Eine einzellige Grünalge aus den Sanddünen der Negev-Wüste hat sich innerhalb weniger Jahre zu einem bedeutenden Modellorganismus der modernen Photosynthese-Forschung entwickelt. Chlorella ohadii hilft Forschenden, die Anpassungsfähigkeit von Pflanzen an extreme Umweltbedingungen besser zu verstehen. Die Erkenntnisse könnten künftig dazu beitragen, Kulturpflanzen widerstandsfähiger gegenüber Hitze, Trockenheit und anderen Folgen des Klimawandels zu machen. Haim Treves, Professor für Pflanzenmetabolismus an der RPTU, erforscht die Wüstenalge seit ihrer Entdeckung.
Brennende Sonne, tagsüber Höchsttemperaturen bis 60 Grad, nachts Abkühlung bis auf Minusgrade und Wasser, das nur morgens für kurze Zeit in Form von Tautropfen verfügbar ist: Die Bedingungen in der Negev-Wüste, einer Fels- und Sandlandschaft im Süden Israels, erscheinen lebensfeindlich. Doch es gibt Organismen, die über Strategien verfügen, um dort zu überleben und zu wachsen. Dazu zählt die Grünalge Chlorella ohadii, die Professor Itzik Ohad, der Mentor von Haim Treves, vor über einem Jahrzehnt aus der biologischen Sandkruste der Wüste isoliert hat.
Ein Fund, der der Erforschung der Photosynthese – dem zentralen Prozess, den Pflanzen, Algen und phototrophe Bakterien nutzen, um aus Wasser und Kohlendioxid mithilfe von Sonnenlicht Zucker zu produzieren – neuen Schub verliehen hat.
„Obwohl die Photosynthese zu den am besten erforschten Prozessen zählt, verstehen wir noch immer nicht vollständig, was das Wachstum photosynthetischer Organismen begrenzt und warum manche schneller wachsen als andere. Mit Blick auf die Negev-Wüste, eine der rauesten Umgebungen der Erde, gingen wir davon aus, dass alles, was dort überlebt, uns helfen kann, Potenzial und Grenzen der Photosynthese besser zu verstehen und widerstandsfähigere Nutzpflanzen für die Zukunft zu entwickeln“, erklärt Professor Haim Treves.
Robust, schnellwachsend und supereffizient
Chlorella ohadii bietet dafür zahlreiche Ansatzpunkte. Sie ist resistent gegen zahlreiche Stressfaktoren, darunter extrem starkes Licht, Austrocknung und hohe Temperaturen. „Wie man es von einer Wüstenalge erwartet, wächst sie selbst bei doppelt so starker Sonneneinstrahlung wie bei voller Sonne weiter und betreibt Photosynthese. Was dabei verblüffend ist: Sie erzielt Wachstumsraten, die von keinem anderen phototrophen Organismus erreicht werden, der Sonnenlicht als Energiequelle nutzt. Gleichzeitig nutzt sie Sonnenlicht besonders effektiv für die Photosynthese“, so der Pflanzenforscher.
Bislang ging die Wissenschaft davon aus, dass ein Organismus entweder besonders widerstandsfähig sein oder unter optimalen Bedingungen gut wachsen könne, aber nicht beides zugleich. Die Wüstenalge, die dieses Dogma widerlegt, ist somit ein ideales Forschungsmodell für Fragen rund um Energiegewinnung, Stoffwechselprozesse und den Umgang von Organismen mit Umweltstress.
Die Eigenschaften von Chlorella ohadii nutzen
Wie die robuste Alge ihre außergewöhnliche Effizienz und Wachstumsgeschwindigkeit erreicht, hat Haim Treves durch detaillierte physiologische, biochemische und molekularbiologische Untersuchungen aufgedeckt. Umfangreiche Genom-, Protein- und Stoffwechselanalysen lieferten wertvolle Einblicke in die Mechanismen, die ihr außergewöhnliches Wachstum und ihre hohe Widerstandsfähigkeit ermöglichen. „Ein Beispiel sind die außergewöhnlich hohen Stoffwechselraten. In der Wüste hat die Grünalge jeden Morgen weniger als eine Stunde Zeit zum Wachsen. Sie muss schnell und flexibel auf die wechselnden Bedingungen reagieren. Das gelingt ihr dadurch, dass die vom Licht angetriebenen Redox-Reaktionen superschnell ablaufen“, erklärt der Forscher.
Vielversprechende Gene, Strukturen und Merkmale, die Haim Treves und sein Team bei Chlorella ohadii entdecken, testen sie an Modell- und Nutzpflanzen. Das Ziel: Ertragssteigerung. „Wir sind gerade dabei, eine metabolisch veränderte Pflanze patentieren zu lassen, die ähnliche Merkmale wie die Wüstenalge aufweist und bei der der Samenertrag um 30 Prozent gesteigert werden konnte. So nutzen wir das Potenzial, das in der kleinen Alge steckt, für die Sicherung unserer Ernährung“, betont Haim Treves.
Zudem entwickeln die Forschenden spezielle Werkzeuge, mit denen sich die Stoffwechselraten, die die besonderen Eigenschaften von Chlorella ohadii bedingen, quantifizieren lassen. „Die Werkzeuge zur Durchführung der sogenannten metabolische Flussanalyse sind nur bei uns und in einer Handvoll Forschungsinstituten im Einsatz.“