Als die ersten Pflanzen vor über 500 Millionen Jahren aus dem Wasser an Land kamen, waren sie ganz neuen Gefahren ausgesetzt: Trockenheit, wechselhaften Temperaturen und praller Sonne. Forschende beschäftigt schon lange, wie die Vorfahren der heutigen Pflanzen diese Belastung überstanden haben. Die Erkenntnisse könnten dabei helfen, heutige Nutzpflanzen widerstandsfähiger zu machen.
Verringerte Photosynthese und geklumpte Chloroplasten
Nun hat ein Forschungsteam um Cäcilia Kunz von der Universität Göttingen bei einer einzelligen Grünalge ein komplexes Schutzsystem gegen UV-Strahlung entdeckt. Die Pflanze gehört zu einer Algengruppe, die eng mit den frühesten Landpflanzen verwandt ist. „Unsere Studie liefert ein umfassendes Modell dafür, wie frühe Verwandte der Pflanzen auf UV-Strahlung reagierten“, sagt Kunz. Für die Studie setzten die Forschenden die Grünalge Mesotaenium endlicherianum aus der Gruppe der Schmuckalgen im Labor intensiver UV-Strahlung aus und untersuchten, wie die Zellen darauf reagierten.
Das Ergebnis: Bei intensiver UV-Bestrahlung sank die Photosyntheseeffizienz der Grünalge, sie wandelte dadurch weniger Lichtenergie in chemische Energie um. Gleichzeitig bildeten die Zellen vermehrt mit Flüssigkeit gefüllte Zellräume, sogenannte Vakuolen, die als Lichtschutz und Sammelstellen für zelluläre Abfälle dienen. Zusätzlich verlagerten die Zellen ihre Chloroplasten. Diese Orte der Photosynthese bildeten nun kompaktere, dichtere Gruppen innerhalb der Zellen.
„Die Veränderungen deuten darauf hin, dass sich die Zellen aktiv schützen. Zu diesem Zweck scheinen sie einerseits ihre Lichtabsorption zu verringern, also weniger Strahlungsenergie aufzunehmen und umzuwandeln. Andererseits lagern sie schädliche Nebenprodukte in zusätzliche Vakuolen aus“, erklärt Kunz. Die UV-Strahlung aktiviert in der Grünalge außerdem Gene, die mit Stressreaktionen in Zusammenhang stehen. Viele dieser Gene sind auch in heutigen Landpflanzen vorhanden.
Nützliche Voranpassungen für das Landleben
„Viele der Mechanismen gab es wahrscheinlich schon, bevor die ersten Pflanzen an Land gingen. Sie bildeten die Grundlage für das Leben an Land“, sagt Kunz. Zum Schutzsystem der ersten landbesiedelnden Pflanzen gehören demnach mehrere Bausteine: Proteine, die UV-Strahlung erkennen, spezielle Stress-Signalwege, Reparaturmechanismen für UV-induzierte Schäden an der DNA sowie Regulatoren der Photosynthese, die die Energieproduktion unter Stress herunterfahren.
Das Forschungsteam beobachtete zudem, dass die Zellen bestimmte Kinase-Signalnetzwerke und Hormon-Signalwege aktivieren, die auch bei Landpflanzen vorkommen. Kinasen sind Proteine, die Signale in der Zelle weitergeben und dadurch Reaktionen steuern können. Außerdem produziert die Grünalge als Reaktion auf die UV-Strahlung verschiedene chemische Verbindungen, die auch bei Landpflanzen als UV-Schutz und Antioxidantien dienen. „Wir haben zudem eine Reihe bisher unbekannter chemischer Derivate gefunden, was auf unentdeckte und einzigartige Stoffwechselwege hindeutet“, sagt Seniorautor Jan de Vries von der Universität Göttingen.
