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Das Winterklima zur Vorhersage von Sommerdürre? Wie die NOA die Wasserverfügbarkeit in Mitteleuropa beeinflusst

Fri, 26 Jun 2026 12:36:11 +0200

Die Nordatlantische Oszillation beschreibt die Luftdruckschwankungen zwischen dem Islandtief und dem Azorenhoch über dem Nordatlantik. In ihrer positiven Phase kommt es zu stärkeren Westwinden, welche milde und feuchte Luft nach Europa transportieren. Wie die neue Studie zeigt, geht eine positive Winterphase der Nordatlantischen Oszillation, die immer häufiger auftritt, mit milden, feuchten Wintern in Mitteleuropa einher. Im darauffolgenden Sommer führt sie jedoch zu Dürrebedingungen mit Defiziten bei der Bodenfeuchte, dem Oberflächenabfluss und dem Grundwasserspiegel, die bis zu zehn Monate andauern können.

Räumlich und zeitlich verzögerte Reaktion:

„Wir konnten somit das ‚Gedächtnis‘ vergangener atmosphärischer und ozeanischer Bedingungen mit der Schwere nachfolgender Sommerdürren in Mitteleuropa in Verbindung bringen. Dieser Zusammenhang überbrückt große räumliche Skalen und verschiedene Jahreszeiten und hat erhebliche lokale Auswirkungen“, sagt Professorin Dörthe Tetzlaff, Abteilungsleiterin am Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) und leitende Autorin der Studie.

Die Forscher*innen führen diesen Zusammenhang auf komplexe Wechselwirkungen während einer positiven Phase des winterlichen Nordatlantischen Oszillation zurück und beschreiben zwei sich ergänzende Wirkmechanismen. Einmal direkte meteorologische Effekte und zum anderen indirekte Effekte in der Landschaft. Der verstärkte Transport von Wärme und Feuchtigkeit im Atlantik in Richtung des Nordpols begünstigt Anomalien des arktischen Meereises sowie schwankende Niederschläge im Frühjahr über Mitteleuropa. Die wärmeren Bedingungen im Winter und im Frühjahr setzen ein früheres und stärkeres Pflanzenwachstum in Gang und erhöhen so den saisonalen Wasserverbrauch. Dadurch nimmt die Bodenfeuchte bereits im Frühjahr ab und die Landschaft wird anfälliger für weniger Niederschlag im Sommer. „Diese Zusammenhänge liefern eine wissenschaftlich plausible Erklärung für die auftretende Sommerdürre“, sagt Dr. Cong Jiang, Hauptautor der Studie.

Die Erkenntnisse der Studie können helfen, die Vorhersage von Sommerdürren zu verbessern und die Resilienzplanung für Landnutzung und Gewässerschutz in den dürreempfindlichen Tieflandgebieten Europas zu stärken.

Das von Dörthe Tetzlaff geleitete Forschungsteam entwickelte einen innovativen Ansatz, um großräumige Klimaschwankungen mit lokalen Auswirkungen auf die Wasserverfügbarkeit, die Landbewirtschaftung und die Reaktionen aquatischer Ökosysteme in den Tieflandgebieten Nordostdeutschlands in Verbindung zu bringen.

Das etwa 66 Quadratkilometer große Einzugsgebiet des Demnitzer Mühlenfließ in Brandenburg dient dem IGB als einzigartiges Freilandlabor und ist repräsentativ für andere Einzugsgebiete im Nordosten Deutschlands. Nur wenige andere Tiefland-Einzugsgebiete verfügen über derart detaillierte Beobachtungen der Wasserbewegung und -speicherung im gesamten hydrologischen System. Die Überwachung umfasst meteorologische Daten, Bodenfeuchte, Abfluss, Grundwasser, Vegetationsdynamik und stabile Wasserisotope.

„Stabile Wasserisotope liefern einen natürlichen ‚Fingerabdruck‘, der Forschenden hilft, die Quellen, die Bewegung und die Verweildauer von Wasser innerhalb der Landschaft nachzuverfolgen“, sagt Prof. Chris Soulsby, Mitautor der Studie und Professor an der University of Aberdeen in Schottland. In ihrer Studie nutzten die Forscher*innen detaillierte Beobachtungen der Bodenfeuchte und stabiler Wasserisotope, um ein prozessbasiertes, isotopengestütztes ökohydrologisches Modell zu kalibrieren, und kombinierten dieses mit Telekonnektionsdiagnostik, großräumigen Klimareanalyse-Datensätzen und Dürreindizes.

Dieser integrierte Ansatz ermöglichte es den Forscher*innen, die Variabilität der winterlichen atmosphärischen Zirkulation auf kontinentaler Ebene mit der lokalen Ausbreitung von Dürren durch das Boden-Pflanze-Atmosphäre-Kontinuum (SPAC) in einem repräsentativen Tiefland-Einzugsgebiet im Norden zu verknüpfen.

Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei

Originalpublikation:

Jiang, C., Soulsby, C., Laudon, H. et al. A positive phase of the winter North Atlantic oscillation is associated with drought in Central Europe the following summer. Commun Earth Environ 7, 538 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03729-z

Wie wir Farben sehen

Fri, 26 Jun 2026 11:13:07 +0200

Rund sechs Millionen Zapfen enthält ein menschliches Auge. Sie kommen vor allem im zentralen Bereich der Netzhaut, der Fovea, vor und sind neben dem Farbsehen auch für das räumliche und das scharfe Sehen bei Tageslicht verantwortlich. Bei Dämmerlicht oder Dunkelheit übernehmen die weiter außen liegenden Stäbchen, die aber nur Schwarz-Weiß-Sehen ermöglichen. Ihr Photopigment ist das Rhodopsin, dessen Struktur schon seit 25 Jahren bekannt ist.

Warum die Struktur von Farb-Opsinen so lange verborgen blieb

Die Zapfen und ihre entsprechenden Opsine sind viel seltener als das Rhodopsin und schwierig zu isolieren. „Man musste erst lernen, genügend Farb-Opsine in Zellkulturen herzustellen, in den aktiven Zustand zu bringen, anschließend zu isolieren und dann mit dem Elektronenmikroskop zu untersuchen“, erklärt Dr. Patrick Scheerer, der 2008 als Doktorand am Institut für Medizinische Physik und Biophysik der Charité wesentlich dazu beitrug, die Struktur des Rhodopsins im aktiven Zustand aufzuklären. „Das war ein aufwändiger Prozess, und deshalb hat es so lange gedauert, bis wir nun endlich auch die Farb-Opsine strukturell beschreiben konnten.“ Patrick Scheerer leitet nun die Arbeitsgruppe Strukturbiologie der zellulären Signalübertragung am selben Institut und ist einer der beiden leitenden Autoren der aktuellen Publikation.

Alle drei Farb-Opsine enthalten, ebenso wie das Rhodopsin der Stäbchen, als lichtempfindlichen Bestandteil das Vitamin-A-Derivat Retinal. Es ist jeweils fest an das Opsin-Protein gebunden. Wird es durch Licht getroffen, klappt es gewissermaßen an einer bestimmten Stelle um: Das eher gewinkelte 11-cis-Retinal wird zum gestreckten all-trans-Retinal, verändert dadurch auch die Form des Opsins selbst und versetzt es in den aktiven Zustand. Das aktivierte Opsin löst eine biochemische Signalkette aus, die über Nervenreize vom Auge zum Gehirn weitergeleitet und verarbeitet wird – und schließlich zur Farbwahrnehmung führt.

Kryo-Elektronenmikroskopie ermöglicht detaillierten Blick

„In diesem gemeinsamen Projekt wurden die drei Farb-Opsine aus Zellkulturen isoliert und im aktiven Zustand, also an das all-trans-Retinal gekoppelt, schnell auf ultratiefe Temperaturen heruntergekühlt, damit ihre Strukturen im aktiven Zustand bleiben“, erklärt Patrick Scheerer das aufwändige Vorgehen. Mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie ließen sich hochaufgelöste zweidimensionale Aufnahmen im Ångström-Bereich (unter einem Nanometer) erstellen und so einzelne Aminosäuren erkennen.

Aus diesen Aufnahmen konnten die Forschenden die detaillierte dreidimensionale Struktur der Opsine rekonstruieren. „Dabei hat sich gezeigt, dass das Opsin, das auf blaues Licht – also kurze Lichtwellen – reagiert, eher dem Rhodopsin der Stäbchen ähnelt“, berichtet Patrick Scheerer. „Die Opsine für grünes beziehungsweise rotes Licht, also mittel- beziehungsweise langwellige Reize, unterscheiden sich davon deutlich. Insbesondere die Aminosäure-Umgebung des jeweiligen Opsins um das Retinal herum variiert. Das erklärt, warum sie unterschiedlich empfindlich auf die Lichtwellenlängen reagieren.“ So regt farbiges Licht die verschiedenen Zapfen unterschiedlich stark an und ruft in der Kombination und der komplexen Weiterverarbeitung das Farbempfinden im Gehirn hervor.

Wichtige Proteinfamilie für die Medizin

Alle humanen Opsine gehören zur Proteinfamilie der sogenannten G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCR). GPCR vermitteln die Wirkung zahlreicher Hormone und Neurotransmitter und sind an einer Vielzahl wichtiger Vorgänge beteiligt, darunter Entzündungsreaktionen, Appetitregulation und Wachstum. Darüber hinaus spielen sie eine zentrale Rolle bei Sinneswahrnehmungen wie Geruchs-, Geschmacks- und eben Lichtreizen. Der allererste GPCR, dessen Struktur aufgeklärt werden konnte, war tatsächlich das Rhodopsin. Hier ist Licht der Reiz, der das Retinal verändert und so den GPCR aktiviert. Längst spielen die über 800 verschiedenen GPCR eine zentrale Rolle sowohl in der medizinischen Anwendung als auch in der Entwicklung neuer Medikamente.

„Unsere Arbeit ist daher nicht nur wissenschaftlich interessant“, sagt Patrick Scheerer. „Es gibt zahlreiche Mutationen in den Opsin-Genen, die mit verschiedenen Augenkrankheiten oder Sehstörungen einhergehen. Wenn wir die Struktur der Opsine nun besser kennen, können wir die Mutationen präziser einordnen und ihre Auswirkungen besser verstehen.“

Auch für Schlaf-Wach-Rhythmus wichtig

Als nächstes Projekt hat sich das Team um Patrick Scheerer das Melanopsin vorgenommen, das ebenfalls in lichtempfindlichen Zellen in der Netzhaut sitzt. Diese leiten ihre Signale an die Epiphyse und den Hypothalamus weiter und spielen damit eine wichtige Rolle für den Schlaf-Wach-Rhythmus. Darüber hinaus gibt es noch einige weitere Opsin-Gene, vermutlich für Opsine, die nichts mit dem Sehen zu tun haben. „Unser Ziel ist es zu verstehen, wodurch sich die einzelnen Opsine strukturell und funktionell unterscheiden“, sagt Patrick Scheerer.

Charité – Universitätsmedizin Berlin

Originalpublikation:

Peng Q et al. Cryogenic electron microscopy structures of human cone visual pigments. Science 2026 Jun 25. doi: 10.1126/science.adz8141, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adz8141

Neue Einblicke in das menschliche Sehen

Fri, 26 Jun 2026 10:31:11 +0200

Sie lassen uns die Welt in Tausenden von Farben sehen: rote Erdbeeren, grüne Blätter, den blauen Himmel. Zudem können wir dank ihnen alle Objekte um uns herum scharf erkennen. Und sie ermöglichen uns, schnelle Bewegungen wahrzunehmen – etwa die Fahrt eines Zuges oder der Flug einer Libelle. Die Rede ist von Zapfenopsinen – winzigen, lichtempfindlichen Rezeptorproteinen in unserer Netzhaut. Doch diese Alleskönner des Tageslichtsehens sind häufig auch an Netzhauterkrankungen beteiligt. Eine Beeinträchtigung der Funktion der Zapfenrezeptoren, verursacht durch genetische Mutationen oder andere degenerative Prozesse, kann zu Erkrankungen wie Farbblindheit und altersbedingter Makuladegeneration (AMD) führen – einer Krankheit, die die zentrale Netzhaut betrifft und einen fortschreitenden Sehverlust verursacht.

In einer neuen Studie ist es Polina Isaikina und Sarah L. Schmidt, zwei Forscherinnen vom Zentrum für Life Sciences am PSI, gelungen, erstmals die dreidimensionale Struktur menschlicher Zapfenopsine im Dunkelzustand zu bestimmen und zu zeigen, wie ihre molekulare Architektur ihre schnelle Aktivierung durch Licht ermöglicht. Dies liefert wichtige neue Einblicke in das menschliche Sehen und seine Evolution und eröffnet neue Ansatzpunkte für die Erforschung bislang kaum behandelbarer Augenerkrankungen. Die Studie wurde in Zusammenarbeit mit Kolleginnen und Kollegen am PSI, der Extreme Light Infrastructure in Tschechien sowie der Universität Tokio in Japan durchgeführt und ist nun in der Fachzeitschrift Science erschienen.

Unruhige Gesellen

Zapfenopsine sind Fotorezeptorproteine, die in den Zapfenzellen vorkommen, welche dicht gepackt in der Fovea centralis liegen. Dieser Bereich der menschlichen Netzhaut ist für das scharfe Sehen verantwortlich. Wir Menschen haben sechs bis sieben Millionen Zapfen in jedem Auge. Ihre Rezeptorproteine werden durch Licht aktiviert und lösen eine Signalkaskade aus, die letztlich elektrische Signale erzeugt, die vom Gehirn verarbeitet werden. Da dieser Prozess extrem schnell abläuft, ermöglichen es uns die Zapfenopsine, bewegte Objekte mit den Augen zu verfolgen. Allerdings sind sie hauptsächlich bei Tageslicht aktiv, wenn die Lichtintensität hoch ist. Bei wenig Licht, in der Dämmerung und nachts, übernimmt ihr evolutionär jüngerer Verwandter, das Stäbchenopsin in den Stäbchenzellen, diese Aufgabe.

Das menschliche Farbsehen beruht auf drei Typen von Zapfenopsinen, die jeweils auf einen anderen Bereich des sichtbaren Spektrums reagieren. Die L-Zapfen sind am empfindlichsten für rotes Licht, die M-Zapfen für grünes und die S-Zapfen für blaues Licht. Obwohl es nur drei Zapfentypen gibt, sehen wir die Welt in weit mehr als nur drei Farben, da unser Farbempfinden aus dem Zusammenspiel ihrer überlappenden spektralen Empfindlichkeiten entsteht.

Die dreidimensionale Struktur der Zapfenopsine vor ihrer Aktivierung durch Licht sowie die Gründe für ihre aussergewöhnlich schnellen Reaktionen waren bislang nur schwer zu entschlüsseln. Diese Rezeptoren sind sehr dynamisch und können sich selbst im Dunkeln spontan aktivieren, was ihre Isolierung in einem einzelnen, klar definierten Zustand erheblich erschwert.
Um versehentliche Aktivierungen zu vermeiden, arbeiteten die Forschenden im Labor ausschliesslich unter sehr schwachem rotem Licht bei Wellenlängen, die für die Zapfenopsine kaum empfindlich sind. «Um die dreidimensionale Struktur dieser Rezeptoren im Dunkelzustand zu bestimmen und ihre schnelle Aktivierung zu verstehen, mussten wir grosse technische Hürden überwinden», sagt Polina Isaikina. «Dazu mussten wir mehrere fortgeschrittene Methoden kombinieren, darunter Kryo-Elektronenmikroskopie, ultraschnelle Laserspektroskopie, biochemische und zelluläre Tests sowie computergestützte Werkzeuge, mit deren Hilfe wir diese Rezeptoren gezielt optimieren und für detaillierte Untersuchungen stabilisieren konnten.»

Die Mühe hat sich gelohnt: Das Forschungsteam präsentiert nun erstmals die Strukturen menschlicher Zapfenopsine, speziell der blau- und grünempfindlichen Varianten in ihrem inaktiven Zustand im Dunkeln. Obwohl das rote Zapfenopsin nicht direkt untersucht wurde, deutet seine enge genetische Ähnlichkeit mit dem grünen darauf hin, dass ähnliche molekulare Prinzipien gelten dürften.

Manövrierraum für ein Molekül

Um zu verstehen, warum Zapfenopsine Lichtimpulse im Handumdrehen in elektrische Signale umwandeln können, lohnt sich ein Blick auf ihren strukturellen Aufbau. «Im Zentrum jedes Zapfenopsins befindet sich das sogenannte Retinal, ein lichtempfindliches Molekül, das aus Vitamin A gebildet wird.», erklärt Sarah L. Schmidt, Doktorandin und Erstautorin der Studie.

Wenn Licht auf das Auge trifft, überträgt es Energie auf das Retinal, wodurch dieses seine Form verändert. Das ist wiederum der Auslöser für die Aktivierung des Fotorezeptors und die Erzeugung eines elektrischen Signals ans Gehirn, wo die visuellen Informationen verarbeitet werden. «Unsere neuen strukturellen und funktionellen Daten deuten darauf hin, dass Zapfenopsine auf schnelle Signalübertragung ausgelegt sind», so Schmidt. Ihre molekulare Struktur umfasst ein Netzwerk von internen «Mikroschaltern», durch die sie sich mit ihrem intrazellulären Signalpartner, dem transduzierenden G-Protein, verbinden können. Da diese Wechselwirkung bereits im Ruhezustand stattfindet, kann die Signalübertragung extrem schnell ablaufen, sobald Licht absorbiert wird. Diese molekulare Bereitschaft erklärt, wie Zapfenopsine das Sehen bei Tageslicht ermöglichen.

Ein weiterer Faktor, der zur Geschwindigkeit der Zapfenopsine beiträgt, liegt in der Architektur der Retinal-Bindungsstelle. Im grünen Zapfenopsin beispielsweise ist diese Bindungstasche am Ein- und Austritt relativ offen. Dadurch kann das Retinal nach einem Lichtimpuls schnell ausgetauscht werden, sich also auf den nächsten Impuls vorbereiten. Dieser schnelle Austausch ermöglicht eine rasche Aktualisierung visueller Informationen im Gehirn.

Die PSI-Forschenden entdeckten jedoch noch etwas anderes: Die Retinal-Bindungstasche des blauempfindlichen Opsins ist kompakter und weist gewissermassen «geschlossene Türen» auf, die die Bewegung des Retinals wirksam einschränken. Daher ist ein Lichtreiz mit höherer Energie erforderlich, um eine Formänderung des Retinal-Liganden zu bewirken. Blaues Licht trägt von Natur aus mehr Energie als grünes oder rotes Licht und eignet sich daher besonders gut, um diesen Übergang auszulösen. Im Gegensatz dazu kann sich das Retinal im grünempfindlichen Opsin deutlich freier bewegen, sodass der Rezeptor bereits auf energieärmeres grünes Licht reagiert und sich sogar ohne Licht spontan aktivieren kann.

Zapfenopsine als therapeutische Ziele

Die Ergebnisse dieser Studie könnten helfen, Augenerkrankungen besser zu verstehen, bei denen Fotorezeptoren in den Zapfenzellen verloren gehen oder nicht richtig funktionieren. Weltweit sind Hunderte Millionen Menschen von verschiedenen Formen von Sehbeeinträchtigungen betroffen. Etwa fünf Prozent der Weltbevölkerung leiden beispielsweise an Farbsehstörungen, überwiegend Männer. Schwerere Formen der altersbedingten Makuladegeneration (AMD) können zu einem Verlust des zentralen Sehens und in fortgeschrittenen Fällen zur Erblindung führen. «Unsere neuen Ergebnisse liefern detaillierte molekulare und strukturelle Einblicke in die Funktionsweise der Zapfenopsine», sagt Polina Isaikina. «Ein detailliertes strukturelles Verständnis dieser Mechanismen hilft uns zu erkennen, wo bei solchen Erkrankungen etwas schiefläuft und wo gezielte Therapien ansetzen könnten.»

Langfristig erhoffen sich die Forschenden, dass ihre Ergebnisse die Entwicklung von Medikamenten voranbringen, die gezielt an Zapfenopsinen ansetzen, um deren Funktion zu stabilisieren und den Sehverlust zu verlangsamen. Die neuen Erkenntnisse aus der Studie eröffnen zudem Möglichkeiten für die Entwicklung präziserer optogenetischer Behandlungen, bei denen lichtempfindliche Proteine so verändert werden, dass sie zelluläre Signalprozesse wiederherstellen oder modulieren.

Paul Scherrer Institut

Originalpublikation:

Sarah L. Schmidt et al.: Illuminating the molecular basis of human daylight vision.Science392,eadz3624(2026).DOI:10.1126/science.adz3624

Die Umgebung bestimmt, wie sich das Auge entwickelt

Fri, 26 Jun 2026 10:18:35 +0200

Neurowissenschaftler*innen des King’s College London und der Universität Konstanz haben die Tiere dafür in einer Virtual-Reality-Umgebung zunächst gezielt bestimmten Reizen ausgesetzt und sie anschließend untersucht und beobachtet. Die Studie zeigt, dass Zebrafische, die inmitten horizontaler Streifen aufwachsen, Neuronen entwickeln, die sich in ihrer Form und Reaktionsweise von denen der Artgenossen unterscheiden, die inmitten vertikaler Streifen aufgewachsen sind. Damit ändert sich auch das spätere Verhalten.

Zebrafische im VR-Raum

Streifen sind besonders auffällige visuelle Merkmale, die alle Tiere nutzen, um das, was sie sehen, einzuordnen. Zebrafische schwimmen am liebsten in Richtung vertikaler Streifen, beispielsweise senkrecht aus dem Boden wachsendem Tang. Der Grund hierfür ist bislang noch nicht final geklärt, eine Möglichkeit ist aber, dass sie auf diese Weise gezielt Orte aufsuchen, die ihnen Schutz bieten können. Ob dieses Verhalten angeboren ist oder von der früh wahrgenommenen Umgebung abhängt, haben die Forschenden untersucht, indem sie einen Verhaltens-Test in virtueller Realität (VR) entwickelt haben. Eingeteilt in zwei Gruppen, haben sie die Fische in ihren ersten fünf Lebenstagen mit einer Umgebung konfrontiert, die entweder nur von horizontalen Streifen geprägt war, oder nur von vertikalen. Anschließend wurde zunächst untersucht, ob sich die jeweilige Umgebung auf den Aufbau des Auges ausgewirkt hat.

Mithilfe eines Mikroskops, mit dem sie die Neuronen in der Netzhaut abbildeten, stellten die Forschenden fest, dass die beiden Fischgruppen unterschiedlich geformte Neuronen in ihrer Netzhaut aufwiesen. Auch die neuronale Aktivität, die von der Netzhaut des Auges ans Gehirn weitergeleitet wird, war an die Streifen angepasst, die der Fisch in den ersten Tagen nach seiner Geburt gesehen hatte.

„Bei der Geburt sind weder Augen noch Gehirn von Menschen und Fischen voll entwickelt. Viele Neuronen sind zwar bereits vorhanden, werden aber durch einen als Plastizität bezeichneten Prozess bis zum Erwachsenenalter weiter verfeinert“, kommentiert Robert Hindges, leitender Autor der Studie und Entwicklungsneurobiologe am King’s College London. „Wir waren sehr überrascht und fasziniert, in einem primären Sinnesorgan – der Netzhaut – solch ausgeprägte erfahrungsbedingte Plastizität zu entdecken.“

Die Art des Sehens beeinflusst das Verhalten

Im weiteren Verlauf der Studie mussten sich alle Fische in beiden VR-Streifenwelten zurechtfinden – sowohl horizontal als auch vertikal. „Wir wollten untersuchen, wie sich diese Veränderungen im Auge auf das tatsächliche Verhalten der Fische auswirken können“, erklärt Phoebe Reynolds, Erstautorin der Studie. „Zu diesem Zweck haben wir einen neuartigen Verhaltenstest in der virtuellen Realität entwickelt, bei dem die Fische eine Präferenz für Streifen bestimmter Ausrichtungen zeigen können. So konnten wir testen, ob ihre angeborene Präferenz durch das Umfeld, in dem sie aufgewachsen waren, beeinflusst wurde.“

Armin Bahl vom Centre for the Advanced Study of Collective Behaviour der Universität Konstanz hat die Verhaltensexperimente in der Studie geleitet. Er erklärt: „Der Versuchsaufbau in der VR-Umgebung basiert auf unseren Beobachtungen der strukturellen und funktionellen Veränderungen in der Netzhaut. Ob sich diese Merkmale auch auf die Fähigkeit auswirken würden, Streifenmuster während der Orientierungsphase zu unterscheiden, war völlig unklar. Wir waren daher sehr überrascht, als sich zeigte, dass die Aufzuchtbedingungen der Tiere tatsächlich einen großen Einfluss auf das spätere Verhalten hatten. Normalerweise schwimmen die Fische vermehrt in Richtung der vertikalen Streifen. Die Tiere, die aber nur horizontale Streifen kannten, zeigten dieses Verhalten deutlich seltener. Eine klare Anpassung des Schwimmverhaltens an eine sich geänderte Umgebung.“

Der Aufbau des Auges macht den Unterschied

Das aus biologischer Sicht besonders Spannende daran ist die Tatsache, dass sich nicht nur das Verhalten der Tiere ändert, sondern auch der physische Aufbau des Auges. Diese Veränderungen zeigten sich in der Netzhaut, einer Struktur im hinteren Teil des Auges, die für die Lichtwahrnehmung und die grundlegende visuelle Verarbeitung zuständig ist. Mithilfe einer genetischen Manipulation gelang es den Forschenden, den Anteil der Netzhautplastizität bei diesem Verhalten zu isolieren. Ohne den Einfluss der Netzhautplastizität verhielten sich die Fische aus beiden Lebensräumen gleich, was zeigt, dass die Veränderungen in der Biologie des Auges ihr Verhalten bestimmen.

Die Forschungsergebnisse ergänzen eine wachsende Zahl von Belegen dafür, dass die Netzhaut das visuelle Bild vorverarbeitet, bevor sie es zur weiteren Verarbeitung ans Gehirn weiterleitet. Auch beim Menschen haben bereits verschiedene Studien gezeigt, dass diejenigen, die in unterschiedlichen visuellen Umgebungen aufwachsen, optische Täuschungen unterschiedlich wahrnehmen. Bislang war jedoch nicht bekannt, dass diese Veränderungen zumindest teilweise durch Veränderungen in der frühesten Phase der visuellen Verarbeitung – nämlich in der Netzhaut – bedingt sind. Die nun vorliegende Studie zu den Zebrafischen ist die erste Studie, die zeigt, dass diese Vorverarbeitung von der visuellen Umgebung abhängt, in der sich die Netzhaut und der Fisch entwickeln.

Universität Konstanz

Originalpublikation:

P. Reynolds, D. Marchi, Y. T. Ling, K. Slangewal, M. Capelle, Z. Chalakova, A. Bahl, R. Hindges (2026): Early visual experience elicits cellular and functional plasticity in the retina and alters behaviour, Neuron, https://doi.org/10.1016/j.neuron.2026.05.001

Spermidin könnte den Impfschutz im Alter erhöhen

Fri, 26 Jun 2026 10:02:50 +0200

Forschende um Professorin Katja Simon, Leiterin der Arbeitsgruppe „Zellbiologie der Immunität“ am Max Delbrück Center, und Professorin Ghada Alsaleh vom Nuffield Department of Orthopaedics, Rheumatology & Musculoskeletal Sciences (NDORMS) der University of Oxford haben jetzt in der Fachzeitschrift „Aging Cell“ gezeigt, dass die tägliche Einnahme von Spermidin die Immunantwort auf eine COVID-19-Impfung verbessern kann.

Spermidin ist ein natürlich vorkommendes Molekül, das unsere Zellen selbst herstellen, das aber auch in Lebensmitteln wie Weizenkeimen, Pilzen und einigen gereiften Käsesorten wie Parmesan oder Cheddar enthalten ist. Frühere Studien deuten darauf hin, dass es zelluläre Erhaltungsprozesse unterstützen kann, die mit zunehmendem Alter nachlassen. „Viele ältere Menschen sprechen zwar gut auf Impfstoffe an“, sagt Alsaleh. „Manche aber entwickeln selbst nach wiederholten Impfungen keinen starken Schutz.“ Die biologische Alterung ihrer Immunzellen könne ein Grund dafür sein. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Spermidin dazu beitragen könnte, bestimmte Aspekte der Immunfunktion bei den Betroffenen wiederherzustellen“, berichtet die Wissenschaftlerin. Neben Alsaleh und Simon waren Forschende der Oxford Vaccine Group, Professorin Teresa Lambe und Professor Paul Klenerman von der University of Oxford sowie Dr. Lucy Jones und Professor Owen Brad Spiller von der Cardiff University an der Studie beteiligt.

Mehr Antikörper als mit Placebo

Während der COVID-19-Pandemie wurde deutlich, dass Impfungen entscheidend dazu beitragen, schwere Krankheitsverläufe und Todesfälle zu reduzieren. Allerdings produzierten ältere Menschen nach der Impfung oft geringere Mengen an schützenden Antikörpern und T-Zellen. Ähnliches ist nach einer Grippeimpfung zu beobachten.

Simon und ihre Kolleg*innen rekrutierten für ihre Studie 40 gesunde Erwachsene im Alter von mindestens 65 Jahren. Nach der dritten COVID-19-Impfung erhielten diese 13 Wochen lang jeden Tag entweder sechs Milligramm Spermidin oder ein Placebo. Die Forschenden stellten fest, dass rund ein Viertel der Teilnehmenden trotz der dreimaligen Impfung am Ende nur sehr schwache Antikörperreaktionen zeigte. Die Immunzellen dieser Menschen wiesen deutliche Anzeichen biologischer Alterung auf, unter anderem vermehrte DNA-Schäden und biologische Marker, die mit der zellulären Seneszenz in Verbindung stehen – dem Prozess, bei dem beschädigte oder alternde Zellen ihre normale Funktion einstellen und sich ansammeln.

Nahmen diese Menschen Spermidin ein, stieg ihre durch die Impfung induzierte Immunität messbar. Zum Beispiel konnten die Wissenschaftler*innen bei ihnen tendenziell höhere Konzentrationen von Antikörpern gegen SARS-CoV-2 sowie höhere neutralisierende Aktivitäten gegen mehrere Virusvarianten beobachten als in der Placebogruppe. Außerdem stellte das Team fest, dass Spermidin bestimmte Marker der Immunseneszenz reduzierte und die Autophagie anregte – einen natürlichen zellulären Recyclingprozess, der den Zellen hilft, beschädigte Bestandteile zu entfernen und ihre gesunde Funktion aufrechtzuerhalten. Das Nahrungsergänzungsmittel erwies sich darüber hinaus als sicher und gut verträglich, Nebenwirkungen im Zusammenhang mit seiner Einnahme traten nicht auf.

„Unsere Untersuchung war als Pilotstudie konzipiert und hatte daher eine relativ geringe Zahl an Teilnehmenden“, sagt Simon. „Nun sind größere Studien erforderlich, um zu überprüfen, wie gut Spermidin die Impfantwort tatsächlich verbessern kann – und ob ähnliche Effekte auch bei anderen Impfstoffen, etwa gegen die saisonale Grippe, zu beobachten sind.“

Max Delbrück Center

Originalpublikation:

Ghada Alsaleh, Mohammad Ali, Amir Hossein Kayvanjoo, et al. (2026): „Spermidine Mitigates Immune Cell Senescence and Boosts Vaccine Responses in Healthy Older Adults — A Pilot Study“. Aging Cell, DOI: 10.1111/acel.70545,
https://doi.org/10.1111/acel.70545

Natürliche Schutzschilde gegen Quecksilber

Fri, 26 Jun 2026 09:55:18 +0200

Methylquecksilber zählt zu den gefährlichsten Umweltgiften. Als starkes Nervengift reichert es sich entlang der Nahrungskette an und erreicht besonders in Fischen hohe Konzentrationen. Der Schadstoff stellt nicht nur ein Umweltproblem dar, sondern bringt auch Risiken für die menschliche Gesundheit mit sich.

Rätselhaftes Muster bei Schwämmen

Seit Jahren beobachten Forschende ein ungewöhnliches Phänomen: Im Vergleich zu vielen anderen Meerestieren enthalten Schwämme nur geringe Mengen an Methylquecksilber, gleichzeitig aber erhöhte Konzentrationen an anorganischem Quecksilber. Bislang wurde vermutet, dass Mikroorganismen, die in enger Symbiose mit den Schwämmen leben, für diesen Effekt verantwortlich sind. Demnach könnten bestimmte Bakterien das Methylquecksilber aktiv abbauen und damit dessen Anreicherung verhindern. Mithilfe eines neu entwickelten Ökosystem- und Bioakkumulationsmodells konnten die Forschenden nachweisen, dass die Nahrungsaufnahme der Schwämme allein ausreichen könnte, um die beobachteten Muster zu erzeugen.

„Unsere Modellierung zeigt, dass die Ernährungsweise der Schwämme selbst eine plausible Erklärung liefern kann“, sagt David Amptmeijer, Wissenschaftler am Hereon-Institut für Küstensysteme – Analyse und Modellierung und Erstautor der Studie. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass wir die Funktion von Schwämmen im Schadstoffkreislauf möglicherweise neu bewerten müssen.“

Einfluss auf den Schadstoffkreislauf

Für ihre Untersuchungen nutzte das Forschungsteam das Modell mit Namen GOTM-ECOSMO E2E-MERCY, das unterschiedliche Quecksilberformen sowie ihren Transport durch Nahrungsnetze simuliert. Es geht davon aus, dass Schwämme große Mengen an gelöster organischer Substanz aus dem Wasser aufnehmen. Dieser Prozess führt dazu, dass sie verhältnismäßig mehr anorganisches Quecksilber aufnehmen, während sie gleichzeitig ihre Aufnahme von Methylquecksilber verringern, besonders bei Schwämmen mit einer hohen Häufigkeit mikrobieller Symbionten, also Lebewesen, die mit ihnen in einer engen Gemeinschaft zusammenleben. Allein dieser Mechanismus konnte die in der Natur beobachteten Konzentrationsmuster reproduzieren – auch ohne die Annahme eines aktiven biologischen Abbaus von Methylquecksilber.

Die Erkenntnisse reichen weit über die Schwämme hinaus. Da Schwämme in vielen Ökosystemen am Meeresboden eine Schlüsselrolle spielen und am Beginn wichtiger Nahrungsketten stehen, beeinflussen sie auch die Belastung anderer Organismen. Nach den Forschenden könnte die Ernährungsweise von Schwämmen die Methylquecksilberkonzentrationen in bodennah lebenden Fischarten um über 50 Prozent reduzieren. Schätzungen zufolge verursacht die Belastung mit Methylquecksilber in Europa jährlich volkswirtschaftliche Kosten in Milliardenhöhe. Die Forschenden sehen ihre Ergebnisse als Argument für den Schutz mariner Lebensräume.

Modell für weitere Forschung

Für die Zukunft plant das Team, den bisherigen eindimensionalen Modellansatz zu einem dreidimensionalen Modell weiterzuentwickeln. Dadurch könnten die Auswirkungen von Schwammgemeinschaften unter realistischeren Umweltbedingungen und für größere Meeresgebiete untersucht werden. Gleichzeitig hoffen die Forschenden, dass ihre Ergebnisse neue empirische Studien anregen. Da die Ergebnisse auf einem Modell basieren und eine empirische Bestätigung erfordern, hoffen sie, dass ihre Resultate weitere empirische Untersuchungen zur Rolle von Schwämmen im Kreislauf von Schadstoffen anregen.

Helmholtz-Zentrum Hereon

Originalpublikation:

Amptmeijer, D. J., Hanz, U., Schrum, C., and Bieser, J.: DOM consumption and demethylation of MeHg as potential drivers of low MeHg in Mediterranean Sea sponges and benthic fish: a modeling perspective, Biogeosciences, 23, 4057–4081, 2026, doi.org/10.5194/bg-23-4057-2026

Und jetzt alle: Atmen! Arapaima – die Giganten des Amazonas – holen synchron Luft

Fri, 26 Jun 2026 09:48:36 +0200

Arapaima gehören zu den größten Süßwasserfischen der Welt und können Längen von über zwei Metern sowie Gewichte von fast 300 Kilogramm erreichen. Anders als die meisten Fische sind sie auf Luftatmung angewiesen: Erwachsene Tiere kommen etwa alle zehn Minuten an die Wasseroberfläche, Jungtiere deutlich häufiger. Diese Anpassung hilft ihnen, in den sauerstoffarmen Gewässern des Amazonasbeckens zu überleben. Die in Communications Biology unter Leitung des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) in Zusammenarbeit mit dem Exzellenzcluster „Science of Intelligence“ veröffentlichte Studie zeigt, dass die Jungtiere dies in Gruppen von mehreren Hundert Individuen tun und dabei ihre Atemzüge sekundengenau synchronisieren.

In einer Aquakulturanlage beobachteten die Forscher*innen, dass in einem Schwarm von etwa 200 Jungfischen häufig mehr als 100 Tiere innerhalb einer Sekunde gemeinsam an die Wasseroberfläche kamen, um Luft zu schnappen. In einigen Fällen stiegen sogar alle 200 Fische gleichzeitig auf. Dieses hochgradig synchronisierte Verhalten wiederholte sich etwa alle 15 Sekunden. Einzeln beobachtete Fische wiesen hingegen unterschiedliche Intervalle zwischen den Atemzügen auf, die von etwa einer bis zu mehr als zwei Minuten reichten.

Kollektives Verhalten kann angreifende Vögel verwirren:

„Erstaunlicherweise haben die einzelnen Jungtiere eigentlich ganz unterschiedlich viel Puste. Es scheint sich aber zu lohnen, immer gemeinsam mit vielen anderen an die Oberfläche zu schwimmen, denn so sind die nur wenige Zentimeter großen Jungtiere besser vor Vögeln geschützt, die nur darauf warten, dass die Tiere zum Luftschnappen nach oben kommen“, sagt Palina Bartashevitch, Erstautorin der Studie. „In großen Gruppen ist man sicherer, da die Fressfeinde hier schlechter einzelne Tiere anvisieren können – ganz besonders, wenn alles, wie bei den Arapaimas, sehr schnell geht. Außerdem verteilt sich das Risiko, gefressen zu werden, auf alle, die mitmachen. Trifft man hingegen alleine auf einen Fressfeind, ist klar, wer gefressen wird.“

Synchronisation durch „Atemgruppen“:

Mithilfe von Computersimulationen haben die Forschenden herausgefunden, wie die Tiere ihre unterschiedlichen Atembedarfe synchronisieren. Demnach begeben sich die Tiere mit „Schwarmgenossen“, die ähnliche Atembedürfnisse haben, an die Oberfläche. So müssen sie weniger Kompromisse eingehen als bei einer Teilnahme aller Tiere. Wer gerade Luft geholt hat, setzt eine Runde aus. Diese „Cluster-Synchronie“ macht möglich, dass oftmals über 75 Prozent des Schwarms beim Luftholen mitmachen können, ohne dass jemand zu lange warten oder zu oft an die gefährliche Oberfläche schwimmen muss.

Dieses mathematische Prinzip der Natur als Anwendung für die Robotik:

Diese Ergebnisse helfen nicht nur dabei, Schwarmdynamiken und Überlebensstrategien von Tieren zu verstehen. „Dank des generalisierten Modellierungsansatzes lässt sich dieses synchrone Verhalten, das durch mehr als 23 Millionen Jahre Evolution geprägt wurde, auch auf Schwärme von Robotern und Drohnen übertragen“, sagt Dr. David Bierbach, der die Studie leitete. „Es gibt verschiedene Drohnenmodelle, die synchron fliegen oder gemeinsam ein bestimmtes Verhalten zeigen, und die Computermodelle, die wir aus der Studie ableiten konnten, lassen sich nutzen, um ihre synchrone Leistung zu verbessern“, so David Bierbach.

Ein wesentlicher Vorteil dabei ist, dass die Roboter oder Drohnen nicht alle identisch sein müssten. Selbst heterogene Gruppen könnten dennoch hochgradig synchronisierte Bewegungen oder Aktionen ausführen, ähnlich wie junge Arapaimas, die gemeinsam an die Oberfläche kommen, um Luft zu holen.“

Das macht die Erkenntnisse relevant für die Robotik der Zukunft: Wenn sich jede Maschine mit denjenigen abstimmt, die ihren eigenen Bedürfnissen am besten entsprecht, könnten gemischte Gruppen ein hochgradig synchronisiertes Verhalten mit minimalen individuellen Kompromissen erreichen. Mögliche Anwendungsbereiche sind das Umweltmonitoring, die Landwirtschaft, die Entfernung von Mikroplastik oder Such- und Rettungseinsätze.

Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB)

Originalpublikation:

Bartashevich, P., Francisco, F.A., Escurra-Alegre, A. et al. Air-breathing synchrony in juvenile Arapaima gigas reveals collective coordination under individual physiological constraints. Commun Biol 9, 831 (2026). https://doi.org/10.1038/s42003-026-10472-w

Pflanzen dürreresistent machen

Thu, 25 Jun 2026 13:16:51 +0200

Stomata sind mikroskopisch kleine Öffnungen auf der Blattoberfläche, über die Pflanzen Kohlendioxid aufnehmen und Wasser abgeben. Ihre Funktion hängt von zwei Schließzellen ab, die sich je nach Umweltbedingungen öffnen oder schließen. Das Bochumer Forschungsteam konnte zeigen, dass das Enzym GELP80 bereits in einem frühen Entwicklungsstadium aktiv wird und die Lipidstruktur der Kutikula um die entstehenden Poren gezielt umformt. Dadurch erhalten die Schließzellen jene mechanische Flexibilität, die für die spätere Regulation der Porenöffnung erforderlich ist.

Ungewöhnliche Form und versteifte Zellwände

Fehlten sowohl GELP80 als auch das verwandte Enzym GELP100, entwickelten die Pflanzen ungewöhnlich geformte Stomata mit fehlerhaften äußeren Kutikula-Strukturen und versteiften Zellwänden. Die Spaltöffnungen konnten sich dadurch nur eingeschränkt bewegen. Gleichzeitig reagierten die Pflanzen jedoch weiterhin normal auf das Trockenheitshormon Abscisinsäure (ABA). Dies zeigt, dass die Ursache der Defekte nicht in einer gestörten Stresssignalübertragung liegt, sondern in veränderten mechanischen Eigenschaften von Zellwand und Kutikula.

Eingeschränkte Beweglichkeit ist ein Vorteil

Überraschenderweise erwies sich die eingeschränkte Beweglichkeit der Stomata unter Trockenstress als Vorteil: Die Mutantenpflanzen verloren weniger Wasser und überlebten längere Dürreperioden deutlich häufiger als Wildtyp-Pflanzen. Nach 14 Tagen ohne Bewässerung lag ihre Überlebensrate bei rund 80 Prozent, während nahezu alle Vergleichspflanzen abstarben.

Darüber hinaus entwickelte das Team ein neues Modell der Stomata-Entwicklung. Demnach organisiert GELP80 zunächst die Kutikula-Struktur während der frühen Entwicklung der Schließzellen. In einer späteren Phase übernimmt das verwandte Enzym OSP1 die Feinabstimmung, die für die endgültige Ausbildung der Porenöffnung notwendig ist. Die Ergebnisse weisen damit auf eine präzise zeitliche Abfolge von Lipid-Umbauvorgängen hin, die für die Bildung funktionierender Spaltöffnungen entscheidend ist.

„GELP80 wirkt wie ein molekularer Bildhauer an der Spaltöffnung – es formt die Kutikula-Lipide in einem frühen Stadium der Entwicklung der Schließzellen um, um den Spaltöffnungen genau die mechanische Flexibilität zu verleihen, die sie für ihre Funktion benötigen“, erläutert Erstautorin Dr. Khushbu Kumari. „Wenn diese Formgebung verloren geht, wird die Porenarchitektur starr und unorganisiert, und die Pflanze kann ihre Stomata nicht mehr effizient öffnen und schließen.“

Die Studie zeigt erstmals einen direkten Zusammenhang zwischen Lipidstoffwechsel, Zellwandmechanik und der Funktion von Stomata. Angesichts zunehmender Trockenheit und Wasserknappheit könnte dieses Wissen künftig dazu beitragen, Kulturpflanzen gezielt auf eine bessere Wassernutzung und höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber Dürre zu optimieren.

Ruhr-Universität Bochum

Originalpublikation:

Khushbu Kumari et al: Lack of GDSL motif–containing proteins increases drought tolerance by altering the stomatal cuticle in Arabidopsis, in: The Plant Cell, 2026, DOI: 10.1093/plcell/koag150

Die Wächter der Antikörperantwort im Fokus

Thu, 25 Jun 2026 12:37:50 +0200

Tfr-Zellen steuern die Entwicklung und Funktion der sogenannten Keimzentren in Lymphorganen wie den Lymphknoten, den Tonsillen oder der Milz. Dort kontrollieren sie die Aktivität von follikulären T-Helferzellen (Tfh-Zellen) und B-Zellen und sorgen dafür, dass Antikörperantworten wirksam bleiben, ohne außer Kontrolle zu geraten. Ein Ungleichgewicht zwischen aktivierenden und regulierenden Immunzellen wird mit Autoimmunerkrankungen und fehlgeleiteten Antikörperantworten in Verbindung gebracht. „Tfr-Zellen sind bislang nur schwer zu untersuchen. Mit unserem Modell können wir ihre Entwicklung nun gezielt im Labor nachvollziehen und die molekularen Mechanismen erforschen, die ihre Eigenschaften und Funktionen steuern“, sagt Erstautorin Dr. Luisa Bach, Wissenschaftlerin am Universitätsklinikum Bonn.

Wie follikuläre regulatorische T-Zellen entstehen

Für ihre Untersuchungen entwickelten die Forschenden ein neues In-vitro-Modell, mit dem sich Tfr-Zellen aus bestimmten CD4+ T-Zellen des Immunsystems erzeugen lassen. Mithilfe dieses Systems konnten sie zentrale molekulare Signalwege identifizieren, die die Entwicklung dieser Zellen steuern. Dabei zeigte sich, dass der Wachstumsfaktor TGF-β eine Schlüsselrolle spielt: Er ist notwendig und zugleich ausreichend, um das charakteristische Programm der Tfr-Zellen auszulösen. Gleichzeitig beeinflusst das Signalmolekül IL-2 die Entwicklung der Zellen auf gegensätzliche Weise. Erst das fein abgestimmte Zusammenspiel beider Signalwege ermöglicht die Ausbildung funktionsfähiger Tfr-Zellen. Darüber hinaus identifizierte das Forschungsteam den Transkriptionsfaktor c-Maf als wichtigen Regulator der Differenzierung von Tfr-Zellen. Fehlt dieser Faktor, können die Zellen die für Tfr-Zellen charakteristischen Eigenschaften nicht vollständig ausbilden.

Kontrolle der Antikörperantwort im Labor nachgewiesen

Die Forschenden konnten zudem zeigen, dass die im Labor erzeugten Tfr-Zellen funktionell den natürlichen Tfr-Zellen ähneln. In Zellkulturexperimenten unterdrückten sie die durch Tfh-Zellen vermittelte Aktivierung von B-Zellen und begrenzten die Bildung bestimmter Antikörperklassen. „Tfr-Zellen gehören zu den wichtigsten Kontrollinstanzen der Antikörperantwort. Dass sich ihre charakteristischen Eigenschaften nun gezielt in der Zellkultur untersuchen lassen, eröffnet neue Möglichkeiten für die Erforschung ihrer biologischen Funktion“, erklärt Korrespondenzautor Prof. Dirk Baumjohann von der Medizinischen Klinik III für Hämatologie, Onkologie, Immunonkologie und Rheumatologie des UKB, der Mitglied in den Lenkungsausschüssen des Exzellenzclusters ImmunoSensation3 und des Transdisziplinären Forschungsbereichs (TRA) „Life & Health“ der Universität Bonn ist. „Dadurch können wir besser verstehen, wie Antikörperantworten reguliert werden und wie fehlgeleitete Immunreaktionen entstehen.“

Neues Werkzeug für die Immunforschung

Die Arbeit liefert grundlegende Einblicke in die Biologie regulatorischer Immunzellen und stellt gleichzeitig ein wichtiges Werkzeug für die immunologische Forschung bereit. Das neu entwickelte Modell ermöglicht es künftig, die Entwicklung und Funktion von Tfr-Zellen gezielt zu untersuchen und ihre Rolle bei Immunantworten genauer zu analysieren.

Universitätsklinikum Bonn

Originalpublikation:

Luisa Bach et al.: TGF-β and IL-2 differentially shape T follicular regulatory cell differentiation and stability in vitro. Cellular & Molecular Immunology. DOI: https://doi.org/10.1038/s41423-026-01440-9

Hitzestress: Pflanzen lösen mit Fingern Notprogramme aus

Thu, 25 Jun 2026 12:03:59 +0200

Im Inneren jeder Pflanzenzelle befinden sich Chloroplasten, die wie kleine Solarkraftwerke funktionieren. Die winzigen Strukturen sind die grünen Energiezentren der Pflanzenzellen. Sie nutzen Sonnenlicht, nehmen Kohlendioxid aus der Luft auf und stellen daraus Zucker her – die Energiequelle, die die Pflanze zum Wachsen und Überleben braucht. Ohne diese „Solarkraftwerke“ könnten Pflanzen keine Energie produzieren und somit auch nicht als Nahrungsgrundlage für andere Lebewesen dienen. Außerdem würde weniger Sauerstoff in die Atmosphäre gelangen.

Schutz vor Hitze, Trockenheit oder Salz

Geraten Pflanzen unter Stress, etwa durch Wassermangel oder hohe Temperaturen wie derzeit in Deutschland und Mitteleuropa oder durch salzhaltige Böden, gerät dieses empfindliche Energiesystem aus dem Gleichgewicht. Es entstehen aggressive Stoffe, die wichtige Bestandteile der Zelle angreifen und beschädigen können. Um funktionsfähig zu bleiben, muss die Pflanze schnell reagieren und Schutzmechanismen aktivieren.

In dieser Stresssituation bilden die Chloroplasten die nun untersuchten „Finger“. Die Forschenden konnten zeigen, dass diese Strukturen ein Signal an die zentrale Steuerung der Zelle senden. „Dort werden bestimmte Gene ein- oder ausgeschaltet, sodass Schutzprogramme anlaufen, die den beschädigten Bereichen helfen“, sagt Professor Peter Nick vom Botanischen Institut des KIT.

Funktion einer lang übersehenen Struktur entschlüsselt

Die Strukturen wurden vor über 130 Jahren von dem in Berlin lehrenden Pflanzenphysiologen Gottlieb Haberlandt beschrieben, gerieten aber in Vergessenheit und wurden erst in den 1990er-Jahren von US-Forschenden wiederentdeckt. „Früher wurde vermutet, diese ‚Stromuli‘ könnten verschiedene Solarkraftwerke in der Zelle miteinander verbinden. Unsere Ergebnisse zeigen jedoch, dass ihre wichtigste Aufgabe nicht der Austausch von Stoffen ist, sondern die Weitergabe von Informationen innerhalb der Zelle“, erläutert Nick.

Ansatz für klimaresistentere Nutzpflanzen

Die Entdeckung ist besonders relevant angesichts der Klimakrise, die Pflanzen immer häufiger unter Stress setzt. „Wir zeigen, dass sich dieser Alarmmechanismus gezielt beeinflussen lässt. Wir haben molekulare Faktoren identifiziert, die die Bildung der ‚Finger‘ beschleunigen und effizienter machen können“, sagt Nick. Langfristig eröffnet dies neue Möglichkeiten für die Landwirtschaft: In widerstandsfähigen Wildpflanzen könnten gezielt Varianten identifiziert werden, die besonders gut mit Stress umgehen. „Diese Eigenschaften lassen sich künftig möglicherweise auf Nutzpflanzen übertragen, um sie besser gegen Hitze, Trockenheit oder salzige Böden zu wappnen“, sagt Nick.

Karlsruher Institut für Technologie

Originalpublikation:

Toranj Rahpeyma, Javier García Varo, Fabio Mühlberg, Peter Nick: Fingers for Signaling? A Possible Role of Stromules in Intracellular Communication, Plant Physiology, 2026;, kiag373, https://doi.org/10.1093/plphys/kiag373