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Exploring the mechanisms underlying the evolution of plastids through the study of an unusual nitrogen-fixing symbiosis

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Evolution symbiotischer Beziehungen bei mikroskopisch kleinen Meeresorganismen

Wissenschaftlich gesichert ist, dass symbiotische Beziehungen Impulsgeber für Innovationen in der Natur sind, obwohl deren Evolution noch kaum erforscht ist. Eine kürzlich entdeckte Symbiose zwischen einzelligen Cyanobakterien und eukaryotischen Meeresalgen liefert nun Hinweise auf die Evolution von Symbiosen und mögliche Zukunftsszenarien.

Grundlagenforschung

Laut Lynn Margulis sind Symbiosen die stärksten Impulsgeber evolutionärer Prozesse und Ursprung aller komplexen Lebensformen auf der Erde. Genauere Kenntnisse zur Entstehung und Entwicklung symbiotischer Beziehungen liefert demzufolge Grundlagenwissen über die Natur und das Leben selbst. Schwerpunkt des EU-finanzierten Projekts UCYN2PLAST ist die erst vor zehn Jahren entdeckte Symbiose zwischen zwei Einzellern: dem Cyanobakterium UCYN-A und einer eukaryotischen Mikroalge, den Prymnesiophyceae. „Beide Arten interagieren so stark miteinander, dass sie scheinbar zu einer Art verschmelzen“, erklärt der wissenschaftliche Mitarbeiter Francisco M. Cornejo Castillo. „Hier haben wir es mit einem seltenen jüngeren Beispiel für eine Symbiose und deren Evolution zu einem sogenannten Plastid zu tun. „Plastiden sind membranständige Organellen, die sich in allen eukaryotischen Zellen wie Pflanzen und Tieren finden und dort wichtige Stoffwechselfunktionen erfüllen. Das Projekt erweiterte den bisherigen Wissensstand zur UCYN-A-Symbiose: Es charakterisierte die Diversität und ozeanische Verbreitung des Organismus, die Kommunikationsmechanismen zwischen beiden Symbionten und die zwischen ihnen ausgetauschten chemischen Substanzen.

Darstellung der Symbiose mittels Bildgebung

Mit einem über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanzierten Stipendium forschte Cornejo fast drei Jahre lang an der University of California Santa Cruz im Labor von Jonathan Zehr, dem Entdecker der UCYN-A-Symbiose. Schwerpunkt waren für Cornejo verschiedene Aspekte der UCYN-A-Symbiose, deren Ökologie und Physiologie er mit verschiedenen Labor- und Computerverfahren erforschte, u. a. Einzelzellgenomik, Epifluoreszenzmikroskopie, quantitative Polymerase-Kettenreaktion (PCR) und Hochdurchsatz-DNA-Sequenzierung. Mittels kombinierter Bildgebung stellte die Arbeitsgruppe die UCYN-A-Symbiose in natürlichen, aus verschiedenen Meeresregionen stammenden Proben dar. So sollten vor allem die Kanäle und chemischen Substanzen, die die Kommunikation zwischen Wirt und Symbiont ermöglichen, genauer untersucht werden. Mit speziell entwickelten Sonden wurde die synchronisierte Expression von Proteinen dargestellt, die auf eine chemische „Kommunikation“ zwischen den Symbionten hindeutet. „Dies war ein echtes technisches Novum, und umso größer war unsere Freude beim erstmaligen Abhören dieser „Konversation“, so Cornejo.

Wichtige Details zum Nährstoffaustausch

Frühere experimentelle Versuche im Zehr-Labor hatten gezeigt, dass die Mikroalge, die UCYN-A als Wirt dient, nicht die bei anderen Algen üblichen Mengen an Nährstoffen aufnimmt, insbesondere bei Nitrat und Ammonium. UCYN2PLAST entdeckte, dass die Proteine, die für die Aufnahme von Nährstoffen aus der Umgebung sorgen, nicht in den gleichen Zellkompartimenten zu finden sind wie bei anderen Algen. Statt wie sonst unter der Zelloberfläche befinden sich diese Proteine in der Nähe von UCYN-A im Innern der Algenzelle. „Da der Mikroalgenwirt offenbar weiß, dass UCYN-A diese Nährstoffe liefern kann, kann er seine Proteine an anderer Stelle lokalisieren, was ihm einen Wettbewerbsvorteil gegenüber anderen Mikroorganismen verschafft“, ergänzt Cornejo.

Neue Substanzen aus dem Labor der Natur

Bei UCYN-A fehlen typische cyanobakterielle Prozesse wie Photosynthese zur Erzeugung von Sauerstoff oder die Speicherung von CO2, da der Algenwirt diese Stoffe aus organischen Substanzen liefert. UCYN-A wiederum liefert der Alge Stickstoff. Da Stickstoff eine Voraussetzung für die Algenvermehrung darstellt, wird in dieser symbiotischen Beziehung offenbar ein stickstofffixierendes Plastid erzeugt, ähnlich wie bei der Erzeugung von Chloroplasten. „In weiterer Forschung könnte nun endlich die Evolution symbiotischer Prozesse enthüllt werden, was bisher kaum gelang. Die Symbiose als Ursprung unerschöpflicher biologischer Innovation könnte für biotechnologische Anwendungen genutzt werden, etwa, um Plastide mithilfe von UCYN-A in Pflanzen herzustellen, quasi als umweltfreundlicher Dünger“, sagt Cornejo.

Schlüsselbegriffe

UCYN2PLAST, Symbiose, eukaryotische Zellen, Plastide, UCYN-A, Protein, Algen, Cyanobakterium, Genomik, DNA, symbiotisch, Meer

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