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Forschende des Exzellenzclusters »Balance of the Microverse« der Friedrich-Schiller-Universität Jena und des Leibniz-Instituts für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie (Leibniz-HKI) belegen erstmals, dass die Mikroalge Chlamydomonas reinhardtii schon bei moderaten Temperaturveränderungen die Aktivität von rund einem Drittel ihrer proteinkodierenden Gene verändert. Die im Fachmagazin The Plant Cell erscheinende Studie deutet auf weitreichende Folgen des Klimawandels für aquatische Ökosysteme und den Boden hin.
Mikroalgen sind unsichtbare Motoren des Lebens: Durch Fotosynthese binden sie einen erheblichen Teil des planetaren Kohlendioxids und bilden die Basis aquatischer Nahrungsketten. Doch wenn es zu heiß oder zu kalt wird, dann beginnt dieser Motor zu stottern. An der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii sind diese Auswirkungen bestens untersucht. Denn die Mikroalge fungiert als Modellorganismus: Weil sie sich besonders gut kultivieren und mit genetischen Methoden untersuchen lässt, studieren Forschende an ihr allgemeinere biologische Prinzipien von Mikroalgen. Die Reaktionen der Grünalge auf besonders hohe oder niedrige Temperaturen wurden daher bereits mehrfach untersucht. Bislang fehlte jedoch der Blick auf geringere Temperaturveränderungen in Gewässern und Böden, den Lebensräumen von C. reinhardtii, außerhalb von Extremtemperaturen. Im Zuge des Klimawandels nehmen Temperaturverschiebungen im entsprechenden Bereich zwischen 18 und 33 Grad Celsius jedoch zu. Genau diese Lücke adressiert nun erstmals eine Studie von Forschenden des Exzellenzclusters »Balance of the Microverse«.
Moderate Veränderungen, deutliche Reaktionen
Bereits moderate Temperaturverschiebungen führen zu weitreichenden Veränderungen in der Genaktivität und dem Verhalten von C. reinhardtii. Vier Arbeitsgruppen im Cluster unter Koordination von Prof. Dr. Maria Mittag zeigen, dass etwa ein Drittel aller proteinkodierenden Gene der Alge auf Temperaturänderungen reagiert. Betroffen sind Gene aus fast allen Funktionsbereichen der Zelle, von Fotosynthese und Stoffwechsel bis zu Fortbewegung und der Interaktion mit Bakterien.
Die Folgen: Erhöht sich die Temperatur von 23 auf 28 Grad Celsius, erreicht die Algenpopulation eine um zwanzig Prozent höhere Zelldichte. Gleichzeitig verkürzen sich die Cilien, die fadenförmigen Fortbewegungsorgane der Mikroalge.
»Mikroalgen mögen für das bloße Auge weitgehend unsichtbar sein, aber sie sind eng mit ihrer Umgebung abgestimmt. Überrascht hat uns, dass sich bereits 15 Minuten nach Veränderung der Temperatur das Schwimmverhalten der Algen anpasst«, erklärt Dr. Prateek Shetty, Erstautor der Studie. »Noch bevor die Zellstruktur umgebaut wird, verringern sie ihre Geschwindigkeit und wechseln häufiger die Richtung.«
Doch auch der Stoffwechsel der Mikroalge verändert sich: Bei steigenden Temperaturen greift C. reinhardtii zunächst auf organische Kohlenstoffquellen zurück und verzögert so den Beginn der Fotosynthese um mehrere Tage. Auch die Fortpflanzung und die Interaktion mit anderen Mikroorganismen sind von Temperaturveränderungen betroffen.
Interdisziplinäre Zusammenarbeit als Schlüssel
Methodisch untersuchte das Team die Algen auf mehreren Ebenen zugleich. Vier Forschungsgruppen des Microverse-Clusters brachten dafür ihre jeweilige fachliche Expertise ein. Durch die Zusammenarbeit der Forschungsgruppen von Prof. Dr. Maria Mittag, Dr. Markus Lakemeyer, Prof. Dr. Rosalind Allen und Prof. Dr. Miriam Rosenbaum entstand ein zusammenhängendes Bild von Genaktivität, Proteinzusammensetzung, Bewegungsverhalten und Fotosyntheseleistung der Algen.
»Dass schon graduelle Temperaturverschiebungen die Algenzelle tiefgreifend umsteuern, war bislang unklar. Diese Erkenntnis verdanken wir der engen und produktiven Zusammenarbeit im Cluster: Erst das Zusammenspiel mehrerer Gruppen mit verschiedenen methodischen Stärken hat das Bild sichtbar gemacht«, betont Prof. Dr. Maria Mittag, Arbeitsgruppenleiterin im Exzellenzcluster und Koordinatorin der Studie.
Kleine Schwankungen, große Wellen
Mikroalgen wie Chlamydomonas reinhardtii stehen am Anfang vieler aquatischer Nahrungsketten und tragen erheblich zur Bindung von Kohlendioxid und zur Sauerstoffproduktion bei. Die nachgewiesenen Reaktionen der Alge auch auf geringe Temperaturverschiebungen lassen daher weitreichende Auswirkungen für die damit verbundenen Ökosysteme vermuten. Besonders relevant könnte die beobachtete Verzögerung der Fotosynthese sein. Falls sich dieser Effekt auch unter natürlichen Bedingungen bestätigt, könnte dies die CO₂-Bindung und Sauerstoffproduktion in sich erwärmenden Böden und Gewässern beeinflussen.
»Um die Auswirkungen globaler Phänomene wie des Klimawandels grundlegend zu verstehen, müssen wir bei den kleinsten Akteuren unserer komplexen Ökosysteme ansetzen. Die vorliegende Studie zeigt hervorragend, wie die kombinierten Forschungsperspektiven unseres Exzellenzclusters dieses unsichtbare Zusammenspiel sichtbar machen«, betont Prof. Dr. Kirsten Küsel, Sprecherin des Exzellenzclusters »Balance of the Microverse«.
Prof. Dr. Maria Mittag
Matthias-Schleiden-Institut der Universität Jena
Exzellenzcluster „Balance of the Microverse“
Am Planetarium 1, 07743 Jena
Tel.: +49 3641 9-49201
E-Mail: m.mittag@uni-jena.de
P. Shetty et al. Multiomics studies reveal how ambient temperature changes govern cellular responses of Chlamydomonas, Plant Cell, koag136, https://doi.org/10.1093/plcell/koag136 (2026).
Kulturflaschen mit Grünalgen (Chlamydomonas reinhardtii) auf einem weißen Tisch.
Quelle: Yann Schosser
Das Forschungsteam des Exzellenzclusters »Balance of the Microverse« (v. l.): Prof. Dr. Maria Mittag ...
Quelle: Yann Schosser
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wissenschaftler
Biologie, Umwelt / Ökologie
regional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
Kulturflaschen mit Grünalgen (Chlamydomonas reinhardtii) auf einem weißen Tisch.
Quelle: Yann Schosser
Das Forschungsteam des Exzellenzclusters »Balance of the Microverse« (v. l.): Prof. Dr. Maria Mittag ...
Quelle: Yann Schosser
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