Neuartiges Molekularwerkzeug zeigt, wie sich Moose gegen Kontamination wehren
Anthropogene Schwermetall-Emissionen sind ein gravierendes Umweltproblem, denn diese Schadstoffe sind hochgiftig und verbleiben hartnäckig in Böden, Gewässern sowie der Atmosphäre. Kenntnisse darüber, wie lebende Organismen mit diesen Schadstoffen interagieren, bilden die Grundlage für ein besseres Verständnis und eine Bewältigung der Folgen, die diese Belastungen für Ökosysteme sowie deren Komponenten und Funktionen nach sich ziehen. Pflanzen im Allgemeinen und Moose im Besonderen wenden hoch entwickelte molekulare Mechanismen an, um mit Umweltbelastungen wie Verunreinigungen durch Schwermetalle, Dürren oder Ultraviolettstrahlung mit hoher Intensität umgehen zu können. Folglich stellen sie eine unschätzbare biologische Ressource für Untersuchungen dar. Zudem sind sie festgewachsen und somit nicht in der Lage, ihre Umgebung zu verlassen. Das Projekt Bryomics nutzte Moose (Bryophyten) zur Vertiefung des wissenschaftlichen Verständnisses von Interaktionen zwischen lebenden Organismen und Schwermetallverunreinigungen. Ein weiteres Ziel war die Entdeckung von Genen und Genprodukten, die die Entwicklung biotechnologischer Werkzeuge zur Wiederherstellung guter Luftqualität sowie zur Optimierung von Kulturpflanzen erlauben. Diese Forschungsarbeit wurde im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen gefördert.
Ein neuer Ansatz
Die Forschenden untersuchten die Mechanismen, welche einer innerartlichen Variation bei der Anreicherung und Toleranz von Schwermetallen zugrunde liegen. Studienobjekte waren dabei zwei am Boden wachsende Moosarten, die im Hinblick auf Schwermetalle gegensätzliche Neigungen aufweisen. Dabei handelte es sich um das Kupfermoos Scopelophila cataractae, das hauptsächlich auf mit Schwermetallen angereicherten Untergründen vorkommt, und das generalistischer veranlagte Ceratodon purpureus (dt. Purpurstieliges Hornzahnmoos), das sowohl auf verunreinigten als auch auf schadstofffreien Untergründen leben kann. Die Wissenschaftsgruppe kultivierte die Moose im Laboratorium. Dazu stützte sie sich auf eine Steuerung, die aus einer Behandlung in Form von Anreicherung mit Cadmium und Kupfer bestand. Sie ermittelten, welche Reaktion diese Schadstoffe auslösen, indem sie die Anreicherung von Cadmium und Kupfer sowie die Pflanzenleistung erfassten. „Wir nutzten ein Sequenzierungsverfahren (epiGBS), um eine Epigenotypisierung vorzunehmen und die DNA-Methylierungsprofile sowie die genetischen Profile der Proben zu erstellen. Zudem führten wir eine RNA-Sequenzierung durch, um allgemeine Veränderungen bei der Genexpression zu erfassen und zu bestimmen, welche Gene mit einer Kupferbelastung in Verbindung stehen“, so Forschungsstipendiatin Teresa Boquete. Bei der DNA-Methylierung handelt es sich um einen Prozess, bei dem ein chemischer Marker, der aus einer Methylgruppe besteht, auf das DNA-Molekül übertragen oder von ihm entfernt werden kann. Dies verursacht Änderungen bei der Genexpression, ohne die Basis-Nukleotidsequenz der DNA zu modifizieren. Die DNA-Methylierungsmuster sind flexibel, dynamisch und durch Belastungen aus der Umwelt beeinflussbar. Somit verfügen Pflanzen über einen Mechanismus, der es ihnen unter Umständen erlaubt, sich schnell und effizient an neue Umgebungsbedingungen anzupassen. „Die Rolle der DNA-Methylierung in Bezug auf die Fähigkeit am Boden wachsender Moose, mit Verschmutzungen durch Schwermetalle zurechtzukommen, wurde noch niemals zuvor untersucht“, erklärt Boquete.
Vorteile für Nutzpflanzen und die Umwelt
Die Ergebnisse belegten erstmalig die Existenz innerartlicher Unterschiede bei der Toleranz gegenüber Schwermetallen im „Metallspezialisten“ S. cataractae. „Solche Unterschiede hängen mit dem Ausmaß der Verschmutzung in ihrer ursprünglichen Umgebung zusammen. Pflanzen, die in den stärker verunreinigten Böden wachsen, zeigten eine höhere Toleranz“, erläutert Boquete. „Wir konnten auch belegen, dass bei C. purpureus weibliche Pflanzen toleranter gegenüber Schwermetallen sind als männliche Pflanzen.“ Diese Erkenntnisse werden dabei helfen, ein klareres Bild zu Aspekten wie Kontamination und Anbau von Kulturpflanzen unter suboptimalen Bedingungen zu zeichnen. „Nach einer Identifikation von Kandidatengenen, die bei der Anreicherung und Toleranz von Schwermetallen von Bedeutung sind, können diese beispielsweise auch zur Erzeugung von Pflanzen genutzt werden, die dabei helfen, solche Schadstoffe aus der Umwelt zu entfernen“, unterstreicht Boquete. Letztendlich wird BRYOMICS als Ausgangspunkt für größere Projekte dienen, bei denen die ökologische und evolutionäre Rolle der Epigenetik unter Berücksichtigung einer größeren Vielfalt an Bryophytenarten ausführlich bewertet werden könnte.
Schlüsselbegriffe
BRYOMICS, Schwermetall, Moose, DNA, Kupfer (Cu), Scopelophila cataractae, Ceratodon purpureus, Cadmium (Cd), Epigenotypisierung per Sequenzierung (epiGBS), RNA
