Ökologie der Algen tropischer Gletscher und von Schneematsch

Extremophile Mikroalgen, die sich auf abtauende Schneefelder und Gletscheroberflächen spezialisiert haben, sind die Primärproduzenten dieser unwirtlichen Lebensräume. Um mit tiefen Temperaturen oder hoher Licht- und UV-Strahlung umzugehen, haben diese Zellen auf vielfältiger Weise ihre Morphologie, den Stoffwechsel und ihre Genetik angepasst. Während Schneealgen aus der Gruppe der Grünalgen, die grüne oder rote Verfärbungen verursachen, seit Jahrzehnten gut erforscht werden, gibt es zwei bislang unzureichend verstandene Phänomene: Zum einen, äquatornahe tropische Gletscher in Südamerika, wo vor kurzem bislang unbekannte streptophytische Algen (verwandt zu den Landpflanzen) welche Eisoberflächen aufgrund ihrer Pigmente verdunkeln, entdeckt wurden. Die Zellen unterscheiden sich von denen auf Gletschern in Polargebieten und mittleren Breiten. Zum anderen, goldbrauner Schneematsch verursacht durch einzellige Chrysophyceae, die der Gattung Hydrurus nahe stehen aber über die man generell noch sehr wenig weiß. In der Arktis gibt es großflächige Blüten dieser Algen, die noch dazu in kurzer Zeit entstehen können. Beide Habitate werden ökophysiologisch untersucht um zu verstehen wie Algen unter derartigen Bedingungen gedeihen können. Vorläufige Ergebnisse des Antragsstellers deuten darauf hin, das hier zahlreiche neue Schnee- und Gletscheralgenarten verborgen sind, die zudem auch von biotechnologischen Interesse sein könnten. Tropische Gletscher entwickelten anscheinend eine spezifische eukaryotische Kryoflora, die sich an die lokalen Bedingungen eines Tageszeitenklimas angepasst haben. Das Ziel ist, diesen Lebensraum erstmals zu erfassen um physiologische und verwandtschaftliche Unterschiede gegenüber nicht- tropischen Gletscher aufzuzeigen. In ähnlicher Weise wird der Artenreichtum und der Metabolismus der Chrysophyceae des goldbraunen Schneematschs untersucht um deren hohe Produktivität und generelle Stresstoleranzen zu verstehen. Die Primärproduktion, die Habitats-Biodiversität, das Transkriptom, das Vorkommen von Schlüsselmetaboliten wie Pigmenten oder kompatiblen Soluten sowie die Zellarchitektur von Feldproben wird erforscht. Physiologische Optima und Lebenszyklen werden anhand von Laborstämmen aufgeklärt. Die Methoden umfassen Chlorohyll-Fluorometrie, Aufnahmetests von Radio-Nukleotiden, ein Metagenom mit Hilfe von Illumina Hochdurchsatz-Sequenzierungen, analytisches Screening von organischen Extrakten mittels chromatographischer Methoden, sowie Licht- und Elektronenmikroskopie. Die einzigartigen eukaryotischen Photobionten tropischer Gletscheroberflächen wurden noch nie untersucht, sind jedoch sehr stark in ihrer Existenz gefährdend, weil die exotischen Habitate aufgrund der globalen Erwärmung verschwinden werden. Ebenso die prominent Schneematsch verfärbenden Chrysophyceae wurden bislang wissenschaftlich vernachlässigt obwohl sie eine wichtige Rolle in ansonsten kaum produktiven, polar-terrestrischen Ökosystemen spielen.

In diesem Projekt wurden sehr spezialisierte Mikroalgen untersucht, die auf abtauenden Schnee- und Eisflächen in Gebirgen oder Polargebieten färbige Blüten in Grün-, Gelb-, Rot- oder Brauntönen verursachen können. Im Mittelpunkt stand dabei einerseits die Biodiversität, also wie viele und welche Arten dort vorkommen, und deren physiologische Anpassung an diese kalten, exponierten Habitate. Der Schwerpunkt lag dabei auf zwei Untergruppen dieses Phänomens, nämlich auf bislang kaum untersuchte goldgelbe Algen, die vorzugsweise in Schneematsch anzutreffen sind, und ebenso kaum beschriebene Eisalgen auf tropischen Gletschern in Äquatornähe, deren Existenz durch die Erderwärmung gefährdet ist. Forschungsreisen in die Arktis nach Spitzbergen, in den Alpen sowie der Hohen Tatra mündeten in der Charakterisierung und Kultivierung von acht neuen, goldgelben Algen der Gattung "Hydrurus". Der nächste Verwandte dieser Arten lebt in kalten Bächen. Diesen Arten gemeinsam ist ein hoher Gehalt and ungesättigten Fettsäuren und von Zuckeralkoholen, beide Stoffklassen schützen vor zellulären Kälteschäden. Da unerwartet von jedem beprobten Standort eine neue Algenart beschrieben werden konnte, ist davon auszugehen, dass die Biodiversität in dieser Art von schnell schmelzendem, nassem Schnee bislang unterschätzt wurde. Mittels einer Expedition in die kolumbianischen Anden gelang es uns, die "Kryoflora" von drei verschiedenen tropischen Gletschern in Seehöhen von knapp 5000 m zu erforschen. Die dort lebenden Eisalgen der Gattungen "Ancylonema" und "Cylindrocystis" wurden mikroskopisch und per molekularer DNA-Sequenzierung mit Vorkommen in Europa and der Arktis verglichen. Wir fanden einerseits Vertreter, die weit verbreitet sind und sich weltweit auf abtauenden Eis vermehren und Blüten bilden, als auch andererseits welche mit beschränkterem geographischem Vorkommen, die bislang nur aus Südamerika und der Antarktis bekannt sind. Letztere sind mit Sicherheit als neue Arten der Gattung Ancylonema anzusehen, sodass auch bei den Gletschereisalgen davon auszugehen ist, dass die Biodiversität höher ist als früher gedacht. Ein großer Erfolg des Projekts war weiters, dass erstmals eine Gletschereisalge, Ancylonema alaskanum, von uns im Labor gezüchtet werden konnte. Durch die Hinterlegung in der Stammsammlung "CCCryo" in Potsdam handelt es sich um die erste öffentlich zugängliche Kultur für alle interessierten Forschenden, welche etwa Anpassungen an Kälte und Strahlung untersuchen wollen. Zusammen mit dem Kooperationspartner James Raymond konnten wir ein Protein in Eisalgen finden, das von den Zellen nach außen abgegeben wird und so in deren Umgebung die Entstehung scharfkantiger Eiskristalle durch Anlagerung verhindert. Die geglätteten Kristalle stellen weniger Gefahr dar.