Wechselwirkung zwischen Osmo-/Ionenregulation und CO2-Aufnahmemechanismen bei Characeen: Voraussetzung für oder Hindernis bei der Anpassung an terrestrische Bedingungen?

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Hagemann; Professor Dr. Hendrik Schubert
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie ; Ökologie und Biodiversität der Pflanzen und Ökosysteme
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 439896201

Charophyten sind submerse Wasserpflanzen aus der Gruppe der Streptophyta, zu der auch alle heutigen Landpflanzen gehören. Zusammen mit den Zygnematophyceae und den Coleochaetophycae formen die Charophyceae die sogenannte ZCC Gruppe, aus der der gemeinsame Vorläufer aller Landpflanzen hervorging. Charophyten sind die Streptophyta, die bereits viele morphologische Merkmale wie funktionsfähige Rhizoide, Gametangia und Zellwandauflagerungen entwickelt haben, die für einen erfolgreichen Landgang als wichtig angesehen werden. Daher wird angenommen, dass die Erforschung von Charophyceae Aufschlüsse über Prozesse und Herausforderungen während des Landgangs der Pflanzen verspricht. Insbesondere der drastische Abfall in der verfügbaren Menge an anorganischen Kohlenstoff (Ca) war vermutlich eine der stärksten Herausforderungen beim Übergang vom aquatischen zum terrestrischen Lebensstil. Es wird angenommen, dass eine passive CO2 Diffusion nicht ausreicht, um die Photosynthese in komplexen eukaryotischen Algen ausreichend mit Ca zu versorgen. Daher haben die meisten eukaryotischen Algen ausgefeilte Kohlenstoffkonzentrierungsmechanismen (CCM) entwickelt, um CO2 in der Umgebung des carboxylierenden Enzyms Rubisco anzureichern. Allerdings ist es bisher unbekannt, inwieweit ein CCM in Charophyten existiert. Weiterhin ist zu erwarten, dass die Aufnahme von Ca in submersen Algen stark mit der Anpassung an pH und verschiedenen Ionenmilieus interagiert.In Vorarbeiten haben wir Systeme etabliert, die die Anzucht von Charophyten unter definierten Umweltbedingungen erlauben. Ausgewählte Chara Arten wurden unter verschiedenen pCO2, Salz- und pH Bedingungen ökophysiologische charakterisiert. Innerhalb dieses Projekts wollen wir uns auf Chara braunii konzentrieren, da von dieser Art ein gut annotiertes Genom vorhanden ist, das eine solide Basis für die geplanten molekularen Untersuchungen darstellt. In dieser Genomsequenz wurde bereits eine Reihe von Genen identifiziert, die potenziell für Proteine eines Chara CCM kodieren könnten, da ähnliche Proteine bei der CCM Funktion in Modellalgen wie Chlamydomonas reinhardtii eine wichtige Rolle spielen.Innerhalb des Projekts wollen wir zunächst die Frage klären, inwieweit C. braunii einen CCM für die photosynthetische CO2 Fixierung benutzt. Dazu werden die CO2 Affinitäten von intakten C. braunii Thalli und des carboxylierenden Enzyms Rubisco verglichen. Die Alge wird unter verschiedenen Ca Gehalten sowie pH Werten kultiviert, um dann Veränderungen in der photosynthetischen CO2 Affinität nachzuweisen. Die Expression ausgewählter Gene, die für potentiell am CCM beteiligte Proteine kodieren, wird in diesem Algenmaterial durch qPCR untersucht. Schließlich wird die Interaktion der Ca Anpassung mit der Ionenanpassung an C. braunii nach Kultivierung bei verschiedenen Salinitäten analysiert. Insgesamt sollen diese Untersuchungen Aufschluss über die Interaktion des CCM mit der Ionenkompensation desMediums bei Charophyten geben.

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