Plastid longevity in sacoglossan sea slugs

• Applicant: Professor Dr. Sven B. Gould
• Subject Area: Evolutionary Cell and Developmental Biology (Zoology) ; Animal Physiology and Biochemistry ; Plant Physiology
• Term: from 2014 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 255999527

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Einige Arten von Meeresschnecken aus der Familie der Sacoglossa sind in der Lage funktionsfähige, aktive Plastiden aus ihrer Algennahrung zu isolieren und in ihre eigenen Zellen zu integrieren (Kleptoplasten). Diese „grünen“ Nacktschnecken wurden vor etwa 140 Jahren entdeckt und auch aufgrund ihres häufig blattartigen Aussehens, und ihren photosynthetisch aktiven Kleptoplasten, als „leaves that crawl" beschrieben. Es war bislang noch nicht möglich, den wahren Beitrag und den Nutzen der funktionalen Kleptoplasten innerhalb der Sacoglossa völlig zu entschlüsseln. Ziel dieses Projekts war es zu untersuchen, (a) welchen Anteil jeweils die Schnecken beziehungsweise die Kleptoplasten tragen, um die Kleptoplasten (getrennt vom Zellkern der Algen) über Monate hinweg photosynthetisch aktiv zu halten, und (b) welchen Nutzen die Schnecken aus den Kleptoplasten ziehen und ob es sich hierbei wirklich hauptsächlich um die Fixierung von CO2 dreht. Diverse Studien haben die CO2-Fixierung der Nacktschnecken bereits untersucht und es ist nun deutlich, dass bei Hungerphasen die Fähigkeit CO2 zu fixieren schnell und rapide abfällt. Wie stark die Meeresschnecken von der fortlaufenden CO2-Fixierung durch ihre Kleptoplasten wirklich profitieren bleibt unklar, aber unsere Arbeiten konnten zeigen, dass Arten wie Elysia timida, welche sich ausschließlich von Acetabularia acetabulum ernährt, oder E. viridis, welche sich von mehreren Algen ernähren kann, ihren Kohlenstoffbedarf nur bis zu maximal 1% durch photosynthetische Plastiden decken können. Des Weiteren konnten wir für die letztere Art zeigen, dass sie auch überlebt und ihren Lebenszyklus abschließen kann, wenn sie keine aktiven Plastiden einlagert und das die Einlagerung selbst abhängig ist von der (Algen)Quelle der Plastiden. Basierend auf vergleichenden RNA-Seq-Daten der beiden Schneckenarten E. conigera und E. timida konnten wir die mitochondriellen Genome assemblieren und zeigen, dass die oxidativen Phosphorylierungswege während des Hungerns in E. timida hoch reguliert sind. Dies lässt die Hypothese zu, dass die Kleptoplasten als alternativer Anbieter von Reduktionsäquivalenten agieren könnten, um das Überleben bei zellulärem Hungern zu verlängern. Ein neues Konzept, welches zukünftige Arbeiten und einen neuen Blickwinkel motiviert.

Publications

• (2014). A sea slug's guide to plastid symbiosis. Acta Soc Bot Pol 83:415–421
  de Vries J, Rauch C, Christa G, Gould SB
  
• (2015). Protein import and the origin of red complex plastids. Curr Biol 25:R515–R521
  Gould SB, Maier UG, Martin WF
  
• (2015). Why it is time to look beyond algal genes in photosynthetic slugs. Genome Biol Evol 7:2602–2607
  Rauch C, de Vries J, Rommel S, Rose LE, Woehle C, Christa G, Laetz EM, Wägele H, Tielens AGM, Nickelson J, Schumann T, Jahns P, Gould SB
  
• (2016). Streptophyte terrestrialization in light of plastid evolution. Trends Plant Sci 21:467–476
  de Vries J, Stanton A, Archibald JM, Gould SB
  
• (2017). Mitochondrial genome assemblies of Elysia timida and Elysia cornigera and the response of mitochondrion-associated metabolism during starvation. Genome Biol Evol 9:1873–1879
  Rauch C, Christa G, de Vries J, Woehle C, Gould SB
  
• (2017). On being the right size as an animal with plastids. Front Plant Sci 8:1402
  Rauch C, Jahns P, Tielens AGM, Gould SB, Martin WF
  
• (2018). The ability to incorporate functional plastids by the sea slug Elysia viridis is governed by its food source. Mar Biol 165:82
  Rauch C, Tielens AGM, Serodio J, Martin WF, Christa G, Gould SB