Klimaresilienz – Moose als Lehrmeister der Anpassungen
Wie Pflanzen die Erde eroberten und sich an neue, herausfordernde
Verhältnisse anpassen können, untersucht das MAdLand Projekt unter
Beteiligung der Uni Osnabrück.
Wetterextreme wie Dürren, Überflutungen und Temperaturschwankungen werden
durch den Klimawandel in Zukunft häufiger auftreten. Nicht nur Menschen,
sondern auch Pflanzen müssen sich diesen drastischen Umweltveränderungen
anpassen. Dies stellt insbesondere die Land- und Forstwirtschaft, aber
auch den Erhalt der Biodiversität vor Herausforderungen. Um zu verstehen,
wie Pflanzen mit diesen Extremsituationen umgehen können, blickt das
Verbundprojekt „MAdLand – Molekulare Adaptation an das Land: Evolutionäre
Anpassung der Pflanzen an Veränderung“, an dem auch die Universität
Osnabrück beteiligt ist, zunächst in die Vergangenheit. Das von der
Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderte Schwerpunktprogramm schaut
dafür genauer gesagt 500 Millionen Jahre zurück: In die Zeit, als die
Pflanzen das Wasser, ihren ursprünglichen Lebensraum, verließen und das
Land eroberten und sich dort an neue Umweltbedingungen und rasche
Veränderungen anpassen mussten.
Im Teilvorhaben der ersten Phase von MAdLand konnten unter der Leitung von
Prof. Dr. Sabine Zachgo, Professorin für Botanik am Fachbereich
Biologie/Chemie und Direktorin des Botanischen Gartens an der Uni
Osnabrück,bereits wichtige Erkenntnisse gewonnen werden. Das Projekt wird
nun von der DFG für weitere drei Jahre mit über 250.000 Euro gefördert.
Vor 500 Millionen Jahren entwickelten sich aus einer Süßwasseralge die
ersten Landpflanzen, die an Land überleben konnten. Damals war die Welt
ein öder Ort: Statt fruchtbarer Erde gab es karge Felslandschaften. Die
Sonnenstrahlung wurde nicht mehr durch das Wasser abgepuffert und die
Pflanzen waren Trockenstress ausgesetzt und mußten aber auch mit
Starkregen und Überflutungen zurechtkommen.
Um zu überleben, mussten sich die Pflanzen anpassen und dafür auf
molekularer Ebene verändern. Um diese Anpassungsprozesse zu verstehen,
untersuchen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von MAdLand Algen
und Moose. „Wir haben beispielsweise ein Schlüsselregulatorgen gefunden,
dass die Bildung von neuen, bislang nicht bekannten Pigmenten in einem
Brunnenlebermoos reguliert, mit denen sich diese Moose vor
Sonenneinstrahlung an Land schützen können. Solche Eigenschaften könnten
künftigen Pflanzen helfen, den veränderten Bedingungen des Klimawandels zu
trotzen. Deshalb ist es wichtig, die Gene zu finden, die diese Prozesse
als Schlüsselregulatoren steuern“, erklärt Prof. Dr. Zachgo.
In der zweiten Projektphase soll als neuer Modellorganismus das
Untergetauchte Sternlebermooses, Riccia fluitans, aufgebaut werden. „Das
Besondere an diesem amphibischen Lebermoos ist seine enorme Plastizität –
das bedeutet, dass es kann sich stark verändern kann, um sich der
jeweiligen Umweltbedingung anzupassen. Aus dem einen Genotyp des Mooses,
also aus ein und derselben Erbinformation, können sich zwei verschiedene
Varianten der Pflanze entwickeln: Eine, die an das Land und eine die an
das Wasser angepasst ist“, erläutert Dr. Felix Althoff, der dieses Moos
aus dem Teich des Botanischen Gartens der Universität Osnabrück entnommen
und in Laborkultur gebracht hat.
„Dieses Moos eignet sich besonders gut als Modellorganismus, da sein Genom
relativ klein ist“, ergänzt Lara Canovai, die als Doktorandin im MadLand
Projekt gefördert wird. „Wir konnten bereits zeigen, dass die
Zellwandaubildung im Wasser und an Land unterschiedlich abläuft. Während
Riccia fluitans im Wasser nur eine dünne Schutzschicht ausbildet, ist die
Zellwand an Land dicker und schützt so die Landform wesentlich besser vor
Austrocknung.“ Die Osnabrücker Forscherinnen und Forscher konnten auch
bereits die sogenannte CRISPR/Cas9 Genschere etablieren. „Mit dieser
Genome Editing Methode können wir wichtige Funktionen von
Schlüsselregulatorgenen in Riccia fluitans ausschalten und so untersuchen,
warum und wofür diese Gene im Wasser oder an Land verantwortlich sind“, so
Prof. Dr. Zachgo.
Der MAdLand Verbund bietet mit über 20 Forschergruppen interdisziplinäre
Kooperationsmöglichkeiten, um in der zweiten Förderphasemolekulare
Anpassungen an das Landleben und variable Umweltbedingungen umfassend zu
untersuchen. Das Teilprojekt der Uni Osnabrück verwendet die
identifizierten Moosgene um dann vergleichende Untersuchungen mit
Blütenpflanzen durchzuführen. Die Kenntnisse der molekularen
Adaptionsmechanismen an variable Umweltbedingungen können so auch einen
Beitrag für zukünftige Nutzpflanzenzüchtungen liefern.
