch zu charakterisieren. Mit viel Aufwand und guten Kooperationen gelang dies: Bei Mesotaenium und Ancylonema wurden als wesentliche Komponenten Purpurogallotannine ermittelt, die mit Zuckern substituiert sind. Dies ist überraschend, da Gallotannine bei Algen bislang nie beschrieben wurden. Vergleichbare Verbindungen sind nur aus der Teepflanze bekannt. Diese Gallotannine schützen die Algen auf dem Eis nicht nur vor Sonnenstrahlung, sondern haben auch antioxidative und antimikrobielle Eigenschaften, die den Gletscheralgen beim Überleben im Habitat zu Gute kommen. Bei Klebsormidium sind die Untersuchungen noch nicht abgeschlossen. Für diese Arbeiten zur Streßphysiologie kryophiler Algen wurden zwei Expeditionen in die Hocharktis (Spitsbergen) und eine Expedition in die maritime Antarktis unternommen, die ohne FWF-Finanzierung und internationale Kooperationen nicht zustande gekommen wären.