Stressabwehr im Schnecken-Ei

Mit wenigen hundertstel Millimetern sind Schnecken-Embryos am ersten Tag ihrer Entwicklung mikroskopisch klein. Groß sind dagegen bereits ihre Widerstandskräfte. Schon im Ei verfügen sie über Abwehrmechanismen gegen Umweltstress und können starken Metallbelastungen widerstehen, wie ein Team um Reinhard Dallinger vom Institut für Zoologie gezeigt hat.
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Bild: Eine gefleckte Weinbergschnecke (Cantareus aspersus)

Nachweise solcher Abwehrmechanismen gegen Stress in derart frühen Entwicklungsstadien tierischer Organismen gelingen immer noch selten. Warum? „Weil uns die Beobachtung dieser winzigen Hauptdarsteller unserer Forschung – in diesem Fall wenige hundertstel Millimeter große Schneckeneier – vor eine Reihe von Herausforderungen gestellt hat“, erklärt Reinhard Dallinger, Professor für Ökotoxikologie am Institut für Zoologie. So gelang es dem Team erst mittels wiederholter Vorarbeiten, frisch gelegte Eier der beiden in Mitteleuropa vorkommenden Weinbergschnecken-Arten (Helix pomatia und ihrer gefleckten Verwandten Cantareus aspersus) in ausreichenden Mengen zu sammeln und sie in einem detailliert geplanten Experiment erhöhten Cadmium-Belastungen in Form von Lösungen auszusetzen. Wie das Team im Fachjournal PLOS ONE nun berichtet, sind bereits diese Schnecken-Embyronen äußerst wehrhaft.
Weichtiere, zu denen die Schnecken zählen, sind anders als ihr lateinischer Name – „mollusk“ steht für „weich“ – vermuten lassen würde, hart im Nehmen. „Bereits Embryonen von Weinbergschnecken produzieren vom ersten Tag ihrer Entwicklung an Schutzproteine, um zum Beispiel das äußerst toxische Metall Cadmium zu entgiften“, sagt Dallinger. Gefördert werden diese Arbeiten vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF.
„Grundsätzlich besser verstehen zu lernen, wie sich diese Lebewesen bereits in ihrem frühen Entwicklungsstadium gegen Umwelt-Stress zu wehren wissen, ist angesichts des Klimawandels und zunehmender Bedrohung terrestrischer Ökosysteme durch globale Belastungen von grundlegender Bedeutung“, sagt der Wissenschaftler. Die neuesten Ergebnisse zur Wehrhaftigkeit ganz junger Schnecken könnten zur Entwicklung neuartiger Biomarker nützlich sein, und dazu beitragen, durch Schadstoffbelastung gefährdete Habitate besser zu schützen. Auch für die Weiterentwicklung metallspezifischer Biosensoren im Boden könnten diese Ergebnisse wichtig sein.

Weichtiere im Härtetest

Laut der aktuellen Studie des Teams können sich bereits Schnecken-Embryonen vor starken Metallbelastungen schützen. Sie sind schon am ersten Tag ihrer Entwicklung in der Lage, erhöhte Cadmium-Konzentrationen durch körpereigene Eiweißstoffe – sogenannte Metallothioneine – zu binden und zu entgiften. Im Laufe ihrer embryonalen Entwicklung passen sich diese Weichtiere immer besser an Metallbelastungen an, indem sie Isoformen – genetische Varianten dieser Metallothioneine – verstärkt produzieren. Sie können dadurch unterschiedliche Metalle – wie Cadmium oder Kupfer – spezifisch binden. Der Schlüssel dieser Fähigkeiten liegt in der evolutionären Anpassung. Schnecken haben seit Beginn ihrer Entwicklung im Kambrium – vor etwa 600 Millionen Jahren – ihren Grundbauplan immer wieder an neue Lebensbedingungen angepasst. Ähnliches gilt für ihren Stoffwechsel, der sich – ausgehend vom Leben im Meerwasser – an viele, auch extreme Lebensräume, wechselnde Umwelt- und Klimabedingungen im Meer sowie an Land erfolgreich angepasst hat.

Evolutionärer Erfolg unter der Lupe

Gemeinsam mit französischen Biologen und Umweltforschern der Universität Franche-Comté in Besançon sowie des Department of Health Safety Environment in Vesoul nahmen Dallinger und sein Innsbrucker Team dieses evolutionäre Erfolgskonzept im Laborversuch unter die Lupe. „Eine der Herausforderungen dieses Projektes war es, die Embryonen angesichts ihrer mikroskopischen Dimensionen quantitativen Messungen überhaupt zugänglich zu machen“, betont der Forscher. Erst nach wiederholten Vorversuchen konnten frisch gelegte Eier der beiden in Mitteleuropa vorkommenden Weinbergschnecken-Arten erhöhten Cadmium-Belastungen in Form von Lösungen ausgesetzt werden. Die Forscher analysierten in den winzigen Gewebeproben die Cadmium-Anreicherung und maßen mittels quantitativer Realtime-PCR (Polymerase-Kettenreaktion) die Stressantwort der metallbelasteten Embryos in Form dreier metallspezifischer Entgiftungsgene. Die Hochregulierung dieser Gene bewirkt die vermehrte Ausschüttung bestimmter, Metall bindender Eiweiße.
Cadmium gehört zu den giftigsten Schwermetallen, die wir kennen. Aufgrund von natürlichen, vor allem aber von anthropogen bedingten Prozessen wird dieses Metall laufend in die Umwelt freigesetzt und reichert sich im Boden sowie in Sedimenten von Gewässern langfristig an. Akut und in erhöhten Konzentrationen kann Cadmium etwa in Bergbaugebieten oder bei unsachgemäßer Verwendung von Klärschlacken in künstlichen Gartenerden auftreten. Bisher war bereits bekannt, dass ausgewachsene Exemplare der Weinbergschnecke eine enorme Stresstoleranz und eine ungewöhnlich große Entgiftungskapazität gegenüber Cadmium besitzen. Die Tiere können auch extreme Umweltbedingungen wie Sauerstoffmangel, Hitze, Kälte und Trockenheit wehrhaft überstehen.
Das Forschungsteam „Ökotoxikologie und Molekulare Physiologie“ an der Universität Innsbruck unter Leitung Dallingers erforscht unter anderem Reaktionen von Lebewesen auf Umweltstressoren. Die Gruppe hat bereits eine Reihe von Arbeiten zu molekularen Mechanismen bei bodenbewohnenden und aquatischen, tierischen Organismen vorgelegt. Diese Forschungsergebnisse gelten international als Beitrag zum verbesserten Verständnis der komplexen Zusammenhänge, die bei der Aktivierung von Stress- und Schutzproteinen und somit bei der Anpassung von Lebewesen an Umweltstress-Faktoren eine wichtige Rolle spielen.

Flexibel – auch bei der Fortpflanzung

Die in Österreich sowie weiteren europäischen Ländern unter Naturschutz stehende Weinbergschnecke kann bis zu 20 Jahre alt werden. Sie ist erst im Alter von drei bis vier Jahren geschlechtsreif. Ihre Verwandte, die gefleckte Weinbergschnecke, lebt kürzer und hat eine schnellere Generationszeit. Die Tiere sind Zwitter. Sie besitzen komplexe Geschlechtsanlagen und eine „Zwitterdrüse“, in der männliche und weibliche Keimzellen nebeneinander gebildet werden. Trotzdem können sich die Tiere nicht selber befruchten. Stattdessen übernimmt bei der Begattung ein Tier jeweils flexibel den männlichen, das andere den weiblichen Part, wobei die Spermien nach der Übertragung im begatteten Tier so lange gespeichert werden, bis dessen Eier herangereift sind. Erst dann erfolgt die Befruchtung durch die gespeicherten Spermien. Zwischen dem Zeitpunkt der Begattung und jenem der Befruchtung können daher mehrere Tage verstreichen. Ab dem Zeitpunkt der Befruchtung legt eine der beiden Schnecken bis zu 60 Eier in ein Erdloch, aus dem nach etwa 20 Tagen winzige Schnecken mit einer noch weichen, aber fertig entwickelten Schale schlüpfen.

(Gabriele Rampl)