Studie beleuchtet Signale, mit denen Algen auf ihre Umgebung „hören“

Es ist seit langem bekannt, dass Pflanzen Chemikalien freisetzen, um auf Stress zu reagieren und Informationen an ihre Nachbarn weiterzugeben. Ein Forscherteam des Bigelow Laboratory hat gezeigt, dass Glaukophyten, eine kleine Gruppe einzelliger Algen, die entfernt mit Pflanzen verwandt sind, offenbar die gleiche Vorliebe für chemische Kommunikation haben. Dies deutet darauf hin, dass die Fähigkeit, chemische Signale auf diese Weise zu nutzen, möglicherweise nicht nur komplexem Leben vorbehalten ist, wie einst angenommen, sondern sich erst später im Stammbaum des Lebens entwickelt hat.

„Wir untersuchen diesen Organismus, der die gleichen Vorfahren wie Pflanzen hat und einen Kommunikationsprozess nutzt, von dem man früher dachte, dass ihn nur Pflanzen nutzen“, sagte John Burns, leitender Wissenschaftler und Co-Autor der Studie. „Es ist möglich, dass viele Zweige des Lebens mit ähnlichen Kommunikationsmitteln begannen, sich dann aber in der genetischen Art und Weise auseinanderentwickelten, wie sie dies tun.“

Die Entdeckung, wie die Zellkommunikation in neuen Linien funktioniert, hilft Wissenschaftlern zu verstehen, wie diese Fähigkeiten entstanden und sich im Laufe der Zeit verändert haben. Mikroalgen sind, wie Glaukophyten, auch für den biogeochemischen Kreislauf in aquatischen Systemen von wesentlicher Bedeutung. Daher ist ihr Verständnis von entscheidender Bedeutung, um vorherzusagen, wie das größere Ökosystem funktioniert, insbesondere in Stresssituationen.

„Der zugrunde liegende Kommunikationsprozess von Pflanzen und Glaukophyten ist ähnlich und sie basieren auf denselben Grundbausteinen des Lebens“, sagte Baptiste Genot, ehemaliger Postdoktorand am Bigelow Laboratory und Hauptautor der Studie. „Aber über Pflanzen hinauszugehen und zu verstehen, wie einzelne Zellen wie diese Algen diese Prozesse durchführen, ebnet wirklich neue Wege.“

Ihre Ergebnisse wurden kürzlich veröffentlicht in Das Journal der eukaryotischen Mikrobiologie.

Wissenschaftler wissen seit langem, dass Pflanzen Informationsmoleküle wie Hormone und andere organische Verbindungen aussenden, um Informationen zu kommunizieren und sich an Stresssituationen wie Temperaturschwankungen oder die Einwirkung von Giftstoffen anzupassen. Über die Strategien der Mikroalgen ist jedoch weitaus weniger bekannt, obwohl sie die häufigsten Primärproduzenten in aquatischen Systemen sind.

Dazu gehören Glaukophyten, eine der drei Hauptlinien der so genannten Archaeplastida. Organismen dieser Gruppe, darunter Pflanzen sowie Grün- und Rotalgen, haben bekanntermaßen vor über einer Milliarde Jahren einen gemeinsamen Vorfahren.

Das Verständnis der Gemeinsamkeiten zwischen den komplexen Kommunikationsstrategien dieser verschiedenen Organismen kann Wissenschaftlern dabei helfen, die zeitliche Abfolge der Abspaltung verschiedener Abstammungslinien zu ermitteln. Es kann ihnen auch dabei helfen, besser zu verstehen, wie sich die für die Photosynthese verwendeten Werkzeuge entwickelten.

„Glaukophyten sind dieser andere Zweig des Lebens, der zur gleichen Zeit wie die Pflanzenvorfahren Chloroplasten entwickelte, aber damit eine ganz andere Entwicklungsrichtung einschlug“, sagte Burns. „Man kann diese Vergleiche also nutzen, um wirklich grundlegende Fragen zur Photosynthese in allen Zweigen des Lebens zu beantworten.“

Die Forscher konzentrierten sich auf eine Glaukophytenart namens Cyanophora paradoxa. Sie fanden heraus, dass C. paradoxa als Reaktion auf äußere Stressfaktoren wie wechselnde Lichtverhältnisse starke Hormone wie Ethylen produziert, das eine Schlüsselrolle bei der Fruchtreife spielt und von Pflanzen bekanntermaßen als Reaktion auf Stress freigesetzt wird.

Als das Team den Algen eine Chemikalie verabreichte, die ein Vorläufer von Ethylen ist, stellten sie fest, dass die Glaukophyten große Mengen des Hormons produzierten und als Reaktion darauf ihr Wachstum verlangsamten.

„Wenn man sich die Gene der Pflanzen ansieht, würde man nie denken, dass Glaukophyten dieselben Signalwege nutzen könnten, weil sie einfach nicht dieselben ‚Teile‘ haben“, sagte Burns.

„Wir verwenden Pflanzen oft als Grundlage für photosynthetisches Leben, aber in dieser Geschichte sind sie die ‚Spinner‘, die eine andere evolutionäre Richtung eingeschlagen haben. Glaukophyten haben in Bezug auf diese Verhaltensweisen möglicherweise mehr mit anderen Algen gemeinsam als mit Pflanzen.“

Diese Studie liefert den ersten Beweis dafür, dass Glaukophyten als Stressreaktion Hormone freisetzen, es bleibt jedoch unklar, wie diese Organismen als Reaktion auf diese Hormone ihr tatsächliches Verhalten, beispielsweise ihr Schwimm- oder Entwicklungsverhalten, ändern. Burns und Genot interessieren sich auch dafür, wie andere Organismen im Ökosystem auf diese chemischen Veränderungen reagieren und ob andere Algenarten dieselben hormonellen Signale zur Kommunikation nutzen.

Über die Kommunikation hinaus unterstreicht die Studie aber auch den Wert der Glaukophyten im Allgemeinen. Aufgrund ihrer einzigartigen Stellung im Baum des Lebens, ihrer Stabilität im Labor und ihres schnellen Wachstums – Burns vergleicht sie mit „Unkraut“ – sind sie ein wertvolles Werkzeug, um Fragen zur Evolutionsgeschichte zu beantworten und sogar algenbasierte Produkte wie Plastikalternativen zu entwickeln.

„Die Wissenslücke zwischen dem, was wir über diese einzelligen, photosynthetischen Eukaryoten und den Kulturpflanzen wissen, ist immer noch riesig“, sagte Genot. „Es ist eine Herausforderung, aber spannend, denn wir müssen noch so viel mehr über diese kleinen Zellen lernen, die überall um uns herum leben.“