Genetische Grundlagen der Kohlenstoffanreicherung von Hornmoosen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Privatdozent Dr. Peter Szovenyi; Professorin Dr. Susann Wicke
• Fachliche Zuordnung: Genetik und Genomik der Pflanzen
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 440370236

Pyrenoide für die biophysikalische Kohlenstoffkonzentration (CCM) sind zu finden in den meisten existierenden streptophytischen Algen und in einer Landpflanzengruppe, den Hornmoosen. Erste Forschungsdaten zeigen, dass i) Hornmoos-CCM keine Anpassung an atmosphärische Kohlenstoffschwankungen ist und ii) ein konstitutiver Mechanismus, bei dem iii) CCM-ähnliche Gene durch Hyperoxie hochreguliert werden. Dies deutet an, dass die Hornmoos-CCM ein Relikt der Terrestrialisierung ist und eine Anpassung an Überschwemmungs- und Austrocknungszyklen, die es Landpflanzen ermöglichen, in terrestrischen Ökosystemen zu gedeihen, indem sie die photosynthetische Fähigkeit durch ein ausgeglichenes Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis auf einem optimalen Niveau hält. Diese Hypothese rückt die CCM von Algen in den Vordergrund und verlangt nach vergleichend-molekularen und -ultrastrukturellen Untersuchungen von streptophytischen Algen und Hornmoosen. Insbesondere die molekularen Komponenten und funktionellen Merkmale der CCM dieser Pflanzengruppen müssen noch gründlich untersucht werden. Hierzu werden wir die evolutionäre Entwicklung von CCM und dessen Beitrag zur Terrestrialisierung von Chlorophyten- über Streptophytenalgen bis hin zu Hornmoosen untersuchen. Wir stellen die Hypothese auf, dass sich die hochdynamische und induzierbare CCM der Chlorophyten-Grünalgen während des Landgangs zu einer konstitutiven Form entwickelt hat, die möglicherweise von Vorteil war, da sie höhere Photosyntheseraten in optimalen Tageszeiten ermöglichte. Der evolutionäre Schritt hin zu einer konstitutiven CCM könnte bereits bei den Streptophytenalgen stattgefunden haben. Um dieses Szenario zu prüfen, untersuchen wir, wie sich die Induzierbarkeit von CCM entwickelt hat, indem wir den CO2-Verbrauch, die ultrastrukturellen Veränderungen der Plastiden und die damit verbundenen transkriptomischen und proteomischen Reaktionen in der Chlorophyten-Grünalge Chlamydomonas, den drei Streptophyten-Algen Zygnema, Mesotaenium und Mougeotiopsis sowie den beiden Hornmoosarten Anthoceros agrestis und A. fusiformis vergleichend analysieren. Darüber hinaus werden wir CCM-Kandidatengene durch Immunpräzipitation, CRISPR/Cas9-Editierung und künstliche microRNAs charakterisieren und funktionell validieren. Diese Forschungslinie zur CCM-Biologie von Streptophyten-Algen und Hornmoosen und ihrer Rolle bei der Terrestrialisierung wird Aufschluss darüber geben, wie molekulare Anpassungen dazu beigetragen haben, dass frühe Landpflanzen unter periodischen Überschwemmungen und Trockenheit, was mit stark schwankenden Sauerstoff- und Kohlenstoffkonzentrationen einhergeht, gedeihen konnten. Auf diese Weise wird unsere Forschung ein neues Licht auf die Abfolge und Art der molekularen Anpassungen während der frühen Landpflanzenevolution werfen, indem es die evolutionär-genetische Plastizität hervorhebt, mit der Pflanzen, insbesondere Streptophytenalgen und Hornmoose, mit widrigen Umweltbedingungen zurechtkommen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2237: MAdLand - Molekulare Adaptation an das Land: Evolutionäre Anpassung der Pflanzen an Veränderung
• Internationaler Bezug: Schweiz