Triphasischer Lebenszyklus in Vestimentifera

Forschungsprojekt P 13762Triphasischer Lebenszyklus in VestimentiferaMonika BRIGHT28.06.1999 Vestimentifera sind eine kleine Gruppe von wirbellosen Röhrenwuürmern, die sehr erfolgreich in hoher Dichte, in der Tiefsee um heiße Hydrothermalquellen. und in kalten Seeps leben. Sie wachsen extrem schnell und erreichen Größen bis zu 1,5 Metern. Dieser Erfolg läßt sich auf die Symbiose dieser Tiere mit Schwefelbakterien zurückführen. Dieses beantragte Forschungsprojekt wählt die Röhrenwürmern als Modellsystem, um die Evolution der Symbiose zu studieren. Die Untersuchung des Lebenszyklus des Wirtes gibt Aufschluß über die Art und den Zeitpunkt der übertragung des Symbionten von einer in die nächste Wirtsgeneration und über die Umwandlungsprozesse und Änderungen in der Morphologie hin zu einer Symbioseeinheit. Im Lebenszyklus des Wirtes werden drei fundamental unterschiedliche Phasen unterschieden: 1) die Larve, 2) der frühe Juvenile und 3) der ältere Juvenile und Adultus. Sowohl Transmission als auch Transformation werden als besonders wichtige Prozesse betrachtet, die zum Verständnis der Entstehung der Symbiose und der Verwandtschaftsverhältnisse der Würmer beitragen. Zwei verschieden Methoden wurden gewählt um diese Themen zu bearbeiten: 16S rRNS Fluoreszenz in situ Hybridisierung MSH) und transmissionselektronenmikroskopische (TEM) Serienrekonstruktionen.

Die Art der Übertragung von Symbionten zwischen Wirtsgenerationen steift eine der wichtigsten Fragen bei obligaten Symbiosen dar. Für eine horizontale Transmission von Symbionten, wie wir sie bei Riesenröhrenwürmern der Tiefseehydrothermalqueuen des Ostpazifik und ihren chemoautotrophen Endosymbionten finden, ist es grundlegend die spezifischen Prozesse der Aufnahme von Symbionten aus der Umwelt und des Zueinanderfindens der Partner zu untersuchen. Den Schlüssel zum Verstehen der Evolution dieser Symbiose bildet das Trophosom, und hier vor allem die Entwicklung dieses Organs, das die Symbionten beherbergt. Die bisher gültige Hypothese einer Infektion durch die Mundöffnung und der darauf folgenden Entwicklung des Trophosoms aus endodermalem Gewebe wird durch unsere bisherigen Forschungsergebnisse widerlegt. Unter Verwendung von Elektronenmikroskopie und dreidimensionalen Rekonstruktionen von ganzen Tieren aus seriellen Ultradünnschnitten und Fluoreszenz in situ Hybridisierung auf Serienparaffinschnitten mit eigens entwickelten Symbionten spezifischen Oligonukleotidsonden, die auf die 165 rRNS zielen, können wir drei verschiedene Phasen im Lebenszyklus der Vestimentifere unterrscheiden: 1> nicht-symbiontische fressende Larve in Metamorphose 2) symbiontisch, fressende frühe Juvenile 3) symbiontisch, nicht-fressende späte Juvenile und Erwachsene. Die Aufnahme von Symbionten findet in der frühen Juvenilphase statt (300-400 m) und ist auf einen Phylotypus beschränkt, keine anderen Eubakterien oder Archaea wurden gefunden. Nicht die Mundöffnung sondern die Haut fungiert als Aufnahmeorgan, Diese Ergebnisse stehen im klaren Widerspruch zur bisher angenommenen Art der Aufnahme und führen zur Entwicklung einer neuen Hypothese: Die frei lebenden Symbionten infizieren die Haut, wandern durch die Epidermis, die Muskelschichten und das Mesenchym bis sie das viszerale Mesoderm erreichen, wo die Entwicklung des Trophosoms beginnt. Das Wachsen dieser veränderten Peritonealzellen, ab nun Bakteriozyten genannt, geht einher mit einer Proliferation des Blutgefässsystems bis ein typisches mehrlappiges Trophosom in späten Juvenilen voll entwickelt ist. Aufgrund der Morphologie und der Ultrastruktur von erwachsenen Tieren kann das Gewebe, aus dem das Trophosorn entsteht, als mesodermal identifiziert werden Die ursprüngliche Hypothese zum Zellzyklus wird ebenfalls widerlegt, da kein Beweis für die Wanderung von Symbionten von einer Wirtszelle zur anderen gefunden wurde. Stattdessen stellen wir ein modifiziertes Modell vor, indem einige zentrale Bakteriozyten als Stammzellen für ein sich ausbreitendes Gewebe agieren, das im Zentrum entsteht und an der Peripherie jedes Lappens abgebaut wird. Ganz ähnlich agieren die stäbchenförmigen Symbionten als Stammzellen und weisen einen einfachen Zellzyklus auf Die Differenzierung zu Kokken findet in der mittleren und äußeren Zone statt, bis sie sich in der degenerativen Zone auflösen. Unsere Ergebnisse weisen auf eine bisher nicht beschriebene Art der Übertragung von Symbionten hin, die den Prozessen bei pathogenen Infektionen gleicht. Unser neues Modell der Evolution einer obligaten Symbiose, die durch aktive Infektion mit Symbionten initiiert und durch Apoptose des Wirtsgewebes ermöglicht wird, führt zum Überdenken der bisher akzeptierten Hypothesen zur Evolution einer Reihe von Symbiosen.