Nematoden als wichtige Quelle für omega-3 langkettige Fettsäuren im Nahrungsnetz des Bodens und die Auswirkungen auf die Ernährung von höheren trophischen Stufen
Biochemie und Physiologie der Tiere
Organismische Interaktionen, chemische Ökologie und Mikrobiome pflanzlicher Systeme
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Viele wirbellose Tierarten besitzen die metabolische Fähigkeit, langkettige ω3-mehrfach ungesättigte Fettsäuren (PUFA) de novo zu synthetisieren. Aufgrund ihrer vielfältigen Auswirkungen auf die Membranarchitektur, die Neuroplastizität, das Wachstum und die Fortpflanzung haben PUFA ein hohes Potenzial, die Fitness eines Organismus positiv zu beeinflussen. Doch wie und wann kommen diese vermeintlichen Vorteile tatsächlich zum Tragen? Andere Arten, die oft eng miteinander verwandt sind, bestehen die natürliche Selektion ohne diese besondere Stoffwechselfähigkeit. Der ω3-PUFA-reiche Modellorganismus Caenorhabditis elegans (Nematoda) und seine Mutante fat-1(wa9), welche diese PUFA fehlen, sind ein geeignetes Testsystem. In diesem Projekt wurden mögliche Beeinträchtigungen der Fortpflanzung und des Wachstums in einem Bodenversuch analysiert. Außerdem wurden die Chemotaxis gegenüber Diacetyl, das assoziative Lernen und die Integration eines zweiten sensorischen Signals auf Agarplatten untersucht. Darüber hinaus wurde das Phospholipidmuster der beiden C. elegans Stämme und weiterer freilebender Nematodenarten bei verschiedenen Temperaturen analysiert. Während die phänotypischen Auswirkungen unter Standardbedingungen eher gering waren, führte eine Absenkung der Temperatur auf 15 oder sogar 10 °C als auch eine Verringerung der Bodenfeuchtigkeit zu erheblichen Einschränkungen, wobei die untersuchten Parameter für die Neuroplastizität am stärksten beeinträchtigt wurden. Der ω3-PUFA-freie C. elegans Mutantenstamm fat-1 passte die Fettsäurezusammensetzung seiner Phospholipide nicht an eine sinkende Temperatur an, während ω3-PUFA-haltige Nematoden diese PUFA- Gruppe proportional erhöhten. Im Gegensatz dazu produzierten andere ω3-PUFA-freie Nematodenarten deutlich mehr ω6-PUFA. Somit ist die Fähigkeit, langkettige ω3-PUFA de novo zu synthetisieren, wahrscheinlich von grundlegender Bedeutung für die Steigerung der Neuroplastizität und ein effizientes Mittel zur Regulierung der Membranfluidität, um ihre Funktionalität zu erhalten. Außer bei C. elegans sind jedoch der Ursprung dieser anabolen Kapazität (Umsetzung auf Gen- und Proteinebene) für verschiedene Gruppen von Wirbellosen sehr oft noch unbekannt. Im Rahmen dieses Projekts wurden auch die PUFA-Stoffwechselwege in der typischer Bodenfauna untersucht, so in zwei Nematoden- und zwei Collembolenarten. Von diesen wurde bereits angenommen, dass jeweils eine Art (Panagrellus redivivus, Folsomia candida) ω3 LC-PUFA de novo produzieren kann, während die anderen (Acrobeloides bodenheimeri, Isotoma caerulea) dazu nicht in der Lage sind. Eine C markierte Ölsäure (99 %) wurde zugesetzt, und das Isotopensignal verwendet, um den Stoffwechselweg zu verfolgen. Alle Arten folgten dem Hauptweg der PUFA-Biosynthese. Bei A. bodenheimeri endete dieser jedoch bei Arachidonsäure (ω6 PUFA), während die anderen drei Arten den Weg bis Eicosapentaensäure (ω3 PUFA) fortsetzten, einschließlich I. caerulea. Für den Nematoden P. redivivus wurden vier neue Fettsäure-Desaturasen identifiziert und funktionell charakterisiert. Diese Gene kodieren für die FAD-Aktivitäten Δ9, Δ6 bzw. Δ5. Zusätzlich wurde die Δ12-Desaturase analysiert, doch konnte die beobachtete Aktivität eines ω3-FAD keinem kodierenden Gen zugeordnet werden. In der Collembola F. candida wurden 11 potenzielle erste Desaturasen (Δ9) und mindestens 15 Front-End-Desaturasen (Δ6 oder Δ5 FADs) gefunden. Weitere Sequenzanalysen deuten auf das Vorhandensein von omega-FADs hin, insbesondere Δ12, die wahrscheinlich von Δ9-FADs abgeleitet sind.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Community Level Lipid Profiling in Soil Food Webs – Differences in Omega-3 Polyunsaturated Fatty Acids Across Trophic Levels and Forest Types.
Rissmann, Cornelia; Ruess, Liliane & Menzel, Ralph
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Serotonin-induced stereospecific formation and bioactivity of the eicosanoid 17,18-epoxyeicosatetraenoic acid in the regulation of pharyngeal pumping of C. elegans. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular and Cell Biology of Lipids, 1868(5), 159304.
Zhou, Yiwen; Rothe, Michael; Schunck, Wolf-Hagen; Ruess, Liliane & Menzel, Ralph
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Dissection of the synthesis of polyunsaturated fatty acids in nematodes and Collembola of the soil fauna. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular and Cell Biology of Lipids, 1869(8), 159541.
Menzel, Ralph; Tobias, Kevin; Fidan, Tugce; Rietz, Alexandra & Ruess, Liliane
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Omega-3 PUFA and the fitness and cognition of the nematode Caenorhabditis elegans under different environmental conditions. Comparative Biochemistry and Physiology Part B: Biochemistry and Molecular Biology, 270, 110925.
Menzel, Ralph; Zhang, Xuchao; Pietrucik, Tamara; Bathelt, Antonia & Ruess, Liliane
