Nitroplast

TEM-Aufnahme vom Nitroplast alias Sphäroidkörper (S) in Braarudosphaera bigelowii aus einer weiteren Probe aus dem Hafen von Tomari
Detail vom Nitroplast aus dem vorigen Bild mit den inneren Lamellen (schwarzer Pfeile) und mehrteiliger Membranhülle (schwarze und weiße Pfeilspitzen). Die dreilagige innere Mem­bran mit ihrer äußeren Lage, der Peptido­glycan­wand und der Plasma­membran entsprechen denen gram­negativer Bakterien. Um den Sphäroid­körper herum befinden sich Vakuolen (V).

Nitroplast ist die Bezeichnung für ein Organell, das in Haptophyten der Familie Braarudosphaeraceae, insbesondere in der Meeresalge Braarudo­sphaera bigelowii vorkommt. 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. 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

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. Zur gleichen Zeit arbeitete Kyoko Hagino, eine Paläontologin an der staatlichen Universität Kōchi, an der Kultivierung der Algenspezies Braarudo­sphaera bigelowii, offenbar eines Wirtsorganismus von UCYN-A-Bakterien.

Phylogenetische Multigen-Analyse (SSU+nifH) der Nitroplasten und Diazo­plasten (Braarudosphaeraceae- respektive Rhopalodiaceae-Sphäroidkörper), sowie verwandter Cyanobakterien (2022).
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.

Aufbau und Funktion

Nitroplasten weisen typische Organelleigenschaften auf und erfüllen zwei Schlüsselkriterien:

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.

Bedeutung und Anwendungsmöglichkeiten

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, außer bei Kieselalgen der Familie Rhopalodiaceae, wo ebenfalls ein stickstoffbindende cyanobakterielle Endosymbionten (dort Diazoplasten genannte Sphäroidkörper) die Wirtszellen mit organisch gebundenem Stickstoff versorgen. 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. Durch den Einbau von Genen, die für die Funktion der stickstofffixierenden Organellen verantwortlich sind, könnte es möglich sein, Pflanzen zu 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.

Literatur

Einzelnachweise

  1. 1 2 3 4 5 6 7 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).
  2. ↑ 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:
  3. ↑ 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).
  4. ↑ 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).
  5. ↑ 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).
  6. ↑ 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).
  7. ↑ 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).