Austrocknungstoleranz alpiner aeroterrestrischer Grünalgen

In der extremen Lebenssituation von Hochgebirgen sind geringe Temperaturen, hohe Einstrahlung und periodische Austrocknung limitierende Faktoren für das Pflanzenwachstum. Trotzdem sind aeroterrestrische Grünalgen in diesen Regionen erfolgreich und bilden Bodenkrusten aus. Diese mikrobiellen Gemeinschaften stabilisieren die Bodenoberfläche. Einer der Schlüssel des Erfolges dieser Algengruppe ist ihre Fähigkeit Austrocknung im vegetativen Zustand zu ertragen. Dies wird durch den Schutz der zellulären Bestandteile während des Austrocknungsprozesses und durch effiziente Reparatur-Mechanismen der austrocknungs-induzierten Schäden erreicht. Gegenwärtig ist nur sehr wenig über die molekularbiologischen, zellbiologischen und physiologischen Hintergründe von Austrocknungseffekten in Grünalgen bekannt. Die generelle Hypothese, dass Algen aus der Gruppe der Streptophyta prominente Vorläufer der Landpflanzen sind, wird unter dem Aspekt ihrer Austrocknungstoleranz untersucht. Für die Untersuchungen wurden Streptophyta mit unterschiedlich starker Austrocknungstoleranz verwendet: Klebsormidium cernulatum (phylogenetisch basaler, volle Austrocknungstoleranz) und Zygogonium ericetorum (phylogenetisch abgeleiteter, teilweise Austrocknungstoleranz). Die evolutionäre Frage ist - haben basale, austrocknungstolerante Streptophyta zu poiklilohydren Landpflanzen und abgeleitete, weniger austrocknungstolerante Streptophyta zu homoiohydren Pflanzen geführt? Das generelle Ziel dieses Projektes ist es, folgende Zusammenhänge bei der Austrocknung zu untersuchen: 1. Molekularbiologische Untersuchungen: In Kooperation mit führenden Forschungsgruppen sollen folgende Fragen geklärt werden: A) Phylogenetische Beziehungen zwischen austrocknungstoleranten Stämmen von Klebsormidium sp., respektive Zygogonium ericetorum und verschiedenen Zygnema sp. werden mittels rbcL und ITS sequenz Analyse untersucht um ihre Stellung im Vergleich zu aquatischen Verwandten zu beschreiben. B) Deep Sequencing (Illumina RNA-seq) wird zur Transkriptomanalyse von Klebsormidium cernulatum und Zygogonium ericetroum herangezogen, um einen unvoreingenommenen Blick auf die austrocknungsinduzierten Veränderungen zu bekommen. Zusätzlich werden sogenannte "Expressed sequence tag" (EST) Datenbanken für die Analyse bestimmter Proteine herangezogen. 2. Zellbiologische Aspekte der Austrocknung: Austrocknungstolerante Grünalgen werden in Laborversuchen unterschiedlichen Luftfeuchtigkeiten ausgesetzt, um unterschiedlich starke Austrocknung zu bewirken. Die Überlebensraten werden mittels Vitalfärbungen untersucht. Umorganisation des Cytoskelettes konnten gezeigt werden, die während des Austrocknungsvorganges und der Wiederbefeuchtung detaillierter untersucht werden sollen. Transmissionselektronenmikroskopische Untersuchungen nach Hochdruckgefrierfixierung sollen Veränderungen der Zellwand und mögliche Schäden an Zellorganellen in abhängigkeit zu ihrer phylogenetischen Position und den unterschiedlichen physiologischen Fähigkeiten der Austrocknungstoleranz untersucht werden. 3. Physiologische Aspekte der Austrocknung: Messungen der Photosynthese und Respiration werden Informationen über die Kinetik des Austrocknungsvorganges liefern. Die Bestimmung des Gehaltes von nieder-molekularen Kohlehydraten wird weitere Informationen über den Schutzmechanismus von Grünalgen liefern. Das Verständnis der Mechanismen der Austrocknungstoleranz in aeroterrestrischen Grünalgen ist von großer Bedeutung. Denn diese Organismen sind an der Bodenoberflächen-Stabilisierung beteiligt, welche bei der globalen Ausbreitung von Ariden Regionen eine große Rolle spielen wird.

In diesem Projekt konnten neue Erkenntnisse zur Austrocknungstoleranz von aeroterrestrischen Grünalgen gewonnen werden. (1) Organismenzusammensetzung der Bodenkrusten, (2) Veränderungen im Transkriptom nach starkem Trockenstress, (3) zellbiologische Aspekte, wie etwa der Zellwandveränderung während der Austrocknung und (4) physiologische Veränderungen während der Austrocknung. Es konnte eine sehr hohe Biodiversität der Bodenkurstenalgen beobachtet werden, viele davon sind morphologisch nicht zu unterscheiden und nur durch molekulare Phylogenie erkennbar. Diese Biodiversität dürfte mit der Vielfältigkeit der Lebensräume zusammen hängen, unterschiedlicher pH-Wert, Mineralstoffzusammensetzung oder das Vorkommen von Eisen oder Aluminium zeichnen die Habitate aus. Die hier untersuchten Grünalgen (Streptophyta) sind Vorläufer der Landpflanzen. Hauptuntersuchungsobjekte waren: Klebsormidium cernulatum (phylogenetisch basaler, volle Austrocknungstoleranz); Zygnema sp., Zygogonium ericetorum (phylogenetisch abgeleiteter, teilweise Austrocknungstoleranz). Im Vergleich dazu wurde auch die Küstenalge Ulva compressa untersucht (Cholrophyta), die nicht direkt mit den Landpflanzen verwandt ist. Transkriptomanalysen von Klebsormidium cernulatum zeigten landpflanzenartige Reaktionen auf starken Trockenstress, so wurden beispielsweise anitoxidative Schutzmechanismen oder die Bildung von osmotisch wirksamen Substanzen deutlich hinauf reguliert, während andere Bereiche deutlich herabreguliert wurden. Dies zeigt, dass die Algen bereits ganz gezielt auf den Trockenstress reagieren können und sich in einen Zustand versetzen, der ihnen ein Überleben im vegetativen Zustand ermöglicht. Auch bei der Gattung Zygnema sp. ist der physiologische Zustand (Ausbildung von Akineten) sehr wichtig für die Austrocknungstoleranz. Während junge Zellen sensitiv auf Trockenstress reagieren, sind diese alten, fettreichen und abgehärteten Akineten befähigt Austrocknung zu ertragen. In der Gattung Zygogonium bilden sich violette Pigmente, die sowohl als UV-Schutz dienen und offensichtlich auch mit der Eisen-Entgiftung zu tun haben, die es diesen Algen ermöglichen in Eisen-reichen Standorten vorzukommen. Reorganisationen der Zellwand, die allerdings unterschiedlich gesteuert sind, konnten in allen austrocknungstoleranten Grünalgen gefunden werden. Auch Zytoskelettelemente unterliegen einem dynamischen Auf- und Abbau, der in diesem Projekt erstmals in Zusammenhang mit der Austrocknung in Grünalgen untersucht werden konnte.