Ryan Kerney über die Entdeckung von Algen in Salamanderembryonen

Seit mehr als 100 Jahren wissen Wissenschaftler um einen engen Zusammenhang zwischen Fleckensalamander-Eiern und Grünalgen. Nun hat eine aktuelle Studie überraschende neue Details zu diesem Zusammenhang enthüllt. Algen wuchsen nicht nur um die Eier herum. Sie wurden auch in den Salamanderembryokapseln gefunden, die zwischen embryonalen Gewebezellen und sogar in den embryonalen Gewebezellen wuchsen. Diese bemerkenswerte Entdeckung stammt von einem Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Ryan Kerney von der Dalhousie University in Halifax, Nova Scotia.


ForVM fragte Kerney, wie Algen zu den Salamander-Eimassen gelangen. Ist diese Algenart im Lebensraum des Salamanders reichlich vorhanden oder übertragen die erwachsenen Fleckensalamander sie auf die Embryonen? Er vermutet, dass es ein bisschen von beidem ist, dass die Algen aus der Umwelt gewonnen und von züchtenden Erwachsenen an die Embryonen weitergegeben werden. Er sagte:

Wir habenverstärktein Algengen aus den Fortpflanzungswegen einiger erwachsener Salamander, was darauf hindeutet, dass sie die Algen von einer Generation zur nächsten tragen könnten.


Erwachsener gefleckter Salamander. Bildquelle: Ryan Kerney

Gefleckte Salamander, die den taxonomischen Namen tragenAmbystoma maculatum, kommen in Hartholzwäldern im gesamten östlichen Nordamerika vor. Diese Amphibien verbringen einen Großteil ihres Lebens unter der Erde, leben in feuchten Gebieten unter Baumstämmen und Steinen, in Laubstreu oder im Boden eingegraben. Im Frühjahr sammeln sie sich in Teichen zur Fortpflanzung und legen befruchtete Eier im Wasser ab, wo sich die Embryonen in den Eiern über ein bis zwei Monate entwickeln. Sie schlüpfen als Salamanderlarven mit äußeren Kiemen. In den nächsten zwei bis vier Monaten verwandeln sich die Larven nach und nach – sie verlieren dabei ihre Kiemen – zu jugendlichen Salamandern, die das Wasser für ein Leben an Land verlassen.

Ryan Kerney. Seine Homepage finden Sie hier: https://web.mac.com/ryankerney/Site/Welcome.html

Symbiotische Assoziationen auf zellulärer Ebene, bei denen ein Organismus in einer für beide Seiten vorteilhaften Beziehung in den Zellen eines anderen lebt, nennt manEndosymbiose. Man dachte, dass das Immunsystem von Wirbeltieren einen fremden Organismus als Symbionten nicht tolerieren würde – bis zu der überraschenden Entdeckung von Kerneys Team.




Die Algenart, die in der Natur seit langem mit gefleckten Salamandereiern in Verbindung gebracht wird, heißtOophila amblystomatis. Sein Gattungsname,Er lebt, ist lateinisch für „liebt Eier“. Die durchschnittliche Algenzelle hat einen Durchmesser von etwa 5 Mikrometer (0,005 mm oder 0,0002 Zoll), während die Salamanderzellen einen Durchmesser von etwa 50 bis 100 Mikrometer (0,05 bis 0,1 mm oder 0,002 bis 0,004 Zoll) haben.

Salamander-Embryonen, die in Eikapseln wachsen, bedeckt mit und oft infiltriert vonEr lebtAlgen. Bildquelle: Roger Hangarter.

Die Assoziation zwischenEr lebtAlgen und gefleckte Salamander-Eier ist seit rund 120 Jahren bekannt. In den 1980er Jahren enthüllten Laborexperimente mehr über die faszinierende Beziehung zwischen den beiden Arten.Er lebtEs wurde festgestellt, dass Algen in Wasser, das Salamanderembryonen ausgesetzt war, robuster wachsen. Wenn mit gewachsenEr lebtAlgen waren Salamanderembryonen gesünder, entwickelten sich schneller und litten unter niedrigeren Sterblichkeitsraten im Vergleich zu denen, die ohne die Algen angebaut wurden. Aber es war schwierig, Algen in Embryozellen mit herkömmlichen Mikroskopen zu sehen, so dass das wahre Ausmaß der Algen-Salamander-Embryo-Beziehung verborgen blieb, bis neue Mikroskopietechniken verwendet wurden, um die Zellen auf eine andere Weise zu betrachten.

Grünalgen benötigen wie Pflanzen Chlorophyll für die Photosynthese. Chlorophyll, die grüne Energie produzierende Komponente in Chloroplasten, hat eine als Fluoreszenz bekannte Eigenschaft. Wenn Elektronen in Chloroplasten Licht ausgesetzt werden, nehmen sie vorübergehend einen höheren Energiezustand an und fallen dann unter Lichtemission in einen niedrigeren Energiezustand zurück (Fluoreszenzeffekt). Wenn sich in einer Zelle Chlorophyll befindet, kann es mit a . nachgewiesen werdenFluoreszenzmikroskop.


Schwarz-Weiß-Bild eines Salamander-Embryokopfes mit einer Überlagerung mit roten Flecken, die fluoreszierende Chloroplasten aus den Algen darstellen. Bildquelle: Ryan Kerney.

Kerney erzählte ForVM, wie er die Algen in den Salamanderembryonen gefunden hat, zuerst mit Fluoreszenzmikroskopie, dann mit einemElektronenmikroskopum das Innere der Salamander-Embryozellen zu sehen.

Die Fluoreszenzmikroskopie ergab, dass sich die Algen im embryonalen Gewebe befinden. Wir haben mit Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) festgestellt, dass sich die Algen auch in den Salamanderzellen befanden (eine große Überraschung). Einige der intrazellulären Algen bauen sich schließlich ab, während andere anscheinend Zysten bilden. Es gibt keine Anzeichen dafür, dass die Zysten den Embryo schädigen. Wir haben keine dieser Zysten im embryonalen Gewebe abgebaut.

Elektronenmikroskopische Aufnahme einer Algenzelle in der Zelle eines Salamanderembryos. Bildquelle: Ryan Kerney.


Kerney überprüfte auch die Identität der Algen in den Embryonen und Eikapseln. Wie alle ZellenEr lebtAlgen haben ein Molekül namens ribosomale RNA (rRNA), das Aminosäuren verwendet, um Proteine ​​​​zu bilden. Seine rRNA hat eine einzigartige Form, die mit einem chemischen Marker identifiziert werden kann – einer kurzen Kette von Nukleinsäuren, die darauf abzielt und an sie bindet, wodurch sie nachweisbar wird. Diese Analyse hat bestätigt, dassOophila amblystomatisist in der Tat die Algenart in den Embryozellen.

Ein gefleckter Salamanderembryo. Bildquelle: Roger Hangarter.

Wie hastEr lebtAlgen in die Flecksalamander-Embryonen eindringen? Könnte es sein, dass ihr Immunsystem nicht reif genug war, um den Eindringling zu erkennen? Sagte Kerney:

Auf diese Weise kann die intrazelluläre Symbiose aufgebaut werden. Kieferwirbeltiere haben eineadaptives Immunsystem, die während ihrer Lebensdauer programmiert wird. Dieses Immunsystem unterscheidet „Selbst“ von „Nicht-Selbst“. Die anfängliche Algeninvasion geht der Reifung des adaptiven Immunsystems unserer Salamander voraus.

Sind die Algen in allen Stadien des Embryowachstums vorhanden? Bleibt diese endosymbiotische Beziehung bei erwachsenen Salamandern bestehen?

Frühere Studien haben gezeigt, dass stickstoffhaltige Abfälle, die von den Embryonen freigesetzt werden, von den Algen als Proteine ​​​​gespeichert werden. Die Kombination aus Kohlendioxid, stickstoffhaltigen Abfällen und geschütztem Lebensraum (die Eikapsel) scheint den Algen zu helfen.

Wir sehen zuerst, wie die Algen außerhalb eines Lochs im Embryo blühen, das als Blastopore [eine Öffnung zum primitiven Darm des Embryos] bezeichnet wird. Dies geschieht während einer Periode, in der das zentrale Nervensystem gerade erst begonnen hat, sich zu bilden. Nach der Blüte dringen die Algen in die Gewebe und Zellen des Salamanders ein. Die Blüte fällt mit einer Periode erhöhter stickstoffhaltiger Abfälle in der Eikapsel zusammen. Wir vermuten, dass dieser stickstoffhaltige Abfall der Auslöser für die Blüte ist. Die Algeninvasion erfolgt nach der Blüte.

Wir wissen nicht wirklich, inwieweit [Algen] in den erwachsenen [Zellen] persistieren können. Wir haben einige Hinweise aus der Amplifikation von Algengenen aus adulten Geweben, die darauf hindeuten, dass die Algen bis in die adulten Stadien überdauern können.

Ein Film mit Zeitrafferbildern (unten), erstellt von Roger Hangarter an der Indiana University in Bloomington, wurde über einen Zeitraum von 16,6 Stunden mit einem Bild pro Minute aufgenommen. Es zeigt die frühen Stadien der Entwicklung des Flecksalamander-Embryos, wenn sich die Algen zuerst darin ansiedeln. Jeder Blitz stellt eine Algenblüte dar, wenn das Algenwachstum deutlich zunimmt, wenn es mit Stickstoffabfällen in der Embryokapsel in Kontakt kommt.

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Was bekommt der Salamander-Embryo dann als Gegenleistung für die Aufnahme desEr lebtAlgen? Sauerstoff. Salamander-Eier haben eine Geleebeschichtung, die das Austrocknen der Eier verhindert und es dem Sauerstoff im Wasser erschwert, in die Embryokapsel zu diffundieren. Photosynthese vonEr lebtAlgen versorgen den wachsenden Embryo mit Sauerstoff.

Könnten andere endosymbiotische Beziehungen, wie die zwischenEr lebtAlgen- und Salamanderembryonen, gibt es bei anderen Wirbeltieren? Kerney teilte ForVM mit, dass sein Team weiterhin Flecksalamander untersuchen und planen wird, seine Untersuchungen auf nordwestliche Salamander auszudehnen.

Ryan Kerney von der Dalhousie University und sein Teamgemeldetüber ihre Entdeckung von Algen in Salamander-Embryokapseln, die zwischen embryonalen Gewebezellen und sogar innerhalb der embryonalen Gewebezellen imProceedings of the National Academy of Sciences.

Erwachsener gefleckter Salamander in Laubstreu. Bildquelle: Roger Hangarter.

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