Fortschrittliche Bildgebung enthüllt neue zelluläre und molekulare Details der Korallen-Algen-Beziehung

Forscher der Scripps Institution of Oceanography der UC San Diego haben einen neuartigen molekularen Prozess entdeckt, den Korallen nutzen, um die subzelluläre Umgebung der in ihnen lebenden Algen zu kontrollieren.

Ein spezielles Protein steuert den Tag-Nacht-Fluktuationstransfer von Stickstoff und Kohlendioxid durch die Zellmembranen der Koralle zu den Algen. Der Prozess ist wichtig, weil die Korallen und Algen in einer für beide Seiten vorteilhaften Beziehung leben, die als Symbiose bezeichnet wird. Obwohl das Team erwartet hatte, das Protein zu finden, konnten sie die Tag-Nacht-Veränderungen in den beobachteten intrazellulären Bereichen nicht vorhersagen.

„Wir zeigen, dass die Schnittstelle zwischen den tierischen Wirten und den darin lebenden Pflanzen eine dynamisch kontrollierte Mikroumgebung ist“, sagte Angus Thies, ein Doktorand, der im Labor des Meeresphysiologen Martin Tresguerres von Scripps Oceanography arbeitet. Thies und seine Co-Autoren, zu denen auch Wissenschaftler der University of Manitoba in Kanada gehören, beschreiben in der Ausgabe vom 11. März die ersten direkten Beobachtungen der zellulären Schnittstelle zwischen Korallen und ihren symbiotischen Algen Wissenschaftliche Fortschritte. Die Studie wurde von der National Science Foundation (NSF) durch ein Stipendium für Tresguerres und ein Stipendium für Thies unterstützt.

Bis vor kurzem wurden die Ergebnisse in berichtet Wissenschaftliche Fortschritte wäre kaum zu bekommen gewesen. Die Gruppe um Tresguerres hatte bereits Jahre in die Pionierarbeit investiert, wie Korallen am besten für die Mikroskopie-Wissenschaft präpariert werden können. Was den Erfolg jedoch ausmachte, war die Anschaffung eines Geräts, das als konfokales Laser-Superauflösungssystem bekannt ist und von der Arthur M. and Kate E. Tode Research Endowment in Marine Biological Sciences an der UC San Diego finanziert wurde.

Dieses System ermöglichte es dem Team, die Korallenmembran, die die Algen umgibt, mit einer Auflösung abzubilden, die mehr als doppelt so hoch ist wie die des vorherigen Mikroskops des Labors. Das neue System kann Merkmale isolieren, die nur 120 Nanometer voneinander entfernt sind. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist 90.000 Nanometer dick.

„Jahrzehntelange Studien zeigen, dass Korallen anscheinend regulieren, wie viel Stickstoff sie ihren Algen geben“, sagte Tresguerres. Wenn die Algen jedoch zu viel Stickstoff erhalten, können sie zu schnell wachsen und sich vermehren, wodurch die Symbiose gestört wird.

„Genau wie bei Menschen können die Gesundheit und Krankheit von Korallen bis auf Zellebene verfolgt werden. Wenn die Dinge auf Zellebene gut laufen, gedeiht die Koralle. Und wenn etwas schief geht, führt dies normalerweise zu Fehlfunktionen oder Krankheiten, möglicherweise einschließlich ‚Bleichen‘. Was wir die Symbiose-Schnittstelle nennen, könnte die wichtigste Schnittstelle, die wichtigste Membran am gesamten Riff sein“, sagte Tresguerres.

Symbiosen bilden in vielen lebenden Systemen wichtige biologische Wechselwirkungen. Zum Beispiel haben Menschen eine symbiotische Beziehung mit den Bakterien, die unseren Verdauungstrakt füllen. Aber es gibt einen Unterschied.

„Beim Menschen leben Bakterien außerhalb unserer Zellen, zum Beispiel im Inneren unseres Darms und auf unserer Haut. Aber bei Korallen leben diese Algen in Zellen des Wirtstiers selbst“, sagt Thies. „Es ist ein sehr enger Raum. Es ist, als hätte man für immer einen Mitbewohner und man hofft, dass es ein wirklich guter Mitbewohner ist. Man möchte, dass alle so glücklich wie möglich sind.“

Korallen mögen auf den ersten Blick wie bunte Felsen aussehen, aus denen hübsche kleine Polypen sprießen. „Sie gehören tatsächlich zu den wichtigsten Tieren der Erde“, sagte Thies. Ungefähr eine Milliarde Menschen sind für ihre Nahrung entweder direkt oder indirekt auf Korallenriffökosysteme angewiesen, und dennoch wissen Wissenschaftler sehr wenig darüber, wie Korallen auf zellulärer Ebene funktionieren.

Die Wissenschaftliche Fortschritte Die Studie identifizierte einen zellulären Mechanismus, der die Stickstoffzufuhr zu den symbiotischen Algen unter normalen Bedingungen vermittelt. Dies ist ein bedeutender Befund, denn um zu verstehen, was passiert, wenn ein Prozess schief geht, müssen Wissenschaftler zunächst feststellen, wie er in gesunden Korallen funktioniert. Aber wie wird dieser Prozess durch Klimawandel oder Umweltverschmutzung verändert?

„Vielleicht ist dieser Mechanismus unter bestimmten Bedingungen des Klimawandels gestört und kann zu Bleichen führen, weil die Algen nicht genug oder zu viel Stickstoff haben“, sagte Tresguerres. „Das öffnet die Tür für viel Forschung, sowohl von uns als auch von anderen Labors.“

Thies, der 2017 seinen Bachelor-Abschluss in Meeresbiologie an der UC San Diego erhielt, begann mit der Arbeit an diesem Projekt als Student im Grundstudium im Labor von Tresguerres. Er hat das Projekt als NSF Graduate Fellow und Scripps Oceanography Doctoral Scholar Fellow fortgesetzt.

„Korallen sind keine einfachen Organismen, mit denen man arbeiten kann“, sagte Thies. „Korallen brauchen viel Aquarienpflege, weil sie komplizierte symbiotische Tiere sind. Manchmal sind sie schwer glücklich zu halten.“ Aber ein Team von sechs Studenten und Doktoranden der UC San Diego tat genau das und verdiente sich eine Anerkennung in der Wissenschaftliche Fortschritte Papier für ihren Einsatz.

Obwohl das Tresguerres-Labor viele verschiedene Organismen untersucht, erscheint das, was sie in einem Organismus finden, oft in einem anderen, egal wie entfernt verwandt sie sind. Obwohl Korallen, Haie und Algen einige der gleichen Enzyme – hochspezialisierte Proteine ​​– gemeinsam haben, verwendet jeder Organismus sie unterschiedlich. Sogar zwei verschiedene Korallenarten, die in derselben Tiefe leben, können ganz unterschiedliche Anpassungen aufweisen.

Proteine ​​und Enzyme dienen als Zellbausteine, die Tresguerres mit LEGO-Steinen vergleicht. In einer Koralle unterstützen viele Enzyme die Symbiose. Ähnliche Enzyme in an Osedax Wurm, der sich von Walkadavern ernährt, Helfen Sie dem Wurm, sich durch Knochen zu fressen. Und in Hai und Stachelrochen Kiemen, ähnliche Enzyme sind daran beteiligt, den Säuregehalt des Blutes auf einem gesunden Niveau zu halten.

„Ich finde Evolution faszinierend, besonders auf zellulärer Ebene“, sagte Tresguerres. „Die Proteine ​​sind die gleichen, aber dann arbeiten sie mit anderen Proteinen zusammen oder sie befinden sich in verschiedenen Zellkompartimenten und haben eine völlig andere Funktion.“

Neben Thies und Tresguerres gehörten zum Forschungsteam Alex R. Quijada-Rodriguez, Haonan Zhouyao und Prof. Dirk Weihrauch von der University of Manitoba, Kanada.