Physiologische Stressreaktion von Foraminiferen

Das 70-kDA Hitzeschockprotein (Hsp70) gehört zu einer Gruppe von Proteinen, die auf verschiedene physikalische und chemische Stressoren mit einer verstärkten Bildung reagieren. Hitzeschockproteine spielen als Chaperone eine wichtige Rolle bei der Vermeidung von Aggregaten aus denaturierten Proteinen sowie bei der Proteinfaltung. Das phylogenetisch hoch konservative Hsp70 wurde in allen bisher untersuchten Organismen nachgewiesen. Vor kurzem auch in benthischen Foraminiferen, einer Individuen- und artenreichen Gruppe von Einzellern, die in Meeressedimenten heutiger und vergangener Zeiten zu finden sind. In diesem Projekt soll dieser kürzlich erbrachte Nachweis genutzt werden, um physiologische Reaktionen von Foraminiferen auf verschiedene Stressfaktoren quantitativ zu untersuchen. Dabei sollen sich verändernde Umweltbedingungen im Labor simuliert werden. Benthische Foraminiferen werden für das Monitoring von heutigen und besonders von vergangenen Umweltveränderungen herangezogen, ihre ökologischen Präferenzen und Toleranzbereiche konnten bisher jedoch nur indirekt durch Vitalität und Mortalität abgeschätzt werden. Die Nutzung der Expression von Hsp70 als Biomarker für vorhandenen Stress in Foraminiferen macht es uns möglich, die Toleranzbreite verschiedener Arten gegenüber Sauerstoff, Salzgehalt, Temperatur, und Umweltgiften wie Kadmium und Blei zu untersuchen und festzulegen. Der Fokus der Arbeit soll auf rezenten Foraminiferen aus dem marinen Flachwasser- und Schelfbereich liegen. Organismen dieser Meeresregionen sind nicht nur täglichen und saisonalen Umweltschwankungen ausgesetzt, sondern unterliegen auch anthropogen-verursachten Einflüssen wie Verschmutzung. Zusätzlich soll der Einfluss von Adaption auf die Stressantwort getestet werden. Der Vergleich der Hsp70- Expression zwischen bereits gestressten und ungestressten Individuen soll Auskunft geben, inwieweit Foraminiferen sich Umweltveränderungen anpassen können. Die Ergebnisse werden einen wichtigen Beitrag zur Festlegung ökologischer Optima und Toleranzbereiche von Foraminiferen liefern. Kenntnisse über die ökologischen Ansprüche und physiologischen Grenzen rezenter Foraminiferen sind essentiell für die Interpretation fossiler Foraminiferengesellschaften und somit für die Rekonstruktion vergangener Umweltbedingungen.

In diesem Projekt wurden benthische Foraminiferen (eine artenreichen Gruppe von Einzellern, die den Meeresboden besiedeln) in Laborkultur gehalten, um deren physiologische Reaktion auf verschiedene Stressfaktoren zu untersuchen. Der Fokus lag dabei auf Untersuchungen an Großforaminiferen der Art Heterostegina depressa, die in tropisch bis subtropische Flachwasserbereichen vorkommen und in ihrem Zellinneren photosynthetische Algen als Symbionten tragen. Getestet wurden die beiden Umweltparameter Temperatur und Salzgehalt, beides Faktoren, die bei großen Schwankungen starken Einfluss auf die Gesundheit der Foraminiferen und ihrer Symbionten haben können. Durch anthropogenen Einfluss und Klimawandel werden Temperatur und Salzgehalt in vielen Flachwasserbereichen zukünftig vermutlich stark ansteigen und bei den dort lebenden Organismen Stressreaktionen bis hin zum Tod auslösen. Im Projekt wurden Temperaturen entlang eines Gradienten von 25C bis 38C, sowie unterschiedlicher Meerwasser-Salzgehalte entlang eines Gradienten von 2,6% bis 4,0% getestet. Die initiierten Stressreaktionen wurden durch die Menge des vorhandenen 70-kDA Hitzeschockproteins (Hsp70) in der Biomasse der Großforaminiferen analysiert. Dabei wurde das Gesamtprotein untersucht (= Protein des Holobionten), welches sowohl Foraminiferen- als auch Symbiontenproteine beinhaltete. Ein Extraktionsprotokoll für die Isolation von Proteinen aus Großforaminiferen wurde dafür adaptiert. Die Projektergebnisse zeigen zum ersten Mal genau auf, bei welchem erhöhten Temperaturniveau bzw. bei welchen veränderten Salzgehalten eine verstärkte Hsp70- Proteinexpression und somit verstärkter physiologischer Stress bei den getesteten Großforaminiferen beginnt. Die Ergebnisse liefern einen wichtigen Beitrag zur Festlegung ökologischer Optima und Toleranzbereiche dieser Gruppe.