Metabolomik und Biodiversität von Schnee- und Eisalgen

Mikroalgen, die in Schneefeldern und auf Gletscheroberflächen leben sind extremophile Organismen, die in einem der härtesten Ökosysteme wachsen die es für photosynthetische Zellen gibt. Sie müssen sich an hohe Strahlungswerte, tiefe Temperaturen sowie eingeschränkte Nährstoff- und Wasserverfügbarkeit anpassen. Ab dem Spätfrühling verursachen Blüten auffällige alpine und polare Schneefärbungen in Abhängigkeit der vorherrschenden Pigmente, wobei roter Schnee das häufigste Phänomen darstellt. Durch Reduktion der Reflektion beschleunigt die Kryoflora die Schmelzrate ihres Lebensraumes, was wiederum in großem Maßstab einen Anstieg des Meeresspiegels begünstigt. Die Klimaerwärmung gefährdet Populationen in niederen Gebirgen aufgrund mangelnden Schneefalls. Die Erforschung von Schnee- und Eisalgen erfolgt nicht nur zum Verständnis von Lebensabläufen unter Extrembedingungen, sondern auch aufgrund in hoher Konzentration vorkommender, kommerziell verwertbarer Inhaltsstoffe. Verbindungen wie mehrfach ungesättigte Fettsäuren, Pigmente, Polyphenole, Antioxidantien oder Zucker-Alkohole spielen eine wichtige Rolle für das Überleben. Generell sind die biochemischen Strategien dieser Algen immer noch schlecht untersucht. Zudem ist die Wissenslage über die geografische Verteilung beschränkt, und die wahre Biodiversität ist unklar. Dieses Projekt hat zwei Fragestellungen. Erstens wollen wir geografische Unterschiede in der Biodiversität arktischer und alpiner Lebensgemeinschaften verstehen. Unter Anwendung von high throughput Sequenzierungen mit Feldproben wird die Struktur der natürlichen Schneegesellschaft erstmals in einem alpin-polaren Vergleich untersucht. Die molekularen Ergebnisse werden zudem mit den physikalisch- chemischen Schneeparametern korreliert. Zweitens wollen wir verstehen, wie sich das Metabolom von Schnee- und Eisalgen in Bezug auf Umweltstress ändert: Populationen in alpinen Schnee werden vor und nach deren Umwandlung von grünen Flagellaten unterhalb der Oberfläche zu exponierten roten Sporen verglichen. Zusätzlich wollen wir die Strategie von Eisalgen aufklären, welche auf alpinen und polaren Gletscheroberflächen vorkommen. Diese abgeleiteten Grünalgen, welche verwandtschaftlich den Landpflanzen näher stehen, teilen sich während der ganzen Saison und bleiben somit im Gegensatz zu den meist sporenbildenden Schneealgen stets vegetativ. Alle Messungen werden sowohl mit Feldmaterial als auch mit Laborkulturen unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt. Die metabolomischen Methoden inkludieren Gaschormotographie und Massenspektrometrie, um die durch Inhaltsstoffe etablierten Strategien aufzuklären. Dazu gehört auch die Suche und Charakterisierung neuer Anti-Stress Metaboliten wie Osmolyte, Schutzpigmente oder Antioxidantien. Diese natürlichen Verbindungen sind von generellem Interesse, etwa in Bezug auf Gesundheit (z.B. für Hautschutz) oder als Nahrungsergänzung.

Im Rahmen eines dreieinhalbjährigen Forschungsprojekts wurden Schnee- und Eisalgen untersucht. Das sind spezielle Mikroorganismen, die nur in abtauenden Altschnee oder auf Gletscheroberflächen leben. Ziel war es diese alpinen und polaren Lebensräume zu beproben um die physiologischen Überlebensstrategien der Zellen und sowie deren Artenreichtum zu erkunden. In Gebirgszug der Hohen Tatra (Slowakei, Polen) wurden drei verschiedene Chloromonas-Grünalgen näher untersucht die orangene Schneeblüten verursachen. Eine Art wurde als neu für die Wissenschaft beschrieben (Chloromonas hindakii), eine weitere Probe stellte sich als neue Unterart (Chloromonas nivalis subsp. tatrae) heraus. Die dritte (Chloromonas krienitzii) wurde in Japan erstbeschrieben und nun in Europa gefunden, was für eine weltläufige Verbreitung dieses Organismus spricht. In allen drei Fällen ist das Carotinoid Astaxanthin für die Orangefärbung der Zellen verantwortlich, welches als Sonnenschutz-Pigment dient. Überraschend wurde in der Schneealge Chloromonas krienitzii eine andersartige, noch unbekannte Schutzsubstanz in den Zellwänden beobachtet, welche ähnlich wie in Pollenkörnern schädliche UV Strahlung absorbiert. In den österreichischen Alpen wurde eine neue Art des gefärbten Schnees beschrieben, verursacht durch eine Gelbbraune Alge. Diese war neu für die Wissenschaft (Kremastochrysopsis austriaca) und enthält in hohen Mengen das Pigment Fucoxanthin, welches als Nahrungsergänzung schlankmachend wirken soll. In der selben Alge wurden von uns Gene gefunden, durch die Proteine erzeugt werden die es ermöglichen, dass Schneekristalle in der Umgebung der Zellen geglättet werden, um eine Wand- Beschädigung zu verhindern. Der ungewöhnliche Ursprung dieses Erbmerkmals stammt vermutlich aus Bakterien und nicht von direkten Vorfahren der Alge. Ähnliche gelbbraune Algen wurden auch in großen Mengen auf Spitzbergen gefunden und untersucht. Gletscheralgen verdunkeln durch ihre Pigmente die Eisoberfläche, was zur erhöhten Schmelzrate führt. Dieses für Grönland schon länger bekannte Phänomen wurde mit Hilfe des Projektes erstmals in den Alpen nachgewiesen. In Zusammenarbeit mit dem berühmten Schneealgenforscher Prof. Ron Hoham aus den USA, der sich bereits im Ruhestand befindet, konnte eine grundlegende Übersichtsarbeit über die Thematik verfasst werden; fast 20 Jahre nach der letzten umfassenden Publikation dieser Art.