mini|TEM-Aufnahme vom Nitroplast alias Sphäroidkörper (S) in Braarudosphaera bigelowii aus einer weiteren Probe aus dem Hafen von Tomari mini|Detail vom Nitroplast aus dem vorigen Bild mit den inneren Lamellen (schwarzer Pfeile) und mehrteiliger Membranhülle (schwarze und weiße Pfeilspitzen). Die dreilagige innere Membran mit ihrer äußeren Lage, der Peptidoglycanwand und der Plasmamembran entsprechen denen gramnegativer Bakterien. Um den Sphäroidkörper herum befinden sich Vakuolen (V).
Nitroplast ist die Bezeichnung für ein Organell, das in Haptophyten der Familie Braarudosphaeraceae, insbesondere in der Meeresalge Braarudosphaera bigelowii vorkommt. Nitroplasten spielen – genauso wie die Diazoplasten der Diatomeen-Familie Rhopalodiaceae – eine entscheidende Rolle bei der Stickstofffixierung dieser Algen. Von diesem Prozess nahm man früher an, dass er ausschließlich bestimmten Bakterien und Archaeen vorbehalten ist. Die Entdeckung der Nitroplasten hat bedeutende Auswirkungen sowohl auf die Zellbiologie als auch auf die Agrarwissenschaft.
Diazoplasten und Nitroplasten wurden zunächst aufgrund ihrer annähernd kugelförmigen Gestalt als Sphäroidkörper ( ) bezeichnet.
Entdeckung 1998 fanden Jonathan Zehr (ein Meeresökologe an der University of California, Santa Cruz) et al. eine unbekannte DNA-Sequenz, die augenscheinlich für ein bis dato unbekanntes stickstofffixierendes Cyanobakterium im Pazifik stand, das die Entdecker UCYN-A ( für ) nannten. Zur gleichen Zeit arbeitete Kyoko Hagino, eine Paläontologin an der staatlichen Universität Kōchi, an der Kultivierung der Algenspezies Braarudosphaera bigelowii, offenbar eines Wirtsorganismus von UCYN-A-Bakterien.
mini|links|hochkant=1.66|Phylogenetische Multigen-Analyse (SSU+nifH) der Nitroplasten und Diazoplasten (Braarudosphaeraceae- respektive Rhopalodiaceae-Sphäroidkörper), sowie verwandter Cyanobakterien (2022).<br />Sphäroidkörper der Rhopalodiaceae (Diazoplasten):<br />EcSB – von Epithemia catenata<br />EpSB – von E. pelagica<br />EtSB – von E. turgida<br />RgSB – Rhopalodia gibberula<br />Sphäroidkörper der Braarudosphaeraceae (Nitroplasten):<br />UCYN-A [Ca. Atelocyanobacterium thalassae]<br />– von Braarudosphaera bigelowii
Die Bezeichnung „Nitroplast“ für die zuvor morphologisch als „Sphäroidkörper“ ( ) bezeichneten annähernd kugelförmigen Gebilden in diesen Algenzellen wurde erstmals 2012 von Forschern vorgeschlagen, die die Interaktion zwischen B. bigelowii und UCYN-A untersuchten. Zunächst wurde die Hypothese aufgestellt, dass UCYN-A die Stickstofffixierung erleichtert, indem sie den Algen Verbindungen wie Ammoniak zuführt. In späteren Studien unter der Leitung von Jonathan Zehr wurde jedoch festgestellt, dass die in den Algen gefundenen UCYN-A bzw. Sphäroidkörper obligate Endosymbionten sind, die auch bei der Zellteilung der Algenzellen an die Tochterzellen weitergegeben werden. Die gegenseitige Abhängigkeit bedeutet nichts anderes, als dass diese UCYN-A im Lauf der Evolution bereits zu echten Organellen geworden sind.
Aufbau und Funktion Nitroplasten weisen typische Organelleigenschaften auf und erfüllen zwei Schlüsselkriterien: Sie werden bei der Zellteilung vererbt. Sie sind auf Proteine angewiesen, die von der Wirtszelle bereitgestellt werden. Durch bildgebende (mikroskopische) Untersuchungen konnten die Forscher beobachten, dass sich die Nitroplasten/Sphäroidkörperchen zusammen mit der Wirtszelle teilen und so ihre Weitergabe an Tochterzellen sicherstellen.
Bedeutung und Anwendungsmöglichkeiten Die Entdeckung der Nitroplasten stellte die vorige Annahme in Frage, dass die Stickstofffixierung ausschließlich prokaryontischen Organismen (Bakterien und Archaeen) vorbehalten ist. Stickstofffixierende Organellen in Eukaryonten wurden (mit Stand Oktober 2024) in keinem anderen Eukaryoten gefunden, außer bei Kieselalgen der Familie Rhopalodiaceae, wo ebenfalls ein stickstoffbindende cyanobakterielle Endosymbionten (dort Diazoplasten genannte Sphäroidkörper) die Wirtszellen mit organisch gebundenem Stickstoff versorgen. Da die Endosymbionten diese Funktionalität selbst bereitstellen, handelt es sich bei ihrer Entwicklung zu einem Organell der Wirtsalgen um die rare Form einer „primären Endosymbiose“; anders als wenn die Endosymbionten bereits selbst für diesen Zweck auf Organellen oder intrazelluläre Symbionten angewiesen wären („sekundäre/tertiäre Endosymbiose“).
Das Verständnis der Struktur und Funktion von Nitroplasten (oder auch Diazoplasten) eröffnet neue Möglichkeiten für die Gentechnik bei Pflanzen. Durch den Einbau von Genen, die für die Funktion der stickstofffixierenden Organellen verantwortlich sind, könnte es möglich sein, Pflanzen zu entwickeln, die ihren eigenen Stickstoff zu fixieren in der Lage sind. Dadurch könnte ggf. der Bedarf an stickstoffbasierten Düngemitteln (Stickstoffdünger) verringert und Umweltschäden vermindert werden.
Weblinks Zu Coale et al. (2014) und Cornejo-Castillo et al. (2014):
Jess Cockerill: A Rare Event Gave This Algae an Organelle That Traps And Uses Nitrogen. Auf: sciencealert vom 16. April 2024.
Literatur
Michael Le Page: A bacterium has evolved into a new cellular structure inside algae – In: New Scientist vom 11. April 2024. Dazu: Evolution in Action? Nitrogen-Fixing Organelles May Be Nature’s Next Big Leap. Auf. SciTechDaily vom 16. April 2024. Quelle: University of Rhode Island. Timothy G. Stephens, Arwa Gabr, Victoria Calatrava, Arthur R. Grossman, Debashish Bhattacharya: Why is primary endosymbiosis so rare? In: New Phytologist, Band 231, Nr. 5, September 2021, S. 1693–1699; doi: 10.1111/nph.17478, , PMID 34018613, Epub: 21. Juni 2021 (). Hanna Farnelid, Anders F. Andersson, Stefan Bertilsson, Waleed Abu Al-Soud, Lars H. Hansen, Søren Sørensen, Grieg F. Steward, Åke Hagström, Lasse Riemann: Nitrogenase Gene Amplicons from Global Marine Surface Waters Are Dominated by Genes of Non-Cyanobacteria. In: PLOS OME, Band 6, Nr. 4, 29. April 2011, S. e19223; doi:10.1371/journal.pone.0019223 (). Dazu: Andy Coghlan: Zoologger: The cyanobacteria destined to be organelles. Auf: New Scientist vom 20. September 2012.
Einzelnachweise Dazu: Scientists discover first nitrogen-fixing organelle. Auf: EurekAlert! vom 11. April 2024. Quelle: University of California, Santa Cruz.
Jake Buehler: This marine alga is the first known eukaryote to pull nitrogen from air. Auf: Science News vom 11. April 2024. Elena Bernard: Neu entdecktes Organell fixiert Stickstoff. Auf: wissenschaft.de vom 12. April 2024. Claudia Krapp: Erster Organismus mit Stickstoff-Organell. Wie Nitroplasten Meeresalgen mit Stickstoff versorgen. Aud: scinexx.de vom 15. April 2024. Fusion aus Alge und Bakterium – Forscher entdecken bislang unbekannte Lebensform. Auf: n-tv vom 17. April 2024. Kyoko Hagino, Ryo Onuma, Masanobu Kawachi, Takeo Horiguchi: Discovery of an Endosymbiotic Nitrogen-Fixing Cyanobacterium UCYN-A in Braarudosphaera bigelowii (Prymnesiophyceae). In: PLoS ONE, Band 8, Nr. 12, 4. Dezember 2013, , S. e81749; doi:10.1371/journal.pone.0081749, bibcode:2013PLoSO...881749H, , PMID 24324722 (). Solène L. Y. Moulin, Sarah Frail, Thomas Braukmann, Jon Doenier, Melissa Steele-Ogus, Jane C. Marks, Matthew M. Mills, Ellen Yeh: The endosymbiont of Epithemia clementina is specialized for nitrogen fixation within a photosynthetic eukaryote. In: ISME Communications, Band 4, Nr. 1, 15. April 2024, S. ycae055; doi:10.1093/ismeco/ycae055, , PMID 38707843 ().
Christopher R. Schvarcz, Samuel T. Wilson, Mathieu Caffin, Rosalina Stancheva, Qian Li, Kendra A. Turk-Kubo, Angelicque E. White, David M. Karl, Jonathan P. Zehr, Grieg F. Steward: Overlooked and widespread pennate diatom-diazotroph symbioses in the sea. In: Nature Communications, Band 13, Nr. 799, , 10. Februar 2022; doi:10.1038/s41467-022-28065-6, bibcode:2022NatCo..13..799S, , PMID 38637300 (). Jonathan P. Zehr, Mark T. Mellon, Sabino Zani: New nitrogen-fixing microorganisms detected in oligotrophic oceans by amplification of nitrogenase (nifH) genes. In: Applied and Environmental Microbiology, Band 64, Nr. 9, September 1998, S. 3444–3450, doi:10.1128/AEM.64.9.3444-3450.1998, , PMID 9726895, ResearchGate:226958796 ().
Kategorie:Zellbestandteil Kategorie:Zellorganell