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Diazoplast

Diazoplast ist die Bezeichnung für ein Organell, das in Kieselalgen der Familie Rhopalodiaceae, insbesondere in den Gattungen Rhopalodia und Epithemia vorkommt.[1] Diazoplasten spielen – ebenso wie die Nitroplasten bei der Hapto­phyten-Familie Braarudosphaeraceae – eine entscheidende Rolle bei der Stickstofffixierung dieser Algen. Von diesem Prozess nahm man früher an, dass er ausschließlich bestimmten Bakterien und Archaeen vorbehalten ist.[2][3] Die Ent­deckung der Diazoplasten hat bedeutende Auswirkungen sowohl auf die Zellbiologie als auch auf die Agrar­wissen­schaft.

LM-Aufnahmen von Epithemia pelagica UHM3200 in der Valvenansicht, b le­ben­de Zelle und c os­motisch ge­schock­te Zel­le mit Di­azo­plast (schwarze Pfeil­spitze).[A. 1] Balken 5 µm.
LM-Aufnahmen von Epithemia catenata UHM3210 in Gürtelansicht (englisch girdle view), e le­ben­de Zellen und f os­motisch ge­schock­te Zel­le mit zwei Di­azo­plasten (schwarze Pfeil­spitzen).[A. 1] Balken 10 µm.

Diazoplasten und Nitroplasten wurden zunächst aufgrund ihrer annähernd kugelförmigen Gestalt als Sphäroidkörper (englisch spheroid bodies) bezeichnet.

Beschreibung

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Das Sphäroidkörper-Genom von Rhopalodia gibberula und Ver­gleich mit dem Sphäroidkörper-Genom von Epi­themia turgida
 
Phylogenetische Multigen-Analyse der Diazoplasten und Nitro­plasten (Rhopalodiaceae- respektive Braarudosphaeraceae-Sphäroidkörper), sowie verwandter Cyanobakterien (2022).[1]
Sphäroidkörper der Rhopalodiaceae (Diazoplasten):
00EcSB – von Epithemia catenata
00EpSB – von E. pelagica
00EtSB – von E. turgida
00RgSB – Rhopalodia gibberula
Sphäroidkörper der Braarudosphaeraceae (Nitroplasten):
00UCYN-A [Ca. Atelocyanobacterium thalassae]
00UCYN-A – von Braarudosphaera bigelowii

Diazoplasten besitzen wie Nitro­plasten und (ge­wöhn­lich) Mito­chondrien und Chloro­plasten eine eigene DNA.[4][1]

Die phylogenetische Analyse des Di­azo­plasten-Ge­noms zeigte 2024 die nächste Ver­wandt­schaft zu einer an­de­ren N2-fixierenden symbiotischen Cyano­bakterien­art, Braarudo­sphaera bigelowii (als Phylo­typ auch UCYN-A und als Organell Nitroplast oder ebenfalls Sphäroidkörper genannt).[1] Wie diese Analysen 2014 und 2024 ergaben, stammen beide Organellen (Diazo­plasten der Rhopalodiaceae und Nitroplasten der Braarudo­sphaeraceae) von Cyano­bak­terien ab, die eng mit der Gattung Cyanothece verwandt sind.[5][6][4][1] Vergleichende phylo­gene­tische Analysen der 16S-rRNA-Gene und der Gene für die Stickstofffixierung (nifD) ergaben, dass das Genom der beider Typen von Sphäroidkörpern eng verwandt ist mit der freilebenden diazo­trophen Cyanobakterien-Art Crocosphaera sub­tro­pi­ca Mareš & J. R. Johansen (Stamm ATCC 51142)[A. 2][8][1] und der Art Zehria sp. KO68DGA (Stamm KO68DGA).[A. 3][1] Die beiden Symbionten sind auf ähnlichen, aber deutlich unterschiedlichen Pfaden der reduktiven Evolution aus solchen Cyanobakterien entstanden.[4][1]

 
Charakterisierung der Diazoplasten (Sphäroidkörper) mariner Epithemia-Spezies. LM-Auf­nahmen von Sphäroidkörpern (Diazoplasten) des Stamms E. pelagica UHM3200 (EpSB) in (h,i,j) und des Stamms E. catenata UHM3210 (EcSB) in (k,l,m). Um die Diazoplaste frei­zu­setzen wur­den die Wirtszellen zerkleinert; Hellfeld in (h,k), Phycoerythrin-Fluoreszenz in (i,l) und Chloro­phyll-Fluores­zenz in (j,m). Pfeilspitzen zeigen auf die Diazoplasten. Zum Verglech jeweils links unten eine Einzelzellen von Synechococcus sp. WH7803 (Positiv­kontrolle). Wie zu sehen, be­sit­zen die Diazoplasten im Gegensatz zu WH7803 keines der beiden getesteten Pigmente (keine Photosynthese). Balken: 3 µm.

Anmerkungen

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  1. ↑ a b Durch die osmotische Schockbehandlung wird der Inhalt der Wirtszelle zerstört und die Endosymbionten werden verdrängt
  2. ↑ Crocosphaera subtropica ATCC 51142 wurde früher provisorisch als Cyanothece sp. ATCC 51142 bezeichnet[7]
  3. ↑ Zehria sp. KO68DGA wurde früher als Gloeothece sp. KO68DGA bezeichnet.[9]

Literatur

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Einzelnachweise

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  1. ↑ a b c d e f g h 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 (englisch).
  2. ↑ Carissa Wong: Scientists discover first algae that can fix nitrogen — thanks to a tiny cell structure. In: Nature. 628. Jahrgang, Nr. 8009, 11. April 2024, S. 702, doi:10.1038/d41586-024-01046-z, PMID 38605201, bibcode:2024Natur.628..702W (englisch).
  3. ↑ Tyler H. Coale, Valentina Loconte, Kendra A. Turk-Kubo, Bieke Vanslembrouck, Wing Kwan Esther Mak, Shunyan Cheung, Axel Ekman, Jian-Hua Chen, Kyoko Hagino, Yoshihito Takano, Tomohiro Nishimura, Masao Adachi, Mark Le Gros, Carolyn Larabell, Jonathan P. Zehr: Nitrogen-fixing organelle in a marine alga. In: Science. 384. Jahrgang, Nr. 6692, 11. April 2024, ISSN 0036-8075, S. 217–222, doi:10.1126/science.adk1075, PMID 38603509, bibcode:2024Sci...384..217C (englisch).
  4. ↑ a b c Takuro Nakayama, Yuji Inagaki: Unique genome evolution in an intracellular N2-fixing symbiont of a rhopalodiacean diatom. In: Acta Societatis Botanicorum Poloniae, Band 83, Nr. 4, ISSN 0001-6977, 2014, S. 409–413; doi:10.5586/asbp.2014.046, Online-ISSN 2083-9480 (englisch).
  5. ↑ Takuro Nakayama, Yuko Ikegami, Takeshi Nakayama, Ken-ichiro Ishida, Yuji Inagaki, Isao Inouye: Spheroid bodies in rhopalodiacean diatoms were derived from a single endosymbiotic cyanobacterium. In: Journal of Plant Research. 124. Jahrgang, Nr. 1, 1. Januar 2011, ISSN 1618-0860, S. 93–97, doi:10.1007/s10265-010-0355-0, PMID 20512519, bibcode:2011JPlR..124...93N (englisch, springer.com).
  6. ↑ Takuro Nakayama, Ryoma Kamikawa, Goro Tanifuji, Yuichiro Kashiyama, Naohiko Ohkouchi, John M. Archibald, Yuji Inagaki: Complete genome of a nonphotosynthetic cyanobacterium in a diatom reveals recent adaptations to an intracellular lifestyle. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. 111. Jahrgang, Nr. 31, 5. August 2014, ISSN 0027-8424, S. 11407–11412, doi:10.1073/pnas.1405222111, PMID 25049384, PMC 4128115 (freier Volltext), bibcode:2014PNAS..11111407N (englisch).
  7. ↑ NCBI: Crocosphaera subtropica ATCC 51142, equivalent: Cyanothece sp. ATCC 51142, … (strain).
  8. ↑ Julia Prechtl, Christoph Kneip, Peter Lockhart, Klaus Wenderoth, Uwe-G. Maier: Intracellular Spheroid Bodies of Rhopalodia gibba Have Nitrogen-Fixing Apparatus of Cyanobacterial Origin. In: Molecular Biology and Evolution, Band 21, Nr. 8, 1. August 2004, S. 1477–1481; doi:10.1093/molbev/msh086 (englisch)-
  9. ↑ NCBI: Zehria sp. KO68DGA, heterotypic synonym: Gloeothece sp. KO68DGA.
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