Ciliat-Chlorella Symbiosen: Erforschung alternativer Vorzüge

Ciliaten, die in Symbiose mit Algen (sogenannten "Zoochlorellen" und "Zooxanthellen") leben oder funktionelle Chloroplasten akkumulieren, sind feste Bestandteile pelagischer Nahrungsnetze in Ozeanen und Binnengewässern. Sowohl als Primär- als auch als Sekundärproduzenten nehmen diese Organismen eine Doppelfunktion in aquatischen Ökosystemen ein. Dennoch ist wenig über die Faktoren, die ihre Dynamik und Verteilung in der Wassersäule verschiedener aquatischer Ökosysteme regulieren, bekannt. Symbiosen zwischen Ciliaten und Algen werden oft als Anpassung an nährstoffarme Verhältnisse angesehen. Derartige Symbiosen scheinen jedoch mehr Vorteile als den des Ernährungsvorteils bei Futterknappheit in sich zu bergen, da sie auch in sonnenlichtdurchfluteten eutrophen, also futterreichen Gewässern vorkommen. Ausgehend von der existierenden wissenschaftlichen Literatur und eigenen vorläufigen Ergebnissen über das Vorhandensein von UV- Sonnenschutzstoffen in symbiotischen Ciliaten, nehmen wir an, dass sich eine Symbiose mit Algen der Gattung Chlorella in dieser Organismengruppe möglicherweise auch wegen anderer Vorteile, wie einem wechselseitigen Schutz gegen die zerstörerischen Effekte der natürlichen UV-Strahlung, entwickelt hat. Während dieses dreijährigen Projektes wollen wir nun neue Denkansätze in Freiland- und Laborexperimenten kombinieren, um sieben Hypothesen zu testen, die mehrere Aspekte der Ökologie und Anpassung von Chlorella-tragenden Ciliaten für das Leben unter hohen UV-Strahlungsbedingungen, wie sie in vielen Bergseen vorgefunden werden, klären sollen. Unsere Forschungsaktivitäten werden sich auf photobiologische, ökologische, und molekularbiologische Techniken, sowie eine direkte Abschätzung der DNA - Schädigung und die phylogenetische Charakterisierung der symbiontischen Algen, konzentrieren. Durch diesen integrierenden Ansatz möchten wir zum besseren Verständnis der Verbindung zwischen natürlicher UV-Strahlung und dieser Organismengruppe beitragen. Relativ schnelle Generationszeiten von Ciliaten und die Möglichkeit, symbiontentragende und symbiontenfreie (aposymbiotische) Klone zu erhalten, schaffen exzellente Rahmenbedingungen zur experimentellen Durchführung unserer Hypothesen. Unsere Resultate werden relevante Informationen auf dem Gebiet der Photobiologie und Ökologie symbiotischer Ciliaten beisteuern, sowie zu anderen Wissensgebieten wie Aspekten der phylogenetischen Evolutionphototropher Symbiosen und des sogenannten "Global Change".

Mikroskopisch kleine einzellige Wimpertierchen (Ciliaten), die mit Algen in Symbiose leben, sind in Seen weit verbreitet. Die Ciliaten erhalten einerseits Photosyntheseprodukte ihrer Symbionten und nehmen andererseits Nahrung in Form von Bakterien oder Mikroalgen auf. Diese Doppelrolle als Primärproduzenten und Konsumenten macht sie daher zu wichtigen Gliedern in der planktischen Nahrungskette. Bisher war bekannt, dass solche mixotrophen Lebensweisen besonders in nährstoffarmen Gewässern vorteilhaft sind. Durch ihre photosynthetisch aktiven Grünalgen-Symbionten der Gattung Chlorella sind diese mixotrophen Ciliaten an Licht gebunden und daher oft schädlicher UV-Strahlung ausgesetzt. In unserem Projekt untersuchten wir weitere Vorteile in solchen Symbiosen als die der Ernährung und konnten erstmals unterschiedliche UV-Schutzstrategien nachweisen: einerseits schützen sich die Ciliaten und ihre Symbionten direkt vor der UV-Strahlung durch Selbst-Abschattung, andererseits indirekt durch die Reduktion des photooxidativen Stresses, der durch die Produktion von Sauerstoffradikalen entsteht. Weiters konnten wir erstmals nachweisen, dass die Chlorella-Symbionten einiger Ciliatenarten spezielle UV-Schutzsubstanzen synthetisierten. Ausserdem zeigten genetische Analysen, dass die Chlorellen verschiedener Ciliaten aus einem See relativ ähnlich waren, dass aber Chlorellen einer Ciliatenart aus zwei unterschiedlich transparenten Seen deutlich verschieden waren. Die Gründe dafür liegen höchstwahrscheinlich in physiologischen Anpassungen, wie z. B. der Synthese von UV-Schutzsubstanzen in mixotrophen Ciliaten, die in transparenten Seen erhöht ist. Weitere Studien an Paramecium bursaria - der meist untersuchtesten Ciliaten-Algen- Symbiose - brachten biogeographische Muster der Symbionten zum Vorschein und weisen daher auf höchst differenzierte Symbiosen hin. Die hohe Wirtsspezifität der Algen in P. bursaria konnten wir auch in Laborexperimenten nachweisen. Unsere Ergebnisse tragen nicht nur wesentlich zum Kenntnisstand auf den Gebieten der Ökologie und Photobiologie symbiontischer Ciliaten bei, sondern auch auf Gebieten wie dem Klimawandel und der damit verbundenen Empfindlichkeit bzw. Anpassung bestimmter Arten und Populationen auf erhöhte UV-Belastung. Ausserdem konnten wir wichtige physiologische und phylogenetische Aspekte solcher phototropher Symbiosen aufklären.