Nano- und Mikrostrukturaufklärung der Coccolithen der Kalkalgen Emiliania huxleyi und Calcidiscus leptoporus mittels Elektronenmikroskopie und -spektroskopie
Final Report Abstract
Die marine, planktonisch lebende einzellige Kalkalge "Emiliana huxlei" gehört zu den Bedeutendsten Calciumcarbonat mineralisierenden Organismen. Ihre extra-zellulären Kalkskelette (sog. Coccosphären) stellen einen wesentlichen Faktor im Calcium- und CO2-Haushalt der Meere dar. Die Coccosphären bestehen aus miteinander verzahnten Speichenrad-artigen sog. Coccolithen aus Calcit. Das wesentliche Ziel der Studie war die Aufklärung der kristallographischen Nano- und Mikrostruktur der Coccolithen der Emiliana huxleyi sowie der strukturelle Aufbau der Zell-Organellen, die den Mineralisationsvorgang morphologisch steuern. Den strukturellen Aufbau von Calcit und Zelle im Nanometer- und Sub-Nanometer-Bereich bestimmten wir mit Elektronenmikroskopie und -Beugung nach einer herausfordernden Optimierung der Vorgehensweise. Schließlich konnte der systematische kristallographische Aufbau der einzelnen Segmente der Coccolithen ermittelt werden. Der Coccolithen-Calcit unterscheidet sich durch seine intrikate Morphologie sehr stark vom abiogenen Mineral Calcit. Der Coccolithen Calcit zeigt eine kohärente, einkristalline Struktur ohne organische Matrix. Diese Erkenntnis war völlig überraschend, da im Gegensatz hierzu die vielzelligen marinen Lebewesen ihre Skelettelemente als hybrides Composit aus Mineralpartikeln und organischer Matrix herstellen. An den Coccolith-Elementen liegt nur außen eine organische Haut an, die die Detail-Morphologie bestimmt. Die Coccosphären zeigen 2-3 übereinanderliegende Schichten von verzahnten Coccolithen [3], mit einem Mittelwert von 20 Coccolithen pro Coccolithophor-Zelle. Der innere Durchmesser der Coccosphäre ist praktisch konstant, der äußere Durchmesser ergibt sich aus der Zahl der Coccolith-Schichten. Die Zahl der Schichten um eine Zelle ist jedoch ungleichmäßig. Die Daten erlaubten die Berechnung des mittleren Verhältnisses von particulate inorganic carbon (PIC) zu particulate organic carbon (POC) für eine Zelle, eine wichtige Zahl für den Stoffhaushalt der Meere (PIC = 5 ± 1.5 pg / Zelle, POC = 7.2 ± 2.1 pg / Zelle ). Aufgrund der nötigen Optimierung der Vorgehensweise konnten wir innerhalb der vorhandenen Zeit die ursprünglich geplanten Arbeiten an einer zweiten Algen-Spezies nicht mehr durchführen. Der intrazelluläre Prozess der Biomineralisation in Emiliana huxlei geschieht in Vesikeln und ist komplex und hochreguliert durch die Zelle. Wir erkannten 5 Phasen der Coccolithbildung vor der Ausscheidung des Coccolithen durch die Zellmembran. Die Membran des Vesikels, in dem sich der Coccolith bildet, ist sehr eng an die äußere Zellkernhülle angelehnt mit einem genau kontrollierten Abstand von ~4 nm zwischen äußerer Kernmembran und Vesikelmembran. Wir beschreiben diesen auffälligen Kontakt als seine neue interorganelle Verbindung, die "nuclear envelope junction". Der präzise kontrollierte enge Zwischenraum dient wahrscheinlich dem Transport von Ca2+ Ionen aus der Zellkernhülle in das Coccolith Vesikel. Aufgrund unserer Beobachtungen schließen wir, dass die Bildung des Coccolithen das Ca2+ Reservoir von Zellkernhülle und endoplasmatischem Reticulum der Zelle für den Transport des Ca2+ nutzt, um es von außerhalb der Zelle zum Coccolith Vesikel zu transportieren. Ferner schließen wir, dass E. huxleyi Calcit durch klassisches Ion-für-Ion Wachstum im Vesikel gebildet wird, und nicht durch eine Akkretion von amorphen CaCO3 Nanopartikeln, wie es für marine Invertebraten häufig postuliert wird.
Publications
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(2014). Electron microscopy investigations of the coccoliths of the calcareous algae Emiliania huxleyi and Calcidiscus leptoporus (Doctoral dissertation, LMU)
Hoffmann, R.
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(2014). Insight into Emiliania huxleyi coccospheres by focused ion beam sectioning. Biogeosciences Discussions, 11(9), 12773-12797
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(2014). Nanoprobe crystallographic orientation studies of isolated shield elements of the coccolithophore species Emiliania huxleyi. European Journal of Mineralogy, 26(4), 473-483
Hoffmann, R., Wochnik, A. S., Heinzl, C., Betzler, S. B., Matich, S., Griesshaber, E., ... & Schmahl, W. W.
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(2014). TEM preparation methods and influence of radiation damage on the beam sensitive CaCO3 shell of Emiliania huxleyi. Micron, 62, 28-36
Hoffmann, R., Wochnik, A. S., Betzler, S. B., Matich, S., Griesshaber, E., Schmahl, W. W., & Scheu, C.
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(2017). Formation and mosaicity of coccolith segment calcite of the marine algae Emiliania huxleyi. Journal of Phycology, 54, 85-104
Yin, X., Ziegler, A., Kelm, K., Hoffmann, R., Watermeyer, P., Alexa, P., Villinger, C., Rupp, U., Schlüter, L., Reusch, T.B.H, Griesshaber, E., Walther, P., Schmahl, W.W.
