Bemerkenswerte Meereskieselalgen! Wissenschaftler entdecken neuen Mechanismus der Lichtenergienutzung in Kieselalgen

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Zhou Lu Gaoshan (Institut für Ozeanologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Wenn es um die Nahrungskette geht, kommt den meisten Menschen automatisch der Satz „Große Fische fressen kleine Fische, kleine Fische fressen Garnelen“ in den Sinn. Aber hat jemand von Ihnen schon einmal darüber nachgedacht: Kleine Fische fressen Garnelen, aber was fressen Garnelen?

Verschiedene Fische im Ozean

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Tatsächlich gibt es im Meer zahlreiche „Ureinwohner“, die kleiner als Garnelen und mit bloßem Auge sogar nicht zu erkennen sind: verschiedene Mikroorganismen. Garnelen ernähren sich durch Filtern (ähnlich wie Trinkwasser). Es sind jedoch diese Mikroorganismen am unteren Ende des marinen Nahrungsnetzes, insbesondere das Phytoplankton, die mit ihren winzigen Körpern das gesamte marine Ökosystem jederzeit unterstützen und die Rolle der Produzenten übernehmen.

Kieselalgen und Dinoflagellaten sind im Ozean ein Paar unermüdlicher und einzigartiger Konkurrenten. Sie stellen Nahrungsquellen für Meerestiere dar und sind unverzichtbar und wichtig. Aufgrund menschlicher Aktivitäten sind sie jedoch auch die dominierenden Faktoren für die Rote Flut, insbesondere die durch Dinoflagellaten verursachte Rote Flut, die in der Aquakulturproduktion oft große Schäden verursacht. Daher ist die Frage, wie die giftigen Roten Fluten beseitigt werden können, zu einem großen Problem geworden.

Wie das Sprichwort sagt: Sich selbst und seinen Feind zu kennen, sichert den Sieg in hundert Schlachten. Wenn wir die giftigen Roten Tiden wirksam beseitigen wollen, müssen wir zunächst ein tiefes Verständnis dieser natürlichen Konkurrenten entwickeln.

Tödliche Dinoflagellaten – Erbauer von Grabbeigaben

Jeden Sommer, wenn wir unsere Mobiltelefone einschalten und auf verschiedenen sozialen Plattformen „surfen“, sehen wir verschiedene Nachrichtenberichte, lange und kurze Videos über „blaue Tränen“ und „fluoreszierendes Meer“. Auch die „Blauen Tränen“ und das „Fluoreszierende Meer“ ziehen mit ihrer „Schönheit“ viele Touristen an, die sie fotografieren und bewundern möchten. Der Mikroorganismus, der dieses Schauspiel verursacht, Noctiluca scintillans, ist ebenfalls ein Dinoflagellat. **Da Noctiluca eine große Menge fluoreszierendes Pigment enthält, leuchtet es bei Stimulation und erzeugt so einen märchenhaften und verträumten Effekt wie „blaue Tränen“ und „fluoreszierendes Meer“.

"Blaue Tränen"

(Fotoquelle: Veer Gallery)

"Blaue Tränen"

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Lassen Sie sich jedoch nicht von diesem prächtigen Aussehen täuschen, denn der Ausbruch der Roten Flut bei Dinoflagellaten geht oft mit der Produktion großer Mengen von Giftstoffen einher. Obwohl Dinoflagellaten als Nahrung für Fischlarven dienen können, können einige Gruppen von Dinoflagellaten eine Vielzahl von Giftstoffen produzieren.

Beispielsweise ist das Ciguateratoxin ein Vertreter der von Dinoflagellaten produzierten Polyethertoxine. Als Agonist spannungsabhängiger Na+-Kanäle kann das Ciguatera-Toxin die Durchlässigkeit der Zellmembranen für Na+ erhöhen, eine starke Depolarisation hervorrufen und Veränderungen der neuromuskulären Erregungsleitung verursachen, wodurch bei Fischen Nerventaubheit, Stoffwechselstörungen und Atemwegserkrankungen auftreten und die Fische schließlich massenhaft sterben.

In Gebieten, die anfällig für Rote Tiden sind, können die nach dem Tod der Dinoflagellaten freigesetzten Algentoxine den Fischen und Schalentieren im Wasser großen Schaden zufügen und sie zu Opfern der Dinoflagellaten machen. Dies führt zu enormen wirtschaftlichen Verlusten im Fischereisektor.

Brechende Wellen zeigen Anzeichen einer „Roten Flut“

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Da der Schaden, den die Rote Flut der Dinoflagellaten anrichtet, so schwerwiegend ist, stellt sich die Frage, wie wir ihn kontrollieren sollen.

In der Fischerei werden im Allgemeinen chemische Algizide zum Versprühen verwendet. Allerdings sind Dosierung und Nebenwirkungen der Medikamente schwer zu kontrollieren. Darüber hinaus gibt es eine weitere natürliche Kontrollmethode, die darin besteht, die Umwandlung der giftigen Roten Flut in eine ungiftige Rote Flut zu fördern.

Durch Forschung haben Wissenschaftler herausgefunden, dass N/P den Ernährungszustand des Gewässers während des Auftretens von Roten Gezeiten anzeigen kann und ein wichtiger Indikator für die Begrenzung von Algen durch N oder P ist. Die N/P-Anforderungen für das Wachstum verschiedener Algen sind unterschiedlich und können spezifisch sein, und der Begrenzungszustand jedes Nährstoffelements bestimmt normalerweise den Ausgang des Wettbewerbs zwischen den Algen. Daher kann durch die Regulierung des N/P-Verhältnisses des Gewässers harmlosen Konkurrenten, insbesondere Kieselalgen, geholfen werden, in diesem Phytoplankton-Explosionskrieg die Führung zu übernehmen.

Universelle Kieselalgen – der König der marinen Involution

Kieselalgen stecken voller Schätze.

Lebende Kieselalgen sind wichtige Köder für die Aquakultur, insbesondere für Schalentierlarven wie dreieckige braune Fingeralgen, kleine halbmondförmige Algen usw. Sie bieten die Vorteile einer reichhaltigen und ausgewogenen Ernährung, geringer Kosten, leichter Verdaulichkeit und der Fähigkeit, Wasser zu reinigen. Gleichzeitig sind Kieselalgen reich an Öl und die wichtigsten Rohstofforganismen für die Herstellung von Biodiesel. Darüber hinaus enthalten Kieselalgen zahlreiche bioaktive Substanzen, die sich positiv auf die menschliche Gesundheit auswirken, wie etwa Fucoxanthin, Kelp-Polysaccharide, die langkettigen mehrfach ungesättigten Fettsäuren Eicosapentaensäure (EPA) und Docosahexaensäure (DHA) usw. Die meisten dieser Substanzen werden zur Herstellung von Medikamenten oder Gesundheitsprodukten verwendet. Aufgrund ihrer einzigartigen Kieselsäureschale werden Kieselalgen von Wissenschaftlern auch gerne zur Herstellung von Arzneimittelträgern für gezielte Therapien eingesetzt.

Lebende Kieselalgen haben viele Funktionen, aber auch tote Kieselalgen spielen eine wichtige Rolle. Auch nach ihrem Absterben dienen Kieselalgen weiterhin als Rohstoffe und Marker für die Exploration von Offshore-Öl. Darüber hinaus können aus den Zellwänden auch Kieselgurprodukte hergestellt werden, wie zum Beispiel die praktischen Kieselgur-Saugkissen, die man im Alltag kaufen kann. Selbst wenn sich Kieselalgen in einem statischen Zustand befinden, wird ihr einzigartig schönes und farbenprächtiges Erscheinungsbild von Künstlern eingefangen. Mit anderen Worten: Kieselalgen sind einfach die legendären „gutaussehenden und fleißigen Kinder aus den Familien anderer Leute“.

Kieselalgen sind nicht nur „eingerollt“, sie sind auch sehr „individuell“. Anders als bei den uns bekannten grünen Pflanzen verlief die Evolution der Kieselalgen immer im Ozean, sodass sie einen einzigartigen Evolutionsweg eingeschlagen haben – die sekundäre Endosymbiose .

Diese einzigartige Evolutionslinie ist das Ergebnis der zweifachen Verschmelzung von Organismen. Es wird allgemein angenommen, dass Eukaryoten bei der ersten Verschluckung von Prokaryoten Membranorganellen wie Chloroplasten und Mitochondrien bildeten, die sich innerhalb von Zellen autonom replizieren können. Aufgrund der sekundären Phagozytose ist die Chloroplastenmembran der Kieselalgen doppelt, das heißt, sie besteht aus vier Schichten.

Obwohl die Chloroplasten der Kieselalgen so einzigartig sind, beeinträchtigt dies nicht ihre extrem starke Photosynthesefähigkeit. Kieselalgen sind vom dunklen Meeresboden Tausende von Metern tief bis zur schillernden Meeresoberfläche verbreitet. Egal ob schwaches oder extrem starkes Licht, Kieselalgen können es sehr effektiv nutzen. Dies ist einer der wichtigsten Wettbewerbsvorteile, der Kieselalgen zum „König der Ozeane“ macht. Dank ihrer starken photosynthetischen Fähigkeit tragen Kieselalgen zu mehr als 20 % der weltweiten Primärproduktivität bei.

Was steigt, was sinkt: Saisonale Abfolge des Phytoplanktons

Während wir uns im Frühling strecken und im Winter schlafen, gewöhnen wir uns an die wunderbaren Veränderungen der vier Jahreszeiten auf der Erde und genießen diese uralten Mikroorganismen ebenfalls den Wechsel der Jahreszeiten.

Als „König der Ozeane“ dominieren Kieselalgen tendenziell den Meeresbereich, solange die äußeren Umweltbedingungen geeignet sind. Daher sind Kieselalgen im frühen Frühling, wenn das Meereis schmilzt, die ersten „Modellarbeiter“, also die Pionieralgenarten , die aufstehen und arbeiten. Der Sommer ist die Hauptperiode großflächiger Ausbrüche von Dinoflagellaten, während Kieselalgen bereits mit einem „Schlaf“ begonnen haben und bis zum Winter zurückgehen, wenn sie in ihre „Nester“ (antarktische Sedimente) zurückkehren.

Obwohl die saisonal wechselnden Ausbrüche der Kieselalgen im Jahresverlauf einen solchen Trend zeigen, ist es nicht ausgeschlossen, dass die „aufgerollten“ Dinoflagellaten im Frühjahr häufig Ausbrüche bilden. Der Aufstieg der Dinoflagellaten ist jedoch untrennbar mit der explosionsartigen Ausbreitung der Kieselalgen verbunden. Mit anderen Worten: Die Vorreiterrolle der Kieselalgen war schon immer schwer zu erschüttern.

Die Zeit vergeht wie im Flug, die Sterne bewegen sich, doch die jahreszeitlich wechselnden Ausbrüche von Kieselalgen und Dinoflagellaten sind unverändert geblieben. Wissenschaftler haben Temperatur, Ernährung, Wind und andere Faktoren herangezogen, um zu erklären, warum Dinoflagellaten an Bedeutung gewonnen haben und Kieselalgen zurückgegangen sind. Die entscheidenden Hinweise auf den Ausbruch der Kieselalgen-Pionierkrankheit konnten die Wissenschaftler jedoch nie finden. Das gibt Anlass zur Frage: Gibt es noch weitere Hinweise, die übersehen wurden? Oder müssen wir diese fragmentarischen Hinweise integrieren?

Der ignorierte KPI - WoLight

Um diese Probleme zu lösen, haben Pflanzenwissenschaftler, insbesondere Forscher, die sich mit der Verbesserung der Widerstandsfähigkeit und des Ertrags von Nutzpflanzen befassen, ihre Aufmerksamkeit nach und nach auf einen übersehenen externen Umweltfaktor gerichtet: schwankendes Licht.

In der Natur ist das Licht nicht konstant; Faktoren wie die Verdeckung durch Blätterdächer und die Bewegung von Wolken können die Intensität des Sonnenlichts um 100 bis 10 % reduzieren. Daher sind photosynthetische Organismen ständig der Gefahr schwankender Lichtverhältnisse ausgesetzt. Um mit diesem Stress fertig zu werden, müssen sie mehrere Reaktionsmechanismen entwickeln.

Tatsächlich ist die Wellenlichtumgebung im Ozean sogar noch rauer. Aufgrund des Einflusses von Wellen, Turbulenzen, internen Wellen usw. ist Phytoplankton ständig heftigen vertikalen Bewegungen ausgesetzt. Daher sind Meeresalgen häufig Schwankungen zwischen gesättigtem Sonnenlicht und dunkler Umgebung ausgesetzt und in manchen Meeresgebieten kann die Intensität des gesättigten Sonnenlichts innerhalb eines halben Meters Tiefe sogar von 100 % auf 1 % schwanken. Man erkennt, dass die Lichtverhältnisse im Ozean im Vergleich zu Land, Seen und Flüssen variabler und komplexer sind, was für marine photosynthetische Organismen eine enorme Herausforderung darstellt.

Auf der Grundlage umfassender Daten zur Ozeanüberwachung simulierten Wissenschaftler schwankende Lichtstärken unterschiedlicher Intensität. Nach einem Vergleich der bei der Roten Flut häufig vorkommenden Kieselalgen stellten sie fest, dass Kieselalgen bei schwankendem Licht eine effizientere Photosynthesefähigkeit aufweisen und schneller wachsen als Dinoflagellaten. Dies zeige auch, dass Kieselalgen hinsichtlich der Leistungskennzahl „Anpassung an und Nutzung von schwankendem Licht“ den Dinoflagellaten „völlig überlegen“ seien.

Wie also gelingt es Kieselalgen, ihre Gegner zu besiegen und schwankendem Licht so gut zu widerstehen? Mithilfe einer Reihe von Methoden, darunter Genomeditierung, photosynthetische Elektronentransfertests, Inhibitoren, mikroskopische Beobachtungen, Zellfärbung, Transkriptomik und Metabolomik, isotopenmarkierte Stoffwechselflussanalyse usw. (kurz gesagt, sie versuchten, so hart zu arbeiten wie Kieselalgen), entdeckten Wissenschaftler, dass bei Kieselalgen das Paar PGR5/PGRL1 wichtiger photosynthetischer Stressresistenzproteine ​​eine Schlüsselrolle spielt. Sie waren erstaunt über die Cleverness der Kieselalgen, die bei schwankenden Lichtverhältnissen unterschiedliche Bewältigungsstrategien anwenden. Unter den drastischen Lichtschwankungen, die nur im Ozean vorkommen, zeigt das PGR5-Protein eine deutliche Reaktion und die Photosynthese der Kieselalgen wird angepasst, mit einer stärkeren photosynthetischen Sauerstofffreisetzungskapazität, wodurch sie mehr Öl ansammeln und ihre Wettbewerbsfähigkeit weiter verbessern können.

Abschluss

Kieselalgen sind insofern schlau, als sie bei schwankendem Licht unterschiedlicher Intensität unterschiedliche Bewältigungsstrategien anwenden, während der Mensch insofern klug ist, als er die Rote Flut der Dinoflagellaten durch Anpassung des N/P-Verhältnisses von Gewässern kontrolliert. Mithilfe von Wissenschaft und Technologie gelingt es dem Menschen, die Natur immer besser zu verstehen und sie in einem vernünftigen Rahmen zu verändern. Ich glaube, dass wir in Zukunft enger und stärker mit der Natur verbunden sein werden.

Herausgeber: Ying Yike

Quellen:

【1】Dutkiewicz A, Muller RD, O'Callaghan S, Jonasson H. Zählung der Meeresbodensedimente in den Weltmeeren[J]. Geology, 2015, 43 (9):795-798.

【2】Zhou L, Gao S, Wu S, Han D, Wang H, Gu W, Hu Q, Wang J, Wang G. PGRL1-Überexpression in Phaeodactylum tricornutum hemmt das Wachstum und reduziert die scheinbare PSII-Aktivität[J]. The Plant Journal, 2020, 103 (5):1850-1857.

【3】Zhou L, Wu SC, Gu WH, Wang LJ, Wang J, Gao S, Wang GC. Die Akklimatisierung an die Photosynthese unter stark schwankenden Lichtbedingungen ermöglicht ein schnelleres Wachstum von Kieselalgen im Vergleich zu Dinoflagellaten[J]. BMC Pflanzenbiologie, 2021, 21:164.

【4】Zhou L, Gao S, Yang W, Wu S, Huan L, Xie X, Wang X, Lin S, Wang G (2022) Transkriptomische und metabolische Signaturen der Kieselalgenplastizität gegenüber Lichtschwankungen. Pflanzenphysiologie.