Dinotoms: ein neuartiges Modellsystem für Studien zur Plastidogenese zwischen Kleptochloroplasten und Endosymbionten

• Antragstellerin: Norico Yamada, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen ; Evolution und Systematik der Pflanzen und Pilze
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 424360600

Es ist weithin anerkannt, dass Plastiden ihren Ursprung in unabhängigen Mikroalgen haben und durch endosymbiotische Vorgänge entstanden sind. Viele Prozesse dieser Plastidogenese sind jedoch unbekannt, da fast alle phototrophen Organismen bereits die entsprechenden evolutionären Entwicklungsstufen durchlaufen haben. Viele Modellorganismen werden verwendet, diese Entwicklungsprozesse zu untersuchen. Die bisher am wenigsten erforschte Frage lautet: Wie verwandeln sich freilebende Mikroalgen in frühe Plastiden. Keiner der bisherigen Modellorganismen kann zur Beantwortung dieser Frage herangezogen werden, da sie sich entweder noch im temporären ("kleptoplastischen") oder bereits im permanenten Stadium befinden. Dinotoms, Dinoflagellaten, die Diatomeen als photosynthetische Endosymbionten verwenden, sind bahnbrechende Organismen, mit denen wir diese sonst verborgenen Prozesse veranschaulichen können. Ihre Endosymbionten weisen drei aufeinander folgende Entwicklungsstadien auf: ein kleptoplastisches (D. capensis), in dem die Diatomeen etwa zwei Monate lang erhalten bleiben; ein Stadium, in dem mehrere Diatomeen kontinuierlich erhalten bleiben (D. kwazulunatalensis); sowie ein Stadium, in dem nur eine einzelne Diatomee erhalten bleibt (andere bekannte Dinotoms). Um es zu ermöglichen, D. capensis, D. kwazulunatalensis und die Diatomee Nitzschia cf. agnita, die plastidiale Quelle von D. capensis, mit modernen molekularbiologischen Techniken zu erforschen und sie als Modellsystem zu etablieren, arbeite ich mit meinen Kollaborationspartnern aktuell daran ihre genomischen und transkriptomischen Informationen zu generieren, sowie Werkzeuge zur genetischen Veränderung zu etablieren. In meiner ersten DFG geförderten Periode habe ich mich auf die Etablierung des D. capensis-Stammes konzentriert, um dessen evolutionäres Stadium und die Aktivität von N. cf. agnita nach der Aufnahme durch D. capensis zu bewerten. Dieser Antrag zielt nun darauf ab, das Modellsystem zu nutzen, um die molekularen Evolutionsprozesse zwischen temporärer und früher stabiler Endosymbiose zu untersuchen. Ich schlage drei Hypothesen vor, die auf meinen neuen Erkenntnissen basieren: A) Dinoflagellaten kontrollieren den Metabolismus ihrer Endosymbionten bereits im temporären Stadium; B) die Kontrolle der Nitratversorgung und der Genexpression im Zellzyklus der Diatomeen, unterscheidet die Entwicklungsstadien von D. capensis und D. kwazulunatalensis; und C) bereits im temporären Stadium reduzieren die Mitochondrien der Diatomeen ihre Aktivität, welche teilweise durch die Mitochondrien der Dinoflagellaten ersetzt wird. Diese Projekte werden mit Hilfe der bereits etablierten Transformationswerkzeugen von N. cf. agnita und den transkriptomischen Daten der Dinoflagellaten durchgeführt. Meine Projekte zielen darauf ab, herauszufinden, wie tief die Diatomeen in den verschiedenen Evolutionsstadien von D. capensis und D. kwazulunatalensis integriert sind und von diesen kontrolliert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen