UV-Stress in alpinen Seen: hsp Genexpression in Copepoden

Die UV-Strahlung stellt für alpine Seen aufgrund des Anstiegs der Strahlungsintensität mit der Höhe und der meist großen Transparenz dieser relativ kleinen und flachen Seen, einen wesentlichen Umweltfaktor dar. Planktische Organismen aus alpinen Seen, die dieser starken Strahlung ausgesetzt sind, haben effektive Strategien entwickelt, um das Risiko UV-induzierter Schäden zu senken, und sind daher weitgehend an die harten Umweltbedingungen angepasst. Das Zooplankton meidet zum Beispiel untertags die obersten Wasserschichten, und akkumuliert UV- absorbierende bzw. antioxidativ-wirkende Verbindungen, um sich vor der UV-Strahlung zu schützen. Der Copepode Cyclops abyssorum tatricus, eine dominante Zooplanktonart vieler Hochgebirgsseen der Österreichischen Zentralalpen, ist sehr UV-strahlungsresistent, wenn er in transparenten Seen angesiedelt ist. Populationen aus gletschertrüben Seen weisen jedoch einen geringen UV-Schutz auf. Verglichen mit den relativ gut bekannten direkten und indirekten Auswirkungen der UV-Strahlung auf Zooplankton, sind Mechanismen auf molekularer Ebene in diesen Tieren kaum erforscht. Untersuchungen, die auf Genexpressionsanalysen beruhen, lassen detaillierte Rückschlüsse zu wie Organismen auf genotoxische Stressoren wie UV-Strahlung reagieren. Eine erhöhte Expressionsrate von Hitzeschockprotein(hsp)-Genen dürfte die Fähigkeit von C. abyssorum tatricus Populationen mit hohen UV-Strahlungswerten, wie sie in ihrer natürlichen Umwelt angetroffen werden, umzugehen deutlich verbessern. Das Ziel dieses Projektes ist es die Rolle UV-induzierter molekularer Stressantworten in Süßwasser-Zooplankton unter Verwendung Nukleinsäure-basierender Techniken zu erforschen. In Labor- und in-situ Experimenten soll getestet werden, wie sich die Genexpression von Hitzeschockproteinen in Copepoden-Populationen als Antwort auf unterschiedlichen UV-Stress ändert. Im Detail werden UV- Strahlendosis- und tiefenabhängige Variationen, aber auch tagesrhythmische und saisonale Änderungen in der Stressproteingenexpression in Copepoden-Populationen aus alpinen Seen unterschiedlicher UV-Transparenz untersucht. Die Expression von vier wesentlichen Hitzestressproteingenen (hsp20, hsp60, hsp70 und hsp90) wird mittels real-time PCR quantifiziert. UV-Schutzverbindungen (Mykosporin-ähnliche Aminosäuren und Carotinoide) und die Antioxidantienkapazität der Copepoden werden gemessen, um den UV-Schutz in den diversen C. abyssorum tatricus Populationen zu evaluieren. Das Forschungsvorhaben soll klären wie Organismen, die in empfindlichen Ökosystemen leben, auf die zu erwartenden Änderungen in der Wassertransparenz aufgrund von Gletscherrückzug und anderen klimatisch bedingten Veränderungen reagieren.

UV-Strahlung kann in klare Hochgebirgsseen tief eindringen. Planktische Organismen aus diesen Seen entwickelten Strategien, um das Risiko UV-induzierter Schäden zu senken. So meidet das Zooplankton untertags die obersten Wasserschichten und nimmt vermehrt UV- Schutzverbindungen auf, um sich gegen die schädliche Strahlung zu wappnen. Gänzlich anders sieht das Leben dieser Tiere in gletschertrüben Seen aus. Dort sind sie vor der UV- Strahlung weitgehend geschützt, sind untertags in allen Wasserschichten zu finden und weisen nur geringe Konzentrationen an UV-Schutzverbindungen auf. Das Ziel dieses Projektes war es zu untersuchen, wie Populationen der dominanten Zooplanktonart, Cyclops abyssorum tatricus, aus klaren bzw. gletschertrüben Seen auf molekularer Ebene reagieren, wenn sie UV-Stress ausgesetzt sind. Der Fokus lag dabei auf der Expression von Hitzeschockproteingenen (heat shock proteins, hsps), denen eine wichtige Schutzfunktion unter Stressbedingungen zukommt. Wurden die Kleinkrebse aus dem tiefen Wasser erhöhter UV-Strahlung an der Oberfläche ausgesetzt, reagierten sie innerhalb weniger Stunden mit einer erhöhten Expression von hsp70, dem häufigsten und wichtigsten Vertreter der Stressproteine. Dies scheint eine wichtige Strategie gerade unter rasch wechselnden Umweltbedingungen zu sein, die mit physiologischen Anpassungen nicht erreicht werden kann. In Laborexperimenten stellte sich heraus, dass diese Tiere im Jahresverlauf je nach Vorhandensein von UV-Schutzverbindungen anders reagieren. Ähnlich wie im See erhöhte sich in der eisfreien Sommerzeit die hsp70-Genexpression nach UV-Exposition. Während der langen Zeit mit Eisbedeckung (~8 Monate), wenn die Copepoden aufgrund der geringen Menge an UV-Schutzverbindungen empfindlicher sind, nahm die hsp70-Induktion viel stärker zu, und erreichte ihr Maximum zur Zeit mit der geringsten Menge an UV-Schutz. Diese Plastizität erlaubt es den Kleinkrebsen schnell auf Stress zu reagieren, was in Ökosystemen wie Hochgebirgsseen, überlebenswichtig ist. Vergleicht man nun die zelluläre Stressantwort dieser Organismen aus klaren mit denen aus gletschertrüben Seen, so haben die Copepoden aus dem Gletschersee weniger Hitzeschockproteine und reagierten gestresster auf UV-Strahlung als die aus dem klaren Gewässer, die aufgrund ihrer hohen Menge an UV- Schutzverbindungen besser angepasst sind. Erstmals konnten auch tagesrhythmische Unterschiede in der Stressproteinexpression und antioxidativ-wirkenden Verbindungen beobachtet werden. In dem trüben See kam es zu keinerlei Schwankungen, Copepoden aus klaren Seen zeigten jedoch Änderungen in der Antioxidantienkapazität, mit einem Maximum um die Mittagszeit, nicht aber in der Genexpression. Dies weist darauf hin, dass tägliche Schwankungen in den Antioxidantien helfen, um z.B. oxidativen Stress abzufangen, die aufwendige Produktion von Hitzeschockproteinen jedoch nur erfolgt, wenn akuter Stress vorliegt. Gewässer im Hochgebirge sind empfindliche Ökosysteme, die aufgrund von Gletscherrückzug und anderen klimatisch bedingten Faktoren großen Veränderungen ausgesetzt sind. Die in diesem Projekt gewonnenen Erkenntnisse konnten dazu beitragen zu erklären, wie darin lebende Organismen darauf reagieren werden.