UV-Schutz- und Reparaturmechanismen in Planktonciliaten

Ciliaten ("Wimpertiere") spielen eine fundamentale Rolle im mikrobiellen Nahrungsnetz von Ozeanen und Seen, da sie zu den Hauptkonsumenten planktischer Algen und Bakterien zählen und als Bindeglied zu höheren Nahrungsebenen angesehen werden. In Seen kommen besonders in den obersten Wasserschichten hauptsächlich kleine prostomatide und oligotriche Ciliaten vor, die als effiziente Konsumenten von Mikroalgen bekannt sind. Obwohl sich bisher zahlreiche Studien beispielsweise mit dem Fraßverhalten von Ciliaten beschäftigt haben, ist über deren Strategien im Umgang mit natürlicher Sonneneinstrahlung, besonders im ultravioletten Bereich (290- 400 nm), nur wenig bekannt. Bisherige Untersuchungen haben gezeigt, dass Auswirkungen der UV-Strahlung artspezifisch sind und dass sie Einfluss auf Form, Bewegung, Teilungs- und Wachstumsraten von Ciliaten haben kann. Da in Seen über der Baumgrenze normalerweise wenig chromophores gelöstes organisches Material (Huminsubstanzen) im Wasser vorkommt, sind sie sehr UV durchlässig. Planktonorganismen in solchen Seen müssen daher mit hoher Sonneneinstrahlung leben, aber auch niedrige Temperaturen ertragen und mit wenig Futter bzw. Nährstoffen auskommen. Daher haben solche Organismen effiziente Strategien entwickelt, sich vor den schädlichen Wirkungen der UV-Strahlung zu schützen, wie z.B. Vermeidungs-, Schutz- und Reparaturmechanismen. Erst kürzlich wurde festgestellt, dass Ciliaten, die in Symbiose mit Algen leben, bestimmte UV-Schutzsubstanzen besitzen, die von den Symbionten synthetisiert werden. Es gibt allerdings Hinweise darauf, dass die Ciliaten diese Schutzsubstanzen auch über ihre Nahrung aufnehmen können. Durch hohe UV-Strahlung kann es auch zur Schädigung von DNA kommen, die in weiterer Folge mutagene oder tödliche Auswirkungen haben kann. Allerdings ist UV-Strahlung nicht immer schädlich, und längerwellige Strahlung kann Photoreparaturmechanismen ankurbeln. Um die biologische Antwort von Organismen auf UV zu quantifizieren, muss eine sogenannte Biological weighting function` als Funktion von Strahlung und Zeit berechnet werden. Dazu ist es wichtig, dass die Dosis und die Einwirkzeit gemessen werden bzw. das Gesetz der Reziprozität (betreffend Strahlungsintensität und Expositionszeit) gilt. Sollte das Gesetz für einen Organismus nicht zutreffen, sind Photoreparaturmechanismen die Hauptstrategie, um mit erhöhter Strahlung umzugehen. Da alle diese Strategien für heterotrophe planktische Ciliaten bisher noch nie getestet wurden, werden im vorliegenden Projekt solche Schutz- und Reparaturstrategien für einige wichtige planktische Arten erfasst. Laborexperimente werden dazu mit Experimenten im Freiland kombiniert, um den Einfluss der UV-Strahlung auf Ciliaten zu untersuchen. Um die gemessenen Effekte quantifizieren zu können, wird das Reziprozitätsgesetz getestet und für jede untersuchte Art eine Biological weighting function` kalkuliert. Artspezifische Untersuchungen sollen das Vorhandensein und die Akkumulation von UV-Schutzsubstanzen aufzeigen. Weiters soll eine mögliche DNA-Schädigung durch UV- Strahlung und mögliche Photoreparaturmechanismen gemessen werden. Phylogenetische Analysen, die in Kooperation gemacht werden, sollen Aufschluss über biogeographische Aspekte der untersuchten Ciliaten liefern.

Ciliaten (einzellige Wimpertierchen) haben effiziente Strategien entwickelt, um sich vor den schädlichen Einwirkungen ultravioletter (UV) Strahlung (280-400 nm) zu schützen. Dazu gehören Vermeidungs-, Schutz- und DNA-Reparaturmechanismen. Der einfachste Weg ist, UV-Strahlung zu vermeiden, d.h., die Ciliaten verstecken sich unter Steinen oder Blättern, oder halten sich in Seetiefen auf, in denen die UV-Strahlung nur mehr stark abgeschwächt ankommt. Eine andere Möglichkeit, die Ciliaten nutzen, ist, über die Nahrung spezielle UV-Schutzsubstanzen (Mycosporin-ähnliche Aminosäuren, kurz MAAs) aufzunehmen oder diese MAAs von Algen, mit denen die Ciliaten in Symbiose leben, zu erhalten. Ciliaten selbst können keine MAAs produzieren. Durch UV-Strahlung kann auch es zur direkten Schädigung von DNA kommen und in weiterer Folge mutagene oder tödliche Auswirkungen für einen Organismus haben. Solche Schäden können bereits mikroskopisch als Veränderungen in der Zellform oder Verlangsamung der Bewegungen wahrgenommen werden. UV-Strahlung muss aber nicht immer schädlich sein und längerwellige Strahlung im UV-A oder sichtbaren Bereich kann DNA-Photoreparaturmechanismen ankurbeln. Für planktische heterotrophe und mixotrophe (=in Symbiose lebende) Ciliaten in Seen haben wir solche UV-Schutz- und Reparaturstrategien erstmals detailliert in Labor- und Freilandexperimenten getestet und gesehen, dass die Strategien sehr unterschiedlich und artspezifisch sind. Allgemein spielen Ciliaten eine fundamentale Rolle in sogenannten mikrobiellen Nahrungsnetzen von Seen, da sie zu den Hauptkonsumenten planktischer Algen und Bakterien zählen und als wichtiges Bindeglied zu höheren Nahrungsebenen angesehen werden. Besonders in den obersten Wasserschichten kommen oft räuberische Arten vor, hauptsächlich kleine prostomatide und oligotriche Ciliaten, die als effiziente Konsumenten von Mikroalgen bekannt sind. Obwohl sich bisher zahlreiche Studien mit dem Fraßverhalten von Ciliaten beschäftigt haben, ist über deren Strategien im Umgang mit natürlicher Sonneneinstrahlung nur wenig bekannt. Da z.B. in Seen über der Baumgrenze wenig gefärbtes gelöstes organisches Material (Huminsubstanzen) im Wasser vorkommt, sind sie sehr UV durchlässig. Planktonorganismen in solchen Seen müssen daher mit hoher Sonneneinstrahlung leben, aber auch niedrige Temperaturen ertragen und mit wenig Futter bzw. Nährstoffen auskommen. Mehr Informationen sind auf www.ciliates.at zu finden.