Das Genom einer besonderen Alge enthüllt Hinweise auf den Aufbau von Riffen und die Anpassung an das Klima

Ein Forscherteam, darunter Professor Senjie Lin vom Department of Marine Sciences, hat zum ersten Mal das Genom von Halimeda opuntia sequenziert und mehrere überraschende Details über diese seltsame, gar nicht so kleine Alge gefunden. Ihre Erkenntnisse sind veröffentlicht im Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

Die kaktusförmigen Algen seien in vielerlei Hinsicht einzigartig, sagt Lin. Sie wachsen als einzelne Zellen mit vielen Kernen und sind im Vergleich zu anderen einzelligen Organismen relativ groß und erreichen eine Größe von bis zu einem Fuß. Die Algen leben in tropischen Meeresökosystemen, wo die Art eine wichtige Rolle beim Riffaufbau spielt, allerdings anders als Korallen.

Lins Labor untersucht die Genomik von Meereslebewesen wie Dinoflagellaten und Kieselalgen, und H. opuntia ist die erste Grünalge, die sie sequenziert haben. Lin und seine Co-Autoren waren daran interessiert, das Genom der Art zu untersuchen, um zu verstehen, wie und warum sie sich zu diesen einzigartigen Eigenschaften entwickelt hat.

„Es handelt sich um eine qualitativ hochwertige Sequenzierung und Assemblierung, und wir konnten die Strukturen der Chromosomen rekonstruieren und herausfinden, welche Art von Funktionen sie im Genom haben“, sagt Lin. „H. opuntia ist einzigartig, denn wenn man an einen Organismus denkt, ist er normalerweise entweder einzellig oder mehrzellig, aber in beiden Fällen sind sie einkernig, was bedeutet, dass eine Zelle nur einen Kern hätte.“

Der Zellkern teilt sich typischerweise in einem Prozess namens Mitose, bei dem genetisches Material verdoppelt und gleichmäßig aufgeteilt wird, bevor aus einer einzelnen Zelle zwei werden, aus zwei Zellen dann vier und so weiter. Dieser Prozess wird sorgfältig kontrolliert und nutzt viele spezielle Proteine, um sicherzustellen, dass alles reibungslos verläuft, und der Zellkern wird den Teilungsprozess erst einleiten, wenn die Zellteilung abgeschlossen ist.

Bei H. opuntia, so stellten die Forscher fest, fehlt dem Genom das Gen für ein wichtiges Protein, das dabei hilft, den Zellinhalt vor der Zellteilung zu positionieren. Die Ergebnisse geben Einblick in einige rätselhafte Fragen, etwa wie H. opuntia zu solch relativ riesigen Zellen mit so vielen Kernen heranwächst.

„Wir fanden heraus, dass sie im Genom von H. opuntia alle Myosine außer Myosin VIII enthalten“, sagt Lin. „Wir haben die Genome anderer Organismen überprüft und festgestellt, dass auch anderen Arten einzelliger, mehrkerniger Arten dieses Protein fehlt, und das legt nahe, dass das Fehlen dieses Gens zumindest dazu beiträgt, wenn nicht sogar der einzige Grund für die Bildung der besonderen Form ist.“ eines Organismus.“

Dies war eine aufregende Entdeckung und brachte die Forscher dem Verständnis einiger der einzigartigen Eigenschaften von H. opuntia einen Schritt näher. Das nächste Puzzleteil, auf das sie sich konzentrierten, war der evolutionäre Zeitpunkt einiger dieser genetischen Besonderheiten.

„Als wir genauer hinsahen, stellten wir fest, dass sich das Halimeda-Genom im Laufe der Evolution duplizierte und es sich offenbar in vier Subgenome aufgespalten hat. Als wir uns die Zeitleiste dieser Evolution ansahen, stellten wir fest, dass alle Genom-Duplikationsereignisse so zu sein schienen treten auf, wenn sich der Meeresspiegel und das Klima stark ändern.“

Lin erklärt, dass dies mit früheren Erkenntnissen übereinstimmt, die zeigten, dass Genome manchmal dupliziert werden, um Organismen die Möglichkeit zu geben, sich an Stressbedingungen anzupassen.

„Es ist möglich, dass Halimeda ihr Genom dupliziert hat, um ihre Fähigkeit, mit dem Stress des Klimawandels umzugehen, zu erweitern oder zu steigern.“

Der nächste Aspekt dieser besonderen Alge, auf den sich die Forscher konzentrierten, war die Fähigkeit, Kalzium aus der Umgebung in Kalziumkarbonat umzuwandeln, allerdings auf eine völlig andere Art und Weise als Organismen wie Muscheln oder Korallen.

„In den meisten Fällen findet die Verkalkung innerhalb der Zelle von Organismen statt, aber diese Leute tun das nicht. Sie verkalken außerhalb der Zelle, wo sie eine Struktur bilden, die wie eine kleine Tasche namens Interutrikularraum aussieht, in der die Verkalkung stattfindet.“

Lin erklärt, dass Pocket eine faszinierende und besonders nützliche Anpassung darstellt, wenn man an die heutigen Ozeane denkt, denn mit zunehmendem CO2 in der Atmosphäre nimmt der Ozean mehr Kohlenstoff auf, was dazu führt, dass der Ozean saurer wird. Diese Änderung des pH-Werts schafft zusammen mit der Erwärmung des Wassers ungünstige Bedingungen für die Verkalkung und bedroht Korallenriffe auf der ganzen Welt.

„Wenn wir darüber nachdenken, warum sie die Tasche bilden, bedeutet das, dass sie durch aktive Photosynthese und andere unbekannte Mechanismen eine Umgebung schaffen können, in der der pH-Wert relativ stabil bleibt“, sagt Lin. „Sie nehmen Kalzium aus der Umgebung auf und exportieren es aus der Zelle heraus, um die Calcitstruktur zu bilden, die die Zelloberfläche schützt und sicher stärkt und außerdem die charakteristisch lange Struktur des Zellkörpers unterstützt.“

Der Nachteil dabei, sagt Lin, besteht darin, dass der Zellkörper jetzt etwas schlaksig und brüchig ist, sodass jede Turbulenz im Wasser dazu führt, dass Teile der Zelle abbrechen. Dies führt zum nächsten Puzzleteil. Wenn eine einzelne Zelle bricht, stirbt sie im Allgemeinen ab. Bei H. opuntia ist dies jedoch nicht der Fall, da sich die abgebrochenen Teile regenerieren können.

„Wir haben uns das Genom noch einmal angeschaut, um zu erfahren, wie sich Halimeda regeneriert, und um herauszufinden, über welche Art von Mechanismus sie dafür verfügen. Was wir fanden, waren Gene, die denen ähneln, die bei pflanzlichen Wundheilungsprozessen beobachtet werden, es scheint also, dass sie über ein molekulares Werkzeug verfügen.“ Dieses Abbrechen und Nachwachsen scheint auch ihre Art der Fortpflanzung zu sein, denn ein Fragment kann wieder zu einem vollständigen Zellkörper heranwachsen.“

Lins sagt, dass die Zusammenarbeit fortgesetzt wird, weil es noch Fragen gibt, die beantwortet werden müssen, und viele angesichts der Dringlichkeit des Klimawandels zur rechten Zeit kommen.

„Es kann Auswirkungen auf den Korallenschutz geben, vielleicht sogar auf die Medizin zur Heilung oder Geweberegeneration, aber im Moment wissen wir noch sehr wenig“, sagt Lin. „Eine Sache, die wir sofort ansprechen möchten, ist, ob Halimeda ein ähnliches Verhältnis von Zellgröße zu Genomgröße wie andere Organismen aufweist und ob es eine unterschiedliche Funktion dieser Subgenome oder unterschiedlichen Kerne gibt und wie sie zum Regenerationsprozess beitragen.“

„Da wir uns große Sorgen über den Klimawandel machen, liefern die Daten zur Genomentwicklung Anlass für weitere Überlegungen darüber, ob wir bei anderen Organismen weitere Genomveränderungen sehen werden, wie wir sie bei dieser Alge sehen. Es muss noch viel untersucht werden.“