Stressabwehr im Schnecken-Ei

Mit wenigen hundertstel Millimetern sind Schnecken-Embryos am ersten Tag ihrer Entwicklung mikroskopisch klein. Groß sind dagegen bereits ihre Widerstandskräfte. Bereits im Ei verfügen sie über Abwehrmechanismen gegen Umweltstress und können starke Metallbelastungen aushalten.

Über diese Entdeckung eines österreichisch-französischen Forscherteams berichtet das Fachjournal „PLOS ONE“ in seiner aktuellen Ausgabe. Derartige Abwehrmechanismen gegen Stress gelten beim derzeitigen Forschungsstand in diesem frühen Stadium tierischer Organismen als äußerst selten.

Weichtiere, zu denen die Schnecken zählen, sind laut den Ergebnissen der aktuellen Studie anders als ihr lateinischer Name – „mollusk“ steht für „weich“ – vermuten lassen würde, hart im Nehmen. „Bereits Embryonen von Weinbergschnecken produzieren vom ersten Tag ihrer Entwicklung an Schutzproteine, um zum Beispiel das äußerst toxische Metall Cadmium zu entgiften“, erklärt Univ.-Prof. Dr. Reinhard Dallinger von der Abteilung Ökophysiologie des Institutes für Zoologie der Universität Innsbruck, der Leiter des Forschungsteams.

Gefördert werden diese Arbeiten vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF. Die neuesten Ergebnisse zur Wehrhaftigkeit ganz junger Schnecken liefern weitere Bausteine zur Entwicklung neuartiger Testverfahren, um gefährdete Ökosysteme besser zu schützen. Ebenso tragen diese Daten zur Weiterentwicklung metallspezifischer Biosensoren im Boden bei. „Grundsätzlich besser verstehen zu lernen, wie sich diese Lebewesen bereits in ihrem frühen Entwicklungsstadium gegen Umwelt-Stress zu wehren wissen, ist angesichts des Klimawandels und zunehmender Umweltprobleme von Bedeutung“, sagt Dallinger.

Weichtiere im Härtetest

Laut der neuesten Studie des Teams können sich bereits Schnecken-Embryonen vor starken Metallbelastungen schützen. Sie sind bereits am ersten Tag ihrer Entwicklung in der Lage, erhöhte Cadmium-Konzentrationen durch körpereigene Eiweißstoffe – sogenannte Metallothioneine – zu binden und zu entgiften. Im Laufe ihrer embryonalen Entwicklung passen sich diese Weichtiere immer besser an Metallbelastungen an, indem sie Isoformen – genetische Varianten dieser Metallothioneine – verstärkt produzieren. Sie können dadurch unterschiedliche Metalle – wie Cadmium, Kupfer – spezifisch binden.

Der Schlüssel dieser Fähigkeiten liegt in der evolutionären Anpassung. Schnecken haben seit Beginn ihrer Entwicklung im Kambrium – vor etwa 600 Millionen Jahren – ihren Bauplan wenig verändert. Sie haben aber ihren Stoffwechsel – ausgehend vom Leben im Meerwasser – an viele, auch extreme Lebensräume, wechselnde Umwelt- und Klimabedingungen im Meer sowie an Land erfolgreich angepasst.

Evolutionärer Erfolg unter der Lupe

Gemeinsam mit französischen Biologen und Umweltforschern der Universität Franche-Comté in Besançon sowie des Department of Health Safety Environment in Vesoul nahm der Forscher dieses evolutionäre Erfolgskonzept im Laborversuch unter die Lupe. „Eine der Herausforderungen dieses Projektes war es, die Embryonen angesichts ihrer mikroskopischen Dimensionen quantitativen Messungen überhaupt zugänglich zu machen“, betont der Forscher.

Dallinger und sein Team konnten erst nach ausgeklügelter Vorarbeit frisch gelegte Eier der beiden in Mitteleuropa vorkommenden Weinbergschnecken-Arten (Helix pomatia und ihrer gefleckten Verwandten Cantareus aspersus) erhöhten Cadmium-Belastungen in Form von Lösungen aussetzen. Die Forscher analysierten in den winzigen Gewebeproben die Cadmium-Anreicherung und maßen mittels quantitativer Realtime-PCR (Polymerase-Kettenreaktion) die Stressantwort der Metall-belasteten Embryos. Diese erfolgt durch vermehrte Ausschüttung bestimmter Eiweiße.

Cadmium gehört zu den giftigsten Schwermetallen. Es wird laufend in die Umwelt freigesetzt und reichert sich im Boden sowie in Sedimenten von Gewässern langfristig an. Akut und in erhöhten Konzentrationen kann Cadmium in Bergbaugebieten oder bei unsachgemäßer Verwendung von Klärschlacken in künstlichen Gartenerden auftreten.

Bisher war bekannt, dass ausgewachsene Exemplare der Weinbergschnecke (Helix pomatia) sowie ihrer gefleckten Verwandten Cantareus aspersus eine enorme Stresstoleranz und eine große Entgiftungskapazität besitzen. Die Tiere können beispielsweise extreme Umweltbedingungen wie Sauerstoffmangel, Hitze, Kälte und Trockenheit wehrhaft überstehen. Dazu kommt, dass sie Schwermetalle und andere Schadstoffe mittels spezieller Anpassungsmechanismen entgiften können.

Das Forschungsteam „Ökotoxikologie und Molekulare Physiologie“ an der Universität Innsbruck unter Leitung Dallingers erforscht unter anderem Reaktionen von Lebewesen auf Umweltstressoren. Die Gruppe hat bereits eine Reihe an Pionierarbeiten zu molekularen Mechanismen bei bodenbewohnenden und aquatischen, tierischen Organismen vorgelegt. Diese Arbeiten gelten international als Beitrag zum verbesserten Verständnis der komplexen Zusammenhänge, die bei der Aktivierung von Stress- und Schutzproteinen, somit bei der Anpassung von Lebewesen an Umweltstress-Faktoren eine wichtige Rolle spielen.

Stichwort Schnecken

Die als Nützling geltende und in Österreich sowie weiteren europäischen Ländern unter Naturschutz stehende Weinbergschnecke (Helix pomatia) kann bis zu 20 Jahre alt werden. Sie ist erst im Alter von drei bis vier Jahren geschlechtsreif. Ihre Verwandte, die gefleckte Weinbergschnecke (Cantareus aspersus), lebt kürzer und hat eine schnellere Generationszeit. Die Tiere sind Zwitter. Sie besitzen komplexe Geschlechtsanlagen und eine „Zwitterdrüse“, in der männliche und weibliche Keimzellen nebeneinander gebildet werden.

Trotzdem können sich die Tiere nicht selber befruchten. Stattdessen übernimmt bei der Begattung ein Tier jeweils flexibel den männlichen, das andere den weiblichen Part, wobei die Spermien nach der Begattung so lange gespeichert werden, bis die Eier herangereift sind. Erst dann erfolgt die Befruchtung durch gespeicherte Spermien. Zwischen dem Zeitpunkt der Begattung und jenem der Befruchtung können mehrere Tage verstreichen. Ab dem Zeitpunkt der Befruchtung legt eine der beiden Schnecken bis zu 60 Eier in ein Erdloch, aus dem nach etwa 20 Tagen winzige Schnecken mit einer noch weichen, aber fertig entwickelten Schale schlüpfen.

Publikation: Pierre-Emmanuel Baurand, Veronika Pedrini-Martha, Annette de Vaufleury, Michael Niederwanger, Nicolas Capelli, Renaud Scheifler, Reinhard Dallinger. Differential Expression of Metallothionein Isoforms in Terrestrial Snail Embryos Reflects Early Life Stage Adaptation to Metal Stress. PLoS ONE 10(2).
DOI: 10.1371/journal.pone.0116004

Kontakt:
Univ.-Prof. Dr. Reinhard Dallinger
Institut für Zoologie
Abteilung Ökophysiologie
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