Geheimnisse der Photosymbiose gelüftet
Die Symbiose zwischen heterotrophen einzelligen Wirtszellen und photosynthetisierenden Mikroalgen (Photosymbiose) ist ein weit verbreitetes und ökologisch wichtiges Phänomen im Plankton, das in den lichtdurchfluteten Schichten der Ozeane lebt. Symbiotische Wirte können Nahrung von ihren Algen-Symbionten empfangen. Diese Organismen spielen eine Schlüsselrolle in den biogeochemischen Kreisläufen der Meere, indem sie zur Prädation und zur Primärproduktion beitragen. Das Wissen über die Vielfalt der symbiotischen Partner hat sich in letzter Zeit verbessert, aber über ihre metabolischen Wechselwirkungen ist wenig bekannt. Das EU-finanzierte Horizont 2020-Projekt MINOTAUR untersuchte die Grundlagen des Stoffwechsels der planktonischen Photosymbiose anhand von Strahlentierchen, die als ökologisches Modell dienten, um die Funktionsweise dieser Partnerschaft und ihren Beitrag zum Stoffumsatz im pelagischen Ökosystem besser zu verstehen. Zusammenschlüsse mit photosynthetischen Organismen sind für die Versorgung des ozeanischen Wassers mit organischem Kohlenstoff unerlässlich und dienen als Kohlendioxidsenken. „Diese Symbiosen sind wie kleine Fabriken, in denen Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor und Spurenmetalle, wichtige Elemente für das Leben, intern recycelt werden. Wenn wir ihre Funktion in der Symbiose verstehen, können wir das mechanistische Zusammenwirken und die evolutionären Vorgänge, wie den Erwerb von Chloroplasten, besser verstehen“, sagt Projektkoordinator Dr. Johan Decelle. Enthüllung der Schlüsselgene und Pfade Mithilfe hochauflösender Mikroskopie wurden morphologische und metabolische Mechanismen in symbiotischen Zellen untersucht und aufgezeigt. „Dieser Ansatz erlaubt es uns, die physiologische Rolle jedes Partners auf der Nanoskala zu unterscheiden und zu quantifizieren, was mit genomischen Methoden derzeit nicht möglich ist“, erklärt Dr. Decelle. Mithilfe eines innovativen Einzelzellansatzes mit stabilen Isotopen und hochauflösenden chemischen Bildgebungsverfahren konnten die Wissenschaftler zelluläre Strukturen sichtbar machen und gleichzeitig ihre Rolle im Stoffwechsel ermitteln. Anschließend quantifizierten Sie die Aufnahme und den Transfer von Nährstoffen zwischen den Partnern unter verschiedenen experimentellen Bedingungen. Der gleiche Ansatz wurde bei freilebenden Symbionten angewandt, um die Wirtskontrolle über den Symbiontenstoffwechsel zu bestimmen. Bioinformatische Analysen sind noch nicht abgeschlossen, um wichtige Stoffwechselgene und -wege aus den verfügbaren Transkriptomen der Strahlentierchen zu identifizieren und so eine ganzheitliche Sicht auf die Stoffwechselinteraktionen zu erhalten. Das Transkriptom stellt die Summe aller Boten-RNA-Moleküle aus den Genen des Organismus dar. Jede dieser Techniken hat ihr eigenes spezifisches Programm zur Analyse und Interpretation der Datenkommentare. „Zum Beispiel können wir den Gehalt an Stickstoff oder Phosphor in verschiedenen Zellstrukturen, wie dem Chloroplasten oder dem Kern, aus einem Bild berechnen und vergleichen, das mithilfe der nanoskaligen Sekundärionen-Massenspektrometrie gewonnen wurde. Die bioinformatische Analyse wird auch dazu verwendet, dreidimensionale elektronenmikroskopische Bilder zu verarbeiten und die architektonische Organisation von Zellen in drei Dimensionen zu rekonstruieren“, erklärt Dr. Decelle. Erforschung des Inneren der Zellen Elektronenmikroskopische Beobachtungen zeigten eine radikale morphologische Veränderung der symbiotischen Mikroalgen innerhalb ihrer Wirtszelle, insbesondere ihres photosynthetischen Apparates. „Durch chemische Bildgebung konnten wir die elementare und die isotopische Zusammensetzung von Zellen mit subzellulärer Auflösung visualisieren und quantifizieren, um die metabolischen Wechselwirkungen zwischen dem Wirt und seinen photosynthetischen Symbionten zu entschlüsseln“, betont Dr. Decelle. Das Hauptergebnis des Projekts ist die Fähigkeit, Nährstoffe und Moleküle in den Zellen in einer nanoskaligen Auflösung zu beobachten und zu erfassen, die Schlüsselphänomene der symbiotischen Interaktion auf subzellulärer Ebene aufzeigen. „Obwohl diese Organismen in den Ozeanen weit verbreitet und relativ reichlich vorhanden sind, geben unsere Erkenntnisse einen ersten Einblick in das Innere der Zellen, die Ultrastruktur und die Chemie“, sagt Dr. Decelle. „Die Enthüllung der morphologischen Umwandlung der Mikroalgen in einer Wirtszelle durch modernste Elektronenmikroskopie ist ebenfalls ein wichtiges Ergebnis.“ MINOTAUR hat die Grenzen der meeresbiologischen Forschung durch die Verknüpfung von Wissen über Biodiversität und Physiologie mit ökologischen Studien erweitert. Dies wird ein besseres Verständnis der Funktionsweise aquatischer Ökosysteme und ihrer Reaktionen auf unterschiedliche Umweltbelastungen wie Temperaturanstieg und Nährstoffeinschränkungen ermöglichen.
Schlüsselbegriffe
MINOTAUR, Photosymbiose, Bioinformatik, Mikroalgen, Strahlentierchen