Überlebenskünstlern auf der Spur
„Terrestrische Algen sind sehr gut an extreme Lebensumstände angepasst. Sie überstehen Kälte, Trockenphasen und hohe UV-Belastung und machen die Bodenbildung in hochalpinen Regionen oft erst möglich“, beschreibt assoz. Prof. Dr. Andreas Holzinger sein Forschungsobjekt Grünalge. Ein Schlüssel des Erfolges dieser Algen ist ihre Fähigkeit, Austrocknung zu ertragen. Im vom Fonds zur Förderung wissenschaftlicher Forschung (FWF) unterstützten Forschungsprojekt untersucht er die Austrocknungstoleranz alpiner aeroterrestrischer Grünalgen. „Gegenwärtig ist nur sehr wenig über die molekularbiologischen, zellbiologischen und physiologischen Hintergründe von Austrocknungseffekten in Grünalgen bekannt“, erklärt der Zellbiologe. „In meinen Forschungen konzentriere ich mich auf die streptophytischen Algenarten – also diejenigen, die am nächsten zu Landpflanzen verwandt sind.“ Dabei setzt er auf eine Kombination verschiedener Methoden und führt sowohl Freilandbeobachtungen als auch Laborexperimente durch. Eine Kooperation mit einer Kollegin aus den USA, Luise Lewis, ermöglichte auch phylogenetische Untersuchungen der Algenarten. „Diese Untersuchungen benötigen wir weniger aus taxonomischen Gründen, sondern wir versuchen, das Wissen um die verwandtschaftlichen Beziehungen der Algen auf ihre physiologischen Eigenschaften zu übertragen“, beschreibt Holzinger.
UV-Schutzmechanismen
Neben Austrocknungsexperimenten führte Holzinger auch Versuche durch, bei denen die Algen einer erhöhten UV-Strahlung ausgesetzt wurden. Dazu wurden im Hochgebirge isolierte Grünalgen in Kulturschränken erhöhter UV-Strahlung ausgesetzt. „Bei diesen Tests handelt es sich nicht um Sonnensimulationen, sondern um eine Erhöhung der UV-Strahlung im Verhältnis zu relativ geringen Lichtverhältnissen“, beschreibt Holzinger die Vorgehensweise. Ein Ergebnis dieser Untersuchungen, das eine weitere Überlebensstrategie von Grünalgen der Gattung Zygnema sp. aufzeigt, wurde kürzlich in der Fachzeitschrift Microbial Ecology veröffentlicht. „Unsere Tests haben gezeigt, dass die untersuchten Algenarten stark auf erhöhte UV-Belastung reagieren, um sich davor zu schützen“, fasst der Zellbiologe zusammen.
Das transmissionselektronenmikroskopische (TEM) Bild zeigt die dunkel gefärbten Schutzstoffen in der Zellperipherie an.
Dabei ist die Veränderung durch die UV-Belastung bereits makroskopisch sichtbar: „Die Algen die erhöhter UV-Strahlung ausgesetzt waren, färbten sich dunkelbraun. Weitere Untersuchungen im Elektronenmikroskop zeigten dann, dass die Organismen in der Zellperipherie vermehrt Phenole, Tannine und weitere Sekundärmetaboliten anreichern, um ihre Chloroplasten vor der UV-Strahlung zu schützen“, so der Biologe. Auch die Freilandbeobachtungen ergaben, dass sich die Algenorganismen, die innerhalb der Population oben liegen und damit der UV-Strahlung stärker ausgesetzt sind, lila färben. „Wir konnten auch oft beobachten, dass die obersten Organismen absterben, um die unteren Schichten zu schützen – eine sehr effiziente Strategie, um die Art zu erhalten“, erklärt Andreas Holzinger.
Photosynthese-Messungen ergaben, dass die Photosynthese der Algen bei UV-Behandlung abnimmt. Allerdings zeigte die Untersuchung der im Freiland gesammelten Organismen, dass die bereits lila gefärbten Algen auch im Bereich der Photosynthese bei erhöhter UV-Exposition wesentlich fitter sind, als die grünen Organismen aus den unteren Schichten. „Diese würden sich erst nach und nach der erhöhten Strahlenbelastung anpassen“, so Holzinger. Diese Forschungsergebnisse stellen für den Wissenschaftler die Basis für weitere Untersuchungen der Überlebensstrategien der Algen dar. „Das Verständnis der Mechanismen, die in Stresssituationen bei Algen ablaufen, sind von großer Bedeutung, da diese Organismen wesentlich an der Bodenoberflächen-Stabilisierung beteiligt sind.“