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Projekt
Frühe Determinanten der Differenzierung von Heterozysten in Multizellulären Cyanobakterien
Antragsteller
Professor Dr. Rolf Backofen; Professor Dr. Wolfgang R. Hess
Fachliche Zuordnung
Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
Förderung
Förderung seit 2022
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 503940974
Bestimmte mehrzellige Cyanobakterien entwickeln Trichome, in denen Zellen durch Zell-Zell-Adhäsion verbunden sind und über gated junctions kommunizieren. Diese Cyanobakterien differenzieren bis zu vier verschiedene Zelltypen und die Trichome reagieren auf bestimmte Reize als Ganzes. Somit erfüllen diese Cyanobakterien alle Merkmale echter vielzelliger Organismen. Das Projekt zielt auf die frühesten Schritte im Differenzierungsprozess von Heterozysten in diesen Cyanobakterien ab. Heterozysten sind auf die Fixierung von Luftstickstoff (N2) mit Hilfe des Enzyms Nitrogenase spezialisiert und photosynthetisch inaktiv. Heterozysten und die benachbarten photosynthetisch aktiven vegetativen Zellen sind voneinander abhängig und tauschen miteinander Metabolite und Signale aus, was die heterozystenspezifische N2-Fixierung zur emergenten Funktion macht, die es diesen Cyanobakterien ermöglicht, in stickstoffarmen Umgebungen zu überleben. In Nostocales Cyanobakterien differenzieren reife Heterozysten nach Entfernung von Stickstoffquellen aus der Umgebung über einen Zeitraum von ~24 h aus vegetativen Zellen, wodurch der Prozess der Zelldifferenzierung für detaillierte Untersuchungen zugänglich wird. Unsere Hypothese 1 ist, dass die vegetativen Zellen in einem Filament auch in Gegenwart von Stickstoff nicht homogen sind, so dass bereits vorhandene Unterschiede bestimmte Zellen dazu prädestinieren, die Heterozystendifferenzierung zu beginnen. Zellen, die in den Differenzierungsprozess eintreten, könnten in einem Prozess bestimmt werden, der aus der stochastischen Natur der Transkription resultiert (Hypothese 2). Frühere Ansätze selektierten Mutantenkollektionen häufig bezüglich der Unfähigkeit, auf N2 zu wachsen. Somit wären essentielle und redundante Gene oder Faktoren, die die Musterbildung oder den Zeitpunkt der Bindung beeinflussen, übersehen worden. Daher erwarten wir, Gene und molekulare Faktoren zu identifizieren, deren Rolle in der Heterozystendifferenzierung bisher völlig uncharakterisiert oder unerkannt geblieben ist (Hypothese 3). Die Vielzelligkeit heterozystenbildender Cyanobakterien ist vermutlich ein wichtiges Element in natürlichen Populationen, welche jedoch nur unter bestimmten Umweltbedingungen relevant wird (Hypothese 4). Das Projekt konzentriert sich auf das Verständnis der frühesten Schritte im Heterozysten-Differenzierungsprozess im genetisch gut charakterisierten Modell Nostoc 7120, auf die Evolution der beteiligten Gene und Mechanismen aus nicht Heterozysten-bildenden Cyanobakterien und auf die Auswirkungen der Heterozysten-Differenzierung auf natürliche Populationen. Als wichtigste Methodik werden wir Einzelzelltranskriptomik verwenden und frühe Regulatoren der multizellulären Entscheidungsfindung identifizieren und charakterisieren sowie Resultate der Laboruntersuchungen mit Analysen natürlicher Populationen vergleichen.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
