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Klepto-plastide

von Petra Stöcker (Laborjournal-Ausgabe 3, 2009)


Elysia chlorotica

Die Seeschnecke Elysia chlorotica ernährt sich in ihrer Jugend von Algen, deren Chloroplasten sie für den Rest ihres Lebens mit Energie versorgen.

Die Mär vom „kleinen grünen Männchen“ wird mit der grünen Seeschnecke Elysia chlorotica um ein neues Kapitel erweitert. Allerdings: Nicht nur die männlichen, auch die weiblichen Tiere ergrünen im Lauf ihres kurzen Lebens.

Ja, es gibt weibliche Schnecken: bei primär im Wasser lebenden Schnecken ist die Population ordentlich in „Männlein“ und „Weiblein“ eingeteilt, im Gegensatz zu ihren an Land lebenden Verwandten, die das Zwittertum bevorzugen.


Schnecken mit Kleptomanie

Doch was steckt hinter dem Grün? Die­se Frage trieb die Forscher Mary Rumpho und ihre Kollegen von der University of Maine um. Klar war soweit, dass das Lebenskonzept von E. chlorotica genial einfach gestrickt ist: Seine ersten Lebenswochen verbringt das Tierchen hauptsächlich mit Fressen seiner Leib- und Magenspeise, der Alge Vaucheria litorea. Die Schnecke verdaut den Großteil des Algen-Zellkörpers, lässt aber die Chloroplasten intakt und speichert sie. Den Energiehaushalt für den etwa zehnmonatigen Rest ihres Daseins bestreitet die Schnecke über die so erworbenen Chloroplasten, die bezeichnenderweise Kleptoplastide genannt werden. Die geklauten Organellen bleiben im Inneren der Schnecke monatelang funktionstüchtig, obwohl sie vom Zytoplasma der Alge getrennt sind. Dabei codiert die Chloroplasten-DNA nur für rund zehn Prozent jener Proteine, die das Organell zum metabolischen Funktionieren braucht. Für die restlichen neunzig Prozent greifen die Chloroplasten auf den Zellkern der Algen zurück.

Wie also können Chloroplasten in einem Tier funktionieren, das diese Proteine nicht hat? Anlass für Rumphos Team, die Schnecke unter die Lupe zu nehmen. Man kann in diesem Zusammenhang an eine symbiotische Vereinigung Tier-Alge denken, eine oft praktizierte und Erfolg versprechende Art und Weise, der Evolution unter die Arme zu greifen. Die primäre Endosymbiose, bei der sich ein Eukaryot beispielsweise ein prokaryotisches Cyanobakterium einverleibte, brachte vor etwa zwei Milliarden Jahren die Grünalgen (Chlorophyta) hervor, aus denen sich dann vor etwa 550 Millionen Jahren mit einigen Umwegen die Landpflanzen entwickelten.

Eine Stufe komplexer läuft die sekundäre Endosymbiose ab, bei der sich ein eukaryotischer Wirt eine eukaryotische Rot- oder Grünalge mitsamt genetischen Materials unter den Nagel reißt. Bei diesem so genannten lateralen oder horizontalen Gentransfer (HGT) erfolgt eine Übertragung von Genen außerhalb der geschlechtlichen Fortpflanzung (des vertikalen Gentransfers) und über Grenzen nicht verwandter Arten hinweg, so wie hier vom Algen- zum Schneckenkern. Als ein Ergebnis dieser molekularbio­logischen Kernfusion, bei der auf zahlreiche Gene verzichtet wird, enthalten die Plastidengenome (ptDNAs) weniger als zehn Prozent der zur Aufrechterhaltung der Energiegewinnung nötigen 1.000 bis 5.000 Proteine. Der Rest der photosynthetisch wichtigen Proteine wird durch Gene, die neu im Schneckenkern als Folge des HGT integriert wurden, codiert und zum Arbeitsort Plastid geschleust. Diese Art des HGT zwischen zwei vielzelligen Eukaryoten ist extrem selten beziehungsweise bis dato wenig dokumentiert. Die bisher am besten untersuchten Fälle schließen etwa den Transfer mitochondrialer DNA zwischen Aufsitzerpflanzen (Epiphyten) oder den Austausch von Transposons (sogenannten springenden Genen) zwischen zwei Tieren oder zwei Pflanzen ein.

Insofern ist das in der Veröffentlichung von Rumphos Team vorgestellte System des HGT zwischen Alge und Weichtier neu (PNAS, 105:17867-71). Ihre Hypothese, dass HGT das genetische Material aus dem Algenkern für essentielle Plastiden-Proteine der Photosynthese in E. chlorotica dem Schneckenzellkern bereitstellt, belegen die Wissenschaftler mit PCR. Im Zentrum ihrer Untersuchungen stand das Gen psbO, welches das Manganese-stabilisierende Protein (MSP) des Plastids codiert. Dieses MSP wiederum ist eine Untereinheit des Photosystem II-Komplexes und essentieller Stabilisator für den als Oxidationsprodukt des Wassers freigesetzten, elementaren molekularen Sauerstoff (sogenannte oxygene Photosynthese).

Bisher konnte nicht gezeigt werden, dass tierische Genome psbO enthalten, daher musste dieses im Seeschnecke-Kern entdeckte wohl durch HGT erworben sein. Die Plastiden der Seeschnecke werden nicht vertikal übertragen, was bedeutet, dass jede Schneckengeneration diese Organellen von neuem und eigens für sich in früher Jugend anfuttern muss, damit aus ihr eine erwachsene Molluske werden kann.


Strenge Algendiät

Rumphos Laborschnecken bekamen einseitige Algendiät, um sicher zu stellen, dass sie nur Plastiden aus der Alge V. litorea aufnehmen können. Eine Sequenzierung und Kartierung der Chloroplasten-ptDNA enthüllte ein kompaktes 115.341 Basenpaare umfassendes, zirkuläres Doppelstrang-Genom, welches 169 Gene umfasst, darunter 139 Protein-codierend.

Danach wurde cDNA aus den Algen sowie der Seeschnecke (fünf Monate nach Algen-Fütterung) amplifiziert. Die gewonnenen psbO cDNA-Sequenzen der Alge und der satten Seeschnecke stimmten in Größe und Abfolge überein. Viele Forscherfragen reihen sich nun an dieses erstaunliche Ergebnis. Wahrscheinlich ist psbO nicht das einzige per HGT an E. chlorotica übertragene Gen. Wo innerhalb des Schnecken-Chromosoms reiht es sich ein? Man weiß es nicht.

„Man ist, was man isst“ erhält dadurch eine neue Bedeutung mit interessanten Folgen für die Artenstehung.



Letzte Änderungen: 05.05.2009


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