Nitroplast
Nitroplast ist die Bezeichnung für ein Organell, das in Algen der Familie Braarudosphaeraceae, insbesondere in der Meeresalge Braarudosphaera bigelowii vorkommt.[1] Nitroplasten spielen – genauso wie die Diazoplasten der Diatomeen-Familie Rhopalodiaceae – eine entscheidende Rolle bei der Stickstofffixierung dieser Algen. Von diesem Prozess nahm man früher an, dass er ausschließlich bestimmten Bakterien und Archaeen vorbehalten ist.[1][2] Die Entdeckung der Nitroplasten hat bedeutende Auswirkungen sowohl auf die Zellbiologie als auch auf die Agrarwissenschaft.
Diazoplasten und Nitroplasten wurden zunächst aufgrund ihrer annähernd kugelförmigen Gestalt als Sphäroidkörper (englisch spheroid bodies) bezeichnet.
Entdeckung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]1998 fanden Jonathan Zehr (ein Meeresökologe an der University of California, Santa Cruz) et al. eine unbekannte DNA-Sequenz, die augenscheinlich für ein bis dato unbekanntes stickstofffixierendes Cyanobakterium im Pazifik stand das die Entdecker UCYN-A (englisch für Unicellular cyanobacterial group A) nannten.[3] Zur gleichen Zeit arbeitete Kyoko Hagino, ein Paläontologe an der staatlichen Universität Kōchi, an der Kultivierung der Algenspezies Braarudosphaera bigelowii, offenbar eines Wirtsorganismus von UCYN-A-Bakterien.[4]
Sphäroidkörper der Rhopalodiaceae (Diazoplasten):
EcSB – von Epithemia catenata
EpSB – von E. pelagica
EtSB – von E. turgida
RgSB – Rhopalodia gibberula
Sphäroidkörper der Braarudosphaeraceae (Nitroplasten):
UCYN-A [Ca. Atelocyanobacterium thalassae]
– von Braarudosphaera bigelowii
Die Bezeichnung „Nitroplast“ für die zuvor morphologisch als „Sphäroidkörper“ (englisch spheroid bodies) bezeichneten annähernd kugelförmigen Gebilden in diesen Algenzellen wurde erstmals 2012 von Forschern vorgeschlagen, die die Interaktion zwischen B. bigelowii und UCYN-A untersuchten. Zunächst wurde die Hypothese aufgestellt, dass UCYN-A die Stickstofffixierung erleichtert, indem sie den Algen Verbindungen wie Ammoniak zuführt. In späteren Studien unter der Leitung von Jonathan Zehr wurde jedoch festgestellt, dass die in den Algen gefundenen UCYN-A bzw. Sphäroidkörper obligate Endosymbionten sind, die auch bei der Zellteilung der Algenzellen an die Tochterzellen weitergegeben werden. Die gegenseitige Abhängigkeit bedeutet nichts anderes, als dass diese UCYN-A im Lauf der Evolution bereits zu echten Organellen geworden sind.[1]
Aufbau und Funktion
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Nitroplasten weisen typische Organelleigenschaften auf und erfüllen zwei Schlüsselkriterien:[1]
- Sie werden bei der Zellteilung vererbt.
- Sie sind auf Proteine angewiesen, die von der Wirtszelle bereitgestellt werden.
Durch bildgebende (mikroskopische) Untersuchungen konnten die Forscher beobachten, dass sich die Nitroplasten/Sphäroidkörperchen zusammen mit der Wirtszelle teilen und so ihre Weitergabe an Tochterzellen sicherstellen.[1]
Bedeutung und Anwendungsmöglichkeiten
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Die Entdeckung der Nitroplasten stellte die vorige Annahme in Frage, dass die Stickstofffixierung ausschließlich prokaryontischen Organismen (Bakterien und Archaeen) vorbehalten ist. Stickstofffixierende Organellen in Eukaryonten wurden (mit Stand Oktober 2024) in keinem anderen Eukaryoten gefunden wurde, außer bei Kieselalgen der Familie Rhopalodiaceae, wo ebenfalls ein stickstoffbindende cyanobakterielle Endosymbionten (dort Diazoplasten genannte Sphäroidkörper) die Wirtszellen mit organisch gebundenem Stickstoff versorgen.[6][7] Da die Endosymbionten diese Funktionalität selbst bereitstellen, handelt es sich bei ihrer Entwicklung zu einem Organell der Wirtsalgen um die rare Form einer „primären Endosymbiose“; anders als wenn die Endosymbionten bereits selbst für diesen Zweck auf Organellen oder intrazelluläre Symbionten angewiesen wären („sekundäre/tertiäre Endosymbiose“).
Das Verständnis der Struktur und Funktion von Nitroplasten (oder auch Diazoplasten) eröffnet neue Möglichkeiten für die Gentechnik bei Pflanzen.[1] Durch den Einbau von Genen, die für die Funktion der stickstofffixierenden Organellen verantwortlich sind, könnte es möglich sein, Pflanzen entwickeln, die ihren eigenen Stickstoff zu fixieren in der Lage sind. Dadurch könnte ggf. der Bedarf an stickstoffbasierten Düngemitteln (Stickstoffdünger) verringert und Umweltschäden vermindert werden.[1]
Weblinks
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- Zu Coale et al. (2014) und Cornejo-Castillo et al. (2014):
- Laura Baisas: For the first time in one billion years, two lifeforms truly merged into one organism. In: Popular Science. 18. April 2024, abgerufen am 3. November 2024 (englisch).
- Jess Cockerill: A Rare Event Gave This Algae an Organelle That Traps And Uses Nitrogen. Auf: sciencealert vom 16. April 2024.
Literatur
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- Ramon Massana: The nitroplast: A nitrogen-fixing organelle. In: Science. 384. Jahrgang, Nr. 6692, 11. April 2024, ISSN 0036-8075, hdl:10261/354070, S. 160–161, doi:10.1126/science.ado8571, PMID 38603513 (englisch).
- Michael Le Page: A bacterium has evolved into a new cellular structure inside algae- Auf: New Scientist vom 11. April 2024.
- Francisco M. Cornejo-Castillo, Keisuke Inomura, Jonathan P. Zehr, Michael J. Follows: Metabolic trade-offs constrain the cell size ratio in a nitrogen-fixing symbiosis. In: Cell. 187. Jahrgang, Nr. 7, 28. März 2024, S. 1762–1768.e9, doi:10.1016/j.cell.2024.02.016 (englisch). Dazu:
- Evolution in Action? Nitrogen-Fixing Organelles May Be Nature’s Next Big Leap. Auf. SciTechDaily vom 16. April 2024. Quelle: University of Rhode Island.
- Timothy G. Stephens, Arwa Gabr, Victoria Calatrava, Arthur R. Grossman, Debashish Bhattacharya: Why is primary endosymbiosis so rare? In: New Phytologist, Band 231, Nr. 5, September 2021, S. 1693–1699; doi: 10.1111/nph.17478, PMC 8711089 (freier Volltext), PMID 34018613, Epub: 21. Juni 2021 (englisch).
- Hanna Farnelid, Anders F. Andersson, Stefan Bertilsson, Waleed Abu Al-Soud, Lars H. Hansen, Søren Sørensen, Grieg F. Steward, Åke Hagström, Lasse Riemann: Nitrogenase Gene Amplicons from Global Marine Surface Waters Are Dominated by Genes of Non-Cyanobacteria. In: PLOS OME, Band 6, Nr. 4, 29. April 2011, S. e19223; doi:10.1371/journal.pone.0019223 (englisch).
- Anne W. Thompson, Rachel A. Foster, Andreas Krupke, Brandon J. Carter, Niculina Musat, Daniel Vaulot, Marcel M. M. Kuypers, Jonathan P. Zehr: Unicellular Cyanobacterium Symbiotic with a Single-Celled Eukaryotic Alga. In: Science. 337. Jahrgang, Nr. 6101, 21. September 2012, ISSN 0036-8075, S. 1546–1550, doi:10.1126/science.1222700, PMID 22997339 (englisch). Dazu:
- Andy Coghlan: Zoologger: The cyanobacteria destined to be organelles. Auf: New Scientist vom 20. September 2012.
Einzelnachweise
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- ↑ a b c d e f g Carissa Wong: Scientists discover first algae that can fix nitrogen — thanks to a tiny cell structure. In: Nature. 628. Jahrgang, Nr. 8009, 11. April 2024, S. 702, doi:10.1038/d41586-024-01046-z, PMID 38605201, bibcode:2024Natur.628..702W (englisch).
- ↑
Tyler H. Coale, Valentina Loconte, Kendra A. Turk-Kubo, Bieke Vanslembrouck, Wing Kwan Esther Mak, Shunyan Cheung, Axel Ekman, Jian-Hua Chen, Kyoko Hagino, Yoshihito Takano, Tomohiro Nishimura, Masao Adachi, Mark Le Gros, Carolyn Larabell, Jonathan P. Zehr: Nitrogen-fixing organelle in a marine alga. In: Science. 384. Jahrgang, Nr. 6692, 11. April 2024, ISSN 0036-8075, S. 217–222, doi:10.1126/science.adk1075, PMID 38603509, bibcode:2024Sci...384..217C (englisch). Dazu:
- Scientists discover first nitrogen-fixing organelle. Auf: EurekAlert! vom 11. April 2024. Quelle: University of California, Santa Cruz.
- Eric Ralls: Introducing the "nitroplast" -- The first nitrogen-fixing organelle. In: earth.com. Abgerufen am 3. November 2024 (englisch).
- Jake Buehler: This marine alga is the first known eukaryote to pull nitrogen from air. Auf: Science News vom 11. April 2024.
- Elena Bernard: Neu entdecktes Organell fixiert Stickstoff. Auf: wissenschaft.de vom 12. April 2024.
- ↑ Jonathan P. Zehr, Mark T. Mellon, Sabino Zani: New nitrogen-fixing microorganisms detected in oligotrophic oceans by amplification of nitrogenase (nifH) genes. In: Applied and Environmental Microbiology, Band 64, Nr. 9, September 1998, S. 3444–3450, doi:10.1128/AEM.64.9.3444-3450.1998, PMC 106745 (freier Volltext), PMID 9726895, ResearchGate:226958796 ((englisch).
- ↑ Kyoko Hagino, Ryo Onuma, Masanobu Kawachi, Takeo Horiguchi: Discovery of an Endosymbiotic Nitrogen-Fixing Cyanobacterium UCYN-A in Braarudosphaera bigelowii (Prymnesiophyceae). In: PLoS ONE, Band 8, Nr. 12, 4. Dezember 2013, ISSN 1932-6203, S. e81749; doi:10.1371/journal.pone.0081749, bibcode:2013PLoSO...881749H, PMC 3852252 (freier Volltext), PMID 24324722 (englisch).
- ↑ Christopher R. Schvarcz, Samuel T. Wilson, Mathieu Caffin, Rosalina Stancheva, Qian Li, Kendra A. Turk-Kubo, Angelicque E. White, David M. Karl, Jonathan P. Zehr, Grieg F. Steward: Overlooked and widespread pennate diatom-diazotroph symbioses in the sea. In: Nature Communications, Band 13, Nr. 799, ISSN 2041-1723, 10. Februar 2022; doi:10.1038/s41467-022-28065-6, bibcode:2022NatCo..13..799S, PMC 8831587 (freier Volltext), PMID 38637300 (englisch).
- ↑ Takuro Nakayama, Yuji Inagaki: Genomic divergence within non-photosynthetic cyanobacterial endosymbionts in rhopalodiacean diatoms. In: Scientific Reports. 7. Jahrgang, Nr. 1, 12. Oktober 2017, S. 13075, doi:10.1038/s41598-017-13578-8, PMID 29026213, PMC 5638926 (freier Volltext), bibcode:2017NatSR...713075N (englisch).
- ↑ Solène L. Y. Moulin, Sarah Frail, Thomas Braukmann, Jon Doenier, Melissa Steele-Ogus, Jane C. Marks, Matthew M. Mills, Ellen Yeh: The endosymbiont of Epithemia clementina is specialized for nitrogen fixation within a photosynthetic eukaryote. In: ISME Communications, Band 4, Nr. 1, 15. April 2024, S. ycae055; doi:10.1093/ismeco/ycae055, PMC 11070190 (freier Volltext), PMID 38707843 (englisch).