Was wir von Überlebenskünstlern lernen können - Wie die Erforschung von Spezialisten unseren Kulturpflanzen auf die Sprünge helfen kann

An Standorten mit extremen Umweltbedingungen heißt die Devise für Organismen: anpassen oder weichen. Bei den durch ihre Wurzeln im Boden verankerten Pflanzen oder Algen entscheiden Unvermögen oder Fähigkeit zur Entwicklung von Anpassungsmechanismen über Leben und Tod. Aufgrund dieses hohen Selektionsdrucks entwickeln sich Spezialisten, die in der Lage sind Extremgebiete zu besiedeln und dort zu überleben. Eine Vertreterin solcher „Überlebungskünstler“ ist eine unscheinbare Alge namens Chlorella ohadii, die in der Negev-Wüste gefunden wurde und dort unter extremen Lichtbedingungen, Temperaturschwankungen und Trockenheit lebt. Dr. Haim Trebes, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Mark Stitt erforscht gemeinsam mit weiteren MitarbeiterInnen des Instituts und KollegInnen aus Jerusalem, Freiburg, Marburg und Gatersleben diese faszinierende Alge. Die neuesten in „Nature Plants“ veröffentlichten Forschungsergebnisse zeigen, wie die Alge es schafft, den zerstörerischen Auswirkungen der hohen Lichtintensität Paroli zu bieten, die normalerweise dem Fotosyntheseapparat schaden und die Alge umbringen würden.

Die Oberflächen von Sandwüsten gehören zu den unwirtlichsten und rauesten Umgebungen der Welt. Nicht nur, dass das Wasser knapp ist in diesen Sandkrusten, auch die Temperaturspannbreite reicht von Minusgraden im Winter bis zu Top-Temperaturen von mehr als 50 Grad Celsius an Sommertagen, wobei die täglichen Schwankungen bei mehr als 30 Grad liegen können. Durch die Tauentwicklung früh morgens kommt es zur Befeuchtung der Oberfläche. Diese Feuchtigkeit verdunstet kurze Zeit später wieder, aufgrund der steigenden Temperaturen und lässt den Sand ausgetrocknet zurück. Mit den hohen Tagestemperaturen ist eine extrem hohe Beleuchtungsstärke verbunden, die mehr als doppelt so hoch ist, wie beispielsweise in Brandenburg.

Trotz dieser unwirtlichen Bedingungen gibt es Lebensformen, die sich an diese schwierige Umwelt angepasst haben, das sogenannte „Krustenkonsortium“. Ihre Mitglieder nutzen die morgendliche Gunst der Stunde, indem sie ab Sonnenaufgang bis zur vollkommenen Verdunstung des Tau-Wassers Fotosynthese betreiben. Was sie danach erleben, ist die Austrocknung ihres „Wachstumssubstrats“ bei steigenden Temperaturen und Lichtintensitäten. Hohe Lichtintensitäten führen nicht zu einer immer weiter steigenden Fotosyntheseleistung, sondern ab einem gewissen Punkt stagniert sie und bei zunehmender Trockenheit nimmt sie ab. Da kein weiteres CO₂ aufgenommen wird, kommt es zu einem Sauerstoffüberschuss, der zur Bildung schädlicher reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) führen kann. Dr. Trebes erläutert dazu: „Man kann diese Situation vergleichen mit einer elektrischen Überspannung. Man stelle sich den Fotosyntheseapparat als ein elektrisches Kabel vor, durch das Strom von einer Quelle (Sonnenlicht) zu einem Rezeptor (CO₂) geleitet wird. Ist die Stromquelle zu stark oder stehen nicht ausreichend Rezeptorkapazitäten zur Verfügung, wird das Kabel überlastet und es kommt zu einem Kurzschluss“. Bei Pflanzen oder Algen wird dies als Fotoinhibition bezeichnet, ein Prozess, bei dem der Proteinkern des Fotosystems II zerstört wird. Schäden, die auf eine schädliche Menge reaktiver Sauerstoffspezies zurückzuführen sind in Kombination mit hohen Temperaturen und Wasserverlust, können viele andere Prozesse in der Zelle negativ beeinflussen, was auch als abiotischer Stress bezeichnet wird. Fotoinhibition und abiotischer Stress senken die globale Fotosyntheseproduktivität und damit auch die Ernteerträge, besonders in heißen und trockenen Klimazonen. Mit fortschreitendem Klimawandel und steigenden Temperaturen werden solche Verluste zukünftig noch größer werden.

Demgegenüber besitzt die kleine Grünalge Chlorella ohadii die Fähigkeit solche Verluste zu vermeiden. Trotz hoher Lichtintensität kann sie ihre Produktivität aufrechterhalten und weist gleichzeitig die schnellsten Wachstumsraten auf, die jemals für eine Fotosynthesezelle unter Laborbedingungen gemessen wurde.

Wie die Wissenschaftler in ihrer Veröffentlichung beschreiben, erreicht die Alge ihre Widerstandskraft durch die schnelle Herstellung eines Gleichgewichts des Redoxstatus, also der Herstellung eines Gleichgewichts von oxidativen und reduktiven Prozessen, eine schnell einsetzende posttranslationale Redox-abhängige Aktivierung von Proteinkinasen, die Aktivierung von Prozessen, die schädlicher reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) und Hitzeschockreaktionen entgegenwirken sowie einem Thykaloid-Umbau. Das heißt zusammengefasst, die Alge ist einerseits in der Lage durch Regulation der Übertragung und Aufnahme von Elektronen ihr Fotosystem II vor Schädigung zu schützen und gleichzeitig Prozesse in Gang zu setzen, die diese Elektronen nutzen und einer Beschädigung wichtiger Proteine entgegenwirken. Unterstützt werden diese Prozesse durch den Umbau der Thylakoide, also dem Umbau des Membransystems in den Chloroplasten, in dem die fotosynthetischen Lichtreaktionen ablaufen.

Außerdem fanden die WissenschaftlerInnen heraus, dass C. ohadii bereits bei niedrigen Lichtverhältnissen eine hohe Fotosynthesekapazität aufweist, das heißt sie kann bei einer plötzlichen Überführung in eine extrem hohe Lichtintensität ihre Photosyntheserate sofort erhöhen und ihre Wachstumsrate steigt innerhalb weniger Minuten. Das ist deshalb besonders wichtig, da die Alge eine ökologische Nische bewohnt, in der ihr nur wenig Zeit zur Fotosynthese vergönnt ist, da sie dafür sowohl Wasser als auch Licht benötigt und sie diese Bedingungen nur in den frühen Morgenstunden erhält. Sie besitzt also die Fähigkeit sofort auf hohe Lichtintensitäten zu reagieren, so dass sie ihr Fotosystem II wirksam vor dieser hohen Strahlenbelastung schützen kann.

Nach Ansicht von Dr. Trebes, ist das wichtigste Ergebnis der Arbeit, dass C. ohadii das Zeug dazu hat, aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften als Modelorganismus für ganz viele verschiedene Bereiche eingesetzt zu werden, so z.B. in der Fotosynthese- und Stressforschung oder der Algenzellbiologie und dann ergänzt er: „Ich bin mir sicher, dass C. ohadii dazu genutzt werden kann, unsere Kulturpflanzen im Hinblick auf die zukünftigen Klimaveränderungen zu verbessern.“ Auf biotechnologischer Ebene wird C. ohadii bereits jetzt schon als Genquelle für die Entwicklung von Kulturpflanzen mit verbessertem Ertrag verwendet.

Das Fazit, das aus der Forschung an C. ohadii oder auch anderer Spezies, die unter Extrembedingungen leben, gezogen werden kann ist, dass wir von solchen Spezialisten und „Extremisten“ sehr viel lernen können, da sie aufgrund ihrer Anpassungen an unwirtliche Regionen neue und besondere Eigenschaften entwickelt haben, die auch für unsere Kulturpflanzen von großem Interesse sein können.

Kontakt

Dr. Haim Trebes
Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie
Tel. 0331/567 8178
Trebes@mpimp-golm.mpg.de

Ursula Ross-Stitt
Leiterin Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie
Tel. 0331/567 8310
ross-stitt@mpimp-golm.mpg.de

Original Veröffentlichung

Haim Treves, Beata Siemiatkowska, Urszula Luzarowska, Omer Murik, Noe Fernandez-Pozo, Thiago Alexandre Moraes, Alexander Erban, Ute Armbruster, Yariv Brotmann, Joachim Kopka, Stefan Andreas Rensing, Jedrzey Szymanski and Mark Stitt

Multi-omics reveals mechanisms of total resistance to extreme illumination of a desert alga

Nature Plants, Juli 2020, https://doi.org/10.1038/s41477-020-0729-9