Dokument: Anpassungsmechanismen an extreme Umweltbedingungen in physiologischem und genetischem Kontext antarktischer Flechten und ihrer Photobionten

Titel:	Anpassungsmechanismen an extreme Umweltbedingungen in physiologischem und genetischem Kontext antarktischer Flechten und ihrer Photobionten
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=41834
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20170424-115712-7
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Sadowsky, Andres [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 4,54 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 04.04.2017 / geändert 11.04.2017
Beitragende:	Prof. Dr. Ott, Sieglinde [Gutachter] Prof. Dr. Weber, Andreas P. M. [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 580 Pflanzen (Botanik)
Beschreibungen:	Die vorliegende Studie belegt Anpassungen auf unterschiedlicher Ebene von Flechten-Photobionten an extreme Standorte der Antarktis. Photobionten der Gattung Trebouxia wurden aus fünf antarktischen Flechten sowie einer europäischen Flechte isoliert, kultiviert und auf ihre Reaktion auf extreme Trockenheit, Kälte und Lichtintensität hin geprüft. Dabei zeigten sich deutliche Unterschiede des physiologischen Potentials im Vergleich verschiedener Photobionten der jeweiligen Flechtenarten. Es konnte gezeigt werden, dass hinsichtlich Gefriertoleranz und Trockenheitstoleranz jene Photobionten ein höheres Potential besitzen, welche aus endemischen antarktischen Flechten isoliert wurden. Zusätzlich ist die Wuchsform der betreffenden Flechten zu beachten. Die Photobionten der Flechten Usnea lambii und Umbilicaria decussata wurden aufgrund ihrer signifikanten stressphysiologischen Differenzen unter Austrocknungsbedingungen mit Methoden der Metabolitanalyse und Molekularbiologie genauer untersucht. Besonders hinsichtlich konstitutiv, das heißt nicht stressinduziert vorhandener Osmotika wie Ribitol und Sucrose, wurde die höhere Trockentoleranz des U. lambii-Photobionten widergespiegelt. Auch im Transkriptom zeigten sich bedeutsame Unterschiede konstitutiv vorhandener Schutzmechanismen. Diese konnten mit höherer Stresstoleranz im U. lambii-Photobiont in Verbindung gebracht werden. Eine Überexpression von Proteinen der photosynthetischen Lichtreaktion sowie Hochregulation im Proteinstoffwechsel und in Funktionen zur Sicherstellung korrekter Proteinfaltung speziell an den Membranen der Chloroplasten waren zu verzeichnen. Bei beiden Photobionten konnten Hinweise auf einen Umschlag von aktivem Aufbaustoffwechsel zu Energiestoffwechsel festgestellt werden. Es kann geschlossen werden, dass ein kontrollierter Übergang in die Anabiose (latentes Leben nach Austrocknung) im Metabolismus der Photobionten stattfindet. Es kann von verdeckter ökologisch bedeutsamer Diversität innerhalb der untersuchten Gruppe von Photobionten gesprochen werden. Die Ergebnisse zeigen ein bemerkenswertes physiologisches Potential der untersuchten Photobionten. Es konnte zwischen generalistischen Mechanismen, wie bei der kosmopolitischen Flechte Umbilicaria decussata und ihrem Photobiont, und hoch spezialisierten Anpassungsmechanismen bei antarktischen Endemiten unterschieden werden. Aufgrund dieser Ergebnisse kann postuliert werden, dass bei einer möglichen Erwärmung antarktischer Flechten-Habitate, welche mit verbesserter Wasserverfügbarkeit einhergehen kann, spezialisierte Endemiten gegenüber Arten mit breiterer ökologischer Amplitude benachteiligt werden. Auf der Basis der Erkenntnisse dieser Studie wird die aktuelle Situation charakterisiert. Diese Charakterisierung ist relevant für die Vorhersage zukünftiger Entwicklungen im terrestrischen antarktischen Ökosystem. n the present study, various levels of adaptations of lichen photobionts towards Antarctic extreme sites are proved. Photobionts of the genus Trebouxia were isolated from five dif-ferent Antarctic lichens as well as from one European lichen. These photobionts’ respons-es to drought, cold and high light intensities was examined. Pronounced differences of the physiological potentials of the organisms examined are demonstrated. In Antarctic macro lichens, the dominant group of photobionts is Trebouxia sp., clade S. Within this clade, significant differences of physiological stress responses were shown. Regarding freezing and desiccation tolerance, photobionts from Antarctic endemites and bipolar lichens displayed higher potential. Photobionts of Usnea lambii, Pleopsidium chlo-rophanum and Umbilicaria antarctica surpassed the photobiont of the cosmopolitic lichen Umbilicaria decussata in stress tolerance. Therefore, the photobiont isolated from the Antarctic endemic crustose lichen Buellia frigida (clade A Trebouxia sp.) displayed similar stress tolerance as the clade S photobionts from bipolar and endemic lichens. Contrasting-ly, the U. decussata photobiont’s stress tolerance resembled that of the photobiont of the Swedish lichen Fulgensia bracteata (clade I Trebouxia sp.). The growth form of the re-spective lichen thalli must also be taken into account. The U. lambii photobiont’s high desiccation tolerance can be an advantage, as the lichens erect and branched growth form hampers long-term moistening by melt water. Because of their significantly different response to desiccation, the clade S photobionts of U. lambii and U. decussata were chosen for in-detail examination of metabolites and gene expression. No Antarctic lichen photobionts have been examined in such detail before. The type of study is a novelty in Antarctic lichen research. Its results yield valuable new knowledge on the basal mechanisms of the examined photobionts’ stress response. During the desiccation process, metabolites as especially sugars, polyols and amino acids displayed strong dynamics. Degradation of energy- rich sugars and sugar alcohols as well as the possible role of several amino acids in stress tolerance can be interpreted as con-trolled acclimation of the metabolome towards rapid desiccation. The higher stress tolerance of the U. lambii photobiont compared to the U. decussata photobiont could be correlated to its metabolome. Especially constitutively high levels of ribitol and sucrose may mediate its superior desiccation tolerance. Significant differences in gene expression of the U. lambii and the U. decussata photobiont were detected regarding various metabolic functions. Especially differences in constitutive transcription could be correlated to the U. lambii photobiont’s higher desiccation tolerance. Regarding its longer retention of photosynthetic activity under desiccating conditions, transcriptomic regulation could be identified as a major factor. Overexpression of genes encoding for proteins of the photosynthetic light reaction as well as upregulation of protein synthesis and protein folding functions were detected. Especially chaperones ensuring the correct folding of plastid membrane proteins were upregulated. The combination of these regulated pathways can be interpreted as a strategy to ensure the functioning of photosynthesis during desiccation as well as to recruit functional proteins for the reactivation phase. Apart from that, both photobionts examined displayed a shift from anabolism to catabolism. It can be concluded that during desiccation of the photobionts, a transcriptionally controlled metabolic shutdown towards anabiosis was conducted by the organisms. It has been hypothesised that the examined Antarctic clade S Trebouxia spp. may share similar adaptations to extreme environments. This hypothesis had to be rejected, as despite of the identical cultivation procedure of all photobionts, their stress responses and potentials differed significantly. These differences could be correlated with the according lichens’ geographical distribution and growth forms. Therefore, it can be concluded that ecologically relevant hidden diversity is present in Trebouxia clade S. The results show remarkable physiological potentials of the photobionts examined. Generalist and highly specialised adaptation strategies, as in the photobionts isolated from endemic lichens, could be identified. Based on these results, it can be postulated that warming of lichen habitats, which can be accomplished by enhanced water availability, may favour species with a broad ecological amplitude before specialised endemic species. Based on the knowledge obtained by this study, the current state is characterised. This characterisation is relevant to predict future developments of Antarctic terrestrial ecosystems.
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Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Botanik
Dokument erstellt am:	24.04.2017
Dateien geändert am:	24.04.2017
Promotionsantrag am:	12.11.2015
Datum der Promotion:	09.12.2015