Mikroalgen mit ungewöhnlicher Zellbiologie könnten zu einem besseren Verständnis schädlicher Algenblüten führen

Welche molekularen Prozesse können bei einer einzelligen Meeresalgenart schädliche Algenblüten verursachen? Ein Forschungsteam unter der Leitung des Mikrobiologen Prof. Dr. Ralf Rabus von der Universität Oldenburg (Deutschland) hat die ersten detaillierten Analysen der ungewöhnlichen Zellbiologie von Prorocentrum cordatum, einer weltweit weit verbreiteten Art aus der Gruppe der Dinoflagellaten, durchgeführt und dabei sowohl fortgeschrittene mikroskopische als auch proteomische Untersuchungen eingesetzt Ansätze.

Als Team Berichte im Tagebuch PflanzenphysiologieDer Photosyntheseprozess dieser Mikroorganismen ist in einer ungewöhnlichen Konfiguration organisiert, die ihnen helfen könnte, sich besser an die wechselnden Lichtverhältnisse in den Ozeanen anzupassen. Die Ergebnisse der Studie könnten zu einem besseren Verständnis des Auftretens schädlicher Algenblüten führen, die aufgrund des Klimawandels möglicherweise häufiger auftreten.

Dinoflagellaten sind wichtige Organismen sowohl in Meeres- als auch in Süßwasserökosystemen. Diese einzelligen Organismen machen einen erheblichen Anteil des frei lebenden Phytoplanktons aus, das die Grundlage des Nahrungsnetzes in Ozeanen und Seen bildet. Einige Arten, darunter Prorocentrum cordatum, können sich in warmen, nährstoffreichen Gewässern vermehren und schädliche Algenblüten bilden.

„Wir haben diesen Organismus untersucht, weil seine Zellbiologie und Stoffwechselphysiologie trotz seiner Umweltrelevanz noch wenig verstanden sind“, sagte Rabus. Neben der Untersuchung der Photosynthese in den Mikroalgen untersuchten die Forscher in Zusammenarbeit mit Teams der Universitäten Hannover, Braunschweig und München auch die Struktur ihrer Zellkerne und ihre Reaktion auf Hitzestress und stellten die Ergebnisse in zwei weiteren kürzlich veröffentlichten Arbeiten dar .

Mithilfe eines leistungsstarken Rasterelektronenmikroskops mit fokussiertem Ionenstrahl an der Ludwig-Maximilians-Universität München konnte das Team um Rabus und Erstautorin Jana Kalvelage vom Institut für Chemie und Biologie der Meeresumwelt (ICBM) die drei rekonstruieren -dimensionale Architektur der Chloroplasten, in denen die Photosynthese stattfindet.

Den Wissenschaftlern gelang es, rund 600 Bildschichten einer einzelnen Algenzelle zu erzeugen und die Schnitte dann zu einem dreidimensionalen, hochauflösenden Raumbild der ovalen Einzeller zu kombinieren, die in der Regel etwa 10 bis 20 Tausendstel groß sind von einem Millimeter lang. Die Analyse ergab, dass Prorocentrum cordatum nur einen einzigen tonnenförmigen Chloroplasten besitzt, der 40 Prozent seines Zellvolumens einnimmt.

Proteomische (Protein-)Analysen zeigten dann deutliche Unterschiede zwischen dem Photosyntheseapparat der Mikroalgen und dem von Arabidopsis thaliana, einer gut untersuchten Modellpflanze in der Genforschung. Bei beiden Arten findet die Photosynthese in komplexen Proteinstrukturen statt, die in das ausgedehnte Membransystem des Chloroplasten eingebettet sind.

Allerdings beobachtete das Team in Prorocentrum cordatum, dass die Umwandlung von Sonnenenergie in biochemische Energie in einer einzigen großen Struktur aus zahlreichen Proteinen, einem sogenannten „Megakomplex“, erfolgt, während in den Chloroplasten der Pflanzenart die verschiedenen Schritte der Photosynthese ablaufen in räumlich getrennten Strukturen.

Das Team berichtete außerdem, dass P. cordatum eine große Anzahl verschiedener pigmentbindender Proteine ​​verwendet, um Sonnenenergie effizient einzufangen. „Diese Vielfalt ist eine besondere Anpassung an die wechselnden Lichtverhältnisse, denen der Organismus in den Ozeanen ausgesetzt ist“, erklärte Rabus.

Zwei weitere im letzten Jahr veröffentlichte Studien verdeutlichen die ungewöhnliche Biologie der Mikroalgen: In der ersten Studie stellte ein deutsch-australisches Team, dem auch die ICBM-Forscher angehörten, fest, dass die Organismen ein sehr großes Genom mit doppelt so vielen Basenpaaren wie der Mensch haben. Das Team entdeckte außerdem, dass die Algen ihren Stoffwechsel verändern und ihr Wachstum als Reaktion auf Hitzestress verlangsamt.

In einem zweiten Aufsatz veröffentlicht In mSphereDas Team um Rabus und Kalvelage beschrieb den Zellkern detaillierter und berichtete, dass P. cordatum 62 Chromosomen aufweist, eine ungewöhnlich hohe Zahl, die fast den gesamten Zellkern ausfüllt. Die Funktion eines großen Teils der von den Forschern identifizierten Kernproteine ​​sei derzeit unbekannt, beobachtete das Team.

„Wir haben untersucht, wie diese wichtige Mikroalge auf molekularer Ebene funktioniert. Diese Erkenntnisse bilden die Grundlage für ein besseres Verständnis ihrer Rolle in der Umwelt“, betont Rabus. Weitere Untersuchungen könnten Antworten auf Fragen wie die Frage liefern, wie der Stoffwechsel des Organismus auf andere Stressfaktoren reagiert – und warum die Art in der Lage ist, sich an so unterschiedliche Umweltbedingungen anzupassen, von denen in den Tropen bis hin zu denen in gemäßigten Klimazonen, erklärte er.