Genetische Grundlagen der Kohlenstoffanreicherung von Hornmoosen

Biophysikalische Kohlenstoffkonzentrationsmechanismen (CCMs), die auf Einzelzellebene wirken, sind bei einigen eukaryotischen Algen und einer einzigen Landpflanzenlinie, den Hornmoosen, unabh?ngig voneinander entstanden. Ein wesentlicher Bestandteil für eine effiziente CCM ist ein Pyrenoid—ein spezialisiertes Kompartiment innerhalb von Chloroplasten, das haupts?chlich das CO2-fixierende Enzym RuBisCO enth?lt. Hornmoose mit Pyrenoiden binden deutlich mehr Kohlenstoff als ihre pyrenoidlosen Verwandten. Der wiederholte Gewinn bzw. Verlust von Pyrenoiden in Hornmoosen in den letzten 50 Millionen Jahren l?sst vermuten, dass ihr Zusammenbau m?glicherweise von einigen wenigen genetischen Schaltpunkten kontrolliert wird, die für die ?ko-evolution?re Anpassung relevant sind. In einem gemeinsamen Projekt m?chten wir vergleichende Hochdurchsatzanalysen mit reverser Genetik kombinieren, um die Funktion und molekulare Grundlage der biophysikalischen CCM in Hornmoosplastiden unter verschiedenen Umweltbedingungen zu untersuchen. Basierend auf der ?berwachung von Ver?nderungen der Pyrenoidultrastruktur wollen wir das genetische Werkzeug der biophysikalischen CCM in Hornmoosen durch zwei miteinander vernetzte Ans?tze identifizieren: Zum einen planen wir, m?gliche CCM-Komponenten anhand von computergestützten Homologiesuchen vorherzusagen, wobei der Genpool der Hornmoose mit CCM-Komponenten von Algen abgeglichen wird. Zum anderen erstellen wir Gen- und Protein-(Co-)Expressionsprofile von isolierten Plastiden, die bei niedrigen bzw. hohen CO2-Konzentration und bei ?berschwemmungsbedingungen gesammelt werden. Eine St?rke dieses experimentellen Aufbaus ist, dass wir bis zu drei Paare von pyrenoidbildenden und pyrenoidlosen Hornmoosarten gegenüberstellen. Diese, teils explorativen Untersuchungen sind n?tig, da nicht garantiert werden kann, dass die Bildung und biophysikalische Funktion von Pyrenoiden nur auf einer Reihe von homologen Genen beruhen. Schlie?lich werden wir die Pyrenoidfunktion unter verschiedenen Umgebungsbedingungen untersuchen. Insbesondere m?chten wir Lokalisierungs- und Funktionsvalidierungsanalysen für einen Kernsatz von Genen durchführen, die in unseren vorangegangenen Genidentifikationsans?tzen entdeckt wurden. All diese Experimente sind durch unsere jüngsten Fortschritte bei der Etablierung des Acker-Hornmooses (Anthoceros agrestis) als genetisch manipulierbares Modellsystem m?glich. In der Summe wird unser Gemeinschaftsprojekt nicht nur einen Vergleich der Mechanismen der Pyrenoidbildung zwischen Algen und Hornmoosen erm?glichen, sondern auch allgemeine Prinzipien und artspezifische Innovationen bei der Entwicklung von kohlenstoffkonzentrierenden Plastiden aufzeigen. Darüber hinaus k?nnte die Fokussierung auf und das Verst?ndnis der Grundlagen von CCM in einer Landpflanze anstelle der Algenform letztlich dazu beitragen, die Pyrenoidanordnung effizient nachzuahmen und so die photosynthetische Effizienz von Nutzpflanzen zu steigern.