Die komplexe Dynamik von Kieselalgenblüten, die von einer Vielzahl externer Faktoren und interner Signale beeinflusst wird, fasziniert Wissenschaftler nach wie vor. Nachdem die potenzielle Rolle der Dichtewahrnehmung und der intrazellulären Signalübertragung bei der Steuerung dieser Phänomene erkannt wurde, haben Forscher damit begonnen, die molekularen Grundlagen der Regulierung der Diatomeenpopulationsdichte aufzuklären.
Kürzlich berichtete ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Wang Guangce vom Institut für Ozeanologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (IOCAS) über die bedeutende Rolle der marinen Kieselalge SLC24A bei der Signalwahrnehmung und -regulierung der Populationsdichte.
Die Studie wurde veröffentlicht in Das ISME Journal.
Die Forscher identifizierten und zielten akribisch auf potenzielle Gene, die an der Dichtesignalisierung beteiligt sind, und gipfelten in der Entdeckung des zentralen Hub-Gens PtSLC24A. Zwei PtSLC24A-Knockout-Mutanten von Phaeodactylum tricornutum wurden mithilfe der CRISPR/Cas9-Geneditierungstechnologie erhalten.
Messungen der intrazellulären Ca2+-Konzentration deuteten darauf hin, dass die Zelldichte Ca2+-Reaktionen induzieren könnte und dass das Ausschalten von PtSLC24A die intrazelluläre Ca2+-Konzentration erhöhte. Dreidimensionale Strukturmodellierung und Simulationsrechnungen des PtSLC24A-Proteins unterstützten seine Ca2+-Transportfunktion.
Die Ergebnisse zeigten, dass eine hohe Dichte Zellapoptose induzieren kann und dass das Ausschalten von PtSLC24A dieses Phänomen verschlimmert. PtSLC24A beeinflusste auch die Expression dichteabhängiger Gene bei unterschiedlichen Zelldichten.
Über das Labor hinaus wurde die ökologische Relevanz von SLC24A durch seine allgegenwärtige Verbreitung in den Tara Oceans-Standorten unterstrichen, wobei die Expressionsmuster positiv mit dem Chlorophyllgehalt in verschiedenen marinen Phytoplankton-Taxa korrelierten.
„Diese Ergebnisse unterstreichen die entscheidende Rolle der SLC24A-vermittelten Ca2+-Signalisierung bei der Vermittlung dichteabhängiger Reaktionen in natürlichen Meeresökosystemen und liefern wichtige Einblicke in die ökologischen Auswirkungen der Dynamik der Diatomeenpopulation“, sagte Dr. Gu Wenhui, korrespondierender Autor der Studie.
Basierend auf Daten aus der Molekulargenetik, Zellphysiologie, rechnergestützten Strukturbiologie und In-situ-Meeresdaten wurde ein Ca2+-vermittelter intrazellulärer Signaltransduktionsmechanismus für Signale der Zelldichte mariner Kieselalgen vorgeschlagen.
Dem Modell zufolge beschleunigt PtSLC24A auf der Zellmembran den Ausfluss von intrazellulärem Ca2+, um einen spezifischen intrazellulären Ca2+-Spiegel aufrechtzuerhalten, und überträgt Dichtesignale intrazellulär, um dann physiologische Prozesse, einschließlich Zellapoptose, zu regulieren, wenn Zellen chemische Signale empfangen, die Populationsdichtesignale übertragen. und letztendlich das Schicksal der Bevölkerung beeinflussen.
Durch die Beschreibung eines Ca2+-vermittelten intrazellulären Signaltransduktionsmechanismus, der durch PtSLC24A ermöglicht wird, erweitert die Studie nicht nur unser Verständnis der Dynamik der Diatomeenblüte, sondern hat auch tiefgreifende Auswirkungen auf die hochdichte Kultivierung von Mikroalgen für industrielle Anwendungen.
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Xuehua Liu et al., SLC24A-vermittelter Kalziumaustausch als unverzichtbarer Bestandteil des durch die Zelldichte der Kieselalgen gesteuerten Signalwegs, Das ISME Journal (2024). DOI: 10.1093/ismejo/wrae039